本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 鏜銑加工中心換刀機械手部件的設(shè)計 學(xué) 院 機械與自動控制學(xué)院 專業(yè)班級 姓 名 指導(dǎo)教師 系 主 任 學(xué)院院長 機械與自動控制學(xué)院畢業(yè)設(shè)計誠信聲明我謹在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻或注釋中列出。設(shè)計說明書與圖紙均由本人獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔相應(yīng)的責任。聲明人（簽名）： 年 月 日摘 要機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。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(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，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(yīng)用。在機械加工中，大部分零件都要進行多種工序加工。在一般數(shù)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占整個工作時間的 30%左右，其余的大部分時間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運零件和檢查加工精度等輔助工作上。自動換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置。為充分發(fā)揮機床的作用，數(shù)控中心均配有自動換刀裝置。本課題重點在于鏜銑加工中心換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量，品質(zhì)還是性能方面都不能完全滿足工業(yè)發(fā)展的需要。本課題重點解決的問題：換刀機械手部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對關(guān)鍵零件進行校核以及尺寸的優(yōu)化選取。主要設(shè)計內(nèi)容有：（1）設(shè)計鏜銑加工中心換刀機械手部件的結(jié)構(gòu)，傳動系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)，使其能夠滿足快速，平穩(wěn)，準確換刀的功能。（2）完成重要零件的設(shè)計，主要包括齒輪的設(shè)計，軸的設(shè)計，手指的設(shè)計。使用 Pro/E 對所有換刀機械手零件進行三維建模，并建立總裝模型。（3）用 AutoCAD 畫出換刀機械手重要零部件的二維圖紙。關(guān)鍵詞：鏜銑加工中心；結(jié)構(gòu)設(shè)計；換刀機械手；伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手。AbstractThe robot is a new device developed in the mechanization and automation of the production process. Although the robot is not as staffing flexibility, but it has repeated the work and labor, I do not know fatigue, not afraid of danger, the the snatch weight of force than manual force, Therefore, the robot has been subject to many sectors, and increasingly has been applied more widely.In machining, most of the parts should be carried out a wide range of machining processes. Whole process in general CNC machine tools for cutting real time accounted for only about 30% of the entire working time, most of the rest of the time is spent on installation, adjustment tool, loading and unloading, handling parts and check processing accuracy auxiliary work on Automatic tool changer CNC machining center in one clamping of the workpiece to achieve multi-channel processing indispensable device. In order to give full play to the role of the machine tool, CNC centers are equipped with automatic tool changer.The focus of this project is boring and milling machining center blade structural design of the robot. Industrial robot is mainly used for machining, casting, heat treatment, regardless of the quantity, quality or performance are not fully meet the needs of industrial development. Focused on solving the problem of the subject: A tool of the structural design of the robot components, select the check key parts and size optimization.The main design elements:(1) Design milling centers gripper parts of the structure, the transmission system and drive system to enable it to meet the fast, smooth and accurate tool.