電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料機(jī)械手設(shè)計(jì)【液壓驅(qū)動(dòng) 二自由度圓柱坐標(biāo)式】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料機(jī)械手設(shè)計(jì)【液壓驅(qū)動(dòng) 二自由度圓柱坐標(biāo)式】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】,液壓驅(qū)動(dòng) 二自由度圓柱坐標(biāo)式,CAD圖紙和文檔終稿可編輯,電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料機(jī)械手設(shè)計(jì)【液壓驅(qū)動(dòng),二自由度圓柱坐標(biāo)式】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】,電動(dòng),機(jī)座,加工,自動(dòng)線,卸料,機(jī)械手,設(shè)計(jì),液壓 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目 電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料機(jī)械手設(shè)計(jì) 姓 名： 馮 應(yīng) 輝 學(xué) 號(hào)： 0515011211 所在系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí)： 05機(jī)制（2）班 指導(dǎo)老師： 雷 紹 祿 日 期： 2009年6月1日 目錄摘要.2 ABSTRACT.3 目錄.4 1 緒論. . . 6 1.1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀 .61.2 本課題研究目的及意義.8 1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容.92 機(jī)械手的總體計(jì).9 2.1 總體方案的比較與選定.9 2.1.1 各種坐標(biāo)形式機(jī)械手的比較.92.1.2選定的兩個(gè)機(jī)械手方案的概述及比較.12 2.2 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述.162.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu).17 2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).17 2.2.3 控制系統(tǒng).18 2.3 機(jī)械手的主要參數(shù).19 2.3.1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù).19 2.3.2 機(jī)械手的主要規(guī)格參數(shù).193 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .203.1 手部的設(shè)計(jì).20 3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).20 3.1.2 手部的計(jì)算與分析.21 3.2 臂部.25 3.2.1 手臂不自鎖條件. 263.2.2 手臂回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).263.2.3 大手臂相關(guān)參數(shù)計(jì)算.273.2.4 手臂伸縮缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .353.2.5 手臂伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算.354 機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).424.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng).424.2 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定.42 4.2.1 各液壓缸的換向回路.42 4.2.2 調(diào)速方案.434.2.3 減速緩沖回路.44 4.2.4 調(diào)壓回路.45 4.2.5液壓系統(tǒng)的合成與完善.465 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì).48 5.1 運(yùn)動(dòng)控制方式的選擇.48 5.2 輸入輸出觸點(diǎn)的分配.49 5.2.1 行程開關(guān)的分配.49 5.2.2 手動(dòng)按鈕分配.50 5.3 外部接線圖.50 5.4 控制面板設(shè)計(jì).51 5.5 卸料機(jī)械手電氣控制圖.52 5.6 電氣系統(tǒng)工作流程圖原理.54致 謝.57參考文獻(xiàn) .591 緒論機(jī)械手，英文名mechanical hand，是指能模仿人手和臂的某些動(dòng)作和功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。 工業(yè)機(jī)械手即在工業(yè)生產(chǎn)中所使用的機(jī)械手，是一種可編程序的自動(dòng)機(jī)械手。它是在五十年代末出現(xiàn)，近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的重要的自動(dòng)化裝置，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段。目前，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，都采用了各種不同形式，不同功能的機(jī)械手。由于機(jī)械手的出現(xiàn)，在許多生產(chǎn)工藝中都代替了人工，使工業(yè)自動(dòng)化有了較大發(fā)展，這不僅大大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且使成批生產(chǎn)有了質(zhì)量技術(shù)保證，就因?yàn)槿绱?，機(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)成了目前工業(yè)技術(shù)的重要課題。1.1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀 機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用于機(jī)加工，鍛壓，鑄造，沖壓，焊接，裝配，噴漆，熱處理等各個(gè)行業(yè)，特別是在笨重，高溫有毒，放射性，多粉塵等惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于有顯著的優(yōu)點(diǎn)而備受重視。以下是機(jī)械手在工業(yè)中的幾種典型應(yīng)用： 1旋轉(zhuǎn)體零件生產(chǎn)流水線自動(dòng)化方面 采用機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)體零件（如軸類、盤類、環(huán)類等）生產(chǎn)流水線上的機(jī)床之間傳送工件能夠提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)已建成的這類自動(dòng)線很多，如沈陽(yáng)泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)軸加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)齒輪廠的齒坯加工自動(dòng)線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的汽缸蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 2在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 1）各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料。裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用最多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手，大連第二機(jī)床廠的自動(dòng)循環(huán) 液壓仿形車床機(jī)械手，沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類機(jī)床產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩糇孕邪惭b機(jī)械手提供條件。 2）注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。 3）沖床有自動(dòng)上下料沖壓循環(huán)，裝上機(jī)械手上下料，可實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽(yáng)低壓開關(guān)廠200t沖床磁力起動(dòng)器殼體下料機(jī)械手和天津拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等;一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位沖床）和天津二輕局技術(shù)研究所制作的12t和40t多工位沖床機(jī)械手等。 3.在鑄、鍛、焊等熱處理方面 在鍛造方面，機(jī)械手一般用做加熱爐，鍛壓機(jī)床或沖床的上下料和工件的傳送，其中包括多工位沖床的中間傳送。如：天津第二鍛造廠研究了JS01通用機(jī)械手用于精鍛機(jī)上下料。 在鑄造方面，機(jī)械手應(yīng)用較多的是在熔模鑄造中，也用于澆鑄，造型，制芯及清理工作。美國(guó)Dochlcn-jarvis工廠是使用工業(yè)機(jī)械手最多的，約12萬(wàn)臺(tái)，主要用于從壓型中取出鑄件，然后用噴氣法清洗鑄件表面，該廠使用機(jī)械手后鑄件質(zhì)量得到了很大提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。 在焊接方面，焊接機(jī)械手也是應(yīng)用較多的，這種機(jī)械手可分為點(diǎn)焊接機(jī)械手和弧焊接機(jī)械手。對(duì)于點(diǎn)焊接機(jī)械手，其手臂能伸縮，俯仰，回轉(zhuǎn)，手腕能擺動(dòng)，回轉(zhuǎn)，俯仰。