半自动液压专用铣床液压系统设计

1概述

1．1 课题背景

现在工业机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术极其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。

广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度较快，年增长率平均在10%左右。2004年增长率达到闯记录的20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。

在自动化生产领域中，工业机械手是近几十年发展起来的。工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。
其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
机械手由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。

本课题是立式机床上专用于工件和零件的夹持和自动运转的装置，其运动自由度多，且有严格的动作顺序要求、用液压驱动可实现动作自动循环，利于自动化和高效率等要求。

1．2课题内容

本课题的基本内容是：

1）功能原理方案分析

2）液压系统原理图设计

3）液压系统的计算

4）油箱与执行元件工作图设计

5）编写计算说明书

1．3课题的意义

本课题所研究的立式机床的装夹装置属于工业机器人这一范畴，对它的研究实际上就是对工业机器人的研究。现在工业机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术极其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。

广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。

随着加工行业在我国的迅速发展，各行各业的自动化装备水平越来越高，现代化加工车间，常常配有机械手，以提高生产效率，代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。

1．4课题的创新点

采用手动换向阀变换夹持方式，既可以双夹持也可以单夹持。

2 机械制造技术毕业设计的基本任务与要求

2 .1、设计任务

（1）设计一个中等复杂的零件的加工工艺规程；

（2）设计一个专用夹具；

（3）编写设计说明书。

2 .2、毕业设计基本要求

（1）内容完整，步骤齐全。

（2）设计内容与说明书的数据和结论应一致，内容表达清楚，图纸准确规范，简图应简洁明了，正确易懂。

（3）正确处理继承与创新的关系。

（4）正确使用标准和规范。

（5） 尽量采用先进设计手段。

3 刀库的设计

刀库是带刀库自动换刀装置的主要部件之一，其容量形式、布局及具体结构对数控机床的性能有很大影响。

3.1确定刀库容量

决定刀库容量时，首先要考虑加工工艺的需要，同时还要调查分析同类型、相近规格的自动换刀机床的刀库容量及其发展趋势。由于带自动换刀装置的数控机床主要是在多品种、单件小批生产时使用，因而应根据广泛的工艺统计，依大多数工件加工时需要的刀具数来确定刀库容量。例如，对功能较为齐全的加工中心而言，它可承担多个工件的切削任务，因而要配备刀具的种类和规格较多。通常，配备的刀具越多，机床能加工工件的比率也越高，但它们并不是成正比例关系。图3-1为刀库容量与机床能加工工件的比率统计曲线。

刀库储存量过大，导致刀库的结构庞大而复杂,影响机床总体布局；储存量过小，则不能满足复杂零件的加工要求。因此，刀库容量应在经济合理的条件下，力图将一组类似的零件所需的全部刀具装入刀库，以缩短每次装刀所需的装调时间。对自动换刀数控机床的刀库容量，有关资料曾对15000个零件进行分组统计，指出不同工序加工时必须的刀具数不同，如图3-1所示。由图可知，4把铣刀可完成加工工件的95％左右的铣削工艺，10把孔加工刀具可完成70％的钻削工艺， 14把刀的容量就可完成70％以上工件的钻铣工艺，配有14—40把刀具的刀库就能够满足70％-95％工件的加工需要。因此，对XKA5032A/C数控立式升降台铣床，从使用和经济效率角度来看，容量为6的刀库就可满足要求了。

3.2确定刀库容量

由以上考虑XKA5032A/C数控立式升降台铣床的结构布局等原因，决定采用轴向放置的鼓盘式刀库形式。这种刀库结构简单，刀具排列较为紧凑，在刀库容理定为6的情况下体种不大，且取刀也较为方便，但需要考虑机械手的换刀动作空间。

3.3刀库结构设计

如刀库装配图所示，当数控系统发出换刀指令后，直流伺服电动机接通，其运动经过十字联轴器、波传动减速器、套筒式联轴器、蜗杆、蜗轮后，再经花键联接传到刀盘上，刀盘带动刀座上的6个刀套转动，完成选刀动作。

