套類零件自動上下料機構(gòu)設(shè)計,零件,自動,上下,機構(gòu),設(shè)計 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 套類零件自動上下料機構(gòu)設(shè)計 設(shè)計者：李富友 摘　要 　　針對數(shù)控車床設(shè)計的一種套類零件自動上下料機構(gòu)，實現(xiàn)了坯料的抓取、自動定位、夾緊以及工件的回放。該機構(gòu)主要由自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手，動力及控制系統(tǒng)組成。零件的自動定位、夾緊由彈簧漲胎心軸實現(xiàn)，漲胎心軸是以工件的內(nèi)孔表面定位，由氣缸驅(qū)動彈性筒夾向外擴漲，實現(xiàn)工件的定位和夾緊的。坯料、工件的拾取、回放是由單臂形式的機械手通過伸縮、旋轉(zhuǎn)以及俯仰等運動實現(xiàn)的，這些運動均由氣缸驅(qū)動獲得。本設(shè)計中，為實現(xiàn)工件的自動上下料，單臂機械手的運動與漲胎心軸的張合需進(jìn)行緊密配合?？紤]到所夾持工件的實際尺寸、質(zhì)量等因素，本機構(gòu)采用氣動、電氣控制實現(xiàn)了坯料和工件的拾取、安裝、回放過程的自動完成。 　　關(guān)鍵詞： 自動上下料；氣動機械手；氣動夾具；套類零件 Abstract This paper is aimed at designing a sleeve parts automatic baiting agencies for a CNC lathe.Its function is processing the crawls, automatic positioning and clamping of the workpiece.The automatic baiting agencies mainly consist of the automatic fixture, the manipulator for picking up the workpiece and billets and the drive and control system.Among them,the automatic positioning and clamping of the sets parts is achieved by the axis fetal heart rate rising to the workpiece centering hole.When clamping the workpiece,flexible tube folder can center and clamp the cylindrical hole through the expansion and inflation;blank grasping of the workpiece and the intervals are achieved by the manipulator arm by stretching and rotating.In the issue,it is necessary for the movements of the manipulator arm and the automatical fixture Zhang to require the coordination.Taking into account that the actual workpiece size,the quality and the various features of the driven approach to the system,we decide to adopt the aerodynamic control,using compressed air to achieve the movements of the clamping fixture and manipulator. Keywords:Automatic baiting;Pneumatic manipulator;Pneumatic fixture;sleeve parts 42 目　錄 摘 要 I Abstract Ⅱ 第1章　概述 1 1.1 自動上下料機構(gòu)設(shè)計的背景與目的 1 1.2 自動上下料機構(gòu)設(shè)計的意義 3 第2章 總體方案設(shè)計 4 2.1 方案設(shè)計概述 4 2.2 驅(qū)動方式的確定 5 2.3　CK6140型數(shù)控車床的主要參數(shù) 8 2.4 總體方案設(shè)計 9 2.5 本章小結(jié) 11 第3章 夾具設(shè)計 12 3.1 機床夾具設(shè)計概述 12 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3.3 氣動夾緊裝置設(shè)計計算 17 3.4 本章小結(jié) 19 第4章 機械手設(shè)計 20 4.1 運動分析 20 4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 4.3 本章小結(jié) 31 第5章 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計 33 5.1 氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的擬定 33 5.2 電氣控制設(shè)計 34 5.3 本章小結(jié) 36 結(jié) 論 37 致　謝 38 參考文獻(xiàn) 38 第1章　概述 1.1 自動上下料機構(gòu)設(shè)計的背景與目的 數(shù)控機床是一種以數(shù)字量作為指令信息、形式，通過電子計算機或?qū)Ｓ糜嬎銠C裝置控制的機床，是在機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活而高效的自動化機床，在機械行業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，因為它具有如下的特點： （1） 適應(yīng)性強 適應(yīng)性即所謂的柔性，是指數(shù)控機床隨生產(chǎn)對象變化而變化的適應(yīng)能力。在數(shù)控機床上進(jìn)行產(chǎn)品加工，當(dāng)產(chǎn)品改變時，僅僅需要改變數(shù)控設(shè)備的輸入程序（即工作程序，又稱用戶軟件）就能適應(yīng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，而不需改變機械部分和控制部分的硬件，而且生產(chǎn)過程是自動完成的。這一點不僅滿足了當(dāng)前產(chǎn)品更新、更快的市場競爭需要，而且較好的解決了單件、小批量、多變產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)問題。適應(yīng)性強是數(shù)控機床最突出的優(yōu)點，也是數(shù)控機床得以生產(chǎn)和迅速發(fā)展的主要原因。 （2）能實現(xiàn)復(fù)雜的運動 普通機床難以實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn)軌跡為三次以上的曲線或曲面的運動，如螺旋槳、汽輪機葉片之類的空間曲面; 而數(shù)控機床則可以實現(xiàn)幾乎是任意軌跡運動和任何形狀的空間曲面，適用于復(fù)雜異型零件的加工。 （3）加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定 數(shù)控機床是按照預(yù)定程序自動工作的，一般情況下工作過程不需要人工干預(yù)，這就消除了操作者認(rèn)為生產(chǎn)的誤差。