(2) the completion of the important parts of the design, including the choice of gear design, the design of the shaft bearing. Pro / E 3D modeling, and all parts of gripper assembly model.(3) AutoCAD to draw the gripper important parts of the two-dimensional drawings.Keywords: boring and milling machining center; structural design; gripper; retractable rotary arm claw robot.目 錄摘 要Abstract第 1 章 緒論 11.1 選題的背景和意義 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .11.2.1 機械手簡介 .11.2.2 機械手的分類 31.2.3 工業(yè)機械手研究趨勢 .61.3 換刀機械手研究意義 71.4 設(shè)計的內(nèi)容和思路 7第 2 章 鏜銑加工中心換刀機械手總體設(shè)計 .82.1 換刀機械手的工作原理分析 82.2 機械手的平穩(wěn)性 102.3 機械手的運動特性 112.4 換刀機械手方案的確定 12第 3 章 換刀機械手的總體方案設(shè)計 .123.1 手爪部分設(shè)計 .123.2 機械手手臂的設(shè)計 133.3 機械手傳動方式的選擇 143.3.1 機械手轉(zhuǎn)過 180 度的傳動機構(gòu)選擇 .143.3.2 主軸以及機械手上下伸縮的傳動機構(gòu)設(shè)計 163.4 換刀機械手驅(qū)動機構(gòu)的選擇 18第 4 章 換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定 .194.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 194.1.1 手指夾緊力的計算 194.1.2 手指部分的相關(guān)校核 214.2 手臂的彎曲變形 .234.3 軸與機械手配合部分的直徑的選取 254.4 機械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 264.5 設(shè)計參數(shù) 29第 5 章 總結(jié)與展望 30參考文獻 31致 謝 331第 1 章 緒論1.1 選題的背景和意義機械制造業(yè)是一個國家最基礎(chǔ)的行業(yè)，為整個國民經(jīng)濟提供技術(shù)裝備，其發(fā)展水平是國家工業(yè)化程度的主要指標之一。在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1 機械手簡介人類在面對對人體健康有害的各種射線、高溫和低壓、高壓和低壓，進行深水考察，以及操作有毒性的和爆炸性的物質(zhì)時，都必須利用各種遠距離操作設(shè)備。遠距離操作設(shè)備與普通設(shè)備的主要區(qū)別，在于能夠通過適當?shù)纳锲帘伟巡僮魅藛T與危險源隔開進行操作。作為這種屏蔽的有各種防護屏、屏蔽箱、鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計2熱室和其它箱室的壁，有時亦可采用加大距離的辦法。 機械手就是這樣一種遠距離操作設(shè)備 [1]。機械手是由操作人員或程序裝置遠距離操縱的一種裝置。它包括供模仿人手的移動和關(guān)節(jié)動作功能用的操作機構(gòu)。機械手通常是由安裝在危險區(qū)內(nèi)的從動臂、安裝在危險區(qū)外的主動臂和穿墻（防護屏）的連接臂組成。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)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(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，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(yīng)用自動換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置, 主要由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置幾部分組成。圖 1-1 加工中心換刀機械手 [1]31.2.2 機械手的分類目前，機械手尚無通用的分類方法。它們可按不同的特點分，例如，根據(jù)從動臂對于主動臂動作的模仿程度，主動臂上力的再現(xiàn)，用途，從動臂與主動臂的連接形式，操作方法，外形等分類。實踐中所采用的機械手可分為四類：1）劍式機械手；2）機械傳動和密封磁力機械傳動機械手；3）電動機械傳動、液壓和氣動機械手；4）特殊機械手 [1]。第一類機械手一般不能完全模仿操作人員的手關(guān)節(jié)的動作。但是，由于其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，因而獲得廣泛應(yīng)用，是通用的機械手。第二類機械手能完全模仿操作人員的手關(guān)節(jié)的動作（有七個和七個以上的動作）。它比第一類機械手較為復(fù)雜。由于其操作方便、價格不太高，所以也得了廣泛應(yīng)用。磁力機械傳動機械手比機械傳動機械手略微復(fù)雜，而且昂貴，但能保證箱室的完全密封。第三類機械手比第二類機械手更加復(fù)雜而且昂貴。