0415-R175柴油機機體自動加工線上多功能液壓機械手設計【優(yōu)秀含CAD圖+SW三維模型】
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開題報告
設計（論文）題目
R175柴油機機體自動加工線上多功能液壓機械手設計
設計（論文）題目來源
設計（論文）題目類型
起止時間
一、 設計（論文）依據及研究意義：
20世紀以來，工業(yè)機械手作為一項可以代替人類完成復雜工作的發(fā)明，在機械制造、航空航天、醫(yī)療、食品生產等領域得到了長足的發(fā)展。工業(yè)機械手按不同的方法可分為直角坐標式、圓柱坐標式、坐標式、多球關節(jié)坐標式，可以實現較大空間范圍的精確定位。工業(yè)機械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。執(zhí)行系統(tǒng)又可分為抓取、送放和機身三大部分。而驅動系統(tǒng)由液壓傳動和機械傳動的組成，既能傳遞較大的力矩和運動，又能極大地提高機械的效率。控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)發(fā)出指令，可由自動加工程序、電氣控制、液壓控制實現精確的點位控制，快速的系統(tǒng)驅動。
對于R175柴油機機體的加工，由于其本身質量較大，加工精度高，因此對于機體的運輸和定位存在一定的難度。而自動加工線上采用液壓機械手就能很好的解決這些難題。并且工業(yè)機械手應用的市場環(huán)境日益擴展并呈現可以預見的強勁后市，通過本次的實踐應用了解和熟悉關于工業(yè)機械手的一些基本的設計方法，能使我們能更好地適應今后工作要求。
二、 設計（論文）主要研究的內容、預期目標：（技術方案、路線）
研究內容：
1. 調查分析R175柴油機機體的加工特點，參考機體加工工藝文件，獲得設計所需的初步資料。
2. 完成工業(yè)機械手的總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設計。
3. 完成液壓機械手系統(tǒng)機械結構設計。
4. 完成液壓機械手液壓系統(tǒng)設計。
5. 完成工業(yè)機械手的傳動系統(tǒng)、傳動機構的設計。
6. 對工業(yè)機械手進行仿真實驗，測試液壓傳動效率、傳動效率等。
預期的目標：
1、 通過本次設計對液壓機械手有一定的了解，清晰機械手結構設計全過程，達到綜合訓練的目的，提高獨立工作能力，鞏固所學知識，并有所進步，增強機械創(chuàng)新設計的能力；
2、 根據總體設計方案，繪制出液壓機械手的外觀圖一張（三維計算機圖）；進行運動計算和強度計算，繪制出液壓機械手的機械結構總裝圖一張（A0或A1計算機圖）；進行運動計算和強度計算，繪制出液壓機械手的手臂和手抓機械結構圖一張（A1計算機圖）；繪制零件圖一張（根據情況由指導教師指定）；根據控制系統(tǒng)總體設計方案，繪制液壓控制系統(tǒng)圖一張（A1計算機圖）；
3、 完成相關的仿真實驗，獲得相關數據，完成實驗要求的報告，并繪制出實驗表格，得到實驗結果。
三、設計（論文）的研究重點及難點：
1、液壓機械手抓取機構的設計要求、設計計算（包括抓力的計算、驅動力的計算、定位誤差的分析），送放機構的送放運動、自由度及坐標計算，手臂和機身的結構、配置形式、設計要求、手臂驅動力的計算等各種技術參數的確定；
2、確定機械手總體方案和控制系統(tǒng)總體方案；
3、液壓機械手送放機構和液壓系統(tǒng)設計；
4、整機各部件結構以及基本重量和基本尺寸，以保證在設計過程中直接應用；
四、 設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：
研究方法：調查，對比，參考，設計。
步驟：
2008.12.29—2009.1.10：收集并閱讀R175柴油機機體自動加工液壓機械手設計方面的書籍和相應標準，了解液壓機械手的基本知識，發(fā)展方向等，完成開題報告；
2009.3.15—2009.3.29：閱讀相關資料，初步定出機械手各部分技術參數，并進行設計計算，校核以及優(yōu)化設計方案，選擇并切實可行的方案路線；
2009.3.31—2009.5.1：依據確定的參數繪制圖紙；
2009.5.1—2009.5.20：編寫并整理設計說明書；
2009.5.20—2009.5.25：重新回顧一下畢業(yè)設計的內容，對設計進行全面性的修改，并準備答辯；
2009.5.25—2009.5.29：對單片機控制程序進行加強學習并編寫自動生產線上的加工控制程序；
2009.6.1：答辯。
五、 進行設計（論文）所需條件：
理論知識的準備，包括機械原理、機械設計、機械制圖、互換性技術、液壓傳動、單片機技術等，并要求各個學科的知識綜合運用；
仿真實驗室用于機械手的仿真實驗；
計算機輔助設計（CAD），來幫助我們繪制三維圖(Solidworks)、繪制裝配圖(AUTO CAD)；
設計手冊,設計圖冊。
六、 指導教師意見：
簽名： 年 月 日
前 言
近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。例如：在機床加工，裝配作業(yè)，勞動條件差，單調重復易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險場合下工作等。