在設(shè)計制造設(shè)備主機時，通常采取了許多措施，使數(shù)控設(shè)備的機械部分達(dá)到較高的精度。數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量可達(dá)0.01—0.00002mm, 同時，可以通過實現(xiàn)檢測反饋修正誤差或補償來獲得更高的精度。因此，數(shù)控機床可以獲得比機床本身精度更高的加工精度。尤其提高了同批零件生產(chǎn)的一致性 ，使產(chǎn)品質(zhì)量獲得穩(wěn)定的控制。 （4）生產(chǎn)效率高 數(shù)控機床比普通機床的生產(chǎn)效率能高出許多倍。尤其對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可提高十幾倍甚至幾十倍。其原因如下： ①數(shù)控機床具有較高的剛性，可采用較大的切削用量，有效地減少了加工中的切削時間。 ②具有自動變速、自動換刀河其他輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗和測量，使輔助時間大為縮短。 ③工序集中、一機多用的數(shù)控加工中心，在一次裝夾工件后幾乎可以完成零件的全部加工，這樣不僅可減少裝夾誤差，還可減少半成品的周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率的提高更為明顯。 ④減輕勞動強度，改善勞動條件 數(shù)控機床的工作是按預(yù)先編制好的加工程序自動連續(xù)完成的，操作者除輸入加工程序及相關(guān)的操作之外，不需進(jìn)行繁重的重復(fù)手工操作，勞動條件和勞動強度大為改善。 ⑤有利于科學(xué)的生產(chǎn)管理 采用數(shù)控機床能準(zhǔn)確地計算產(chǎn)品生產(chǎn)工時，并有效地建華檢驗、工夾具和半成品的管理工作。數(shù)控機床采用標(biāo)準(zhǔn)的信息代碼輸入，這樣有利于于計算機連接，構(gòu)成由計算機控制和管理的生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理的自動化。 數(shù)控機床與普通機床相比具有許多優(yōu)點，其應(yīng)用范圍正在不斷擴大，但目前它并不能完全替代普通機床，也還不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機械加工中的所有問題。在實際選用時，一定要充分考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控機床最適合加工具有以下特點的零件： （1）多品種小批量生產(chǎn)的零件。 （2）形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件。 （3）需要頻繁改型的零件。 （4）價格昂貴，不允許報廢的關(guān)鍵零件。 （5）需要最短周期制作的急需零件。 （6）批量較大精度要求很高的零件。 由于數(shù)控機床的自動化程度、生產(chǎn)效率都很高，可最大限度地減小操作工人。因此，大批量生產(chǎn)的零件采用數(shù)控機床加工，在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。 車床主要是用于車削加工，在機床上一般可以加工各種回轉(zhuǎn)表面，如內(nèi)外圓柱面、圓錐面、成形回轉(zhuǎn)表面及螺紋表面等。在數(shù)控車床上還可以加工高精度的曲面與端面螺紋。用的刀具主要是車刀、各種孔加工工具（鉆頭、鉸刀、鏜刀等）及螺紋刀具。車床主要用于加工各種軸類、套筒類和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。數(shù)控車床加工零件的尺寸精度可達(dá)IT5~IT6，表面粗糙度可達(dá)1.6μm以下。 數(shù)控車床的種類很多，各種臥式車床都有數(shù)控化的。數(shù)控車床主要可分為數(shù)控臥式車床、數(shù)控立式車床和數(shù)控專用車床（數(shù)控凸輪車床、數(shù)控曲軸車床、數(shù)控絲杠車床等）；或分為普通數(shù)控車床和車削加工中心。 數(shù)控車床與臥式車床相比，有以下幾個特點： 　?。?）高精度 數(shù)控車床控制系統(tǒng)的性能不斷提高，機械結(jié)構(gòu)不斷完善，機床精度日益提高。 （2）高效率 隨著新刀具材料的應(yīng)用和機床結(jié)構(gòu)的完善，數(shù)控車床的加工效率、主軸轉(zhuǎn)速、傳動功率不斷提高，使得新型數(shù)控車床的空轉(zhuǎn)動時間大為縮短。其加工效率比臥式車床高2~5倍。加工零件形狀越復(fù)雜，越體現(xiàn)出數(shù)控車床的高效率加工特點。 （3）高柔性 數(shù)控車床具有高柔性，適應(yīng)70%以上的多品種、小批量零件的自動加工。 （4）高可靠性 隨著數(shù)控系統(tǒng)的性能提高，數(shù)控車床的無故障工作時間迅速提高。 （5）工藝能力強 數(shù)控車床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次裝夾中完成零件全部或大部分工序。 （6）模塊化設(shè)計 數(shù)控車床的設(shè)計多采用模塊化原則設(shè)計。 現(xiàn)在，數(shù)控車床技術(shù)還在不斷向前發(fā)展著。隨著數(shù)控系統(tǒng)，機床結(jié)構(gòu)和刀具材料的技術(shù)發(fā)展，數(shù)控車床將向高速化發(fā)展，進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速、刀具快速移動以及轉(zhuǎn)位換刀速度；工藝和工序?qū)⒏訌?fù)合化和集中化；數(shù)控車床向多主軸、多刀架加工方向發(fā)展；為實現(xiàn)長時間無人化全自動操作，數(shù)控車床向全自動化方向發(fā)展；機床的加工精度向更高方向發(fā)展。同時，數(shù)控車床也向簡易型發(fā)展。 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多重體力勞動必將有機器代替，這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。隨著機械制造業(yè)的日益發(fā)展和數(shù)控車床的普及使用，工件的裝夾往往成為制約提高加工效率的主要原因，而普通車床常用的夾緊送料方式是采用手工送料，利用裝在機床主軸法蘭上的三爪卡盤或四爪卡盤進(jìn)行夾緊工件，裝夾時間較長，工人的勞動強度大。對于數(shù)控車床而言，人工裝夾時間往往比加工時間還長，為此，在數(shù)控車床上曾開發(fā)出液壓或電機夾緊送料裝置。液壓夾緊裝置雖然體積小，但必須每臺車床配備一套液壓站，所以其成本較高，且送料機構(gòu)采用重物提拉方法，結(jié)構(gòu)大，占用地方多，另外液壓站使用的介質(zhì)為液壓油，維護(hù)保養(yǎng)時易污染環(huán)境等。電機夾緊裝置的體積較液壓夾緊裝置稍微大些，較經(jīng)濟(jì)，但一般只有夾緊裝置而只有送料裝置，使數(shù)控車床無法實現(xiàn)自動連續(xù)工作，從而降低了數(shù)控車床的加工效率。 套類零件自動上下料機構(gòu)主要包括自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手，動力及控制系統(tǒng)。