至于弧焊接機(jī)械手，它的焊炬能作復(fù)雜三維曲線運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)焊接范圍。 4在裝配方面 工業(yè)機(jī)械手在裝配中的應(yīng)用，是近幾年國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的一個(gè)重要方面，特別是在汽車制造業(yè)的汽車裝配自動(dòng)化和彈藥裝配等危險(xiǎn)作業(yè)上有很大的使用價(jià)值。目前裝配機(jī)械手正由串聯(lián)結(jié)構(gòu)向并聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。 1.2 本課題研究目的及意義：工業(yè)機(jī)械手具有許多人類無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，滿足了社會(huì)化大生產(chǎn)的需要，其主要優(yōu)點(diǎn)如下： 1.能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作。只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應(yīng)推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。 2.能長(zhǎng)時(shí)間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。 3.動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可避免人為的操作錯(cuò)誤。 4.機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。 5.機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。 由于機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國(guó)都很重視工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過(guò)還屬于起步階段，就顯示出了許多的無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來(lái)，機(jī)械手的開發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。 成品電動(dòng)機(jī)機(jī)體形狀很復(fù)雜，從毛胚到成品需要完成很多道加工工序，各道工序及工序之間都要實(shí)現(xiàn)機(jī)體的移位及定位，這些工序如果全靠人工完成將大大增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，不僅使加工質(zhì)量難以得到保證還增加了勞動(dòng)的危險(xiǎn)性。本課題的研究是為了設(shè)計(jì)出一種電動(dòng)機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線上用的輔助機(jī)械手，該機(jī)械手在機(jī)體加工自動(dòng)線能完成上料，轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。 1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容 ：本次設(shè)計(jì)的多功能機(jī)械手用于電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線上，主要由手爪、小臂、大臂等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動(dòng)作。本機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，自動(dòng)線圍繞機(jī)體布置，具有大手臂旋轉(zhuǎn)、小手臂伸縮、手指伸縮共2個(gè)自由度。其中大手臂旋轉(zhuǎn)是為了將工件從自動(dòng)線轉(zhuǎn)移到卸料工位上，小臂升降手指伸縮是重復(fù)自由度，目的是擴(kuò)大升降范圍，避免小手臂頻繁升降；驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，且選用雙聯(lián)葉片泵，系統(tǒng)壓力為2.5MPa，電機(jī)功率為3KW，共有推動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)油缸、小臂升降油缸、手爪夾緊油缸共3個(gè)液壓缸；定位采用機(jī)械擋塊定位，定位精度為0.51mm，采用行程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。 本機(jī)械手裝置應(yīng)具備如下功能； 1. 具有友好的人機(jī)界面，以保證人機(jī)通訊、人機(jī)互助和人機(jī)協(xié)同工作。 2.能夠自動(dòng)完成系統(tǒng)所要求的動(dòng)作，具有連續(xù)工作、單周期工作、單步工作、自動(dòng)返回原點(diǎn)、手動(dòng)返回原點(diǎn)、手動(dòng)操作等功能。 3.在保證精度的前提下，有一定的容錯(cuò)性。 4.能夠依次對(duì)柴油機(jī)機(jī)體完成上料、轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)等輔助加工功能。 5.在保證完成以上功能的前提下具有一定的通用性，使該機(jī)械手在整個(gè)柴油機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線都具有一定的適應(yīng)性。2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1 總體方案的比較與選定 2.1.1 各種坐標(biāo)形式機(jī)械手的比較 按坐標(biāo)形式分，機(jī)械手主要有以下四種不同的類型： 1. 直角坐標(biāo)式 2. 圓柱坐標(biāo)式 3. 球坐標(biāo)式 4. 平面多關(guān)節(jié)式 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要在電動(dòng)機(jī)座加工自動(dòng)線卸料，包括上料，升降，轉(zhuǎn)位，等多種功能。結(jié)合設(shè)計(jì)要求對(duì)各種坐標(biāo)形式的機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)作出評(píng)析， 如下： 1. 直角坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.1）。這種機(jī)械手所有的送放運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀性好，便于實(shí)現(xiàn)一定的精度要求，但本機(jī)械手需要在多個(gè)工位上完成輔助加工功能，故在相同的動(dòng)作范圍內(nèi)其所需要的空間位置大，靈活性差，同時(shí)由于手爪部分移動(dòng)，不利于電液集中配置。 圖2.1 直線坐標(biāo)式機(jī)械手2. 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.2）。這是一種回轉(zhuǎn)型機(jī)械手，其手臂除了可以伸縮，可以升降外，還可以繞立柱回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手與直角坐標(biāo)式機(jī)械手相比，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)亦比較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度。但是，它的手臂的升降受到機(jī)械手結(jié)構(gòu)的限制，距離地面總有一定的距離，不能從地面抓取物件，因此不能完成上料的工序。 圖2-2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 1 手部 2腕部 3臂部3. 球坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.3）。這種機(jī)械手與圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手相比，在占有同樣大小的空間情況下，可以擴(kuò)大工作范圍，能將手臂伸向地面抓取物件。其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的直觀性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且臂部有兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，位置精度誤差較大。圖2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手 4. 4.多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.4）。這種機(jī)械手可以在以臂部最大伸展長(zhǎng)度為半徑的球體空間范圍內(nèi)任意抓取物件，靈活性大。它與其他坐標(biāo)形式的機(jī)械手相比，所占空間最小。但其運(yùn)動(dòng)直觀性差，臂部前端的位置由多個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)決定，要達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)精度比較困難，為此必須提高制造精度，因而使設(shè)計(jì)和制造均較為復(fù)雜。圖2.4 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手2.1.2選定的兩個(gè)機(jī)械手方案的概述及比較 2.1.2.1兩種方案概述 根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，該機(jī)械手能夠完成上料、升降、轉(zhuǎn)位工件等多種功能，所以，在這里設(shè)計(jì)了四個(gè)機(jī)械手將要到達(dá)并完成輔助加工的工位，依次是：上料工位、升降工位、轉(zhuǎn)位工位、再次轉(zhuǎn)位工位（見圖2.6和2.7）。機(jī)械手在一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)作過(guò)程如下： 一上料。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)開始前面向第一工位。