隨著工業(yè)技術的發(fā)展，工業(yè)機器人與機械手的應用范圍不斷擴大，其技術性能也在不斷提高。在國內，應用于生產實際的工業(yè)機器人特別是示教再現性機器人不斷增多，而且計算機控制的也有所應用。在國外應用于生產實際的工業(yè)機器人多為示教再現型機器人，而且計算機控制的工業(yè)機器人占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機器人是工業(yè)機器人技術的發(fā)展方向。
第1章 液壓機械手總體方案設計
1.1機械手總體設計方案擬定
機械手是能夠模仿人手的部分動作，按照給定的程序，軌跡和要求，實現自動抓取、搬運或操作動作的自動化機械裝置。在工業(yè)中應用的機械手稱為“工業(yè)機械手”。能夠配合主機完成輔助性的工作，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，機械手能夠獨立地按照程序，自動重復操作。
根據課題的要求，機械手需具備上料，翻轉和轉位等功能，并按照自動線的統(tǒng)一生產節(jié)拍和生產綱領完成以上動作。設計可參考以下多種設計方案：
1.1.1 采用直角坐標式，自動線呈直線布置，機械手在空中行走，按照順序完成上料、翻轉、轉位等功能。這種方案結構簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，使得設計復雜程度增加，運動質量增大。
圖1.1.1 直角坐標式布局示意圖
1.1.2 機身采用立柱式，機械手側面行走，按照順序完成上料、翻轉、轉位的功能，自動線仍成直線布置。這種方案可以集中設計液壓站，易于實現電氣，油路定點連接，但是占地面積大，手臂懸伸量較大。
圖1.1.2 立柱式機械手布局示意圖
1.1.3 機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉、轉位等功能。這種方案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工 件等優(yōu)點。
圖1.1.3 機座式機械手布局示意圖
1.2總體方案選定
抓取機構采用夾鉗式。，送放機構將被抓取的物體送放到目的地，由手臂、手腕、等裝置組成。整個機構選用空間球體坐標系，有五個自由度。采用屈伸式布置。手腕作抓取運動和回轉運動，手爪采用平面指型結構，通過液壓缸通油，推動活塞帶動杠桿機構合攏將工件加緊。
腕部用銷軸將機械手定位在手臂上，并用螺母將其鎖死，同時利用鉸鏈連接，一端與液壓伸縮缸的活塞桿相連，通過活塞的直線運動，帶動腕部使其能夠繞著回轉銷軸轉動。
回轉運動通過葉片式回轉油缸的運動來實現。
手臂相對于機身可作回轉運動，能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件。手臂采用液壓直動缸驅動，作俯仰運動，具有體積小、可集中控制、反向運動靈活等優(yōu)點。
回轉工作臺用齒輪傳動機構，用電動機驅動，可以利用擋塊定位，且定位誤差在0.5~1mm。具有結構簡單、傳遞扭矩大、傳動效率高等特點。
圖1.21 液壓機械手
本設計的液壓機械手有五個自由度，包括機械手的抓取、回轉，手臂的拉伸、俯仰和回轉工作臺的回轉五個動作。其中將機械手抓取和回轉運動的液壓傳動集成設計，既能使得設計緊湊，又能使液壓油路集中控制。便于安裝及維護，而且編排和改變控制程序容易，使用方便。
液壓機械手主要參數設計：
液壓機械手的主要參數可分為基本參數、（用于說明機械手主要性能的參數）、規(guī)格參數（標牌上標注的參數）、液壓參數（液壓系統(tǒng)設計參數）。
基本參數：
1.抓重
機械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量，而該液壓機械手是用于R175柴油機機體生產自動線上，主要的加工對象是柴油機機體，根據柴油機的外形參數 250X170X140mm 而柴油機機體選用的材料是鑄鐵，密度為0.01g/mm2
柴油機機體的壁厚一般為15~25mm所以，可算出機體本身的質量為12Kg，機械手應該有一定的安全度，取安全系數為1.3，可得機械手的抓重為15Kg。
2.自由度
機械手的自由度標志著機械手所具有的功能大小，自由度越大，機械手動作越靈活，適應性也越強，但是自由度多也帶來了結構復雜，制造精度高等問題，一般的專業(yè)機械手具有3~4個自由度就能很好的完成專一的任務。根據自由度的計算公式，該設計中有機械手抓取動作的V級移動副，腕部和手臂以及工作臺的V級轉動副，所以： 即機械手的自由度為5。
3.運動速度
機械手的運動速度是指機械手在全程范圍內的平均速度，它反映機械手的使用頻率與生產水平。機械手的運動速度越高，則其使用效率越高，生產水平也就越高；但是速度越高機械手在運動過程中啟動和制動時會產生較大的沖擊和震動，對于機械手的定位精度影響較大。在一般情況下，機械手的運動速度應根據生產節(jié)拍、生產過程的平穩(wěn)性要求和定位精度要求而定。根據柴油機機體生產自動線上的生產節(jié)拍30min/件，手臂工作的回轉半徑為1000mm，加工過程所需時間為26min，因此，機械手抓取和送放的運動速度為0.1m/s。
4.行程范圍
