換刀機(jī)械手設(shè)計帶CAD圖

換刀機(jī)械手設(shè)計帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計,CAD 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1 1 頁第第 1 1 章章 緒論緒論.21.1 加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計的目的及意義 .21.2 換刀機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀.21.3 研究的主要內(nèi)容.3第第 2 2 章章 總體方案設(shè)計與論證總體方案設(shè)計與論證.52.1 加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計要求.52.2 初步設(shè)計方案.52.2.1 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu).52.2.2 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu).62.3 方案的確定.82.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析.92.4.1 設(shè)計參數(shù).92.4.2 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn).92.4.3 加工中心換刀機(jī)械手的組成.102.5 本章小結(jié).11第第 3 3 章章 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定.133.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算.133.1.1 手指夾緊力的計算.133.1.2 手指部分的相關(guān)校核.153.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計.173.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定.173.2.2 材料的選擇.183.3 手臂伸縮液壓缸設(shè)計.193.3.1 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定.193.3.2 流量及流速的確定.213.4 手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計.223.4.1 手架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計.223.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇.253.4.3 單級圓錐齒輪的設(shè)計與校核.263.5 手架伸縮液壓缸的設(shè)計.333.5.1 手架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定.333.5.2 材料的選擇.333.5.3 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核.343.6 本章小結(jié).35第第 4 4 章章 控制部分的設(shè)計控制部分的設(shè)計.364.1 液壓缸的流量、流速及壓力.364.2 確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號 .374.3 各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計.384.4 液壓系統(tǒng)回路.394.5 旋轉(zhuǎn)軸控制線路.404.6 技術(shù)難點(diǎn).414.7 本章小結(jié).41結(jié)論結(jié)論.42致謝致謝.43參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .44致致 謝謝.1 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2 2 頁第 1 章 緒論1.1 加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計的目的及意義本設(shè)計主要是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的基礎(chǔ)上，為加工中心換刀機(jī)械手的研究提供幾種新的設(shè)計方案，并通過論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計計算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足加工中心換刀機(jī)械手各種運(yùn)動要求的同時，本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機(jī)械手的加工制造過程。1.2 換刀機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機(jī)床的需求量大增。同時，經(jīng)過多年的努力，我國數(shù)控機(jī)床的開發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機(jī)床制造主導(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。但是，通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費(fèi)量的臺數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價格相對便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機(jī)床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機(jī)械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國外進(jìn)口的1。這也說明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床仍需要依靠海外進(jìn)口。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。而換刀機(jī)械手則是加工中心穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒有換刀機(jī)械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)故障率的 25%1。所以說，換刀機(jī)械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。加工中心是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進(jìn)行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機(jī)床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個方面2。加工中心 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3 3 頁中實(shí)現(xiàn)刀庫和機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。自動換刀裝置可幫助數(shù)控機(jī)床節(jié)省輔助時間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成。作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復(fù)定位精度高，刀具儲存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)3。換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。加工中心的自動換刀形式可分為無機(jī)械手換刀方式和有機(jī)械手換刀方式兩大類。無機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運(yùn)動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無機(jī)械手換刀方式是由刀庫和機(jī)床主軸的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時間要長。目前，加工中心的自動換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因?yàn)橛袡C(jī)械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機(jī)械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時間比較短，應(yīng)用廣泛4。換刀機(jī)械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等2。加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國外 BT40 的換刀時間已達(dá)到 0.9 秒，BT50 的換刀時間也達(dá)到了 1.5 秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機(jī)械手和用于五軸聯(lián)動的換刀機(jī)械手的研究。