開始工作后，機(jī)械手的小手臂的升降缸將手部5下降到取料位置，手部上的定位壓盤正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上，同時(shí)，手指伸縮油缸1的活塞桿下端連接著帶圓錐面得推動(dòng)桿6，使內(nèi)撐式手部的三個(gè)手指伸入到工件內(nèi)的空槽中。 二完成以上動(dòng)作后，機(jī)械手轉(zhuǎn)向第二工位，將工件升起，小手臂2的油缸上升，將工件提起到預(yù)定的高度。 三接下來(lái)，大手臂回轉(zhuǎn)90度（當(dāng)前輸送帶前進(jìn)到終點(diǎn)發(fā)信）。 四然后小手臂下降到工件準(zhǔn)確地放到轉(zhuǎn)載裝置前輸送帶的適當(dāng)位置上。 完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，機(jī)械手轉(zhuǎn)向第一工位，處于“回到原點(diǎn)”狀態(tài)。這時(shí)，第一工位的專機(jī)已經(jīng)完成加工處于“等候上料”狀態(tài)，機(jī)械手在第一工位再次完成上料后轉(zhuǎn)向第二工位，這時(shí)，在第一工位加工完畢的機(jī)體已經(jīng)順著自動(dòng)線傳至第二工位，機(jī)械手將其轉(zhuǎn)位使其完成第二工位的加工。在連續(xù)工作狀態(tài)中機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如上所述依次循環(huán)。 總結(jié)上述各種形式的機(jī)械手，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下設(shè)計(jì)出以下兩種方案。 方案一：外形圖及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下 圖2.5 方案一外形圖 圖2.6 方案一運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖這是一種屈伸型機(jī)械手，該機(jī)械手具有與人體上肢相類似的結(jié)構(gòu)。臂部由大臂和小臂兩個(gè)部分組成。除了大臂本身具有回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)外，小臂相對(duì)于大臂也可以俯仰，通過(guò)大臂和小臂的俯仰來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮，通過(guò)機(jī)身的回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)使手臂面向不同的工位。該機(jī)械手有E1-E5（見圖2.6）共5個(gè)自由度，其中： E1：機(jī)身繞機(jī)座回轉(zhuǎn) E2：大臂的俯仰 E3：小臂的俯仰 E4：手腕的俯仰 E5：手腕的回轉(zhuǎn) 這種機(jī)械手采用直線式流水線，待加工的柴油機(jī)機(jī)體從流水線上依次流到A,B,C,D四個(gè)工位，機(jī)械手通過(guò)機(jī)身的回轉(zhuǎn)依次停在四個(gè)工位，分別完成上料、轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、再次轉(zhuǎn)位四個(gè)輔助加工動(dòng)作。通過(guò)大臂、小臂和手腕的俯仰使機(jī)械手到達(dá)四個(gè)工位點(diǎn)，通過(guò)手腕的俯仰和翻轉(zhuǎn)使手爪能夠有正確的夾持姿態(tài)。方案二：外形圖及運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖2.8 方案二外形圖圖2.9 方案二運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖這是一種圓柱坐標(biāo)坐標(biāo)式機(jī)械手。該機(jī)械手由機(jī)座、機(jī)身（即立柱）、大臂、小臂、手腕和手爪組成。有E1-E3共2自由度（立柱升降自由度E2和小臂升降自由度E3是重復(fù)自由度），其中： E1:大手臂回轉(zhuǎn) E2:手指伸縮E3:小手臂升降該機(jī)械手的工作流程圖如下： 圖2.10 方案二的工作流程圖該機(jī)械手由直動(dòng)式液壓缸推動(dòng)齒條式活塞桿通過(guò)齒條與套在機(jī)座上的齒圈的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)大手臂回轉(zhuǎn)；由直動(dòng)式液壓缸推動(dòng)小臂升降；由直動(dòng)式液壓缸推動(dòng)手指夾緊，彈簧自動(dòng)復(fù)位。 在工作中，自動(dòng)流水線環(huán)繞機(jī)座兩旁布置， 機(jī)械手在一個(gè)工位完成輔助加工后，縮回手臂，大手臂依次回轉(zhuǎn)到下一工位，伸出手臂完成相應(yīng)的功能。2.1.2.2 兩種方案的比較 兩種方案通過(guò)流水線的不同布置都能使手爪到達(dá)指定的工位并且都能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能，手爪都具有足夠的自由度，能從正確的方位夾持電動(dòng)機(jī)座體。兩種方案都具有電液集中，占地面積小，可以從地面上抓取工件的優(yōu)點(diǎn)。所不同的是：方案一通過(guò)腰部的回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰及小臂的俯仰來(lái)使手爪到達(dá)正確的工位，而方案二是通過(guò)大手臂回轉(zhuǎn)、小手臂的升降和手指伸縮來(lái)使手爪到達(dá)正確的工位。 但是，方案一運(yùn)動(dòng)直觀性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。首先，其臂部位置由多個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)決定，手臂在俯仰時(shí)其底部回轉(zhuǎn)角度的誤差容易在手臂端部造成誤差擴(kuò)大，通過(guò)大臂、小臂、手腕的回轉(zhuǎn)誤差累積，最終容易使手爪位置與指定位置有較大偏差。其次，越靠近機(jī)身的俯仰運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力越大，使整個(gè)系統(tǒng)各液壓缸工作壓力相差很大，不易配置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)且回轉(zhuǎn)缸出力不大。再次，方案一的手臂有多種屈伸狀態(tài)，則需要很多的定位裝置，而回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)空間狹小，不宜布置過(guò)多的機(jī)械擋塊。如果改采用連續(xù)軌跡控制的機(jī)械手，成本太高。所以在第二種方案中齒條嚙合安裝在手臂上的齒輪來(lái)推動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)，在齒條式活塞桿的端部安裝凸塊，在活塞桿的行程上安裝控制緩沖和停止的開關(guān)，由凸塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程壓合行程開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)的控制。 綜上所述，本課題采用第二種方案2.2 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述 本課題所設(shè)計(jì)的是一種在電動(dòng)機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線上用的多功能機(jī)械手，屬于工業(yè)用機(jī)械手。同大部分工業(yè)機(jī)械手一樣，它是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，其組成示意圖如下：圖2.11 機(jī)械手組成框圖 2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1. 手部。即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。由于回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為了減輕手部的重量，本設(shè)計(jì)采用回轉(zhuǎn)型。手爪多為兩指（也有多指），根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本課題設(shè)計(jì)的多功能機(jī)械手需要抓取的是電動(dòng)機(jī)座體，為了便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸的確定以及各部分的受力分析和計(jì)算，本文以JO2系列15號(hào)電動(dòng)機(jī)座。由于電動(dòng)機(jī)座機(jī)體內(nèi)部形狀不是很有規(guī)則，本手爪采用寬大的三指型并且在指的內(nèi)側(cè)粘貼一層橡膠以增大摩擦，就像人的手指上附有皮肉。 傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 2.臂部。臂是支承被抓物、手部的重要部件。手部的作用是帶動(dòng)手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。 手臂有兩個(gè)自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N 以下。液動(dòng)式的出力大，臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。1.各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),按動(dòng)力源分為液壓,氣動(dòng)和電動(dòng)三大類.根據(jù)需要也可由這三種基本類型組成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).（1）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù),它具有動(dòng)力大,力(或力矩)慣量比大,快速響應(yīng)高,易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn),適用于承載能力大,慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手.（2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有速度快,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便,價(jià)格低等特點(diǎn),適用于中,小負(fù)載的系統(tǒng)中.