刀库装配图

3.4初估刀库驱动转矩及选定电机

刀库回转运动多数采用液压马达、直流电动机驱动，并没有降速传动装置。

3.4.1初选电动机与降速传动装置

刀库的驱动系统中，由于本刀库的驱动转矩小，且所需转速小，所以决定采用直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机具有体积小，重量轻、伺服性好、力能指标高等优点，且该电机可用信号电压进行无级调速。采用型号为90SZ03的SZ系列电磁式直流伺服电动机，其基本参数为：功率0.092KW，转速3000R/MIN（《袖珍机械师设计手册》P1275）；降速传动装置型号为XB3-50-100A的扁平式谐波传动减速器，其基本参数为：输入功率0.092KW，输出转矩18N·m（《袖珍机械师设计手册》P1078-1079）。

3.4.2初估刀库驱动转矩

由于刀库容量6，下面就以THK6363型自动换刀数控镗铣床的刀库为设计参考（查参考资料14），采用经验法初估回转所需转矩。

THK6363型自动换刀数控镗铣床的刀库也是采用轴向放置的鼓盘式刀库形式，其容量为36把刀具，最大刀具重达10kgf，刀库回转由最大扭矩为25N·m的液压马达经谐波减速器驱动。现在由于设计的刀库容量为6把刀具，可初估刀库驱动转矩(主要是指直接驱动刀盘转动的转矩)为T0=8N·m。

3.5刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动的设计

刀库的主运动是圆周回转运动，如图3-3所示,直流伺服电动机1通过弹性柱销联轴器与谐波传动减速器2联接减速后驱动蜗杆3,设计刀库转位机构的普通圆柱蜗杆传动. 由刀库转位机构实现。

己知直流伺服电动机1的功率为0.092KW,转速为3000R/MIN,谐波传动减速器2的传动比为100.传动效率为80%,1经2减速后驱动蜗杆3,蜗杆为主动,蜗轮为从动,要求传动此为6,单向旋转,单班工作制,预计寿命为5年.

图示3-3 刀库转位机构传动示意图

1)选择蜗杆传动类型

根据GB10085—88的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。

2)选择材料

蜗杆采用45钢，齿面淬火，硬度为45～50HRC；蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1，金属模铸造，=220 MPa，=220 MPa。

3)确定主要参数

蜗杆蜗轮传动，以蜗杆为主动，蜗轮为从动。为了提高传动效率，取Z1=6，传动比取6，单向旋转，单工作制，预计寿命为5年。则Z2= Z1ⅹi= 6ⅹ6=36。

4)按齿面接触疲劳强度设计

m2d1KT2 (mm3)

a)计算蜗轮轴转矩T2

初估传动效率η=0.95,则

T2=9549=9549η=9549ⅹ0.95=133.53 N·m

其中n1 =3000/100=30(r/min)

b)载荷系数K=1.05

c)许用接触应力

==220ⅹ0.9ⅹ1.48=293.04 MPa

式中, =220 MPa,

估计滑动速度<5m/s，用浸没润滑,则由(参考文献11) (P972图18—2)查得滑动速度影响系数=0.9,=1.48（其中=60at=60ⅹ1ⅹⅹ5ⅹ300ⅹ8=3.6ⅹ,按图18—3查得）；

d)计算m2d1值,并选定模数m和蜗杆分度圆直径d1

m2d1ⅹ1.05ⅹ133.53=283.46 mm3;

按表18—3查得模数m=3.15(mm), d1=35.5 (mm)

(m2d1值应大于计算值)