機械手臂運動的行程范圍與機械手的抓重、坐標形式、驅動方式、運動精度等多方面因素有關，對于通用型和多功能機械手，行程范圍和回轉范圍應盡可能大些，使其適應性能大幅度地增強。機械手的手臂伸縮應與行程范圍及工作半徑相適應，以保證機械手的剛度，定位精度。機械手的行程為機械手的最大工作區(qū)間，即球體的面域。
5.位置精度
位置精度是衡量機械手工作質量的一項重要指標，它包括位置設定精度和重復定位精度。我們所說的位置精度是指重復定位精度。
位置精度的高低取決于位置的控制方式及機械書運動部件本身的精度和剛度，此外，它還與機械手的抓重及運動速度有關。目前工業(yè)機械手大多數都采用點位控制，這種控制只要求運動起點和終點的位置精度，而不管起點到終點的運動過程。因此，可以采用行程開關和電位計定電控元件，進行位置精度的控制。
液壓參數：
1.油壓設計校核 液壓系統(tǒng)參數是根據執(zhí)行元件和泵的類型進行設計，根據擬定的液壓系統(tǒng)圖，計算出各個液壓控制閥及輔件的壓力與流量的系統(tǒng)參數，而液壓系統(tǒng)參數的計算必須逐一將各工作階段形成的參數計算出后，經過分析比對，加權折扣后才能確定系統(tǒng)參數。選取系統(tǒng)的工作壓力為1.6MPa ，液壓泵的工作壓力和流量,考慮到進油路的壓力損失取=0.3×106Pa，油液的泄漏系數取λp=1.1，抓取動作和回轉動作所需的工作壓力為=1.1MPa，選用的流量為4.5L/min
MPa
L/min
符合設計的要求。
因此 擬定的液壓系統(tǒng)方案中，油壓參數定位1.6MPa。
第2章 執(zhí)行機構的設計
2.1抓取機構的設計
抓取機構的工作原理
工業(yè)機械手的抓取機構又稱手部，是用來直接抓取工件或握持工件的部件。
本設計采用的是夾鉗式機械手，通過液壓缸內活塞的直線運動帶動杠桿機構和手爪，緊緊的包絡，用包絡力和摩擦力對工件施加完全約束，使得工件相對于手爪固定，完成抓取任務。
2.1.1夾持力的計算
當機械手水平夾持工件時
圖2.11 水平夾持物體受力圖
根據手指受力分析，可得：
聯(lián)立可解得：
夾緊工件所需的力； 工件的重力 ；， 尺寸。
根據任務書的要求，代入=15Kg , 并取=50mm , =80mm。
可得：N
因工件在傳輸的過程中會產生慣性力，震動等影響，故實際力
機械效率， =0.85~0.95 取=0.9
安全系數，=1.2~2 取=1.5
工作情況系數，
N
2.1.2液壓缸驅動力的設計計算
圖2.12 液壓缸驅動手爪受力圖
因為
所以
由結構設計可得 mm，mm 。
N
mm，mm 。
2.1.3夾緊液壓缸主要尺寸的確定
驅動力, 系統(tǒng)工作壓力 取 N/mm2 ， 機械效率取=0.9
按照JB-826-66的標準，取,
液壓缸壁厚的確定
根據
試驗壓力， MPa
許用應力 選取30鋼為液壓缸材料，可得=200 MPa
將數據代入：mm
根據工藝的要求 ,取mm
液壓缸外徑及長度的確定：
長度 取 .
2.1.4液壓活塞缸的設計
已知：1.活塞液壓缸 , ，mm，mm
選用30鋼材料。
2.活塞桿 選用45鋼，活塞直徑的d計算與校核：
查機械材料手冊可以得到：b=355MPa, s=600MPa；
則MPa
mm
根據GB/T 2348-1993 選定的活塞桿：mm
所以：mm
活塞桿的強度符合設計要求
3.活塞：選用20鋼材料?？紤]到密封和緊固，將活塞設計成如下
圖2.1.4.1 活塞
密封件采用標準件，所以活塞上開槽的尺寸就可以確定了。
活塞的密封采用Y型密封圈，Y型密封圈是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好，摩擦力小、壽命較長的密封圈。它能用于往復運動的密封，特別是動密封處。當受到油壓作用時，Y型密封圈的二唇邊就緊緊地貼壓到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用。
活塞與活塞桿的連接采用活塞桿的軸肩定位，并用調整墊片調節(jié)松緊程度。利用開槽圓螺母將其鎖緊，
圓螺母的選擇：由于活塞桿的直徑已確定為，軸肩的高度為1mm，可以采用公稱直徑為M8的圓螺母。查標準GB/T 6179-1986 可得：
圖2.1.4.2 開槽圓螺母
同時，查GB/T 91-2000與其相配合使用的是開口銷2x16。材料為Q215或 Q235。
圖2.1.4.3 開口銷
4.本設計采用彈簧使抓取液壓缸復位。根據彈簧設計計算公式：
圖2.1.4.4 彈簧受力圖
根據彈簧的強度條件選擇彈簧鋼絲的直徑：
因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按照第三類彈簧來考慮，現選用彈簧鋼絲為C級，并根據 估計彈簧的直徑為3mm， 查表可得 MPa，可以算得MPa
選取旋繞比C=6 則由：
選取=4mm ，查得不變，故不變，取mm
則
計算得=1.26
與原值相近，所以 取=4mm
彈簧的大徑 mm
取 MPa
則
取5
彈簧校核：根據：
綜合上述兩式可得：=106.48<150
符合設計的要求。
極限工作應力： 取
極限工作載荷： MPa
查標準GB/T 1239.6-1992選取彈簧的截面直徑為mm，中徑為mm，自由高度為mm。有效圈數為5圈。選用彈簧的材料為65Mn，彈簧硬度要達到45~50HRC.