但難于實(shí)現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)械手中.如在上下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多.（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于低慣量,大轉(zhuǎn)矩的交,直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器(交流變頻器,直流脈沖調(diào)制器)的廣泛采用,這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械手中被大量選用.2.工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí),選擇哪一類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),要根據(jù)機(jī)械手的用途,作業(yè)要求,機(jī)械手的性能規(guī)范,控制功能,維護(hù)的復(fù)雜程度,運(yùn)行的功耗,性能與價(jià)格比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮.在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,綜合上述各因素,充分論證其合理性,可行性,經(jīng)濟(jì)性以及可靠性后進(jìn)行最終的選擇.一般情況下機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇大致按如下原則:（1）物料搬運(yùn)(包括上下料)用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手,重負(fù)載的可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),中等負(fù)載的可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),輕負(fù)載的可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).（2)用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)械手,要求具有任意點(diǎn)位和軌跡控制功能,需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).本機(jī)械手采用PLC程序控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.2.3 控制系統(tǒng) 機(jī)械手電器控制系統(tǒng)有各種類型，除了通用機(jī)械手外，絕大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序，應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動(dòng)、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)等都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過(guò)每一運(yùn)動(dòng)部件的檢測(cè)機(jī)構(gòu)有較重要的作用。檢測(cè)是為進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，是操作和控制的基礎(chǔ)。通用的位置檢測(cè)元件有以下：1.行程開關(guān) 這種開關(guān)又稱限位開關(guān)，主要用于將機(jī)械的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)作狀態(tài)，或控制有關(guān)電磁閥的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位或進(jìn)行行程控制。2.近開關(guān) 這種開關(guān)主要利用接近體與檢測(cè)線圈間的電磁感應(yīng)來(lái)檢測(cè)位置，是一種無(wú)觸點(diǎn)行程開關(guān)。3.電位器 電位器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，可測(cè)直線和角度位移，使用方便，價(jià)格低。缺點(diǎn)是分辨率不高，放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定得死區(qū)，因而控制精度不高?？刂频姆绞接幸韵路绞剑河悬c(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。 2.3 機(jī)械手的主要參數(shù) 2.3.1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) 本課題為電動(dòng)機(jī)機(jī)體加工線上的輔助裝置之一，機(jī)械手在機(jī)體加工自動(dòng)線上完成上料，轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能。以JO2系列15號(hào)電動(dòng)機(jī)座為例，其主要技術(shù)指標(biāo)如下： （1） 最大抓取重量: 35Kg（2） 械手的自由度: 2個(gè)（3） 坐標(biāo)型式：類似圓柱坐標(biāo)（4） 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：大手臂回轉(zhuǎn)（） 90度 小手臂升降（Z） 400毫米（5） 手指夾持范圍： 孔徑252毫米（6） 定位方式： 行程擋鐵（7） 定位精度： （8） 驅(qū)動(dòng)方式： 液壓（9） 控制方式： 繼電線路程序控制（10）性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，定位可靠。 2.3.2 機(jī)械手的主要規(guī)格參數(shù) 工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)，是說(shuō)明機(jī)械手規(guī)格的具體指標(biāo)，包括以下幾個(gè)方面： 1）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：自由度2個(gè)，坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)式。 2）定位方式：機(jī)械擋塊和行程開關(guān)。 3）驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)。 4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 5) 程序編制方法：PLC。 6）控制系統(tǒng)動(dòng)力：電。 7）驅(qū)動(dòng)源：液壓，壓力為2.5MP，液壓泵CE-B25型齒輪泵，電動(dòng)機(jī)是JO2-41-6型，功率為3kW。 8）重量：35kg。3 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 手部的設(shè)計(jì) 3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題：（1） 手指需有足夠的夾緊力。（2） 手指應(yīng)有一定的開閉角度范圍，其大小應(yīng)滿足工件尺寸變化的需要。（3） 應(yīng)能保證工件的準(zhǔn)確定位。（4） 結(jié)構(gòu)盡量緊湊、減輕重量，以利于臂部設(shè)計(jì)。手部的結(jié)構(gòu)與分類：手部就是與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)被夾持工件是圓柱刀柄時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)該機(jī)械手做其他用途，被夾持工件是板料時(shí)，可使用氣流負(fù)壓式吸盤。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。吸附式手部分為空氣負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩種?？諝庳?fù)壓吸盤對(duì)所吸附的工件的材質(zhì)不限，但要求工件表面較平整。空氣負(fù)壓吸盤按形成負(fù)壓的方法分為擠氣式，氣流負(fù)壓噴嘴式，真空泵式。電磁吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但僅適用吸附磁性工件，并應(yīng)注意被吸附的工件有剩余磁性的問(wèn)題。電磁吸盤按結(jié)構(gòu)形式分為固定式和轉(zhuǎn)動(dòng)式。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。3.1.2 手部的計(jì)算與分析一. 夾緊力（握力）的確定 :本設(shè)計(jì)中機(jī)械手手爪在夾持工件時(shí)，都是手指在水平位置上夾持垂直放置的工件，其夾握力分析簡(jiǎn)圖如下圖3.2 圖3.2 夾握力分析簡(jiǎn)圖 N=式中，N 夾持工件時(shí)所需要的握力； G工件的重量，G =35kg =350N ； f摩擦系數(shù)，取 f = 21.0 ； 電動(dòng)機(jī)座機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面并不平整。為了增大夾握力，可以采取以下兩種方法：一，加大手指寬度以增加手指和機(jī)體的接觸面積；二，增大手指和機(jī)體間的摩擦系數(shù)。為此本設(shè)計(jì)一方面采用較寬手指，另一方面在手指內(nèi)側(cè)粘結(jié)波濤形的橡膠墊，如圖3.1所示，故此f 處取0.21。 將上述數(shù)值代入得 N=833.33N考慮到工件在傳送過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力，振動(dòng)以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等得影響，故實(shí)際握力還應(yīng)按下式計(jì)算： 式中， 手部的機(jī)械效率，一般=0.850.95； K安全系數(shù)，一般取K =1.22;K 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：K=1+， 其中，a為抓取工件傳送過(guò)程中的最大加速度，g為重力加速度。 