5)验算滑动速度

a)计算蜗杆速度

===0.0558 m/s

b)计算滑动速度

=/=0.0558/=0.0632 m/s

其中===,则初估的值合适。

6)验算蜗轮齿弯曲强度

验算公式为

a)使用系数=1

b)动载荷系数=1.03

c)载荷分布系数=1

d1=35.5 mm，=m=3.1536=113.4 mm,其中模数m=3.15(mm)。

d)蜗轮齿形系数=4.00

e)按蜗轮当量齿数=/=36/=52.34,由图17—2查得。

f)导程角系数=1-/120°=1-/120=0.766

g)许用弯曲应力

==700.542=37.94 MPa

h)计算弯曲应力

=22.132

由于<，故满足蜗轮轮齿强度条件。

7)计算蜗杆蜗轮的主要参数

a)分度圆直径

=35.5，=m=3.1536=113.4mm

b)中心距a

a=(++2m)/2=[35.5+113.4+2(-0.1349)3.15]/2=74 mm

c)蜗杆导程角

8)计算其他尺寸

a)蜗杆齿顶圆直径 =+2=35.5+23.15=41.8 mm，

其中为蜗杆齿顶高，且=m=3.15 mm；

b)蜗轮喉圆直径 =+2=113.4+20.86513.15=118.85 mm，

其中为蜗轮齿顶高，且=+=1-0.1349=0.8651 mm；

c)蜗轮外圆直径=+m=118.85+3.15=122 mm；

d)蜗杆齿宽 由于=6，故按结构设计，取=64 mm

e)蜗轮齿宽 0.67=0.6741.8 =28.006mm,取=28 mm；

f)蜗轮齿顶圆弧半径 =-m=-3.15=14.6 mm

g)蜗轮齿根圆弧半径 =+c=+0.2m=+0.23.15=21.53 mm；

h)蜗杆轴向齿厚 =/2==3.15/2=4.948 mm,其中为蜗杆轴向齿距；

i)蜗杆法向齿厚 ==4.948=4.368 mm；

j)蜗轮分度圆齿厚 =0.5=0.53.15=4.948 mm。

9)热平衡计算

蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果产生的热量不能及时地散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大磨擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热量等于同时间内的散热量的条件进行热功平衡计算，以保证油温稳定牌规定的范围内。

由于摩擦损耗的功率=（1-）kW,则产生的热流量（单位为1W=1j/s）为

=1000（1-）W

式中为蜗杆传递的功率（单位：kW）。

以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为

=kA(-)W

式中k——热导率，一般取k=8.7～17.5W(),环境空气流通较差时，取较小值，否则取较大值；

A——传动装置散热的计算面积，即内面被没浸溅的，而外面又被空气所能冷却的的箱壳面积（）；

——润滑油的工作温度，一般限制在60～70，最高不能超过80；

——周围环境温度，一般取室温=20。

按热平衡条件=，可求得在既定工作条件下的没温为

=+

在绘制传动装置结构图的基础上进行热平衡计算：

=0.09280=0.0736 kW

取=20,=0.95, k=10,并估算A=0. 006，则

=20+=81.33＞80

由于＞80,超过最高工作温度，所以必须采取一些散热措施，以提高散热能力，如在传动箱内装循环冷却管路。

3.6刀库驱动转矩的校核

蜗轮转速=5r/min,所能传递的功率为P=0.092800.95=0.07 Kw,此时刀库的驱动转矩为：T===120.3N·m＞T0=8N·m，其中=0.9为外花键带动刀盘回转的传动效率。由于T＞T0，所以，刀库驱动转矩满足要求。

3.7刀库驱动转矩的校核

在刀库的传动系统中，刀盘是利用花键联接带动刀座上的刀套转动而进行选刀的，花键的联接属于动联接。已知所用的花键类型为渐开线花键d=26mm,以下对其进行必要的强度计算。计算公式如下：

p=[p]MPa 式中:

T——转距（N·mm），此处T=120.3N·m=120.31000N·mm；

——各齿间载荷不均匀系数，通常取=0.70.8，此处取=0.75；

z——齿数，此处z=6；

——齿的工作高度（mm），对渐开线花键，=m,此处m为模数，且取m=1.5mm；

——齿的工作长度（mm），此处=48mm；

——平均直径（mm），对渐开线花键，此处=d=26mm。

于是，把数据代入计算公式，得p===28.6MPa

由于该花键联接为不在载荷作用下移动的动联接，查表9-13可知，若齿面经热处理且使用和制造情况为良好时，[p]可达4070 MPa，p[p],故花键联接的强度满足要求。