這類機械手的某些類型得了廣泛應(yīng)用，尤其是用于操作間與箱室之間要求高度密封，進行遠距離操作和主動臂作用于從動臂的力按比例反射操作的地方。這一類的非模擬機械手有杠桿或控制裝置和普通（非隨動的）電傳動裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了價格。第四類機械手裝有控制裝置，這類機械手的抓舉能力很大，可用于完成預(yù)先給定的工序。其中換刀機械手也有各種分類：⑴單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手機械手擺動的軸線與刀具主軸平行，機械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進行自動換刀，換刀具的所花費的時間長，用于刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。如圖 1 所示：鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計4圖 1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手⑵單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手圖 2 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工，一個卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù)，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù)，其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機械手要短，如圖 2 所示。5這種機械手的兩臂各有一個卡爪，可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)之后有同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是目前加工中心機床上最為常用的一種形式，換刀時間要比前兩種都短，如圖 3 所示。圖 3 雙臂回轉(zhuǎn)式機械手這種機械手在有的設(shè)計中還采用了可伸縮的臂如圖 4 所示：圖 4 雙臂回轉(zhuǎn)式機械手鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計6這種機械手相當與兩個單臂單爪機械手，相互配合起來進行自動換刀。其中一個機械手執(zhí)行拔舊刀歸回刀庫，另一個機械手執(zhí)行從刀庫取新刀插入機床上，如圖 5 所示。圖 5 雙機械手⑸雙臂往復(fù)交叉式機械手圖 6 雙臂往復(fù)交叉式機械手1.2.3 工業(yè)機械手研究趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量，品7質(zhì)還是性能方面都不能完全滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手。在自動換刀裝置的研究上還要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題：如優(yōu)良運動曲線選擇、機構(gòu)運行可靠性、換刀復(fù)合凸輪的設(shè)計，凸輪的精密加工等。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生少許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺。目前，已經(jīng)取得一定成績。1.3 換刀機械手研究意義隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前, 機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學(xué),船舶等領(lǐng)域,同時也已開始擴大到核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔,醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。如,水下機器人,拋光機器人,打毛刺機器人,擦玻璃機器人,高壓線作業(yè)機器人,服裝裁剪機器人,制衣機器人,管道機器人等特種機器人以及掃雷機器人,作戰(zhàn)機器人,偵察機器人,哨兵機器人,排雷機器人,布雷機器人等軍用機器人都是機械手應(yīng)用的典型。機械手廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而且,隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究是數(shù)控加工中心研究的基礎(chǔ)。因此，對具有理想結(jié)構(gòu)和傳動方式的換刀機械手進行抓取機理、操作理論、運動學(xué)和動力學(xué)、控制理論、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意義的。1.4 設(shè)計的內(nèi)容和思路設(shè)計思路：鏜銑加工中心中的換刀機械手要起到的作用簡單來說就是抓刀換刀的作用，具體的一整個流程是：機械手向前伸展，到達合適位置，抓刀，然后拔刀，再旋轉(zhuǎn) 180°，然后插刀，縮回。設(shè)計內(nèi)容：那么要完成這一系列的功能就需要以下裝置：液壓缸 1,2（動鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計8力裝置，通過齒輪齒條帶動機械手的伸縮和抓放），齒輪齒條 1,2（傳動裝置），機械手爪（抓刀，拔刀，插刀，松刀），液壓缸 3（動力裝置，通過大主軸帶動機械手和液壓缸 1,2 的機械手部分上下平移運動以實現(xiàn)拔刀和插刀的功能），大主軸（傳動裝置，起到上下平移和繞軸心旋轉(zhuǎn)這 2 個關(guān)鍵的傳動作用），液壓缸 4（動力裝置，通過齒輪齒條帶動大主軸繞軸心的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)換刀的功能），齒輪齒條 3（傳動裝置）。