圖2.1.4.5 彈簧
5.抓取液壓缸端蓋：
圖2.1.4.6 液壓缸端蓋
O型密封圈具有結構簡單，截面尺寸小，密封性能好，摩擦系數小，容易制造等特點，可用于靜密封和滑動密封。其結構簡單緊湊，摩擦力比其他密封圈小，安裝方便，價格便宜，可在-40~120°C溫度范圍內工作，使用的速度范圍是0.005~0.3m/s。適用于本設計，因此采用O型圈密封。聚四氟乙烯是一種新型塑性材料，摩擦系數極小，耐磨性好，并且能在干性和油性的環(huán)境下工作。所以添加了聚四氟乙烯制成的密封導向環(huán)，不僅能夠阻隔各種雜物，還能起到密封的效果。
端蓋采用的是法蘭式的連接，這種結構簡單，加工方便，連接可靠。缸筒端部可用鑄造。
管道尺寸的計算和確定：
油管的內徑是根據管內允許的流速和所通過的流量來確定的：
即：
式中： ——通過油管的流量; ——油管中允許的流速。
而壓力管道內的流速取m/s。計算所得根據GB/T 1047-1995可得到管徑為
mm
6.管接頭的選擇：
擴口式管接頭適用于薄壁鋼管，接頭采用55°密封管螺紋，由內外螺紋的配合能夠具有密封性。查GB/T 3747.1-1983 可得：
圖2.1.4.7 管接頭
回轉缸設計
本設計采用單葉片式回轉缸，它由定子塊，缸體，葉片，回轉軸組成，其中定子塊固定在缸體上，葉片和回轉軸固定在一起。當液壓油從一個入口進入缸體的時候，葉片被推動并帶動回轉軸轉動，同理，從相反的入口進入能使其逆向轉動。單葉片式回轉缸結構緊湊，輸出的扭矩大，能夠用于中低壓的系統(tǒng)作往復運動。
考慮到擺動缸的容積效率和機械效率，葉片式擺動缸軸輸出扭矩
式中： --------葉片數；
----------葉片寬度 ；
---------缸體內孔直徑；
---------葉片軸直徑；
---------缸的進口壓力；
---------缸的出口壓力；
---------缸的輸入量。
該設計選用1.6 MPa的油壓，而出口的回油壓力約為0.2 MPa。為了方便固定葉片，葉片軸的直徑初步定為=25mm
圖2.1.4.8 回轉缸剖面圖
葉片與葉片軸之間采用銷進行定位，為了方便拆裝和維修，選用內螺紋圓錐銷，底部的螺紋孔可起到拔銷的作用。查 GB/T 118-2000 選取A型內螺紋圓錐銷，GB/T 118 6X24
圖2.1.4.9 內螺紋圓錐銷
本設計采用伸縮缸和回轉缸復合，回轉缸的回轉軸是由活塞缸的后端部構成的，這種設計結構緊湊，操作方便，特別是對于液壓系統(tǒng)能夠集中控制。
圖2.1.4.10 機械手抓取機構
如圖所示，液壓葉片回轉缸的回轉軸與液壓活塞缸做成一個整體，使得結構非常緊湊，軸向尺寸小，液壓系統(tǒng)的油路布置清晰，密封的環(huán)節(jié)可以集中處理，便于檢修和維護。
2.2機械手手腕部設計：
圖2.2.1 機械手腕部外觀圖
液壓機械手的腕部利用銷軸鉸接在機械手臂上，使其能夠繞著銷軸轉動。為了保證銷軸回轉精度和延長使用壽命，在銷軸與手臂之間設一個耐磨的青銅軸套，軸套與機械手臂之間的配合采用基孔制，而軸套與軸之間回轉的過程中會產生熱量，引起銷軸的變形，因此，選用的配合。
腕部采用液壓活塞缸驅動，固定在腕部的連桿與液壓活塞缸的活塞桿相連接，通過活塞桿的直線運動來驅動機械手腕部轉動。
伸縮缸選擇：考慮到該設計手腕部所需的回轉扭矩較小，擬選用YY_CA _B32-100-0.0001液壓缸
活塞桿外端形式選擇：
圖2.2.2 活塞桿接頭
安裝的結構為鉸制接頭，孔徑為mm，活塞桿的直徑為mm。
液壓缸用雙耳環(huán)支座安裝：
圖2.2.3 液壓缸安裝支座
雙耳環(huán)支座的參數如圖所示。
2.3機械手臂設計
俯仰運動時驅動力的計算
圖2.3.1 手臂受力圖
()
而 作用于活塞上的驅動力；
P 液壓缸的工作力；
D 活塞缸的內徑；
密封裝置的摩擦阻力
非工作缸的油壓（背壓）
當手臂處在俯角的位置時，驅動力矩為：
當手臂處在水平位置時，，驅動力矩為
手臂俯仰時的驅動力矩，應克服手臂部件及工件的重量對回轉軸線所產生的偏重力矩、手臂啟動時的慣性力矩以及各回轉副的摩擦力矩，即
手臂作俯仰運動時的偏心力矩，手臂上仰為正，下俯為負；
手臂做俯仰運動的慣性力矩；
手臂作俯仰運動時，各運動副的摩擦力矩；
可以初步確定機械手臂的尺寸。
圖2.3.2 手臂
對手臂受力進行計算
圖2.3.3 手臂受力校核
手臂在水平方向上的力平衡：
同理，在豎直方向上的力平衡：
手臂上的所有力對于O點力矩平衡：
N
N
2.4機械手底座機身設計
底座機身設計有安裝耳環(huán)，液壓缸的耳環(huán)與機身底座通過銷軸鉸接，用螺栓鎖死。既能夠滿足液壓缸在機身上的定位要求，又能夠保證液壓缸在回轉和直線運動中不會偏轉。機身的設計如圖所示：