加工中心換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間4。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機(jī)械手的需求量會越來越大。1.3 研究的主要內(nèi)容加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計得主要內(nèi)容如下：1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計提出幾種新的方案，并通過對所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進(jìn)行具體的設(shè)計。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4 4 頁2、對所選設(shè)計方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。3、對加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。4、確定各個運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。5、對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過程。6、對設(shè)計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。7、設(shè)計出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 5 5 頁第 2 章 總體方案設(shè)計與論證2.1 加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計要求設(shè)計加工中心換刀機(jī)械手，使其實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并設(shè)計出它的傳動控制部分，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過程。2.2 初步設(shè)計方案2.2.1 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)由于與機(jī)械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞櫥饔茫褂脡勖L5，所以在以下幾種設(shè)計方案中，手臂伸縮運(yùn)動及手指夾緊運(yùn)動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手的兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以下 2 種設(shè)計方案中的換刀機(jī)械手都為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手。1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在此方案中，加工中心換刀機(jī)械手四個手指的運(yùn)動分別由四個液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 75到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸 1和 1工作，當(dāng)兩液壓缸的活塞運(yùn)動到設(shè)計位置后，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動作，并發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2、3、 2以及 3工作，手指開始夾緊。當(dāng)手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進(jìn)油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開始拔刀動作。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 6 6 頁手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時手指夾緊液壓缸 2、3 和2、3反行程運(yùn)動，當(dāng)活塞運(yùn)動到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置，當(dāng)進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高后，壓力繼電器開關(guān)動作，發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸 1 和 1開始動作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運(yùn)動，手臂伸縮液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手架復(fù)位指令。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案此方案在結(jié)構(gòu)和原理上都與前一種方案相似，不同的是它綜合了方案的各自優(yōu)點(diǎn)，每側(cè)都由一個液壓缸驅(qū)動兩個手指運(yùn)動，即實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動的靈活性又使它在結(jié)構(gòu)上比較簡單，其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。圖 2.2 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 75到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，液壓缸 1 和 1工作，當(dāng)兩液壓缸的活塞運(yùn)動到設(shè)計位置后不再運(yùn)動，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動作，發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2 和 2工作，由活塞桿推動手指運(yùn)動，手指開始夾緊。當(dāng)手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進(jìn)油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開始拔刀動作。手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時液壓缸 2 和 2反行程工作，當(dāng)活塞運(yùn)動到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置，同時發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸 1 和 1開始動作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運(yùn)動，手臂伸縮液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手架復(fù)位指令。2.2.2 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案此方案的主要特點(diǎn)是，手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來連接，由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力，實(shí)現(xiàn)手架的伸縮運(yùn)動，并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時也不會干擾到手架伸縮液壓缸。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，通 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 7 7 頁過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與手架的伸縮運(yùn)動之間互不干擾。對于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，則采用電動機(jī)驅(qū)動方式，用延時繼電器控制電動機(jī)的起、停時間，并由單級圓錐齒輪將電動機(jī)的運(yùn)動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡化了加工中心換刀機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，控制小齒輪軸運(yùn)動的電動機(jī) M 啟動，通過單級圓錐齒輪帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75到達(dá)工作位置后，電動機(jī) M 停止工作，并發(fā)出手臂伸縮和手指夾緊信號。當(dāng)手臂伸縮和手指夾緊動作完成后，即發(fā)出拔刀信號，手架伸縮液壓缸動作，開始拔刀動作過程。當(dāng)手架伸縮液壓缸活塞運(yùn)動到設(shè)計位置時，拔刀動作完成，電動機(jī) M啟動，手架開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主軸刀具與刀庫刀具的互換動作。