在數(shù)控車床加工過程中，該機構(gòu)用于實現(xiàn)坯料的抓取、自動定位夾緊以及工件的回放等功能，可以實現(xiàn)數(shù)控車床的自動連續(xù)工作，操作簡便，大幅度提高了工作效率和加工的自動化程度。 1.2 自動上下料機構(gòu)設(shè)計的意義 該自動上下料機構(gòu)利用壓縮空氣作為動力源，取之不盡，用之不竭，可以節(jié)約能源，氣體不易堵塞流動通道，用過后可隨時排入，不污染環(huán)境，成本較低，維護(hù)保養(yǎng)容易氣動動作迅速，反應(yīng)快，氣動機械手與氣動夾具相互配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控車床的自動連續(xù)工作，從而提高了加工成本，降低了工人的勞動強度。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1 方案設(shè)計概述 機械產(chǎn)品的設(shè)計過程由三個相互影響的步驟組成，稱為方案設(shè)計階段（或稱概念設(shè)計階段）、技術(shù)設(shè)計階段（或稱初步設(shè)計階段）和施工設(shè)計階段（或稱詳細(xì)設(shè)計階段）。 2.1.1 方案設(shè)計 方案設(shè)計階段的主要任務(wù)是根據(jù)計劃任務(wù)書，在經(jīng)調(diào)研進(jìn)一步確定設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)造性思維和試驗研究，，克服技術(shù)難關(guān)，經(jīng)過分析、綜合與技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，使構(gòu)思和目標(biāo)完善化，從而確定出產(chǎn)品的工作原理與總體設(shè)計方案。2.1.1.1 明確設(shè)計要求 設(shè)計要求主要是功能要求、使用性能要求、工況適應(yīng)性要求、宜人性要求、外觀要求、環(huán)境適應(yīng)性要求、工藝性要求、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)化要求、經(jīng)濟(jì)性要求等等。 2.1.1.2 功能分析 技術(shù)系統(tǒng)是由構(gòu)造體系和功能體系構(gòu)成的。建立構(gòu)造體系是為了實現(xiàn)功能要求。對技術(shù)系統(tǒng)從功能體系入手進(jìn)行分析，有利于擺脫現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的束縛，形成新的更好的方案。功能分析的目標(biāo)是通過分析，建立對象系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，通過局部功能的聯(lián)系，實現(xiàn)系統(tǒng)的總功能。功能分析過程是設(shè)計人員初步醞釀功能原理設(shè)計方案的過程。這個過程往往不是一次能夠完成的，而是隨著設(shè)計工作的深入進(jìn)行不斷修改、完善。 2.1.1.3 功能原理設(shè)計 此階段的落腳點是為不同的功能、不同的工作原理、不同的運動規(guī)律匹配不同的結(jié)構(gòu)，這就是通常所說的型、數(shù)綜合，而且通過上述的排列組合，會出現(xiàn)非常多的功能原理解，產(chǎn)生很多的運動方案，這就為優(yōu)選方案提供了基礎(chǔ)。 2.1.2 技術(shù)設(shè)計 技術(shù)設(shè)計的任務(wù)是在功能原理設(shè)計所取得的優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，使原理構(gòu)思轉(zhuǎn)化為具有實用水平的具體結(jié)構(gòu)，其中包括確定基本技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行總體布局設(shè)計和結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計。對所設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)滿足如下要求：制造和維護(hù)經(jīng)濟(jì)、操縱方便安全、可靠性高、使用壽命合理。為了達(dá)到這些要求，零件應(yīng)滿足強度、剛度、抗振性、耐磨性、耐熱性和工藝性等原則。 2.1.2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) （1）主要尺寸參數(shù) 工作尺寸標(biāo)志著機械的工作范圍和主要性能，一般包括工作尺寸、外形尺寸、工作裝置尺寸等。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品需滿足的工藝要求及尺寸范圍來確定。 （2）質(zhì)量參數(shù) 包括整機質(zhì)量、各主要部件質(zhì)量、質(zhì)心位置等。 （3）功率參數(shù)（包括運動參數(shù)、動力參數(shù)） 機械的運動參數(shù)有移動速度、加速度和調(diào)速范圍等，主要取決于機器要實現(xiàn)的工藝要求。機器的動力參數(shù)包括承載力、原動機功率。工作裝置是載荷直接作用的構(gòu)件，力參數(shù)是其設(shè)計計算的依據(jù)，也是機械性能的主要標(biāo)志。原動機功率反映了機械的動力級別，它與其他參數(shù)有函數(shù)關(guān)系，常是機械分級的標(biāo)志，也是機械中各零部件的尺寸設(shè)計計算的依據(jù)。 （4）技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 包括機械的生產(chǎn)率，機械的精度、效率、壽命、成本等。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是評價機械設(shè)備性能優(yōu)劣的主要依據(jù)，也是設(shè)計應(yīng)達(dá)到的基本要求。 2.1.2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是依據(jù)所確定的原理方案，在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上給出具體的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是明確（功能明確、工作原理明確、使用工況及應(yīng)力狀態(tài)明確）、簡單、安全（結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全、功能安全、運行安全、工作安全和環(huán)境安全）。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理提供了用具體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定功能的策略和方法。 2.2 驅(qū)動方式的確定 驅(qū)動系統(tǒng)是帶動操作機各運動副的動力源，常用的驅(qū)動方式包括電動機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種。 2.2.1 電動機驅(qū)動 電動機驅(qū)動是利用各種類型的電動機經(jīng)過機械傳動（或直接）驅(qū)動操作機構(gòu)以獲得各種運動。其應(yīng)用類型大致可分為普通交、直流電動機驅(qū)動、直流伺服電動機驅(qū)動、交流伺服電動機驅(qū)動、步進(jìn)電動機驅(qū)動等。 