圖2.4.1 機械手底座
具體設計機身底座的參數如下：
圖2.4.2 底座
2.5回轉工作臺設計
回轉工作臺安裝：
回轉工作臺的箱體設計有光孔，并安底座。因此機械手的底座可以安放在工作臺上或支架平臺上?！∠潴w材料為HT200中等強度的灰鑄鐵，需時效處理。
定位方式：該設計采用行程開關與機械擋塊相結合進行定位。當機械手臂回轉到設定的角度時，碰上擋鐵，壓下行程開關，通過壓力繼電器發(fā)出信號給時間繼電器，使得機械手停留一段時間再開始下一個的動作。停留的時間由時間繼電器來調定的。擋鐵的設置主要是保證回轉角度的精度。
齒輪傳動：
圖2.5.1 圓錐直齒輪傳動
用軸交角=90°的一對圓錐直齒輪將扭矩由沿水平方向轉換成豎直方向。
選取齒輪材料為45鋼，經調質處理后表面淬火，硬度達到40~50HRC。
采用直尺錐齒輪，它具有齒形簡單，制造容易，成本較低等特點。
齒輪的軸向定位
要保證正確嚙合，齒輪在軸上的位置應該可靠，空套齒輪和固定在軸上的齒輪的軸向定位可采用隔套定位。利用齒輪壓板將齒輪進行軸向定位和緊固。
圖2.5.2 齒輪軸向定位
軸：傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞?；剞D臺的主傳動系統(tǒng)精度要求不高，允許有少量的變形，因此，疲勞強度一般不是主要矛盾，除載荷很大的情況下，可以不必驗算軸的強度。剛度要求保證軸在載荷下不致產生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角）。若剛度不足，軸上的零件如齒輪，軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或產生振動和噪聲，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證軸有足夠的剛度?？梢韵扰まD剛度估算軸的直徑，再根據受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。
軸選用的材料為45鋼，通過調質處理，使硬度達到200~240HBS
軸1的直徑：
------計算剖面處軸的直徑(mm)
----軸的許用應力(MPa)
------軸傳遞的額定扭矩(N·mm2)
查表得：=35MPa =9550000
計算可得軸的直徑 =18mm
取安全系數=1.5
所以=27mm 將軸徑進行圓整，取=30mm
按許用彎曲應力來校核該軸：
----------計算面上的工作應力
---------計算截面上的合成彎矩
-----------軸計算面上的轉矩
-----------根據轉應力變化的校正系數
---------許用疲勞應力
根據Kw
r/min
對于軸的受力情況，在軸向受到
轉應力為脈動循環(huán)，因此取-=0.7
查手冊 可得=60 -=9550000
=19.860MPa
按照剛度校核軸：
軸的彎曲變形的條件和允許值
機床的主傳動軸的彎曲剛度驗算，主要驗算軸上裝齒輪和軸承出的撓度y和傾角。各類軸的撓度y，裝齒輪和軸承處的傾角，應小于彎曲剛度的許用值和， 即
。
軸的彎曲變形的允許值：
軸的類型
允許撓度
變形部位
允許傾角
一般傳動軸
（0.0003~0.0005）
裝軸承處，裝齒輪處
0.0025 0.0001
剛度要求較高的軸
0.00021
裝單列圓錐滾子軸承
0.0006
安裝齒輪的軸
（0.01~0.03）
裝滑動軸承處
0.001
該設計的回轉工作臺要求的回轉精度不高，通過擋鐵定位，對于運動的平穩(wěn)性要求也不高，且轉速不高。因此，設計結構簡單，定位可靠，軸上不需要開槽、鉆孔和切制螺紋，因此不影響軸的疲勞強度，而且結構重量輕。
圖2.5.3 軸
對于回轉臺回轉所需的扭矩較大，軸上采用花鍵來傳遞扭矩。本設計選用矩形花鍵，以其承載能力高、定心性及導向性好。
矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2
當量直徑=
慣性矩：I=
花鍵的校核：
花鍵的受力是在側面，因此，其主要的失效形式是表面被壓潰，花鍵的連接強度為：
根據GB/T 1144-2001 選取輕系列的8X32X36X6 ;8X42X46X8二種類型的花鍵。為了避免齒輪在花鍵上滑移而影響定位精度，可在軸上開螺紋孔，通過螺栓將齒輪固定在花鍵上。
滾動軸承計算與選擇
a，壽命計算公式：
滾動軸承的壽命計算公式如下：
式中：L—額定壽命（ x）轉
C—額定動載荷（Kgf）
P—當量負載荷（Kgf）
——壽命指數，對球軸承 =3 對滾子軸承=10/3
在實際計算中，一般采用工作小時數表示軸承的額定壽命，這時上試可變?yōu)椋?