3.8夹紧机构插销剪切强度的校核

刀套在刀座上的夹紧由插销实现（见刀库装配图）。插销承受的主要是剪切力，以下对单个插销进行剪切强度的校核。

插销材料为45钢，[]=60MPa,直径d=6mm。

剪切力由重力引起，估算P=100N,插销受力如图所示。

由图可知该情况为双剪切，且由平衡方程易得Q=P/2,

于是，插销横截面上的剪切力为

= Q/A=(100)/[]=1.8MPa[]

故插销满足强度条件要求。

3.9确定刀具的选择方式

按数控装置的刀具指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中选择刀具通常采用两种方式。

1)顺序选择刀具 2)任意选择刀具

3.10刀库的定位与刀具的松夹

刀库旋转定位是依靠简易定位装置来实现的。其控制过程示意图如下：

刀库的定位是由接近开关使直流伺服电机停止转动，然后由双向液压带动定位销6，插入刀座5上的定位孔，实现精确定位。在刀座5的每一个刀位上都装有如图所示的弹簧、导柱3、键块1和销2所组成的刀具固定装置。由此实现刀具在刀库上的固定锁紧。图中所示为刀具卡在刀座上的状况。当液压缸4通油后，将导柱3拉出，使销2退出，此时刀具在刀座上处于自由状态，控制刀具固定装置的液压缸4有两个，一个和定位销在一起，自动换刀时用，另一个在靠近立柱方向，用于刀库手动装卸刀。

刀库定位示意图

4 刀具交换装置的设计

数控机床的自动换刀装置中,实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为两种: 一种是采用机械手交换刀具, 另一种是由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换即无机械手交换刀具。无机械手交换刀具方式：结构简单，成本低，换刀的可靠性较高；刀库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。刀具的交换方式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。由XKA5032A/C数控立式升降台铣床的结构特性决定难以实现由刀库与机床主轴的相对运动来实现刀具交换，故采用机械手交换刀具的方式。

机械手是当主轴上的刀具完成一个工步后，把这一工步的刀具送回刀库，并把下一道工步的所需要的刀具从刀库中取出并装入主轴继续进行加工的功能部件。对机械手的具体要求是迅速可靠，准确协调。

4.1确定换刀机械手形式

在自动换刀数控机床中，换刀机械手的形式是多种多样的，常见的有以下几种。

1)两手呈180°的回转式单臂双手机械手；

图4-1 机械手臂和手爪

1.手爪 2.锥销 3.手臂 4.5.弹簧 6.活动销 7.长销 8.锁紧销

2)两手互相垂直的回转式单臂双手机械手

3)两手平行的回转式单臂双手机械手；

4)双手交叉式机械手；

由于不同的数控机床（加工中心）的刀库与主轴的相对位置不同。所以各种数控机床所使用的换刀机械手也不尽相同。

上图是两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的结构示意图。

这种机械手的优点是换刀动作可靠，换好时间短，缺点是刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。

一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置，因此，在X51A立式铣床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。

4.2换刀机械手的工作原理

下面是以在X51A立式铣床的自动换刀装置中采用这种上机械手换刀的工作原理。

该机械手安装在主轴的左侧面，随同主轴箱一起运动。机械手由机械手臂与45°的斜壳体组成。机械手臂1形状对称。固定在回转轴4上，回转轴与主轴成45°角，安装在壳体3上，5为手臂托，可由液压缸带动（图中未标出），机械手有伸缩、回转、抓刀、松刀等动作。

伸缩动作：液压缸（图中未标出）带动手臂托架5沿主轴轴向移动。

回转动作：液压缸2中的齿条轮通过齿轮带动回转轴4转动。从而实现手臂正向和反向180°的旋转运动。

抓刀、松刀动作：机械手对刀具的夹紧和松开是通过液压缸6。碟形弹簧7及拉杆8、杠杆9、活动爪10来实现。碟形弹簧实现夹紧，液压缸实现松开。在活动爪中有两个销子11，当夹紧刀具时，插入刀柄凸缘的孔内，确保安全、可靠。