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進(jìn)電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高。電力驅(qū)動因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、起動力矩大等優(yōu)點而被廣泛選用。 2.2.2 氣壓驅(qū)動 氣壓傳動是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號傳遞的。氣壓傳遞的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)化為壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運動或回轉(zhuǎn)運動形式的機械能，從而完成各種動作，并對外做功。 氣動技術(shù)在國外發(fā)展很快，在國內(nèi)也被廣泛應(yīng)用于機械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。氣動機械手、組合機床、加工中心、生產(chǎn)自動線、自動檢測和實驗裝置等已大量涌現(xiàn)，它們在提高生產(chǎn)效率、自動化程度、產(chǎn)品質(zhì)量、工作可靠性和實現(xiàn)特殊工藝等方面顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。這主要是因為氣壓傳動與機械、電氣、液壓傳動傳動相比有以下特點。 氣壓傳動的優(yōu)點： （1）工作介質(zhì)是空氣，與液壓油相比可節(jié)約能源，而且取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動通道，用過后可將其隨時排入大氣中，不污染環(huán)境； （2）空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸。且溫度變化時，對空氣的粘度影響極小，故不會影響傳動性能； （3）空氣的粘度很?。s為液壓油的萬分之一），所以流動阻力小，在管道中流動的壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送； （4）相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應(yīng)快，一般只需0.02～0.3s就可達(dá)到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動速度一般為1～5m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時甚至達(dá)到音速，排氣時還達(dá)到超音速； （5）氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變； （6）氣動元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行2000～4000萬次； （7）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越； （8）氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護(hù)方便，過載能自動保護(hù)。 氣壓傳動的不足之處： （1）由于空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差，外載變化時，對工作速度的影響較大； （2）由于工作壓力低，氣動裝置的輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多。氣壓傳動裝置的輸出力不宜大于10～40kN； （3）氣動裝置中的信號傳遞速度比光、電控制速度慢，所以不宜用于信號傳遞速度要求十分高的復(fù)雜線路中。同時實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的遙控也比較困難，但對一般的機械設(shè)備，氣動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的； （4）噪聲較大，尤其是在超音速排氣時要加消聲器。 在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其中不少氣動系統(tǒng)應(yīng)用于機器人，多用于開關(guān)控制和順序控制的機器人。氣動執(zhí)行元件既有直線氣缸也有旋轉(zhuǎn)氣動馬達(dá)。 氣動系統(tǒng)的工作介質(zhì)是壓縮空氣，氣動控制閥簡單、便宜，而且工作壓力也低的多。多數(shù)氣動驅(qū)動用來完成擋塊間的運動。氣動系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一就是操作簡便、易于編程，所以可以完成大量的點位搬運操作的任務(wù)。但是用氣壓伺服實現(xiàn)高精度很困難。不過在能滿足精度的場合，氣壓驅(qū)動在所有的機器人及機械手中是重量最輕的，成本也最低。氣壓系統(tǒng)的動力源由高質(zhì)量的空氣壓縮機提供。這個氣源可經(jīng)過一個公用的多路接頭為所有的氣動模塊所共享。安裝在多路接頭上的電磁閥控制通向各個氣動元件的氣流量。 綜上所述，并結(jié)合具體設(shè)計的上下料機構(gòu)抓取工件的尺寸、大小等，本設(shè)計最終采用氣壓驅(qū)動。 2.3　CK6140型數(shù)控車床的主要參數(shù) 床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑 400 mm 最大車削長度 1000 mm 中心高 205 mm 主軸頭形成 6#C型 主軸錐孔 莫式6號 主軸孔徑 52 mm 主軸轉(zhuǎn)速范圍 100～2500r/min 機床輪廓尺寸 長度 2265 mm 寬度 1050 mm 高度 1466 mm 主軸線與床身邊緣的間距 300 mm 主軸線距地面高度 1100 mm 床頭箱長度 610 mm 2.4 總體方案設(shè)計 　　機床的上下料，是指將毛坯送到正確的加工位置及將加工好的工件從機床上取下的過程。按自動化程度，機床的上下料裝置分為人工上下料裝置和自動上下料裝置兩類。人工上下料通常借助傳送滾道或起重機等設(shè)施，通過人工操作進(jìn)行機床的上下料。這類操作需要較長時間，耗費體力，主要適用于單件小批生產(chǎn)或大型的活外形復(fù)雜的工件。在大批大量生產(chǎn)中，為了縮短上下料時間，提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強度，通常采用自動化的上下料裝置，如料倉式、料斗式、上下料機械手或機器人等。 　　本設(shè)計所需要完成的針對數(shù)控車床的自動上下料機構(gòu)，主要實現(xiàn)的功能是坯料的抓取、自動定位、夾緊和工件的回放。設(shè)計者決定采用單臂機械手，由它的旋轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運動來完成上下料。 　　機械手是一種能模仿人手的某些工作機能，按照程序要求實現(xiàn)抓取和搬運工件，或完成某些勞動作業(yè)的機械自動化裝置。有時也稱為操作機或工業(yè)機器人。上下料機械手依據(jù)其安放位置可以分為內(nèi)裝式、附裝式和單置萬能式機器人三類形式。按照其是否移動又分為固定式和行走式兩類機器人。 　　固定式機器人由于本體是固定的，它只能借助其臂部在可活動范圍內(nèi)進(jìn)行上下料作業(yè)，它的傳送距離九受到一定限制。