=
式中：—額定壽命（h）
n—軸承的計算轉速（r/min）
當量動載荷P=X+Y
式中：—徑向負荷（Kgf）
—軸向負荷（Kgf）
X—徑向系數
Y—軸向系數
（2）按照負載荷選擇軸承
按額定靜負載選擇軸承的基本公式如下：
=
式中：—當量靜負荷（Kgf） 按下列兩式計算，取大值
—額定靜負荷（kgf）
—安全系數
電機選擇：電動機一般由專業(yè)工廠按標準系列成批大量生產.在機械設計中,根據工作載荷、工作要求、工作環(huán)境、安裝要求及尺寸、重量有無特殊限制等條件從產品目錄中選擇電動機的類型和結構型式、容量和轉速、并確定其具體型號.
一般將電動機的選擇分三個步驟
1. 選擇電動機的類型和結構型式。
2. 選擇電動機的容量。
3. 確定電動機的轉速。
1）步進電機的工作原理：
步進電機有轉子、定子和定子繞組。定子繞組分若干相，每相的磁極上有極齒，轉子在軸向上有若干個齒。當每相定子繞組通以直流電激磁以后便能夠吸引轉子的齒與定子上的極齒對齊，因此它是按照電磁體的作用原理進行工作的。
步距角，其中m為相繞組，z為轉子齒數，k為通電方式系數。
2）步進電機的工作特點：
A、步進電機受脈沖電流的控制，其轉子的角位移和角速度嚴格地與輸入脈沖的數量和脈沖頻率成正比，改變通電順序可以改變步進電機的旋轉方向；
B、維持控制繞組的電流不變，電機便停在某個位置上不動，即步進電機有自整的能力，不需要機械制動；
C、有一定的步距精度，沒有累積誤差；
D、其缺點是效率低、拖動負載的能力不變、脈沖當量（步距角）不能夠太小、調速范圍不大、最高輸入頻率一般不超過18000HZ。
步進電機選擇
a、 計算步進電機的負載轉矩
(N·cm)
式中： ————脈沖當量（mm/step）；
————進給牽引力（N）；
————步距角，初選雙拍制為0.75°；
————電機——絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98，0.99，0.99和0.94。
N·cm
b、 估算步進電機的起動轉矩
N·cm
c、 計算最大靜轉矩
查表取五相十拍，則
N·cm
d、計算步進電機運行頻率和最高起動頻率
Hz
Hz
試中： ————最大切削進給速度（m/min）;這里為1.5 m/min；
————最大快移速度（m/min），這里為2.4 m/min；
————脈沖當量，取0.01mm/step。
e、初選步進電機型號
根據估算出的最大靜轉距查得110BF004最大靜轉距為784 >，可以滿足要求，考慮到此經濟型數控銑床有可能使用較大的切削用量，應選稍大轉距的步進電機，以便留有一定的余量，決定采用130BF001步進電機，查得130BF001步進電機最高空載起動頻率和運行頻率滿足要求。
校核步進電機轉距
a、等效轉動慣量計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸撒謊能夠的總的轉動慣量（）可以按下試計算：
Kg·cm2 ⑴
試中：——步進電機轉子轉動慣量(Kg·cm2)
——工作臺及工件等移動部件的重量（N）；
，——齒輪的轉動慣量；
初選反應式步進電機130BF001，其轉子轉動慣量為：=4.65 Kg·cm2
對于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等圓柱體的轉動慣量計算公式為：
(Kg·cm2)
對于鋼材，材料密度為代入上式，有：
Kg/cm2
式中： ——圓柱體質量（kg）；
——圓柱體直徑（cm）；
——圓柱體長度（cm）；
因此：
= Kg·cm2
= Kg·cm2
= Kg·cm2
代入式⑴
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣性匹配問題：
／
基本滿足慣性匹配的要求。
第3章 液壓驅動、控制系統(tǒng)的設計
3.1液壓驅動回路設計
1. 液壓系統(tǒng)回路分析
本機械手采用液壓驅動系統(tǒng)是由一些基本的回路組成，主要有以下回路：
1.1調壓回路
液壓系統(tǒng)的壓力必須與負載相適應，以減少動力消耗和減少發(fā)熱。本機械手采用雙聯(lián)定量泵供油，用溢流閥來調定壓力，使系統(tǒng)在恒定的或限制的最高壓力下工作。溢流閥所起到的作用：起安全閥的作用（防止液壓系統(tǒng)過載）在系統(tǒng)正常工作的情況下，閥關閉不溢流，系統(tǒng)的壓力決定于外載荷。當系統(tǒng)的壓力達到閥的調定壓力時，閥開啟溢流。此時系統(tǒng)的壓力就是閥的調定壓力。
圖3.1.1 調壓回路
1.2調速回路
由于俯仰運動采用的是雙聯(lián)同步運動的液壓缸，因此要保證液壓缸以相同的位移和速度運動。本設計采用分流閥控制同步回路，通過保證進入液壓缸的流量相等來實現速度的同步，精度可達2%~5%。此時，溢流閥的作用是維持系統(tǒng)壓力恒定。在本節(jié)流調速回路中，溢流閥在工作時為常開，通過溢流出多余的油液而維持系統(tǒng)壓力的基本平衡。通過中間缸活塞二邊的運動保持兩缸的流量基本相等。
圖3.1.2 調速回路
1.3保壓回路
本設計采用復合式泵的保壓回路，當系統(tǒng)壓力較低時，低壓大泵和高壓小泵同時供油；當系統(tǒng)壓力升高到卸荷閥調定的壓力時，大泵卸荷，小泵供油保持溢流閥調定的壓力值。由于保壓狀態(tài)下液壓缸只需要微量位移，僅用小泵供給，便減少系統(tǒng)發(fā)熱，減低能耗。
圖3.1.3 保壓回路
1.4換向回路
采用O型機能的三位四通換向閥，滑閥在中間位置時油路全封閉，液壓缸鎖緊。由于液壓缸充滿液壓油，故能從靜止到啟動較平穩(wěn)，且換向沖擊小，換向復位精準。
圖3.1.4 三位四通換向閥
當液壓伸縮缸帶動手爪夾持工件時須停留一段時間，這時活塞桿不需要移動，但是仍要保持一定的壓力。此時可以將三位四通閥處在中間位置，通過中立加壓能使整個回路轉化為差動電路，不僅能為下步的油缸的運動加速，還能起到密封的功能。三位四通閥能通過電磁控制，因此，能夠通過設定的程序來調控電信號的變化，從而通過三位四通電磁閥改變油路的變化。
1.5緩沖回路
本設計采用蓄能器減少沖擊，當液壓回路壓力升高時，蓄能器吸收能量，減少沖擊，實現緩沖。當液壓系統(tǒng)工作時，由于泵的故障或突然斷電等原因使得油泵不能正常供油時，為了確保工作安全，蓄能器可作應急動力源，向回路釋放壓力油，使工件不會脫落。
圖3.15 緩沖回路
3.2控制系統(tǒng)方案設計
該設計采用的是機械內在反饋開環(huán)控制系統(tǒng)方案。
內在反饋系統(tǒng)內部各參數之間互為因果關系，這對動態(tài)性能有非常重要的影響，而且難以控制。此時，系統(tǒng)按照一定的規(guī)律聯(lián)系相關的元素，通過信號的傳輸和交換。系統(tǒng)表現出處在運動狀態(tài)下，是由于元素之間有著聯(lián)系，有信息的傳輸與交換。因此，在系統(tǒng)中通過反饋校正來改善控制系統(tǒng)的性能。采用校正系統(tǒng)后，除了能收到校正效果外，還能消除系統(tǒng)的不可變部分中為反饋所包圍的那部分環(huán)節(jié)的參數波動對系統(tǒng)的影響。當系統(tǒng)一些參數，特別是壓力，隨著工作條件的改變而發(fā)生大幅度的變化時，系統(tǒng)能夠取出適當的反饋信號，即有條件采用反饋校正，是恰當的。下圖為反饋校正框圖：
圖3.2.1 反饋框圖
開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、成本低，但缺點是精度不高。
3.3液壓泵及液壓原件選擇
液壓泵選擇
在機械手工作過程中，手爪的伸縮和手臂的回轉速度變化范圍大，為了節(jié)省能量，減少系統(tǒng)發(fā)熱，選用雙聯(lián)葉片泵供油。其中一個為小流量泵，另一個為大流量泵，兩泵可分別向系統(tǒng)提供一定量的壓力油，也可以同時向系統(tǒng)供應較大流量的液壓油，以滿足執(zhí)行器對速度的要求。兩泵可以通過溢流閥調定的壓力來控制。選用雙聯(lián)葉片泵，其型號為YB-6/40，系統(tǒng)的壓力為1.6~2.5MPa，電動機的功率為5.5Kw.同步轉速為1500r/min。