當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 180后，發(fā)出插刀動作信號，手架伸縮液壓缸開始反行程動作。插刀動作完成后，又依次完成手指松開和手臂縮運(yùn)動。當(dāng)手臂縮回動作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。電動機(jī) M 啟動并反轉(zhuǎn)，帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在反向旋轉(zhuǎn) 75后，電動機(jī) M 停止工作，手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案此方案的主要特點(diǎn)是采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加工中心換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動作。對于這種機(jī)構(gòu)，只要設(shè)計好凸輪的輪廓曲線以及凸輪的轉(zhuǎn)速，就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的各種運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示。 圖 2.3 機(jī)構(gòu) 圖 2.4 機(jī)構(gòu) 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 8 8 頁工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號后，由電動機(jī)帶動凸輪從 A 點(diǎn)位置開始旋轉(zhuǎn)，在凸輪開始旋轉(zhuǎn)的同時，控制小齒輪軸運(yùn)動的電動機(jī) M 也啟動，通過單級圓錐齒輪帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75到達(dá)工作位置后，電動機(jī) M 停止工作，并發(fā)出手臂伸出和手指夾緊信號，此時凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)手臂伸出和手指夾緊動作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時，手架旋轉(zhuǎn)軸與凸輪的接觸點(diǎn) E 恰好到達(dá)凸輪上的 B 點(diǎn)位置。凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，隨著凸輪上 C 點(diǎn)向 E 點(diǎn)的逼近，手架伸出，開始拔刀動作過程。當(dāng) C 點(diǎn)與 E 重合后，拔刀動作完成，此時手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點(diǎn) a 觸動行程開關(guān) 1，發(fā)出手架旋轉(zhuǎn) 180的信號，電動機(jī) M 啟動，手架開始旋轉(zhuǎn)。此時凸輪仍在運(yùn)動，但由于 CD 段上各點(diǎn)到凸輪旋轉(zhuǎn)軸心的距離相等，所以能夠保證手架在此過程中不發(fā)生伸縮現(xiàn)象。當(dāng)手架旋轉(zhuǎn) 180后，凸輪上的 D 點(diǎn)與 E 點(diǎn)位置重合，開始插刀動作過程。當(dāng)凸輪上的 F 點(diǎn)到達(dá) E 點(diǎn)位置后，插刀動作結(jié)束。手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點(diǎn) b 觸動行程開關(guān) 2，發(fā)出手指松開和手臂縮回指令。當(dāng)手臂縮回動作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。電動機(jī) M 啟動并反轉(zhuǎn)，帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn) 75后，電動機(jī) M 停止工作，帶動凸輪轉(zhuǎn)動的電動機(jī)也停止工作，凸輪停止轉(zhuǎn)動。此時，凸輪上的 A 點(diǎn)又與 E 點(diǎn)重合，手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。此種機(jī)構(gòu)如果設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆啓C(jī)構(gòu)便可是從動件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。2.3 方案的確定圖 2.2 所示的加工中心換刀機(jī)械手手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)中，手臂伸縮和手指夾緊運(yùn)動都分別由單獨(dú)的液壓缸進(jìn)行控制，這使得它們的靈活性都很好，但由于圖 2.1 中所示的機(jī)構(gòu)中，手指部分的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，而且手指部分的整體也質(zhì)量比較大，這就會使手臂伸縮液壓缸的負(fù)載很大。為保證活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，需要將手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計得大一些，那么手架旋轉(zhuǎn)軸的負(fù)載也會變大，使得加工中心換刀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)不會很緊湊，占用的空間也較大。所以，圖 2.2 所示的手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)比較理想一些。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 9 9 頁圖 2.3 和圖 2.4 所示的手架伸縮和手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，并通過滑鍵與圓錐齒輪相聯(lián)接。這樣就使得手架的多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與拔刀和插刀運(yùn)動互不干擾，并且可以使加工中心換刀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但圖 2.4 所示的機(jī)構(gòu)由于采用了凸輪機(jī)構(gòu)，為保證準(zhǔn)確換刀，就需要精確的計算出凸輪的旋轉(zhuǎn)速度和凸輪的輪廓曲線，同時還要精確的控制電動機(jī) M 的起、停時間。尤為重要的是：本設(shè)計中凸輪與從動件之間為點(diǎn)接觸，并且凸輪需要承受工件、手指、手臂及手架旋轉(zhuǎn)軸等的整體重量，這會使凸輪極容易磨損，從而大大縮短它的使用壽命。故選用圖 2.3 所示機(jī)構(gòu)會比較理想一些。通過以上分析，本設(shè)計最終選定由圖 2.2 所示的手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)和圖 2.3中所示的手架伸縮和手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成加工中心換刀機(jī)械手進(jìn)行具體的設(shè)計。2.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析2.4.1 設(shè)計參數(shù)手架伸縮液壓缸最大行程： 110mm；手臂伸縮液壓缸最大行程： 60mm；手指夾緊液壓缸最大行程： 10mm；夾持工件質(zhì)量： 8kg；換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180；換刀機(jī)械手復(fù)位角度： -75； 2.4.2 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn)分析自由度的坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等等6，本設(shè)計中采用直角坐標(biāo)式對加工中心換刀機(jī)械手的自由度進(jìn)行分析，如圖 2.7 所示。分析過程如下：(1) 手指夾緊運(yùn)動()：由手指夾緊液壓缸控制實(shí)現(xiàn)，通過活塞桿推動或拉動手指Y部分的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或松開。(2) 手臂伸縮運(yùn)動()：由伸縮式液壓缸控制實(shí)現(xiàn)。Y 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1010 頁(3) 手架伸縮運(yùn)動()：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運(yùn)動，能實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手Z的拔刀和插刀動作。 (4) 手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動()：由電動機(jī)帶動單級圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)，通過控制電動機(jī)的啟Z停時間即可實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75到達(dá)工作位置、手架旋轉(zhuǎn) 180完成主軸刀具和刀庫刀具互換運(yùn)動、手架反向旋轉(zhuǎn) 75復(fù)位三種運(yùn)動。