若取=0.9；按K=1.5 ，K按a=計(jì)算，K=1+，則 =833.33*2083.33N因?yàn)檫@個(gè)機(jī)械手手指不是完全靠摩擦力去夾緊工件，假如這個(gè)完全是靠摩擦力的話，則每個(gè)手指需要承受的握力N=/3=2083.33/3=694.44N二，夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 圖3.3所示為夾緊缸受力分析簡(jiǎn)圖，圖中P為驅(qū)動(dòng)力，為握力。由圖（a）的受力分析可得 圖3.3 a由圖3.2得知在手指頭上有一個(gè)復(fù)位彈簧，根據(jù)手指的尺寸選擇彈簧的種類，在這里我們選擇：彈簧絲直徑d=1.0 , 彈簧內(nèi)徑=10mm , 彈簧系數(shù)=13.43 N/mm假設(shè)當(dāng)手指在推動(dòng)桿的最下方的時(shí)候彈簧為自由長(zhǎng)度，即彈簧H=41mm,由從推動(dòng)桿從底部到桿上的變化距離S=11mm ,則彈簧變化長(zhǎng)度為x=11mm ，=x= 13.43*11=147.73 N =694.44 N （見23頁(yè)計(jì)算數(shù)據(jù)）由受力圖3.3 a可知在豎直方向的受力情況為： = （+）*sin 其中sin=0.48 = （694.44+147.73）*0.48 = 382.64 N因?yàn)檫@是其中一個(gè)手指的計(jì)算驅(qū)動(dòng)力，則驅(qū)動(dòng)力總和PP=（）= * 3 = 382.64N * 3 = 1147.9 N三，夾緊液壓缸主要尺寸得確定 1液壓缸內(nèi)徑D D=13.1式中，P驅(qū)動(dòng)力，即液壓缸得實(shí)際工作載荷； 系統(tǒng)得工作壓力，=2.5Mpa =2.5N/ 機(jī)械效率，一般取=0.95將上述數(shù)值代入得: D=13.1=13.1= 24.83 mm25 mm按JB82666(GB2348-80)標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取D=45mm d=20mm（活塞桿直徑）2. 液壓缸壁厚 =式中，試驗(yàn)壓力，=1.3*2.5=3.25Mpa 許用壓力，選用鑄鐵材料，=60Mpa將已知數(shù)據(jù)代入上式得: = 1.125 mm 取 =11 mm3.液壓缸外徑及長(zhǎng)度l =D+2=45+2*11=67mm l(2030),由結(jié)構(gòu)需要確定，取長(zhǎng)度l=40 mm4.活塞桿的計(jì)算活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度的要求。對(duì)于桿長(zhǎng)l大于直徑d的15倍（即）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。l 15 d有總體設(shè)計(jì)可知l=40mm,d=20m，所以這里只對(duì)桿進(jìn)行強(qiáng)度的校核。 式中： F驅(qū)動(dòng)力（N） d活塞桿直徑（m） 材料的許用應(yīng)力（Pa） 碳鋼取=100120MPa =36.5Mpa15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L1590=1350mm故無(wú)需穩(wěn)定性校核。2由圖由圖3-6可知，大手臂完成旋轉(zhuǎn)90度，通過(guò)齒輪來(lái)完成的，由上面計(jì)算可知根據(jù)要求我們已經(jīng)選擇了兩個(gè)軸，軸徑=50mm、=120mm對(duì)此我們根據(jù)數(shù)據(jù)選擇齒輪：2.1按照齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度初步計(jì)算齒輪參數(shù) 因?yàn)檫x用閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，故先按齒面彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 式中各參數(shù)為：2.1.試選載荷系數(shù)=1.6 ；2.2.計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩 T=9.55=9.55=6920282.3.按表選擇齒寬系數(shù)為；2.4.取=35,則=1.8635=65 ;2.5.查表得齒形系數(shù)，應(yīng)力校正系數(shù)，2.6.許用彎曲應(yīng)力由公式計(jì)算 ；查表得彎曲疲勞極限=310Mpa由Y=2.0,取安全系數(shù)=1.4.小齒輪和大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別是: N=60=606.91（1630010）= N= N/u=/1.86=1.068查表可得彎曲疲勞壽命系數(shù) =443Mpa = =所以 =0.00980 = =2.94mm3確定傳動(dòng)尺寸 3.1.計(jì)算圓周速度。 V=（其中為4秒轉(zhuǎn)過(guò)的角速度，有些數(shù)據(jù)參考后面的計(jì)算） =3.14 =0.051m/s 3.2.計(jì)算載荷系數(shù)K 各系數(shù)選擇如下： 查表可得使用系數(shù)K=1.5 由V=0.051m/s可得動(dòng)載系數(shù)K=1.0 查表得齒間載荷分配系數(shù)K=1.2 查圖得齒向載荷分布系數(shù)=1.05可得 K= K K K=1.51.01.21.05=1.89 3.3.對(duì)進(jìn)行修正 m=2.94=3.11mm取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4 3.4.計(jì)算中心距 a= 3.5計(jì)算分度圓直徑。 435=140mm 465=260mm 3.6.計(jì)算齒頂圓直徑 140+22=144mm 260+22=264mm 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文譯文院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 05機(jī)制本（2）班 姓 名： 馮應(yīng)輝 學(xué) 號(hào)： 0515011211 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 簽名： 年 月 日外語(yǔ)文獻(xiàn)翻譯摘自: 制造工程與技術(shù)（機(jī)加工）（英文版） Manufacturing Engineering and TechnologyMachining 機(jī)械工業(yè)出版社 2004年3月第1版 美 s. 卡爾帕基安(Serope kalpakjian) s.r 施密德(Steven R.Schmid) 著原文：20.9 MACHINABILITYThe machinability of a material usually defined in terms of four factors:1、 Surface finish and integrity of the machined part;2、 Tool life obtained;3、 Force and power requirements;4、 Chip control. Thus, good machinability good surface finish and integrity, long tool life, and low force And power requirements. As for chip control, long and thin (stringy) cured chips, if not broken up, can severely interfere with the cutting operation by becoming entangled in the cutting zone.Because of the complex nature of cutting operations, it is difficult to establish relationships that quantitatively define the machinability of a material. In manufacturing plants, tool life and surface roughness are generally considered to be the most important factors in machinability. Although not used much any more, approximate machinability ratings are available in the example below.20.9.1 Machinability Of SteelsBecause steels are among the most important engineering materials (as noted in Chapter 5), their machinability has been studied extensively. The machinability of steels has been mainly improved by adding lead and sulfur to obtain so-called free-machining steels.Resulfurized and Rephosphorized steels. Sulfur in steels forms manganese sulfide inclusions (second-phase particles), which act as stress raisers in the primary shear zone. As a result, the chips produced break up easily and are small; this improves machinability. The size, shape, distribution, and concentration of these inclusions significantly influence machinability. Elements such as tellurium and selenium, which are both chemically similar to sulfur, act as inclusion modifiers in resulfurized steels.Phosphorus in steels has two major effects. It strengthens the ferrite, causing increased hardness. Harder steels result in better chip formation and surface finish. Note that soft steels can be difficult to machine, with