液壓泵站的油箱容量為25L。在油箱處還應設置濾油器，濾油器在液壓系統(tǒng)中，濾除外部或者系統(tǒng)運轉中內部產生的液壓油的固體雜質，使液壓油保持清潔，延長液壓原件的使用壽命，保證液壓系統(tǒng)的工作可靠性。該設計中液壓系統(tǒng)的壓力為1.6~2.5 MPa，為一般液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)中固體顆粒的大小約為25~50μm選取的普通網式濾油器，裝在液壓泵的吸油管路上。該濾油器具有結構簡單、通油能力大，清洗方便，容易拆換等特點。
液壓系統(tǒng)原件的選擇
溢流閥：Y6-60 ;
單向閥：Y10B ;
調速閥：Q63B ;
節(jié)流閥：L-25B ；
換向閥：34E-63B 。
驅動缸的選定：
驅動缸的內徑和活塞桿外徑的計算
由方案設計得驅動缸的內徑即為回轉缸內直徑，設此工作壓力P=6.3Mpa則：
缸筒內徑 D=mm，
按JB2183-77,選取D=40mm；
由活塞桿直徑d=0.45D=0.4540=18mm。
按JB2183-77,選取d=20mm。
驅動缸外徑及行程：
按GB1068-67得D’=60mm；
由GB2349-80選取缸的行程S=650mm。
強度校核：
A、壁厚校核：
由于,故可視為薄壁，
=≈2.4mm；
顯然=10>2.4mm,故壁厚安全。
B、活塞桿的穩(wěn)定性校核：
活塞桿斷面回轉半徑k=20/4=5mm；
m=85,由于兩端鉸鏈n=1；
故細長比l/k=630/7=90,而=85；
故l/k>,因mm4
此時P==1005kN；
而實際使用時，為了保證活塞桿不產生縱向彎曲，
則P≤P/nF=1005/4=251.3kN。（nF=4）
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謝 辭
本次設計是對自己大學四年來所學東西的一次總結，在設計中出現過許多的狀況，也從中學習了許多。從分析論文的任務要求，到搜索相關的資料，拓展自己的知識面，一步步收獲頗多。我最初做了一套設計方案，但到后來做到一定的程度時，我發(fā)現最初的設計有很大的缺陷，“從頭再來”。這無疑是對自己設計的一次挑戰(zhàn)和創(chuàng)新，我接受了顏老師給我的建議，從他的身上，我學到了許多，一種以身作則，一種負責的態(tài)度，一種豁達的人生觀。一種學機械就必須按照一定的標準來衡量一切事物的方法論。感謝顏竟成老師對我的精心指導。
英 文 翻 譯
A Cutter Orientation Modification Method for the Reduction of Non-linearity Errors in Five-Axis CNC Machining
ABSTRACT
In the machining of sculptured surfaces，five-axis CNC machine tools provide more flexibility to realize the cutter position as its axis orientation spatially changes .Conventional five-axis machining uses straight line segments to connect consecutive machining data points ,and uses linear interpolation to generate command signals for positions between end points，Due to five-axis simultaneous and coupled rotary and linear movements, the actual machining motion trajectory is a non-linear path. The non-linear curve segments deviate from the linearly interpolated straight line segments, resulting in a non-linearity machining error in each machining step. These non-linearity errors, in addition to linearity error, commonly create obstacles to the assurance of high machining precision. In this paper, a novel methodology for solving the non-linearity errors problem in five-axis CNC machining is presented. The propose method is based on the machine type-specific kinematics and the machining motion trajectory. Non-linearity errors are reduced by modifying the cutter orientations without inserting additional machining data points. An off-line processing of a set of tool path data for machining a sculptured surface illustrates that the proposed method increases machining precision.
Keyword
Non-linear error; Machine kinematics; Machining motion trajectory.
INTRODUCTION
In conventional five-axis machining, a tool path, represented by the cutter locations data (CLDATA), consists of the spatially varying cutter positions and its axis orientations. These CLDATA are generated based solely on the geometrical properties of the machined surfaces and the cutter. These CLDATA are further processed into NC-codes which is specific to a particular machine configuration. Linear interpolation is then used to generate the required commands for positions along line segment connecting the machining data points. The simultaneous linear and rotary movements are involved in five-axis machining since ever new cutter axis orientation requires the motion at least one other axis. There are also coupling effects of the cutter axis will affect the position of the cutter. These simultaneous and coupled movements cause the cutter contract point (CC point) to move in a non-linear manner. As a