圖 2.7 自由度分析2.4.3 加工中心換刀機(jī)械手的組成加工中心換刀機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、檢測機(jī)構(gòu)組成6，各部分特點(diǎn)如下：1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成各種動作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、腕部、臂部和手架等運(yùn)動部件所組成。手指部分：即直接與工件接觸部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，手爪多為兩指，也有多指；根據(jù)需要分為內(nèi)抓式或外抓式；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。本設(shè)計采用夾持式手部，即由手爪和傳力機(jī)構(gòu)組成，它的主要功能是在換刀過程中完成抓住工件、握持工件和釋放工件的動作。手腕部分：用于連接手指部分和手臂部分的部件。手臂部分：手臂是支撐被抓物體以及手指部分的重要部件，起調(diào)整和改變工件方位的作用。本設(shè)計中手臂的主要作用是帶動手指去抓取物件。手架部分：用于承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設(shè)計中它還用于通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運(yùn)動。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1111 頁2、驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)是用來為各個部件的運(yùn)動提供動力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動的動力源，有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。本設(shè)計中的各個運(yùn)動主要是直線往復(fù)運(yùn)動。由于電動機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，若采用電動機(jī)傳動，則必須加入齒輪、齒條等機(jī)械機(jī)構(gòu)，將電動機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復(fù)運(yùn)動的，可直接帶動負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動，使得結(jié)構(gòu)簡單。同時，由于液壓驅(qū)動的抗沖擊能力比電氣驅(qū)動的抗沖擊能力要強(qiáng)，而且在產(chǎn)生相同驅(qū)動力（力矩）的條件下，與其他驅(qū)動方式相比，液壓驅(qū)動系統(tǒng)還具有體積小、慣性小、工作平穩(wěn)可靠以及可實(shí)現(xiàn)較高位置精度的特點(diǎn)5。故本設(shè)計中的驅(qū)動方式以液壓驅(qū)動為主，用液壓驅(qū)動方式來實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和手架伸縮的動作。對于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于手架旋轉(zhuǎn)軸要實(shí)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn) 75到工作位置，旋轉(zhuǎn) 180交換主軸刀具和刀庫刀具和反向旋轉(zhuǎn) 75實(shí)現(xiàn)手架復(fù)位三種運(yùn)動，如采用液壓缸和行程開關(guān)來控制，要分別實(shí)現(xiàn)這三種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動會比較困難，而若采用電動機(jī)驅(qū)動，則只需控制好電動機(jī)的起、停時間就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動。所以，本設(shè)計中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由電動機(jī)帶動單級圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)。3、控制系統(tǒng)此系統(tǒng)是用來控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作，從而實(shí)現(xiàn)按預(yù)定程序進(jìn)行工作的機(jī)構(gòu)。它通過位置檢測的反饋來檢測各部分機(jī)構(gòu)工作的位置精度，從而保證能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)加工中心換刀機(jī)械手的換刀動作。控制系統(tǒng)包括程序控制部分和行程反饋部分。4、檢測機(jī)構(gòu)檢測是為了進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，位置檢測是通過將位置變化反饋給輸入變量從而達(dá)到一定的定位精度和位置精度。本設(shè)計中伸縮和升降機(jī)構(gòu)采用壓力繼電器進(jìn)行位置控制。2.5 本章小結(jié)本章主要是介紹了一些目前常用加工中心換刀機(jī)械手的主要換刀形式，如兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手、剪式手爪回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手、兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)械手等等，也給出了三種手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)和兩種手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1212 頁機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案，并通過論證分析，確定了最終的設(shè)計方案。同時，本章對加工中心換刀機(jī)械手的組成及各自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)也進(jìn)行了較為具體的介紹。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1313 頁第 3 章 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定前一章對機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案論證，并確定了技工中心換刀機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作范圍，本章將在上一章的基礎(chǔ)上對機(jī)械手的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計。3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算3.1.1 手指夾緊力的計算根據(jù)文獻(xiàn)5，56.42-56.92，手指夾緊力的計算過程如下：手指對工件夾緊力： (3.1)GKKKN321式中：安全系數(shù)，本設(shè)計中取=1.5；1K1K動載系數(shù)，本設(shè)計中取=1.5；2K2K方位系數(shù)，本設(shè)計中，3KfK/sin5 . 033 . 02 . 0f 60則，本設(shè)計=1.45；26. 144. 1)032 . 0/(60sin5 . 03K3K被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為 8kg；G將上述各值代入式(3.1)，得：=255.78N88 . 945. 15 . 15 . 1N對手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖 3.1 所示，由：PPPsinsin2121PP 可得： (3.2)sin2/(1PP 又由： 0sin/1cPNb (3.3)sin(11PP 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1414 頁圖 3.1 手指受力分析得：cNbP/sin)sin2/()sin(即： (3.4)sin(/sinsin2cbNP在本設(shè)計=50mm， =13mm；，302160bc將各值代入式(3.4)，得)3021sin(13/78.25530sin21sin2P=2500.50.358255.78/(130.777)=453.27N考慮到運(yùn)動過程中的能量損失，取=0.9，則手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動力為：=453.27/0.95=477.12N/PP實(shí)本設(shè)計中取=500N；實(shí)P由式(3.2)可得：=697.61N)21sin2/(5001P由式(3.3)可得：=697.61=542.14N1P51sin 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1515 頁=697.61=439.02N1P51cos對手指夾緊力的校核過程如下：在手架旋轉(zhuǎn)過程中手指所受的慣性力為： (3.5)2mRF慣式中：工件質(zhì)量；m工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取mm；R300R手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取rad/s；2則由式(3.5)可得：=94.75N2)2(3 . 