4.3机械手的自动换刀过程的动作顺序

（a） （b） （c） （d）

图4-6 换刀机械手的换刀过程

自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。

选刀即刀库按照选刀命令（或信息）自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面换刀做好准备，换刀即是机械手把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴之上。

换刀动作的大致过程为：

1)主轴箱回到最高处（z坐标零点），同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。

2)机械手抓住主轴和刀库上的刀具。如图4-6（a）所示。

3)把卡紧在主轴和发库上的刀具松开

4)活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具

5)机械手回转180°，交换刀具位置，

6)将更换后的刀具装入主轴和刀库

7)分别夹紧主轴和刀库上的刀具

8)机械手松开主轴和刀库上的刀具

9)当机械手松开具后，限位开关发出“换刀完毕”的信号，主轴自由，可以开始加工或其他程序动作。

在自动换刀的整个过程中，各项运动均由限位开关控制，只有前一个动作完成后，才能进行下一个动作，从而保证了运动的可靠性。

4.4机械手回转轴4上的齿轮齿条设计

1)回转轴上齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮形式

2)取模数M=1。5。初取齿数z=30

3)下表为齿轮几何尺寸设计的基本参数：

4)齿条的基本尺寸，按外齿轮几何尺寸的计算公式进行计算

4.5自动换刀装置的相关技术要求

4.5.1主轴准停装置

为了传递扭矩，在主轴的前端装有端键，当刀具刀柄装入锥孔时，刀柄上的键槽位置必须与该键对准才能装入。当机械手从刀库取刀时，为了确保刀具其后能顺利地装入主轴锥孔中，必须使主轴准确地停在刀具交换位置上。同时，由于工艺上的需要，也必须使主轴准停在固定位置上。这种使主轴端在定位键停在固定位置的技术要求称为主轴准停。

XKA5032A/C数控立式升降台铣床的自动换刀装置，在每次自动装卸刀具时，都必须要求主轴准确地停止在固定的周向位置上。因此，可在主轴上安装电气控制的主轴准停装置以实现主轴准停功能。

4.5.2换刀机械手的安装与调试

1)换刀机械手安装在主轴箱的左侧面，加工零件时，换刀机械手随主轴箱一起上下运动。

2)当初装上换刀机械手后，必须进行调试：用手动操纵主式调整换刀机械手相对于主轴的位置，使用调整心棒，有误差时可调整机械手行程、刀库位置、机械手支座、修正主轴坐标原点等。安装最大重量刀具时，要进行多次刀库到主轴位置的自动交换，使机械手换刀时做到准确无误，无撞击。

4.6自动换刀程序的编制

1)换刀动作（指令）：选刀（T××）；换刀（M06）

2)选刀和换刀通常分开进行。

3)为提高机床利用率，选刀动作与机床加工动作重合。

4)换刀指令M06必须在用新刀具进行切削加工的程序段之前，而下一个选刀指令T常紧跟在这次换刀指令之后。

5)换刀点：多数加工中心规定在机床Z轴零点（Z0），要求在换刀前用准备功能指令（G28）使主轴自动返回Z0点。

6)换刀过程:接到T××指令后立即自动选刀，并使选中的刀具处于换刀位置，接到M06指令后机械手动作，一方面将主轴上的刀具取下送回刀库，另一方面又将换刀位置的刀具取出装到主轴上，实现换刀。

7)换刀程序编制方法

a)主轴返回参考点和刀库选刀同时进行，选好刀具后进行换刀。

…

N02 G28 Z0 T02 Z轴回零，选T02号刀；

N03 M06 换上T02号刀

…

缺点：选刀时间大于回零时间时，需要占机选刀。

b)在Z轴回零换刀前就选好刀

…

N10 G01 X_ Y_ Z_ F_ T02 直线插补，选T02号刀

N11 G28 Z0 M06 Z轴回零，换T02号刀

…

N20 G01 Z_ F_ T03 直线插补，选T03号刀

N30 G02 X_ Y_ I_ J_ F_ 顺圆弧插补

c)有的加工中心（TH5632）换刀程序与上略不同

机械制造及自动化专业毕业论文--半自动液压专用铣床液压系统设计