如果能自動更換手部，它就可以抓取工件、刀具或夾具等實現(xiàn)多種操作，是一種具有較大柔性的傳送裝備。 固定式機器人可分為服務(wù)于多臺機床與固定機床兩類。將小型機器人直接安裝在機床的側(cè)面或上部，使它具有搬運與裝卸工件所必需的最低限度的運動自由度，可用CNC裝置控制機器人的動作。 行走式機器人又稱移動式機器人，具有較大的活動范圍。 隨著柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展，工業(yè)機器人在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。工業(yè)機器人可以在數(shù)控機床與工件臺架之間完成工件的傳送任務(wù)；也可以在兩三臺數(shù)控車床之間，以及與工件臺架之間完成復(fù)雜的工件傳送任務(wù)；還可以完成刀具交換、夾具交換甚至裝配等任務(wù)。它將加工與裝配、成品與毛坯、工件、刀具和夾具等有機的聯(lián)系起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。應(yīng)該指出的是，工業(yè)機器人在這里僅用于上下料，它當(dāng)然比焊接、噴漆機器人的功能要求要簡單一些。 針對數(shù)控車床的自動上下料機構(gòu)，實現(xiàn)的功能是坯料的抓取、自動定位、夾緊和工件的回放。本機構(gòu)采用單臂機械手，由它的旋轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運動來完成上下料。同時設(shè)計一氣動彈簧漲胎心軸實現(xiàn)工件的自動定心夾緊與松開。機械手與氣動夾具相互配合完成數(shù)控機床的自動化加工。上下料系統(tǒng)包含料臺放出一個套類工件、氣動機械手抓取工件，送入機床夾具內(nèi)然后退回到一定位置，等到工件加工完之后，氣動機械手動作抓取零件放回料臺，這些動作都用電磁鐵和行程開關(guān)實現(xiàn)簡單的開關(guān)控制。從而完成上下料的總過程。機械手上下料與機床彈簧漲胎心軸的松開、夾緊及車刀運動有聯(lián)鎖關(guān)系，其程序如下：隔料器放出一個工件——機械手手臂伸出到指定位置——開關(guān)發(fā)出信號、手爪夾緊工件——機械手手臂上仰到指定高度——開關(guān)發(fā)出信號、機械手逆時針旋轉(zhuǎn)180°將工件送到彈簧漲胎心軸上——開關(guān)發(fā)出工件到位信號——彈簧漲胎心軸外漲夾緊工件——機械手手爪松開工件——開關(guān)發(fā)出信號、手臂縮回——行程開關(guān)發(fā)出信號、手臂俯下——加工工件——開關(guān)發(fā)出信號、機械手手臂上仰到指定高度——開關(guān)發(fā)出信號、手臂伸出到指定位置——手爪夾緊工件——開關(guān)發(fā)出信號、夾具松開——開關(guān)發(fā)出信號、機械手順時針旋轉(zhuǎn)180°將工件放回料臺——機械手回到初始位置——隔料器放出下一個工件——機械手再完成工件的上下料——循環(huán)。 1—料臺?。病肿Α。场炜s缸?。础獢?shù)控機床?。怠蹈住。丁D(zhuǎn)缸 　　　　　　　　　　圖２-1　上下料系統(tǒng)簡圖 根據(jù)數(shù)控機床的機構(gòu)參數(shù)可知，料臺高800 mm，料臺和機床主軸線之間的距離為1800mm。如圖2-1所示，數(shù)控機床與料臺平行布置；單臂形式的氣動機械手置于車床與料臺的中間位置，固定在平臺上；彈簧漲胎心軸安裝在數(shù)控機床的主軸上，隨主軸一起旋轉(zhuǎn)?？紤]到機械手的工作空間和人工操作空間，通過定性的分析，按下開關(guān)，啟動工作后，機械手手臂在伸縮氣缸3的驅(qū)動下伸長347mm，手爪2在氣缸驅(qū)動下夾緊料臺上的一個工件后，時間繼電器發(fā)出信號，機械手手臂由位于其正下方的升降氣缸5驅(qū)動，上仰一定角度，使得手爪所抓取工件的中軸線上升300mm，此時升降缸5上升28mm。手臂到位后，行程開關(guān)發(fā)出信號，機械手在旋轉(zhuǎn)缸6的驅(qū)動和行程開關(guān)的控制下逆時針旋轉(zhuǎn)180°。這樣，機械手手臂伸向數(shù)控機床的主軸方向，將工件直接送入車床夾具。彈簧漲胎心軸外漲夾緊工件后，手爪在氣缸驅(qū)動下松開工件，在時間繼電器和行程開關(guān)的控制下，機械手手臂縮回、下俯并且停止到安全位置。數(shù)控機床開始加工工件，加工完畢后，時間繼電器發(fā)出信號，在行程開關(guān)控制下，升降缸5上升28mm，使得機械手臂上仰一定角度，手臂在伸縮缸3的驅(qū)動下再次伸長347mm，手爪2在氣缸驅(qū)動下夾緊已加工完的工件，夾具松開，時間繼電器發(fā)出信號，在行程開關(guān)控制下，機械手由旋轉(zhuǎn)缸6驅(qū)動順時針旋轉(zhuǎn)180°后回到料臺方向。手臂隨著升降缸5的下降而俯下，手爪在氣缸驅(qū)動下松開，將工件放于料臺上，時間繼電器發(fā)出信號后，手臂由伸縮缸3驅(qū)動退回到初始位置。機械手的上述一系列運動與車床夾具的夾緊、松開相配合，實現(xiàn)了機床的上下料。 氣動機械手機構(gòu)中，伸縮缸3驅(qū)動手臂實現(xiàn)伸縮運動。升降缸5位于旋轉(zhuǎn)缸6的頂端、機械手臂的正下方。機械手伸縮臂的尾部具有吊耳支撐機構(gòu)，通過升降缸5的升降運動，機械手伸縮臂可繞尾部支撐旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)俯仰運動。旋轉(zhuǎn)缸6位于機身底部，驅(qū)動機械手實現(xiàn)180°的回轉(zhuǎn)運動。 2.5 本章小結(jié) 隨著機械制造業(yè)的發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。為了更有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，改善工人的勞動條件，數(shù)控機床的使用越來越普遍，因而對自動上下料機構(gòu)的設(shè)計也就變得越來越重要。 本設(shè)計中的自動上下料機構(gòu)的工作對象是套類零件，主要由自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手和動力及控制系統(tǒng)組成。其中，自動安裝夾具為自動定心夾緊的漲胎心軸，機械手是單臂式的，動力及控制采用氣壓驅(qū)動和電氣控制。普通氣缸驅(qū)動的機械手可實現(xiàn)柔性自動上下料，送料精度較高，能節(jié)約人力、降低加工成本。氣動機械手與氣動夾具相輔相成實現(xiàn)自動上下料，不但省事，減少投資，節(jié)約時間，而且工作可靠。 第3章 夾具設(shè)計 3.1 機床夾具設(shè)計概述 3.1.1 機床夾具及其組成 3.1.1.1 機床夾具 在機械制造各行業(yè)的工藝過程中廣泛應(yīng)用著各種不同的，用以固定加工對象使之占有正確位置，以便接受施工的工藝裝備，統(tǒng)稱為夾具。在機械加工、裝配、檢驗以及焊接等工藝中，都大量的采用夾具。而在機械加工中應(yīng)用于金屬切削機床上的夾具，將其稱為機床夾具。 機床夾具是在金屬切削加工中用以準(zhǔn)確地確定工件的位置，并將其夾緊，從而保證工件與刀具間正確的相對位置的工藝裝備。由此可以看出，機床夾具是用來安裝工件的設(shè)備。 3.1.1.2 機床夾具的組成 機床夾具由下列零部件組成。 （1）定位元件 用來保證工件在夾具中占有正確的位置。如心軸支撐釘、支撐板、V型塊等都是定位元件。 （2）夾緊裝置 因工件在加工時會受到切削力、慣性力、沖擊力和振動等作用，為了使工件不因受力的作用而使位置發(fā)生變化，需要有將工件夾緊的機構(gòu)。如斜楔、螺旋、偏心等夾緊機構(gòu)。 （3）對刀及導(dǎo)向元件 用于確定工件相對于刀具的位置。如對刀塊、鉆套、鏜套等。 （4）夾具體 用于聯(lián)接夾具中各種元件和裝置的基礎(chǔ)件。 （5）其他元件及裝置 如定向鍵、操作件、分度裝置等。 3.1.2 機床夾具的功能和應(yīng)滿足的要求 3.1.2.1 機床夾具的功能 （1）保證加工精度 工件通過機床夾具進(jìn)行安裝，包含了兩層含義：一是工件通過夾具上的定位元件獲得正確的位置，稱為定位；二是通過夾緊機構(gòu)使工件的既定位置在加工過程中保持不變，稱為夾緊。這樣，就可以保證工件加工表面的位置精度，且精度穩(wěn)定。 （2）提高生產(chǎn)率 使用夾具來安裝工件，可以減少劃線，找正、對刀等輔助時間，采用多件、多工位夾具，以及氣動、液壓動力夾緊裝置，可以進(jìn)一步減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率。 （3）擴大機床的使用范圍 有些機床夾具實質(zhì)上是對機床進(jìn)行了部分改造，擴大了原機床的功能和使用范圍。如在車床床鞍上安放鏜模夾具，就可以進(jìn)行箱體零件的孔系加工。 （4）減輕工人的勞動強度，保證生產(chǎn)安全。 3.1.2.2 機床夾具應(yīng)滿足的要求 機床夾具應(yīng)滿足的基本要求包括下面幾方面： （1）保證加工精度 這是必須做到的最基本要求。其關(guān)鍵的是正確的定位、夾緊和導(dǎo)向方案，夾具制造的技術(shù)要求，定位誤差的分析和驗算。 （2）夾具的總體方案應(yīng)與年生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng) 在大批量生產(chǎn)時，盡量采用快速、高效的定位、夾緊機構(gòu)和動力裝置，提高自動化程度，符合生產(chǎn)節(jié)拍要求。在中、小批量生產(chǎn)時，夾具應(yīng)有一定的可調(diào)性，以適應(yīng)多品種工件的加工。 （3）安全、方便、減輕勞動強度 機床夾具要有工作安全性考慮，必要時加保護(hù)裝置。要符合工人的操作位置和習(xí)慣，要有合適的工件裝卸位置和空間，使工人操作方便。大批量生產(chǎn)和工件笨重時，更需要減輕工人的勞動強度。 （4）排屑順暢 機床夾具中積集切屑會影響到工件的定位精度，切屑的熱量使工件和夾具產(chǎn)生熱變形，影響加工精度。清理切屑將增加輔助時間，降低生產(chǎn)效率。因此夾具設(shè)計中要給予排屑問題充分的重視。 （5）機床夾具應(yīng)有良好的強度、剛度和結(jié)構(gòu)工藝性 機床夾具設(shè)計時，要方便制造、檢測、調(diào)整和裝配，有利于提高夾具的制造精度。 3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.2.1 夾具定位機構(gòu)的設(shè)計 3.2.1.1 工件在夾具中的定位 工件在加工前必須相對于刀具和機床占有正確的位置，即工件必須定位。當(dāng)工件安放在夾具上時，由于定位元件的限制，使工件在夾具中不能隨意擺放，而是確定在一個既定位置上，從而保證一批工件都能在夾具中占有同一個正確位置，這就是工件的定位。需要說明的是，在這里不應(yīng)該把工件的定位片面的理解為工件位置的固定。固定工件的位置，是工件夾緊的含義。工件在夾具中，因偶然事故而沒有安放在正確位置上，即沒有定位，但夾緊機構(gòu)仍可以將其夾緊而使位置固定下來。此時工件雖然被固定在某一位置上，但工件并沒有實現(xiàn)定位。也就是說，定位與夾緊是兩個互相聯(lián)系，但又不容混淆的概念。 工件在夾具中的定位問題，是夾具設(shè)計中首先要解決的重要問題。因為工件的定位方案為確定，便無法進(jìn)行夾緊裝置、對刀元件、引導(dǎo)元件及夾具體等的設(shè)計工作。而定位元件一經(jīng)確定則夾具其他組成部分的總體配置也就大體上隨之確定。 將工件的有關(guān)表面靠緊在夾具的定位元件上，即實現(xiàn)定位。由此可見，工件的定位不但與定位方案、定位元件有關(guān)，而且還與工件上用于定位的各表面有關(guān)。這些表面是工件定位的基礎(chǔ)，即確定工件各表面相互位置的基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)是機械制造中應(yīng)用的十分廣泛的一個概念，它是指機器零件上用來確定各有關(guān)表面相互位置所用的幾何要素（點、線、面），它有基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面（基面）之分?；鶞?zhǔn)在機器零件的設(shè)計、加工、檢驗、裝配等許多方面都會遇到，與夾具設(shè)計有關(guān)的兩類基準(zhǔn)，即設(shè)計基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)。 3.2.1.2 常用定位方式 （1）以平面定位 工件以平面為基準(zhǔn)定位較為廣泛，如箱體、機座、支架、蓋、板類零件等。定位元件常采用支承釘、支承板，可調(diào)支承和自位支承等。其中平頭支承釘用于精基準(zhǔn)定位，球頭支承釘用于毛坯面的定位，齒紋式支承釘也用于毛坯面的定位，齒紋增加摩擦力使定位穩(wěn)定，為了便于清理切屑，一般用于側(cè)面定位。支承板一般用于主要定位面或水平方向上的定位面?？烧{(diào)支承主要用于毛坯質(zhì)量不高，尺寸變化大的粗基準(zhǔn)定位，適于中小批量生產(chǎn)。自位支承能增加定位基準(zhǔn)面與定位元件的接觸點數(shù)，提高定位穩(wěn)定性，同時可以減少工件受外力而產(chǎn)生的變形。另外，還有輔助支承，它只起增加剛度而不起定位作用。 （2）以外圓柱面定位 以工件的外圓柱面定位，生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，如軸承、套類零件等。除三爪卡盤和彈簧卡頭等自動定心夾具外，還有用平面支承、圓孔套和V型塊等。V型塊定位，裝卸方便，對中性好，在生產(chǎn)中應(yīng)用也比較常見。 （3）以圓孔定位 工件以圓孔定位，常用的定位元件是心軸、定位銷。心軸的結(jié)構(gòu)形式很多，如剛性心軸、彈性心軸、液壓塑料心軸等。常用的剛性心軸有三種： ①錐形心軸 這種心軸的錐度很小，工件在此心軸上定位限制了五個自由度。安裝工件時，將工件楔緊在心軸上，楔緊后的工件孔有彈性變形，使工件孔與心軸在長度上產(chǎn)生緊配合，從而使工件不致于傾斜。加工時，靠楔緊在長度上產(chǎn)生的摩擦力帶動工件，不需另外夾緊。 ②過盈配合圓柱心軸 工件在心軸和軸肩上定位，限制五個自由度。心軸的定位部分與工件孔采用過盈配合，安裝時，用壓力機壓入壓出，工件定位后沒有間隙，因此定位誤差為零。 ③間隙配合圓柱心軸 工件在心軸和軸肩上定位，限制五個自由度。當(dāng)工件精度要求不高時，為了裝卸方便，工件和心軸可以采用間隙配合。 ④組合定位 工件定位時，常需要限制多個自由度，若采用一個表面定位不能滿足加工要求，常需要兩個或兩個以上表面定位，這種定位方式稱為組合定位。如采用兩個或三個平面定位、一面一孔定位以及最典型的一面兩孔定位等。各種機器的變速箱、內(nèi)燃機氣缸體、氣缸蓋及連桿等在加工中多采用一面兩孔定位。這種定位方法，能使各工序的基準(zhǔn)一致，減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差，提高加工精度。 圖3-1 車床夾具簡圖 針對套類零件的特點，其在夾具中是通過內(nèi)孔表面和端面來定位的。如圖3-1所示，夾具中采用三個支承釘對工件進(jìn)行軸向的精基準(zhǔn)定位；采用彈簧漲胎心軸對工件的內(nèi)孔表面進(jìn)行定位。 