08慣F因， 所以手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動力取=500N，安全。實(shí)慣PF實(shí)P3.1.2 手指部分的相關(guān)校核根據(jù)文獻(xiàn)8，72-94，對手指部分重要部位的校核過程如下：軸和手指的材料都選用 45 號鋼，它們的許用剪應(yīng)力=70MPa、許用擠壓應(yīng)力 ij=140MPa、許用拉應(yīng)力=300MPa；1、軸校核=5.59 MPaAP /1)1010/(402.43962=3.79 MPa)101013/(02.439/61APij， 軸安全。ijij2、軸校核=13.88 MPaAP /1)108/(461.69762=6.71 MPa)10813/(61.697/61APij， 軸安全。ijij3、手指強(qiáng)度校核A 截面的抗彎截面模量公式如下： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1616 頁 (3.6)zIWy/式中：形心軸慣性矩；yI截面圖形的形心位置；zA 部分截面處的圖形形狀如圖 3.2 所示，部分處的形心位置為： (3.7) )( 3/)2(101babahz式中：=8.66mm，=20mm，=10mm，hba將各值代入式(3.7)可得=13.85mm2z其截面面積為： =2017.3210(17.328.66)/2=(364.486.6)/2=129.9mm21A部分處的形心位置為：=5mm2z其截面面積為：=2611.34=294.84mm2cHA 2A 處截面的形心位置為：)/()(212211AAzAzAz=(13.85129.9+294.845)/(129.9+294.84)=(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm)(36/)4(22222222321211babbaahAaI = 8.663(102+41020+202)/36(20+10)+(13.855)2129.9=781.76+10174.09=10955.85mm412/3112222hbAaI=11.34326/12+(7.75)2294.84=3159.59+2149.38=5308.97 mm4=10955.85+5308.97=16264.82 mm421IIIy將各值代入式(3.6)得： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1717 頁16264.82/7.7=2112.31mm3AWA 截面處的彎矩：=2.26NmAM故危險截面 A 處的拉應(yīng)力為：MPa01. 21126/1026. 2/9AWMAA 安全。A 圖 3.2 A 處截面圖形形狀 圖 3.3 C 處截面圖形形狀危險截面 C 處的彎矩=8.536Nm，其截面圖形形狀如圖 3.3 所示，抗彎截面模量CM為：3222Cmm67.11266/ )(6/6/bBHbHBHW故危險截面 C 處的拉應(yīng)力為：CCCCAPWM/1 )1074.424/(02.439)1031.2112/(53. 869=4.04+1.03 =5.07MPa； 安全。C3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計3.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定根據(jù)文獻(xiàn)9，5-12，由： (3.8)4/)(4/22212dDPFFPDf得： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1818 頁 (3.9)12221/)()/()(4PPdDPFFDf式中：液壓缸的工作壓力，本設(shè)計中初取=1.5MPa；1P1P液壓缸回油腔背壓力，對于簡單系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),2P=0.20.5MPa，在本設(shè)計中初取估算值=0.5MPa；2P2P活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，因在工作壓力2.92cm2，故設(shè)計符合要求，液壓缸能4/3222A達(dá)到所需的低速要求。對于手臂伸縮液壓缸，選用 QF3E610B 的調(diào)速閥，其最小穩(wěn)定流量=40mL/min，液壓缸的最小穩(wěn)定速度=5.5m/min=0.092m/s；minQ1minvv由式(3.18)可得：=(40ml/min)/(5.5m/min)=7.27 cm21min1/vQA 本設(shè)計中=31.17 cm27.27 cm2，故設(shè)計符合要求，液壓缸能達(dá)到所需的4/6321A低速要求。3.4 手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計3.4.1 手架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計1、估算手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2323 頁兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： =0.325kg2=0.65kg；1m上擋板的質(zhì)量： =0.137kg；2m下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137kg；3m后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；4m側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg2=0.052kg；5m手指與活塞桿之間連接間的質(zhì)量：=0.147kg；6m夾持工件的質(zhì)量： =8kg；7m手指夾緊液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.491kg；8m手指夾緊液壓缸后端蓋質(zhì)量： =0.362kg；9m手指夾緊液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.184kg；10m手臂伸縮液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.589kg；11m手臂伸縮液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.427kg；12m上套件質(zhì)量： =0.609kg；13m上套件質(zhì)量： =1.08kg；14m當(dāng)儲油量最大時油液的質(zhì)量：35kg. 0L)07.374204. 8(mm/kg900315Vm手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的總質(zhì)量為：123456789101112131415() 2mmmmmmmmmmmmmmmm =(0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147+8+0.491+0.362+0.184+0.589)2+0.427+0.609+1.08+0.35=23.96kg；手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為：=23.969.8 =234.81NmgF 2、手架旋轉(zhuǎn)軸的校核初取手架旋轉(zhuǎn)軸的軸徑=30mm；d 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2424 頁手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為：=23.96kg；m手架旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量為：=1.43kg；m取手架旋轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力距等于手架旋轉(zhuǎn)時受到的慣性力距，則根據(jù)文獻(xiàn)11，78-106有： (3.24)(02010JJJM慣式中：手臂回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；01J手架旋轉(zhuǎn)軸對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；02J手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的角加速度，這里初取手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速=1m/s,則其角n速度=2rad/s，設(shè)手架旋轉(zhuǎn)軸從靜止開始到達(dá)到穩(wěn)定速度所需的時間為 =0.1s,則：t=/ =(2rad/s)/(0.1s)=20rad/s2；t機(jī)械手夾緊力的校核： (3.25)2MRF慣取手架回轉(zhuǎn)的角速度， =300mm，2R則由式(3.25)得：=8kg300mm=94.75N慣F2)2(因小于機(jī)械手手指的夾緊力，所以機(jī)械手的手架旋轉(zhuǎn)軸工作正常。