9第 2 章 鏜銑加工中心換刀機械手總體設(shè)計本換刀機械手主要包括抓刀松刀控制裝置、伸縮手爪的傳動裝置、拔刀插刀的動力傳動裝置、旋轉(zhuǎn)換刀的傳動裝置這四個方面的設(shè)計。制定總體方案，就是在深入調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，提出所設(shè)計的工藝設(shè)備方法、運動和布局、傳動和結(jié)構(gòu)的性能等方面的方案。這個總體方案是部件和零件的設(shè)計依據(jù)，對整個設(shè)備設(shè)計的影響很大，是至關(guān)重要的一步。因此，在擬定總體方案過程中，必須綜合地考慮對設(shè)備的各項要求，使所定方案技術(shù)先進、經(jīng)濟效益高。圖 2-1 總設(shè)計圖鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計102.1 換刀機械手的工作原理分析整體結(jié)構(gòu)設(shè)計布局如圖 2-1 所示。本設(shè)計中，換刀機械手部件的最大長度為 1400mm，最大高度為 1200mm，厚度為 175mm。傳動機構(gòu)。工業(yè)生產(chǎn)要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動靈活，定位精度高。主要傳動部件：①大主軸：采用 45 鋼；②傳動齒輪：采用 40Cr，齒數(shù)為 22，模數(shù)為 6，采用 7 級精度；③帶齒條的傳動軸：采用 45 鋼；④扇形齒輪和傳動齒條軸：齒數(shù)為 21，模數(shù)為 2；⑤液壓缸。運動實現(xiàn)方式:該換刀機械手通過液壓缸-帶齒條的傳動桿-齒輪-大主軸-連接塊，實現(xiàn)機械手在水平方向的 180°轉(zhuǎn)動，從而完成換刀的運動。機械手的另外一個運動是通過液壓缸-大主軸-連接塊，帶動機械手臂的上下移動，實現(xiàn)機械手的拔刀和插刀的運動。而機械手的伸縮和抓刀松刀則是通過液壓缸-活塞桿-扇形齒輪-齒條軸的傳動來完成的。2.2 機械手的平穩(wěn)性工業(yè)生產(chǎn)要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，定位精度高。應(yīng)注意其影響因圖 2.1 慣性曲線 [2]素，設(shè)計合理結(jié)構(gòu)，以滿足要求。1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素（1） 、慣性力的影響11機械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動、部件松動、零件破裂。定位時，大的減速度使臂部往復(fù)振動，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機械手的運動特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運動歸路變化，同時，在保證剛度的前提下，減輕機械手運動件的重量。（2） 、結(jié)構(gòu)剛度的影響零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機固有頻率低時，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動。不但降低定位精度，而且降低機械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。 （3） 、定位方法的影響常用的定位方法中，電氣開關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機械擋塊的定位最高。（4） 、控制系統(tǒng)的影響電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測元件失靈，擋塊偏移等會降低定位失靈。（5） 、驅(qū)動源的影響液壓、氣壓、電壓及油溫波動都會降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。2.3 機械手的運動特性深入分析機械手的運動特點，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運動特點。下面為我們所選工業(yè)機械手所具有的運動規(guī)律，在減速較大時的情形。鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計12圖 2.2[3] 運動特性曲線按上圖的運動，機械手的速度變化呈等加速或不等加速運動，其減速過程亦分為等減速運行和不等減速運行，在呈等加速運行，而不等減速運行時，由于速度行程短，故有利于提高機械手的工作速度。特點：速度變化基本上連續(xù)，運動中不會產(chǎn)生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。2.4 換刀機械手方案的確定由于與機械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運動平穩(wěn)的特點，并且因為液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長，所以本人在機械手的手臂伸縮運動及手指夾緊運動以及傳動機構(gòu)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，所以本人把現(xiàn)有的一種單臂單爪的機械手改進為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手，這樣既保留了它原有的靈巧優(yōu)勢，又大大增加了效率。13第 3 章 換刀機械手的總體方案設(shè)計3.1 手爪部分設(shè)計手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了雙指的結(jié)構(gòu)，這樣選擇的原因是雙指具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝拆卸方便，抓刀穩(wěn)定快速等特點。結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。