built-up edge formation and poor surface finish. The second effect is that increased hardness causes the formation of short chips instead of continuous stringy ones, thereby improving machinability.Leaded Steels. A high percentage of lead in steels solidifies at the tip of manganese sulfide inclusions. In non-resulfurized grades of steel, lead takes the form of dispersed fine particles. Lead is insoluble in iron, copper, and aluminum and their alloys. Because of its low shear strength, therefore, lead acts as a solid lubricant (Section 32.11) and is smeared over the tool-chip interface during cutting. This behavior has been verified by the presence of high concentrations of lead on the tool-side face of chips when machining leaded steels.When the temperature is sufficiently high-for instance, at high cutting speeds and feeds (Section 20.6)the lead melts directly in front of the tool, acting as a liquid lubricant. In addition to this effect, lead lowers the shear stress in the primary shear zone, reducing cutting forces and power consumption. Lead can be used in every grade of steel, such as 10xx, 11xx, 12xx, 41xx, etc. Leaded steels are identified by the letter L between the second and third numerals (for example, 10L45). (Note that in stainless steels, similar use of the letter L means “l(fā)ow carbon,” a condition that improves their corrosion resistance.)However, because lead is a well-known toxin and a pollutant, there are serious environmental concerns about its use in steels (estimated at 4500 tons of lead consumption every year in the production of steels). Consequently, there is a continuing trend toward eliminating the use of lead in steels (lead-free steels). Bismuth and tin are now being investigated as possible substitutes for lead in steels.Calcium-Deoxidized Steels. An important development is calcium-deoxidized steels, in which oxide flakes of calcium silicates (CaSo) are formed. These flakes, in turn, reduce the strength of the secondary shear zone, decreasing tool-chip interface and wear. Temperature is correspondingly reduced. Consequently, these steels produce less crater wear, especially at high cutting speeds.Stainless Steels. Austenitic (300 series) steels are generally difficult to machine. Chatter can be s problem, necessitating machine tools with high stiffness. However, ferritic stainless steels (also 300 series) have good machinability. Martensitic (400 series) steels are abrasive, tend to form a built-up edge, and require tool materials with high hot hardness and crater-wear resistance. Precipitation-hardening stainless steels are strong and abrasive, requiring hard and abrasion-resistant tool materials.The Effects of Other Elements in Steels on Machinability. The presence of aluminum and silicon in steels is always harmful because these elements combine with oxygen to form aluminum oxide and silicates, which are hard and abrasive. These compounds increase tool wear and reduce machinability. It is essential to produce and use clean steels.Carbon and manganese have various effects on the machinability of steels, depending on their composition. Plain low-carbon steels (less than 0.15% C) can produce poor surface finish by forming a built-up edge. Cast steels are more abrasive, although their machinability is similar to that of wrought steels. Tool and die steels are very difficult to machine and usually require annealing prior to machining. Machinability of most steels is improved by cold working, which hardens the material and reduces the tendency for built-up edge formation.Other alloying elements, such as nickel, chromium, molybdenum, and vanadium, which improve the properties of steels, generally reduce machinability. The effect of boron is negligible. Gaseous elements such as hydrogen and nitrogen can have particularly detrimental effects on the properties of steel. Oxygen has been shown to have a strong effect on the aspect ratio of the manganese sulfide inclusions; the higher the oxygen content, the lower the aspect ratio and the higher the machinability.In selecting various elements to improve machinability, we should consider the possible detrimental effects of these elements on the properties and strength of the machined part in service. At elevated temperatures, for example, lead causes embrittlement of steels (liquid-metal embrittlement, hot shortness; see Section 1.4.3), although at room temperature it has no effect on mechanical properties.Sulfur can severely reduce the hot workability of steels, because of the formation of iron sulfide, unless sufficient manganese is present to prevent such formation. At room temperature, the mechanical properties of resulfurized steels depend on the orientation of the deformed manganese sulfide inclusions (anisotropy). Rephosphorized steels are significantly less ductile, and are produced solely to improve machinability.20.9.2 Machinability of Various Other Metals Aluminum is generally very easy to machine, although the