慣F由于手臂回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)軸線與其重心軸線重合，所以可?。?2/ )3(220RLmJ本設(shè)計中=15mm,取=250mm，RL則：=23.96（0.252+30.0152）/12=0.126N01J3m=1.430.0152/2=0.00016 N02J2/2Rm3m將值代入式（3.24）可得：=7.92 Nm2)20()00016. 0126. 0(慣M手架旋轉(zhuǎn)軸的輸出功率：=7.92 Nmm 2rad/s =49.76wMP 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2525 頁手架旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度校核公式如下： (3.26)/nnWM式中：手架旋轉(zhuǎn)軸的扭矩，此處 =7.92 Nm；nM慣MMn手架旋轉(zhuǎn)軸的抗彎截面模量，對于實(shí)心軸有，所以此處=nW16/3dWnnW=m3；16/ )1030(936103 . 5將值代入式(3.26)可得：=7.92/=1.49MPa6103 . 5因=20MPa, ，故所選軸安全。3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇1、電動機(jī)類型的選擇目前常用的加工中心換刀機(jī)械手，它的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是由兩個液壓缸實(shí)現(xiàn)的。一個液壓缸用來實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75到達(dá)工作位置，換刀運(yùn)動過程準(zhǔn)備開始。另一個液壓缸則是在拔刀過程結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 180的運(yùn)動， 是主軸刀具與刀庫刀具互換位置。雖然這種結(jié)構(gòu)工作原理很簡單，但由于驅(qū)動機(jī)構(gòu)較多，它們之間以及它們和手架伸縮液壓缸的活塞桿之間的連接機(jī)構(gòu)卻比較復(fù)雜。而在本設(shè)計中，由于采用了兩個圓錐滾子軸承以及一個套筒作為手架伸縮液壓缸活塞桿和手架旋轉(zhuǎn)軸的連接機(jī)構(gòu)，并且在手架旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)計了一個很長的鍵槽，所以只需要用一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)手架在拔、插刀前后的多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對于這個驅(qū)動機(jī)構(gòu)，它需要能實(shí)現(xiàn)手架的 75、180和反向 75三種角度的旋轉(zhuǎn)。若采用液壓缸和行程開關(guān)進(jìn)行控制，則一般只能實(shí)現(xiàn)一種角度的旋轉(zhuǎn)。而如果采用電動機(jī)進(jìn)行傳動，則只需控制好電動機(jī)的起、停時間就可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)期的運(yùn)動。所以本設(shè)計中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由電動機(jī)帶動單級圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)。TYV 系列高精度微型特種減速電動機(jī)采用高新技術(shù)，具有齒輪減速、蝸輪減速、直線往復(fù)等多種結(jié)構(gòu)，并可配有電子無級調(diào)速、阻尼制動、電磁剎車等功能，適用于交流、直流多種電壓，是一種高效、節(jié)能、低噪音的微特減速電動機(jī)，它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、減速比大、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)12，因此，本設(shè)計中的手架 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2626 頁旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用 TYV 系列高精度微型特種減速電動機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)。2、電動機(jī)型號的選擇根據(jù)文獻(xiàn)13，8-13，各傳動副傳動效率為：彈性柱銷連軸器： =0.99；1圓錐滾子軸承： =0.99；2單級圓錐齒輪： =0.95；3總的傳動效率為：=0.990.990.990.95=0.903221取單級圓錐齒輪的傳動比為 =3； i所選電動機(jī)應(yīng)滿足：=3r/s=180r/minnin 0=49.76/0.90=55.29w/0PP =2.93Nmm)/(0iTT根據(jù)上述條件，查電機(jī)系列，取 TYV4 型齒輪減速電動機(jī)，其基本參數(shù)如下：允許負(fù)載為=60w，輸出轉(zhuǎn)速為=150r/min，轉(zhuǎn)矩為=3.4Nmm。0P0n0T3.4.3 單級圓錐齒輪的設(shè)計與校核根據(jù)文獻(xiàn)13，8-13，各軸轉(zhuǎn)速為：=150r/min0n=150r/min1n0n=50r/min2nin /1各軸轉(zhuǎn)距為：=3.4Nm0T=0.993.4=3.37Nm1T10T=0.9033.4=9.18Nm2Ti0T各軸的輸入功率為： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2727 頁=/9550=3.4150/9550=53.4w0P0T0n=0.9953.4=52.87w1P10P=0.9053.4=48.06w2P0P手架旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際角速度=(5/3)rad/s，因=41.47w1200 N/時，取=0.93。rZlimH2mmrZ速度系數(shù)：VZ中點(diǎn)圓周速度為：=32.3150/60000=0.25m/s)100060/(11ndVmm因=0.25m/s 和1200 N/，故可取=0.5；mVlimH2mmvZ工作硬化系數(shù)：WZ因大小齒輪均為硬齒面，故取=1；WZ接觸計算時的尺寸系數(shù)：一般取=1；XZXZ計算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力：limH由公式：=1limH2limHXWVLRNHZZRZZZlim=15000.930.5111 1=697.5N接觸計算安全系數(shù)：HS因大小齒輪材料和硬度均相同，所以有：=697.5/420.74=1.66HHHHSS/lim21接觸計算最小安全系數(shù)為=1.25，因=，故安全。minHS1HS2HSminHS2、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3131 頁彎曲計算用單位齒寬上的載荷FtW= （3.28）FtWtmFKVKFKFK式中：中點(diǎn)分度圓上的圓周力，=208.67N；tmFtmF工況系數(shù)，=1；KK動載系數(shù)，=1；VKVK彎曲計算用的齒向載荷分布系數(shù)，取=1.2；FKFK彎曲計算用的端面載荷分布系數(shù)，對直齒圓錐齒輪，一般取 1；FKFK將各值代入式(3.28)可得：=208.671.2111/18=13.91NFtW變位系數(shù)、：xsx為提高彎曲疲勞強(qiáng)度，采用切向高變位傳動，因 =90（軸交角），故由，可得：)/11 (46. 021ux小輪的變位系數(shù)=0.41，大輪的變位系數(shù)=-=-0.41 ，1x2x1x根據(jù)=19/57=0.33 ，取=0.013，=-=-0.013；212/1ZZu 1sx2sx1sx計算應(yīng)力集中系數(shù)：SY當(dāng)=0.41，=20 時，=1.83， 1x1VZ1SY當(dāng)=-0.41，=180 時，=1.81；2x2VZ2SY齒形系數(shù)：FY =1.15（圓柱） (3.29)FYCFY根據(jù)=0.41，=20，=-0.41，=180， 1x1VZ2x2VZ查得（圓柱）=2.26，（圓柱）=2.2；1FY2FY根據(jù)=0.013，=-0.013，1sx2sx查得=0.98，=1.02；1C2C故由式(3.29)可得： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3232 頁=1.15（圓柱）=1.152.260.98=2.551FY1C1FY=1.15（圓柱）=1.152.21.02=2.582FY2C2FY彎曲計算應(yīng)力：F (3.30)nvSFFtFmYYYw/111當(dāng)量圓柱齒輪彎曲計算用重合度系數(shù)，對一般圓錐齒輪=1；vYvY中點(diǎn)模數(shù)；nm小齒輪彎曲計算應(yīng)力：=13.912.551.831/1.7=38.18 N/nvSFFtFmYYYw/1112mm大齒輪彎曲計算應(yīng)力：)/(212212SFSFFFYYYY=38.182.581.81/（2.551.83）=38.21 N/2mm試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力：limF由于大、小齒輪的材料及硬度都相同，并經(jīng)過滲碳淬火處理，可取=350 N/； 1limF2limF2mm試驗(yàn)齒輪彎曲計算用的壽命系數(shù)：NTY按持久壽命計算，有：=1； 1NTY2NTY相對表面狀況系數(shù)：RrelTY因小齒輪均用 20Cr，表面經(jīng)滲碳處理，齒面光潔度為，=6.3m 故取721ZZRR=1.01；1RrelTY2RrelTY相對敏感系數(shù)：relTeY因大、小齒輪均用 20Cr，并經(jīng)滲碳淬火處理，當(dāng) =600 N/，=1.83 時，查得=0.99，2 . 