3.2.2 夾具夾緊機構(gòu)的設(shè)計 3.2.2.1 工件夾緊的基本要求 工件在夾具中定位后，相對于機床和刀具占有了正確的位置，而工件在加工時受到切削力、慣性力和重力等作用，若要保證工件的既定位置不變，必須使工件夾緊。所謂工件的夾緊就是指工件在外力作用下保持原有定位位置不變。另外，對工件夾緊還有一定的要求：夾緊過程中不能破壞定位；夾緊可靠、適當(dāng)，既要使工件在加工過程中不產(chǎn)生位移或振動，又要避免工件產(chǎn)生變形和損傷已加工表面。要滿足以上要求，必須正確、合理地確定夾緊力的方向、作用點和大小。 3.2.2.2 典型夾緊機構(gòu) 機床夾具利用斜楔夾緊原理實現(xiàn)夾緊工件還是比較常見的。實際應(yīng)用中，螺旋夾緊機構(gòu)和偏心輪夾緊機構(gòu)，就其作用原理來講，也是斜楔加緊原理的變型。 （1）斜楔夾緊機構(gòu) 斜楔是利用其斜面移動產(chǎn)生壓力，使工件得到夾緊的。其特點是：具有自鎖性、具有增力作用、夾緊行程小、能夠改變作用力。實際生產(chǎn)中很少直接應(yīng)用單斜楔夾緊工件，因為單斜楔夾緊既費時又費力，通常與螺旋或偏心輪夾緊機構(gòu)聯(lián)合使用，并采用氣動和液壓為力源。 （2）螺旋夾緊機構(gòu) 具有結(jié)構(gòu)簡單、增力大、自鎖性好等優(yōu)點，但是夾緊動作慢?？梢灾苯佑糜趯ぜ膴A緊，也可與其他元件或機構(gòu)組成復(fù)合夾緊機構(gòu)。螺旋夾緊機構(gòu)在機床夾具中應(yīng)用極為廣泛。它實際上相當(dāng)于一個斜楔繞在圓柱體上，它的夾緊過程是通過轉(zhuǎn)動螺旋，使繞在圓柱體上的斜楔在高度上發(fā)生變化，實現(xiàn)對工件的夾緊。 （3）偏心夾緊機構(gòu) 是斜楔夾緊機構(gòu)的一種變型?？梢园阉闯墒切毙ò趫A盤上，因此偏心夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)比斜楔緊湊，夾緊迅速，但是夾緊行程小，增力倍數(shù)不大。一般不單獨使用，它與壓板組成的偏心壓板夾緊機構(gòu)應(yīng)用較為廣泛。 （4）定心夾緊機構(gòu) 當(dāng)被加工工件幾何對稱時，常使用同時定位和夾緊機構(gòu)，這種機構(gòu)稱為定心夾緊機構(gòu)。其工作原理是：利用定心夾緊元件的等速移動或均勻彈性變動實現(xiàn)定心夾緊。如車床用的三爪卡盤、小錐度心軸等都屬于定心夾緊機構(gòu)。常見的定心夾緊機構(gòu)還有如下四種： ①雙向定心的V形塊夾緊機構(gòu) 定位精度不高，但夾緊力大、裝夾范圍大，適用于定心精度要求不高的工件安裝。 ②滑塊斜楔定心機構(gòu) 夾緊范圍較大，夾緊可靠，但定心精度不高，適用于工件的粗加工。 ③彈性筒定心夾緊機構(gòu) 分為用于外圓柱面的定心彈簧夾頭和用于工件內(nèi)孔定心彈簧夾頭（漲胎）。這類機構(gòu)的定心-夾緊元件為彈性筒夾，其前端沿圓周方向開有三個等分槽（漲胎則在兩端開等分槽）。夾壓工件時，由于彈性筒夾向中心收縮時，即可對工件外圓柱面實施定心并加緊；當(dāng)彈性筒夾向外擴漲時就可以對圓柱孔定心并夾緊。 ④液性塑料定心夾具機構(gòu) 定位精度高，適用于精加工，但薄壁套筒本身較難加工。 （5）聯(lián)動夾緊機構(gòu) 工件加工時，由于工件的結(jié)構(gòu)特點、定位夾緊以及生產(chǎn)率的要求，常對工件施加幾個夾緊力，在同一個夾具中安裝幾個工件，可用聯(lián)動夾緊機構(gòu)來實現(xiàn)。這種機構(gòu)，操縱集中、簡便，縮短輔助時間，從而提高了生產(chǎn)率；還可以使各點夾緊力保持相對穩(wěn)定，既保證了定位又減少了工件的變形，也減輕了工人的勞動強度，因此，得到廣泛的應(yīng)用。但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性較差。聯(lián)動夾緊機構(gòu)分為多點、多件夾緊。 采用定心夾緊機構(gòu)中的彈性筒夾夾緊機構(gòu)——彈簧漲胎心軸來實現(xiàn)套類零件的自動定心夾緊。如圖3-1所示，此機構(gòu)的定心-夾緊元件是彈性筒夾，其前端沿圓周方向開有四個等分槽，夾壓工件時，彈簧筒夾向外擴漲就可以對圓柱孔定心并夾緊。彈性筒夾的外漲是由氣缸驅(qū)動拉桿帶動心軸沿軸向移動，從而驅(qū)動錐形塊移動、夾壓彈性筒夾來實現(xiàn)的。拉干與心軸通過螺紋連接并加以圓螺母進(jìn)行防松，錐形塊通過普通平鍵連接在心軸上并且隨心軸一起旋轉(zhuǎn)，其頂端由擋圈和螺栓固定。 3.3 氣動夾緊裝置設(shè)計計算 3.3.1 夾緊力的確定 （1）計算工件在車削時所受的切削分力Pz 根據(jù)相關(guān)資料，車削外圓時，計算Fc的經(jīng)驗公式如下： Fc=cFC apXfc fyFC KFC （3—1） 式中，cFC—與工件材料、刀具材料及切削條件等有關(guān)的系數(shù)； ap —背吃刀量，mm； f—進(jìn)給量，mm/r； xFC，yFC —指數(shù)； KFC—切削條件不同時的修正系數(shù)。 根據(jù)經(jīng)驗公式從有關(guān)資料中查出，用γo=15°，Kr=75°的硬質(zhì)合金車刀車削結(jié)構(gòu)鋼件外圓時， cFC=1609，xFC=1，yFC=0.84，ap=1mm，f=0.1mm/r 其中,指數(shù)xFC比yFC大，說明背吃刀量ap對Fc的影響比進(jìn)給量f對Fc的影響大。 那么，F(xiàn)c=1609×1×（0.1）0.84×1=232.57N 則，Pz=Fc=232.57N （2）工件與心軸在軸向方向與圓周方向的摩擦系數(shù)為：f1=f2=0.2 （3）安全系數(shù)K=2.5 （4）為防止工件在車削時，在切削分力Pz作用下打滑而轉(zhuǎn)動所需的軸向拉力為： （3—2） 3.3.2 夾緊氣缸的設(shè)計計算 （1）根據(jù)機械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力—推力Q=3627.7N，得： 活塞式氣缸（雙作用氣缸）內(nèi)徑： （3—3） 式中，p —氣缸工作壓力，Pa； η—氣缸的機械效率； d —活塞桿直徑,mm。 代入數(shù)值得： 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進(jìn)行圓整，得D=100mm。 （2）活塞桿直徑的確定與驗算 取活塞桿直徑d=25mm，按下式進(jìn)行驗算： （3—4） 式中，p —活塞桿承受的軸向力，N； [σ]—活塞桿材料的需用應(yīng)力，N。 代入數(shù)值，得 ，成立。 故活塞桿直徑滿足強度要求。 （3）氣缸筒壁厚的確定與驗算 氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機械設(shè)計手冊，其壁厚選取為t=10mm,根據(jù)下式進(jìn)行強度驗算： （3—5） 式中，t —氣缸筒的壁厚，mm； P —最高工作壓力，Pa； D —氣缸筒內(nèi)徑，mm； [σ]—氣缸筒材料的許用應(yīng)力，Pa。 代入數(shù)值得 ，成立。 故該缸筒壁厚滿足強度要求。 （4）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定 氣缸進(jìn)排氣口螺孔的大小與空氣消耗量（缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等）及供氣壓力均有關(guān)系，故難于準(zhǔn)確計算。根據(jù)機械設(shè)計手冊，按缸徑查取。 根據(jù)D=100 mm，查得，進(jìn)排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14×1.5。 （5）活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用0形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。 （6）連接螺栓直徑的確定與驗算 根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=10mm，按下式進(jìn)行驗算： （3—6） 式中，A —氣缸的有效截面積，mm2； P —氣缸的工作壓力，Pa； σb—螺栓材料的抗拉強度，Pa； x —需用應(yīng)力與抗拉強度之比，取； n —螺栓數(shù)目。 代入數(shù)值，得： ，成立。 故螺栓直徑符合要求。 3.4 本章小結(jié) 車床夾具裝在機床主軸上并帶動工件旋轉(zhuǎn)，加工回轉(zhuǎn)面、端面等。以外圓定位的車床夾具，如卡盤、卡頭；以內(nèi)孔定位的車床夾具，如各類心軸；以中心孔定位的車床夾具，如各類頂尖、撥盤等。本設(shè)計中夾具以內(nèi)孔定位，故采用心軸與彈性筒夾組合而成。 為保證加工表面的形狀、位置精度，夾具與主軸的聯(lián)結(jié)的定心精度要高，定心方式要與選用機床主軸端部結(jié)構(gòu)相符，鼎新后再加以壓緊或拉緊，保證可靠和安全。 車床夾具是在高速回轉(zhuǎn)，即受切削力又受慣性力作用，因此夾緊力必須考慮充分且大小足夠，必須有可靠的自鎖性。 第4章 機械手設(shè)計 4.1 運動分析 套類零件自動線大多數(shù)為一臺機床配備兩臺結(jié)構(gòu)完全相同的單臂機械手，分別承擔(dān)工件的上下料運動。也有設(shè)計成在一臺機械手上采用了兩只機械臂的形式，這樣一臺雙臂機械手就能承擔(dān)兩臺單臂機械手的工作。在本設(shè)計中，為了減少機械手的數(shù)量同時由于要加工的零件尺寸和質(zhì)量不大，僅采用一臺單臂機械手來承擔(dān)工件的上下料運動。 圖4-1 機械手機構(gòu)簡圖 如圖4-1所示，本設(shè)計所采取的結(jié)構(gòu)中，機械手工作時，首先機械手手臂伸長，手爪從料臺夾緊工件后，手臂上仰，然后機身逆時針旋轉(zhuǎn)180°，將工件送入數(shù)控機床夾具上夾緊，手臂縮回后俯下到料臺高度完成上料過程，此時數(shù)控機床開始對工件進(jìn)行加工。當(dāng)機床加工完工件后，機械手手臂開始上仰一定角度后，手臂伸出到機床主軸中心線的高度，然后手爪夾緊工件，機床夾具松開后，機械手順時針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂俯下到料臺高度并將工件放在料臺上，手臂縮回，機械手回到原始位置，從而完成下料過程。上下料過程循環(huán)進(jìn)行，實現(xiàn)工件的連續(xù)加工。 從上述運動過程可以看出，機械手需要三個自由度：機身回轉(zhuǎn)、手臂俯仰和伸縮。具體的分析過程如下：從上一章的數(shù)控機床有關(guān)參數(shù)以及確定的機械手和機床之間的位置關(guān)系可以知道，料臺高800mm而機床主軸中心線高為1100mm，因此機械手爪的升降高度應(yīng)為300mm（這一動作是由升降缸升降28 mm，帶動手臂俯仰一定角度實現(xiàn)的）。機械手位于數(shù)控機床和料臺的中間位置，而機床主軸與料臺之間間隔為1800mm，所以機械手手臂伸長之后應(yīng)為947mm，這樣才能在旋轉(zhuǎn)180°后準(zhǔn)確地將工件放入機床夾具內(nèi)或放在料臺上。 一臺單臂機械手同時承擔(dān)工件的上下料運動，比采用兩臺單臂機械手的優(yōu)點在于，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，定位精度高，維修方便。在本設(shè)計中，驅(qū)動系統(tǒng)為機床夾具和機械手提供運動的動力，是動力源。驅(qū)動系統(tǒng)按驅(qū)動介質(zhì)的不同，可以分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動、機械傳動，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動。 經(jīng)過分析比較，本設(shè)計采用氣壓驅(qū)動控制機床夾具和機械手。同其他驅(qū)動方式相比，氣壓驅(qū)動具有以下優(yōu)點：動力源為壓縮空氣，成本低，而且維護(hù)保養(yǎng)容易，無污染等。 電控線路輔助氣壓回路控制機械手自動完成工件的上下料。機械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)地設(shè)計。根據(jù)控制程序的不同，電控方式分為固定程序，包括繼電器線路，半導(dǎo)體邏輯線路；可編程序，包括順序控制器，示教再現(xiàn)式計算機。 在本設(shè)計中，因為是專用機械手，考慮到實際的生產(chǎn)情況，要求設(shè)備的使用壽命高，工作可靠，成本低，經(jīng)過分析比較，采用半導(dǎo)體邏輯線路控制機械手和機床夾具，在工作精度一定的前提下，半導(dǎo)體邏輯不僅能滿足生產(chǎn)的實際需要，而且價格較低，并且在必要時可以改換成PC單片機控制。 綜上所述，啟動工作后，機械手臂伸長，手爪抓取坯料，手臂上仰一定角度，逆時針旋轉(zhuǎn)180°，將工件送入夾具夾緊后，手爪松開，手臂縮回、落下后完成上料動作；機床加工完工件后，機械手臂再次上仰后伸長，手爪夾緊工件，夾具松開，機械手順時針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂俯下相同角度后，將工件放在料臺上，手臂縮回到初始位置，從而完成下料動作。 4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.2.1 手部設(shè)計 4.2.1.1 概述 手爪應(yīng)具有一定的通用性，其主要功能是：抓住工件，握持工件和釋放工件。 手爪按夾持原理可以分為機械類，磁力類和真空類三種。機械類手爪有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無指手爪。產(chǎn)生夾緊力的驅(qū)動源可以有氣動、液動、電動和電磁四種。磁力類手爪主要是磁力吸盤，有電磁吸盤和永磁吸盤兩類。真空類手爪是真空式吸盤，根據(jù)形成真空的原理可以分為真空吸盤、氣流負(fù)壓吸盤、擠氣負(fù)壓吸盤三種。磁力手爪及真空手爪是無指手爪。機械手爪按手指數(shù)目分為二指手爪和多指手爪，按手指關(guān)節(jié)分為單關(guān)節(jié)手指手爪和多關(guān)節(jié)手指手爪。手爪按智能化分為普通式手爪（手爪不具備傳感器）和智能化手爪（手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺傳感器、滑覺傳感器等）。 手爪設(shè)計和選用最主要的是滿足功能上的要求，由于本課題中的套類零件尺寸很小，自身的重量很輕，設(shè)計中決定采用二指機械式手爪夾持工件的外圓柱表面。 4.2.1.2 機械式手爪設(shè)計 （1）驅(qū)動 機械式手爪通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。其中，氣動手爪有許多突出優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易維修、而且開合迅速，重量輕。故氣動手爪目前應(yīng)用廣泛。設(shè)計中決定采用氣動手爪。 （2）傳動 驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