softer grades tend to form a built-up edge, resulting in poor surface finish. High cutting speeds, high rake angles, and high relief angles are recommended. Wrought aluminum alloys with high silicon content and cast aluminum alloys may be abrasive; they require harder tool materials. Dimensional tolerance control may be a problem in machining aluminum, since it has a high thermal coefficient of expansion and a relatively low elastic modulus.Beryllium is similar to cast irons. Because it is more abrasive and toxic, though, it requires machining in a controlled environment.Cast gray irons are generally machinable but are. Free carbides in castings reduce their machinability and cause tool chipping or fracture, necessitating tools with high toughness. Nodular and malleable irons are machinable with hard tool materials.Cobalt-based alloys are abrasive and highly work-hardening. They require sharp, abrasion-resistant tool materials and low feeds and speeds.Wrought copper can be difficult to machine because of built-up edge formation, although cast copper alloys are easy to machine. Brasses are easy to machine, especially with the addition pf lead (leaded free-machining brass). Bronzes are more difficult to machine than brass.Magnesium is very easy to machine, with good surface finish and prolonged tool life. However care should be exercised because of its high rate of oxidation and the danger of fire (the element is pyrophoric).Molybdenum is ductile and work-hardening, so it can produce poor surface finish. Sharp tools are necessary.Nickel-based alloys are work-hardening, abrasive, and strong at high temperatures. Their machinability is similar to that of stainless steels.Tantalum is very work-hardening, ductile, and soft. It produces a poor surface finish; tool wear is high.Titanium and its alloys have poor thermal conductivity (indeed, the lowest of all metals), causing significant temperature rise and built-up edge; they can be difficult to machine.Tungsten is brittle, strong, and very abrasive, so its machinability is low, although it greatly improves at elevated temperatures.Zirconium has good machinability. It requires a coolant-type cutting fluid, however, because of the explosion and fire.20.9.3 Machinability of Various MaterialsGraphite is abrasive; it requires hard, abrasion-resistant, sharp tools.Thermoplastics generally have low thermal conductivity, low elastic modulus, and low softening temperature. Consequently, machining them requires tools with positive rake angles (to reduce cutting forces), large relief angles, small depths of cut and feed, relatively high speeds, and proper support of the workpiece. Tools should be sharp.External cooling of the cutting zone may be necessary to keep the chips from becoming “gummy” and sticking to the tools. Cooling can usually be achieved with a jet of air, vapor mist, or water-soluble oils. Residual stresses may develop during machining. To relieve these stresses, machined parts can be annealed for a period of time at temperatures ranging from to (to), and then cooled slowly and uniformly to room temperature.Thermosetting plastics are brittle and sensitive to thermal gradients during cutting. Their machinability is generally similar to that of thermoplastics.Because of the fibers present, reinforced plastics are very abrasive and are difficult to machine. Fiber tearing, pulling, and edge delamination are significant problems; they can lead to severe reduction in the load-carrying capacity of the component. Furthermore, machining of these materials requires careful removal of machining debris to avoid contact with and inhaling of the fibers.The machinability of ceramics has improved steadily with the development of nanoceramics (Section 8.2.5) and with the selection of appropriate processing parameters, such as ductile-regime cutting (Section 22.4.2).Metal-matrix and ceramic-matrix composites can be difficult to machine, depending on the properties of the individual components, i.e., reinforcing or whiskers, as well as the matrix material.20.9.4 Thermally Assisted MachiningMetals and alloys that are difficult to machine at room temperature can be machined more easily at elevated temperatures. In thermally assisted machining (hot machining), the source of heata torch, induction coil, high-energy beam (such as laser or electron beam), or plasma arcis forces, (b) increased tool life, (c) use of inexpensive cutting-tool materials, (d) higher material-removal rates, and (e) reduced tendency for vibration and chatter.It may be difficult to heat and maintain a uniform temperature distribution within the workpiece. Also, the original microstructure of the workpiece may be adversely affected by elevated temperatures. Most applications of hot machining are in the turning of high-strength metals and alloys, although experiments are in progress to machine ceramics such as silicon nitride. SUMMARYMachinability is usually defined in terms of surface finish, tool life, force and power requirements, and chip control. Machinability of materials depends not only on their intrinsic properties and microstructure, but also on proper selection and control of process variables.