02mm1FY1relTeY當(dāng) =600 N/，=1.81 時，查得=0.98，2 . 02mm2FY2relTeY試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力集中系數(shù)：取=2.1；STYSTY彎曲計算用的尺寸系數(shù)：XY 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3333 頁因?yàn)榇?、小齒輪材料和熱處理方式都相同，=2，所以 =1； m1XY2XY計算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力：limF111111lim1limXRrelTrelTeNTSTFFYYYYY =3502.110.991.0151=727.65N/2mm222222lim2limXRrelTrelTeNTSTFFYYYYY =3502.110.981.0151=720.3N/2mm彎曲計算安全系數(shù)：FS=727.65/38.18=19.061FS11lim/FF=720.3/38.21=18.852FS22lim/FF彎曲計算最小安全系數(shù)=2.0，因，故安全。minFS1FSminFS2FSminFS3.5 手架伸縮液壓缸的設(shè)計3.5.1 手架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定估算手架伸縮液壓缸負(fù)載如下：軸承套筒質(zhì)量： =0.93kg；1m兩軸承質(zhì)量： =0.4kg；2m旋轉(zhuǎn)軸質(zhì)量： =1.43kg；3m手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為： =23.96kg；4m上述結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為：=0.93+0.4+1.43+23.96=26.72kg4321mmmmm設(shè)手架伸縮液壓缸的活塞桿在達(dá)到穩(wěn)定速度過程中的加速度，則手架伸縮液ga2壓缸承受的負(fù)載為：=785.57N)(gamF考慮到液壓缸密封處的摩擦力，取=0.95，則手架伸縮液壓缸實(shí)際的負(fù)載為：C=826.92N；F 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3434 頁液壓缸回油腔背壓力，由于此液壓缸在不工作時需保證它的負(fù)載能長時間的保持在某一位置上，所以在本設(shè)計中初取估算值=1MPa，取=1.5MPa，因工作壓力2P1P2MPa，取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比=0.3。 1PDd /將各值代入式(3.9)，可得：=43.8mm。D為便于采取標(biāo)準(zhǔn)的密封件，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，將內(nèi)徑 D 進(jìn)行圓整，取=50mm；又因?yàn)楸驹O(shè)計中=0.3，所以=0.350=15mm，樣為便于采取標(biāo)準(zhǔn)密封DDd /d件，根據(jù)活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑 d 進(jìn)行圓整，取=16mm；活塞的寬度d=3050mm，這里取=40mm。DB)0 . 16 . 0(B3.5.2 材料的選擇根據(jù)文獻(xiàn)5，87-92，對手架伸縮液壓缸各元件的材料選取如下：活塞桿材料采用實(shí)心的 45 號鋼，并進(jìn)行表面淬火處理，以提高活塞桿硬度；由于活塞與活塞桿是一體的，所以活塞的材料也為 45 號鋼，但為了增加它的耐磨性，需在活塞的表面覆蓋一層耐磨材料，常用耐磨材料有青銅、黃銅、尼龍等等；一般情況下，壓力較低的液壓缸的缸筒材料多采用鑄鐵，此處選用 HT200 ；缸蓋的材料選用 HT200鑄件。3.5.3 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核1、活塞桿強(qiáng)度校核活塞桿直徑=16mm；取液壓缸負(fù)載=850N；dF則由式 (3.11)可得：=1.90 mm)300/(8504d因本設(shè)計中=16mm，大于 1.90mm，故強(qiáng)度可以保證。d2、活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算本設(shè)計中手架伸縮液壓缸的支承方式為一端固定、一端自由，所以取=0.25，=85，所以有：21 =42.52125. 085取手架伸縮液壓缸安裝長度取 =150mm；l 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3535 頁由式(3.15)可得活塞桿橫斷面的最小回轉(zhuǎn)半徑：=16/4=4 mmkr4/d故活塞桿細(xì)長比為 / =150/4=37.5；lkr本設(shè)計中手架伸縮液壓缸活塞桿的細(xì)長比且=20120，故手架krl /2121伸縮液壓缸的活塞桿保持工作穩(wěn)定的臨界負(fù)載應(yīng)按公式(3.14)進(jìn)行驗(yàn)算有：kF)/(1/222kkrlfAF=)5000/11011/()4/109 . 41016(2862=394081.38/10.68=36899N將上述各值代入式(3.12)可得：/=36899/4=9224.75NkFkn由于本設(shè)計中的手架伸縮液壓缸的活塞桿所承受的負(fù)載=850N12m/min）時，液壓缸將有較大的動v量，使得液壓缸在行程終點(diǎn)停止時，易產(chǎn)生很大的沖擊及噪音，這種沖擊不僅會引起液壓缸的損壞，而且還會引起各類閥及相關(guān)部件的損壞，具有很大的危險性。為消除這種沖擊，可設(shè)置緩沖裝置。在本設(shè)計中，手指夾緊液壓缸的負(fù)載雖然不是很大，可是由于 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3939 頁它的速度較高，為保證各類部件的安全，仍給它設(shè)置了緩沖裝置。但由于它的行程較短，不宜采用兩端緩沖裝置，否則會導(dǎo)致非緩沖行程過短，甚至沒有緩沖行程7。所以，本設(shè)計中只在手指夾緊液壓缸的前端設(shè)置了緩沖裝置。而對于手臂伸縮液壓缸，因其所取的速度不是很大，故不需設(shè)置緩沖裝置。對于手架伸縮液壓缸，由于它的行程較大，為縮短加工中心換刀機(jī)械手的整體換刀時間，本設(shè)計中將手架伸縮液壓缸的速度取得較大，同時由于它的負(fù)載也很大，所以在它的兩端都需要設(shè)置緩沖裝置。4.4 液壓系統(tǒng)回路本設(shè)計中液壓系統(tǒng)的控制主要由壓力繼電器、電磁換向閥以及流量控制閥等元件實(shí)現(xiàn)，其控制回路如圖 4.2 所示。 圖 4.2 液壓控制回路控制過程如下：當(dāng)手臂伸出信號發(fā)出后，電磁鐵 DT1 動作，兩側(cè)手臂同時伸出。當(dāng)手臂伸縮液壓缸的活塞桿及手指夾緊液壓缸的后端蓋運(yùn)動到設(shè)計位置后，由于受到阻礙，便不再運(yùn)動。a 腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 1YJ 動作，同時，電磁鐵 DT1 斷電，電磁鐵 DT3 通電，開始手指夾緊動作。同理，當(dāng)手指夾緊液壓缸的活塞桿運(yùn)動到設(shè)計位置后便不再運(yùn)動。d 腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 2YJ 動作，電磁鐵 DT5 通電，手架伸縮液壓缸開始拔刀 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4040 頁動作。當(dāng)手架伸縮液壓缸運(yùn)動到設(shè)計位置時，控制電動機(jī)運(yùn)動的線圈 KT2 恰好延時結(jié)束，它所控制的常開延時閉觸頭閉合，電動機(jī)啟動，手架旋轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)行刀庫刀具和主軸刀具的互換動作。在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 180后，發(fā)出插刀信號。電磁鐵 DT6 通電，手架伸縮液壓缸開始反行程運(yùn)動。但運(yùn)動到初始位置后，活塞不運(yùn)動，油腔 f 內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 3YJ 動作，控制電磁鐵 DT4 通電，手指夾緊液壓缸反行程運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動刀設(shè)計位置后，油腔 c 內(nèi)油壓力升高，電磁鐵 DT2 通電，手臂伸縮液壓缸開始反行程運(yùn)動，當(dāng)回到初始位置后，換刀動作結(jié)束，手架旋轉(zhuǎn)軸準(zhǔn)備復(fù)位。4.5 旋轉(zhuǎn)軸控制線路手指夾緊時間： =0.05s；1t手臂伸出時間： =0.65s； 2t手指松開時間： =0.05s；3t手臂縮回時間： =0.32s；4t手架伸出時間: =0.37s；5t手架縮回時間: =0.55s；6t手架旋轉(zhuǎn) 75時間： =0.25s；7t手架旋轉(zhuǎn) 180時間： =0.60s；8t手架反向旋轉(zhuǎn) 75復(fù)位時間： =0.25s；9t從加工中心發(fā)出換刀信號到換刀機(jī)械手復(fù)位動作完成總需時間：=3.06s987654321tttttttttt本設(shè)計中電動機(jī)的控制則主要依靠于延時繼電器實(shí)現(xiàn)，其控制回路如圖 4.3 所示。