result, the machining error in each motion step is made up of not only the linear segmentation approximation error but also an additional machining error. As shown in figure 1 for machining is either a concave surface or a convex surface, a line segment is used to connect two consecutive machining data points (the spindle chunk is the machine control point MCP). Linear interpolation generate intermediate positions along the line segment. The desire surface is design curve(either concave or convex). The linear segment approximates to design curve resulting in the linearity error,δt. Apart from the linearity error . The non-linear CC point trajectory deviates from the straight line segment (the cutter gage length is constant and MCP is interpolated along the line segment)result in an additional machining error, referred to as the non-linearity error, δn. In the case that the desire surface is concave(see figure 1a), the total machining error is difference of the non-linearity error and the linearity error : δtotal=δt-δn. The non-linearity error, in this case, compensate for the total machining error(AIGP Post-processor,1996;Liu,1994). On the contrary, for the machining of convex surface as shown in figure 1b, the non-linearity error adds onto the linearity error and enlarges the machining error: δtotal=δt+δn(AIGP Post-processor,1996;Liu,1994).
figure1. The multi-axis CNC machining error
Consequently the non-linearity error have caused difficulties for ensuring ultra-precision machining requirements. In the machining of airfoil surface, for example, the machining of the contour surface of airfoil to the edges is problematic. The surface curvature on these area changes abruptly, and thus the cutter orientation varies inconsistently from one cutter to the next. These abrupt cutter orientation variations inconsistently from one cutter location to the next .These abrupt cutter orientation are a typical non-linearity error problem.
In order to solve the five-axis CNC machining error problem, efforts have been made to treat non-linearity errors in generate NC codes. Some researchers and postprocessor producers used “l(fā)inearization processes” for this purpose. The basic function of “l(fā)inearization processes ” are inserting machining data points between NC codes where the total machining error is out of the specified tolerance range. Takeuchi et al. (1990) inserted points by subdividing the line segment with equally space d interval. Cho et al. (1993) inserted data points by limiting the maximum machining error within the line interval from the start point to the inserted point to be the tolerance. And, both of them set the cutter orientations varying linearly in successive positions. In the Automation Intelligence Generalization Postprocessor (AIGP)(1996), a “l(fā)inearization processes ” calculates the middle point (MP) between adjacent NC-codes and inserts the MP as an additional data in the NC code. The insertion can be performed further between the consecutive NC-coded until either all points are within the machining tolerance or until a maximum of 63 points are inserted between the consecutive data point. The current post-processors, such as the Vanguard Custom Post-processor Generator (1996) , the Ominimill Custom Postprocessor(1992),the AIX Numerical Control Post Generator(1996) , are all having the similar “l(fā)inearization processes ” as in the AIGP. In the current CAD/CAM software. Unigraph
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