譯文：20.9 可機(jī)加工性一種材料的可機(jī)加工性通常以四種因素的方式定義：1、 分的表面光潔性和表面完整性。2、刀具的壽命。3、切削力和功率的需求。4、切屑控制。以這種方式，好的可機(jī)加工性指的是好的表面光潔性和完整性，長(zhǎng)的刀具壽命，低的切削力和功率需求。關(guān)于切屑控制，細(xì)長(zhǎng)的卷曲切屑，如果沒有被切割成小片，以在切屑區(qū)變的混亂，纏在一起的方式能夠嚴(yán)重的介入剪切工序。因?yàn)榧羟泄ば虻膹?fù)雜屬性，所以很難建立定量地釋義材料的可機(jī)加工性的關(guān)系。在制造廠里，刀具壽命和表面粗糙度通常被認(rèn)為是可機(jī)加工性中最重要的因素。盡管已不再大量的被使用，近乎準(zhǔn)確的機(jī)加工率在以下的例子中能夠被看到。20.9.1 鋼的可機(jī)加工性因?yàn)殇撌亲钪匾墓こ滩牧现唬ㄕ绲?章所示），所以他們的可機(jī)加工性已經(jīng)被廣泛地研究過(guò)。通過(guò)宗教鉛和硫磺，鋼的可機(jī)加工性已經(jīng)大大地提高了。從而得到了所謂的易切削鋼。二次硫化鋼和二次磷化鋼 硫在鋼中形成硫化錳夾雜物（第二相粒子），這些夾雜物在第一剪切區(qū)引起應(yīng)力。其結(jié)果是使切屑容易斷開而變小，從而改善了可加工性。這些夾雜物的大小、形狀、分布和集中程度顯著的影響可加工性?；瘜W(xué)元素如碲和硒，其化學(xué)性質(zhì)與硫類似，在二次硫化鋼中起夾雜物改性作用。鋼中的磷有兩個(gè)主要的影響。它加強(qiáng)鐵素體，增加硬度。越硬的鋼，形成更好的切屑形成和表面光潔性。需要注意的是軟鋼不適合用于有積屑瘤形成和很差的表面光潔性的機(jī)器。第二個(gè)影響是增加的硬度引起短切屑而不是不斷的細(xì)長(zhǎng)的切屑的形成，因此提高可加工性。含鉛的鋼 鋼中高含量的鉛在硫化錳夾雜物尖端析出。在非二次硫化鋼中，鉛呈細(xì)小而分散的顆粒。鉛在鐵、銅、鋁和它們的合金中是不能溶解的。因?yàn)樗牡涂辜魪?qiáng)度。因此，鉛充當(dāng)固體潤(rùn)滑劑并且在切削時(shí)，被涂在刀具和切屑的接口處。這一特性已經(jīng)被在機(jī)加工鉛鋼時(shí)，在切屑的刀具面表面有高濃度的鉛的存在所證實(shí)。當(dāng)溫度足夠高時(shí)例如，在高的切削速度和進(jìn)刀速度下鉛在刀具前直接熔化，并且充當(dāng)液體潤(rùn)滑劑。除了這個(gè)作用，鉛降低第一剪切區(qū)中的剪應(yīng)力，減小切削力和功率消耗。鉛能用于各種鋼號(hào)，例如10XX，11XX，12XX，41XX等等。鉛鋼被第二和第三數(shù)碼中的字母L所識(shí)別（例如，10L45）。（需要注意的是在不銹鋼中，字母L的相同用法指的是低碳，提高它們的耐蝕性的條件）。然而，因?yàn)殂U是有名的毒素和污染物，因此在鋼的使用中存在著嚴(yán)重的環(huán)境隱患（在鋼產(chǎn)品中每年大約有4500噸的鉛消耗）。結(jié)果，對(duì)于估算鋼中含鉛量的使用存在一個(gè)持續(xù)的趨勢(shì)。鉍和錫現(xiàn)正作為鋼中的鉛最可能的替代物而被人們所研究。脫氧鈣鋼 一個(gè)重要的發(fā)展是脫氧鈣鋼，在脫氧鈣鋼中矽酸鈣鹽中的氧化物片的形成。這些片狀，依次減小第二剪切區(qū)中的力量，降低刀具和切屑接口處的摩擦和磨損。溫度也相應(yīng)地降低。結(jié)果，這些鋼產(chǎn)生更小的月牙洼磨損，特別是在高切削速度時(shí)更是如此。不銹鋼 奧氏體鋼通常很難機(jī)加工。振動(dòng)能成為一個(gè)問(wèn)題，需要有高硬度的機(jī)床。然而，鐵素體不銹鋼有很好的可機(jī)加工性。馬氏體鋼易磨蝕，易于形成積屑瘤，并且要求刀具材料有高的熱硬度和耐月牙洼磨損性。經(jīng)沉淀硬化的不銹鋼強(qiáng)度高、磨蝕性強(qiáng)，因此要求刀具材料硬而耐磨。鋼中其它元素在可機(jī)加工性方面的影響 鋼中鋁和矽的存在總是有害的，因?yàn)檫@些元素結(jié)合氧會(huì)生成氧化鋁和矽酸鹽，而氧化鋁和矽酸鹽硬且具有磨蝕性。這些化合物增加刀具磨損，降低可機(jī)加工性。因此生產(chǎn)和使用凈化鋼非常必要。根據(jù)它們的構(gòu)成，碳和錳鋼在鋼的可機(jī)加工性方面有不同的影響。低碳素鋼（少于0.15%的碳）通過(guò)形成一個(gè)積屑瘤能生成很差的表面光潔性。盡管鑄鋼的可機(jī)加工性和鍛鋼的大致相同，但鑄鋼具有更大的磨蝕性。刀具和模具鋼很難用于機(jī)加工，他們通常再煅燒后再機(jī)加工。大多數(shù)鋼的可機(jī)加工性在冷加工后都有所提高，冷加工能使材料變硬并且減少積屑瘤的形成。其它合金元素，例如鎳、鉻、鉗和釩，能提高鋼的特性，減小可機(jī)加工性。硼的影響可以忽視。氣態(tài)元素比如氫和氮在鋼的特性方面能有特別的有害影響。氧已經(jīng)被證明了在硫化錳夾雜物的縱橫比方面有很強(qiáng)的影響。越高的含氧量，就產(chǎn)生越低的縱橫比和越高的可機(jī)加工性。選擇各種元素以改善可加工性，我們應(yīng)該考慮到這些元素對(duì)已加工零件在使用中的性能和強(qiáng)度的不利影響。例如，當(dāng)溫度升高時(shí)，鋁會(huì)使鋼變脆（液體金屬脆化，熱脆化，見1.4.3節(jié)），盡管其在室溫下對(duì)力學(xué)性能沒有影響。因?yàn)榱蚧F的構(gòu)成，硫能嚴(yán)重的減少鋼的熱加工性，除非有足夠的錳來(lái)防止這種結(jié)構(gòu)的形成。在室溫下，二次磷化鋼的機(jī)械性能依賴于變形的硫化錳夾雜物的定位（各向異性）。二次磷化鋼具有更小的延展性，被單獨(dú)生成來(lái)提高機(jī)加工性。20.9.2 其它不同金屬的機(jī)加工性盡管越軟的品種易于生成積屑瘤，但鋁通常很容易被機(jī)加工，導(dǎo)致了很差的表面光潔性。高的切削速度，高的前角和高的后角都被推薦了。有高含量的矽的鍛鋁合金鑄鋁合金也許具有磨蝕性，它們要求更硬的刀具材料。尺寸公差控制也許在機(jī)加工鋁時(shí)會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗信蛎浀母邔?dǎo)熱系數(shù)和相對(duì)低的彈性模數(shù)。鈹和鑄鐵相同。因?yàn)樗吣ノg性和毒性，盡管它要求在可控人工環(huán)境下進(jìn)行機(jī)加工?；诣T鐵普遍地可加工，但也有磨蝕性。鑄造無(wú)中的游離碳化物降低它們的可機(jī)加工性，引起刀具切屑或裂口。它需要具有強(qiáng)韌性的工具。具有堅(jiān)硬的刀具材料的球墨鑄鐵和韌性鐵是可加工的。鈷基合金有磨蝕性且高度加工硬化的。它們要求尖的且具有耐蝕性的刀具材料并且有低的走刀和速度。盡管鑄銅合金很容易機(jī)加工，但因?yàn)殄戙~的積屑瘤形成因而鍛銅很難機(jī)加工。黃銅很容易機(jī)加工，特別是有添加的鉛更容易。青銅比黃銅更難機(jī)加工。鎂很容易機(jī)加工，鎂既有很好的表面光潔性和長(zhǎng)久的刀具壽命。然而，因?yàn)楦叩难趸俣群突鸱N的危險(xiǎn)（這種元素易燃），因此我們應(yīng)該特別小心使用它。鉗易拉長(zhǎng)且加工硬化，因此它生成很差的表面光潔性。尖的刀具是很必要的。鎳基合金加工硬化，具有磨蝕性，且在高溫下非常堅(jiān)硬。它的可機(jī)加工性和不銹鋼相同。鉭非常的加工硬化，具有可延性且柔軟。它生成很差的表面光潔性且刀具磨損非常大。鈦和它的合金導(dǎo)熱性(的確，是所有金屬中最低的)，因此引起明顯的溫度升高和積屑瘤。它們是難機(jī)加工的。鎢易脆，堅(jiān)硬，且具有磨蝕性，因此盡管它的性能在高溫下能大大提高，但它的機(jī)加工性仍很低。鋯有很好的機(jī)加工性。然而，因?yàn)橛斜ê突鸱N的危險(xiǎn)性，它要求有一個(gè)冷卻性質(zhì)好的切削液。20.9.3 各種材料的機(jī)加工性石墨具有磨蝕性。它要求硬的、尖的，具有耐蝕性的刀具。塑性塑料通常有低的導(dǎo)熱性，低的彈性模數(shù)和低的軟化溫度。因此，機(jī)加工熱塑性塑料要求有正前角的刀具（以此降低切削力），還要求有大的后角，小的切削和走刀深的，相對(duì)高的速度和工件的正確支承。刀具應(yīng)該很尖。切削區(qū)的外部冷卻也許很必要，以此來(lái)防止切屑變的有黏性且粘在刀具上。有了空氣流，汽霧或水溶性油，通常就能實(shí)現(xiàn)冷卻。在機(jī)加工時(shí)，殘余應(yīng)力也許能生成并發(fā)展。為了解除這些力，已機(jī)加工的部分要在（）的溫度范圍內(nèi)冷卻一段時(shí)間，然而慢慢地?zé)o變化地冷卻到室溫。熱固性塑料易脆，并且在切削時(shí)對(duì)熱梯度很敏感。它的機(jī)加工性和熱塑性塑料的相同。因?yàn)槔w維的存在，加強(qiáng)塑料具有磨蝕性，且很難機(jī)加工。纖維的撕裂、拉出和邊界分層是非常嚴(yán)重的問(wèn)題。它們能導(dǎo)致構(gòu)成要素的承載能力大大下降。而且，這些材料的機(jī)加工要求對(duì)加工殘片仔細(xì)切除，以此來(lái)避免接觸和吸進(jìn)纖維。隨著納米陶瓷（見8.2.5節(jié)）的發(fā)展和適當(dāng)?shù)膮?shù)處理的選擇，例如塑性切削（見22.4.2節(jié)），陶瓷器的可機(jī)加工性已大大地提高了。金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料很能機(jī)加工，它們依賴于單獨(dú)的成分的特性，比如說(shuō)增強(qiáng)纖維或金屬須和基體材料。20.9.4 熱輔助加工在室溫下很難機(jī)加工的金屬和合金在高溫下能更容易地機(jī)加工。在熱輔助加工時(shí)（高溫切削），熱源一個(gè)火把，感應(yīng)線圈，高能束流（例如雷射或電子束），或等離子弧被集中在切削刀具前的一塊區(qū)域內(nèi)。好處是：（a）低的切削力。（b）增加的刀具壽命。（c）便宜的切削刀具材料的使用。（d）更高的材料切除率。（e）減少振動(dòng)。也許很難在工件內(nèi)加熱和保持一個(gè)不變的溫度分布。而且，工件的最初微觀結(jié)構(gòu)也許被高溫影響，且這種影響是相當(dāng)有害的。盡管實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行中，以此來(lái)機(jī)加工陶瓷器如氮化矽，但高溫切削仍大多數(shù)應(yīng)用在高強(qiáng)度金屬和高溫度合金的車削中。小結(jié)通常，零件的可機(jī)加工性能是根據(jù)以下因素來(lái)定義的：表面粗糙度，刀具的壽命，切削力和功率的需求以及切屑的控制。材料的可機(jī)加工性能不僅取決于起內(nèi)在特性和微觀結(jié)構(gòu)，而且也依賴于工藝參數(shù)的適當(dāng)選擇與控制。