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4141 頁圖 4.3 電動機(jī)控制回路控制過程：當(dāng)換刀信號發(fā)出后，模擬開關(guān) S 閉合，延時繼電器的線圈KT1、KT2、KT3、KT4、KT5 通電，同時，KM1 也通電，經(jīng)時間 0.25s 后，線圈 KT1延時時間到，常閉延時開觸頭 KT1 打開，KM1 停止轉(zhuǎn)動，此時手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75，到達(dá)工作位置，同時，發(fā)出手臂伸縮信號。在完成手指夾緊、手臂伸縮以及拔刀動作后，即線圈 KT2 經(jīng)過 1.32s 延時后，常開延時閉觸頭 KT2 關(guān)閉，線圈 KM1 通電，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，開始實(shí)現(xiàn)刀庫刀具與主軸刀具互換的動作。在手架旋轉(zhuǎn) 180 后，即在線圈 KT3通電 1.82s，延時時間到，常閉延時開觸頭 KT3 打開，電動機(jī) KM1 停止轉(zhuǎn)動。與此同時，發(fā)出插刀信號，在完成插刀、手指松開、手臂縮回動作后，此時線圈 KT4 延時時間到，常開延時閉觸頭 KT4 閉合，KM2 通電，電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動。在電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動 75后，手架旋轉(zhuǎn)軸復(fù)位。此時，線圈 KT5 延時時間到，常閉延時開觸頭 KT5 打開，KM2 停止轉(zhuǎn)動，換刀動作完成。4.6 技術(shù)難點(diǎn)本設(shè)計中的手指夾緊、手臂伸縮以及手架伸縮的運(yùn)動都是由液壓驅(qū)動的，只要設(shè)計好各個液壓缸的尺寸參數(shù)、行程及各個工作過程的進(jìn)油及回油壓力值，就可以達(dá)到預(yù)期的效果。而對于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于結(jié)構(gòu)上的需求，采用了電動機(jī)驅(qū)動方式，由單級圓錐齒輪將電動機(jī)的運(yùn)動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸。但是，手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度比較小，使得電動機(jī)的啟停時間間隔也比較短，為保證準(zhǔn)確、穩(wěn)定換刀，就需要為各液壓缸的運(yùn)動時間留出時間余量，并嚴(yán)格控制好電動機(jī)的起、停時間，同時，兩個圓錐齒輪的加工精度和它們之間的傳動比也要嚴(yán)格控制好。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4242 頁4.7 本章小結(jié)本章主要是針對加工中心換刀機(jī)械手液壓系統(tǒng)控制回路和電動機(jī)控制回路進(jìn)行了設(shè)計。液壓系統(tǒng)的控制主要由壓力繼電器、電磁換向閥以及流量閥等元件實(shí)現(xiàn)；而電動機(jī)控制則主要依靠于延時繼電器實(shí)現(xiàn)。通過這兩部分控制系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)控制，可以實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的準(zhǔn)確換刀動作。結(jié)論經(jīng)過設(shè)計計算與校核，本設(shè)計中的加工中心換刀機(jī)械手在滿足抓刀、松刀、拔刀、插刀以及刀庫刀具與主軸刀具之間刀具的互換等運(yùn)動參數(shù)的同時，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的換刀。本設(shè)計中的加工中心換刀機(jī)械手換刀時間為 3.06s，其突出的特點(diǎn)是采用兩個圓錐滾子軸承和滑鍵來配合完成手架旋轉(zhuǎn)和手架伸縮兩種運(yùn)動。用軸承連接活塞桿和手架旋轉(zhuǎn)軸，可以使手架伸縮液壓缸的活塞桿帶動手架旋轉(zhuǎn)軸一起做伸縮運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的拔刀和插刀運(yùn)動。同時，手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時也不會干擾到活塞桿。用滑鍵來連接旋轉(zhuǎn)軸與圓錐齒輪，為只用一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn)軸在拔刀和插刀前后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動提供了可能，從一定程度上可以簡化換刀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計基于結(jié)構(gòu)上的需要采用了電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在一定程度上簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而對于手指夾緊、手臂伸縮及手架伸縮運(yùn)動，則采用液壓驅(qū)動方式，即可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)各個運(yùn)動，還可以通過提高液壓缸的運(yùn)動速度來縮短換刀的時間。本設(shè)計中也存在著一些不足。如設(shè)計中的手架旋轉(zhuǎn)軸直徑不大，每次旋轉(zhuǎn)的角度也很小，這樣加工中心換刀機(jī)械手在每次的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動上占用的時間應(yīng)該很小。而本設(shè)計中采用電動機(jī)來驅(qū)動手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于受到電動機(jī)啟動時間、轉(zhuǎn)速、負(fù)載能力及安裝尺寸等綜合因素的限制，手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速不能設(shè)計的很大，這就使整個換刀系統(tǒng)在縮短換刀時間上的效果不理想。所以，實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的這部分機(jī)構(gòu)還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，以達(dá)到更大程度上縮短換刀時間的目的。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4343 頁 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4444 頁致謝在這十多周的畢業(yè)設(shè)計期間，我在梁鴻斌老師的精心指導(dǎo)下，順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。在設(shè)計過程中，由于一些尺寸、數(shù)據(jù)選取的不太合理，使我所涉及的加工中心換刀機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了一些問題。梁老師不僅幫我發(fā)現(xiàn)了問題，還嚴(yán)厲的督促我對其進(jìn)行修改，甚至有幾次都是對設(shè)計內(nèi)容重新進(jìn)行計算核校。這在很大程度上培養(yǎng)了我對科研的嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的態(tài)度。同時，梁老師還給我提出了多個非常好的建議，使我又學(xué)到了很多書本上沒有的知識。在此對梁老師致以衷心的感謝。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，我也遇到了很多專業(yè)性的問題不太明白，對于這些問題解決，機(jī)電學(xué)院的相關(guān)專業(yè)老師都給了很大的幫助，尤其是在電動機(jī)控制線路的設(shè)計過程中出現(xiàn)的一些問題，電工老師給了我詳細(xì)的解答。同時，畢業(yè)設(shè)計的過程中，周圍的同學(xué)在學(xué)習(xí)、生活上也都給了我很大的幫助，使我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計。最后再次對梁老師及所有幫助過我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4545 頁參考文獻(xiàn)1 數(shù)控機(jī)床功能部件產(chǎn)業(yè)化 EB/OL.http:/, 2004-08-31.2 范真.加工中心M.北京：化工工業(yè)出版社，2004：42-45.3 加工中心科普知識EB/OL.http:/ , 2004-07-8.4 數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)產(chǎn)品化的研究EB/OL. http:/, 2005-08-03.5 賈銘新.液壓傳動與控制M. 北京：國防工業(yè)出版社，2001：87-92.6 吳振彪.工業(yè)機(jī)械人M.湖北：華中科技大學(xué)出版社，1997：2-7