圖 3-1 雙指結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3-1 所示，當機械手伸出的時候，液壓缸推動活塞往前帶運動，通過扇形齒輪的傳動，齒條軸和手指一起往前運動，銷釘頂住的擋塊往前滑動，當滑到套座的錐形區(qū)域時，機械手指開始夾緊，完成抓刀。3.2 機械手手臂的設(shè)計機械手工作中運動速度較高，在結(jié)構(gòu)位置應(yīng)保證運動平穩(wěn)，這樣可以提高機械手運動的平穩(wěn)性，可以提高機械手適用的可靠性，并提高使用壽命。一、臂部要防止偏重通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計臂部、腕部和手部結(jié)構(gòu)時，盡量使鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計14其總的重心在支撐中心，防止對支撐中心的偏重。一但偏重，將會產(chǎn)生附加的彎矩，引起導(dǎo)向裝置不均勻的磨損。在回轉(zhuǎn)運動中，偏重對回轉(zhuǎn)軸附加有動壓力，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時更加明顯，這些都將引起機械手的振動，嚴重的會造成卡死。預(yù)防的措施：1、減輕腕部、手部的重量，并盡量減少偏心載荷。可采用鋁合金制造腕部和手部。2、合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。3、某些機械手結(jié)構(gòu)上無法避免偏重，則應(yīng)加強導(dǎo)向支撐，盡量減輕偏重對運動的影響。二、加強臂部剛度提高臂部剛度是減少手部顫動的關(guān)鍵，有利于提高定位精度，故常采用導(dǎo)向形式來加強定位。三、改進緩沖裝置和提高配合精度機械手的緩沖裝置是保證運動平穩(wěn)和減少振動的主要措施。機械沖擊，它是在臂部運動中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的。它可用緩沖裝置來消除。四、采取的措施：1、提高部件的配合精度，減少間隙，有利于運動平穩(wěn)，特別是高速運動的機械手更需要保證加工精度和提高配合。2、機械手的緊固件在運動中受變載荷的作用必須采用防松措施。綜合以上所述，我在設(shè)計機械手手臂的時候采用了完全中心對稱的機構(gòu)，并且通過外殼的固定來保證機械手手臂的水平，結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。為了適應(yīng)不同型號的刀柄，兩邊的刀爪是可以拆卸調(diào)換的。15圖 3-2 手臂結(jié)構(gòu)示意圖3.3 機械手傳動方式的選擇3.3.1 機械手轉(zhuǎn)過 180 度的傳動機構(gòu)選擇在現(xiàn)代機械工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的主要有：帶傳動，鏈傳動，齒輪傳動，蝸桿傳動這四種傳動方式。它們分別具有以下特點：一、帶傳動：1、結(jié)構(gòu)簡單，可以傳動的中心距較大，傳動中不產(chǎn)生震動。2、滑動系數(shù)大，傳遞功率較小。3、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震。圖 3-3 皮帶傳動示意圖 [4]二、鏈傳動：鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計161、能夠保證準確的平均速比。2、可以作中心距較大的兩輪軸間傳遞動力和運動。3、鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距增大，鏈條易脫落。4、鏈條傳動的速度較低，傳動時有噪音。三、齒輪傳動：1、效率高 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。如一級圓柱齒輪的效率可達 99%。這對大功率傳動十分重要，因為即使效率只提高 1%，也有很大的經(jīng)濟效益。2、結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。3、工作可靠，壽命長 設(shè)計制造正確合理、使用維護良好的齒輪，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其它機械傳動所不能比擬的。這對車輛及礦井內(nèi)工作的機器尤為重要。4、傳動比穩(wěn)定 傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一特點。5、但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離大的場合。1、蝸桿 2、渦輪圖 3-4 渦輪蝸桿傳動示意圖 [5]四、蝸桿傳動：1、渦輪副傳動的結(jié)構(gòu)緊湊，渦輪箱的外形尺寸較小。172、渦輪副傳動平穩(wěn)，無噪音。3、渦輪副傳動是滑動摩擦，在傳動中摩擦損害較大，因此傳動效率較低。采用自鎖傳動時，效率約為 50%?？紤]到效率，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊等方面，我選擇了齒輪齒條傳動作為我的動力傳動方案。如圖齒輪齒形曲線主要采用漸開線、其它還有擺線、圓弧線等，由于漸開線齒形容易制造，便于安裝，所以我設(shè)計的齒輪采用漸開線齒形。圖 3-5 傳動齒輪齒條結(jié)構(gòu)示意圖3.3.2 主軸以及機械手上下伸縮的傳動機構(gòu)設(shè)計軸是組成機械的一個常用的重要零件，它支持著其他轉(zhuǎn)動零件如齒輪、蝸輪等零件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，它由軸系支持、軸承則安放在箱體或機架上面，軸承、軸和軸上零件形成一個組成體，稱為軸系。組成軸系的主要零件-軸、軸承、聯(lián)軸器等稱為軸系零件。軸的設(shè)計主要包括：軸的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性計算等，設(shè)計軸的主要步驟如下：（1）根據(jù)機械傳動總體布局擬定軸上零件的位置。 （2）選擇軸的材料。 （3）初 步估計軸的直徑。 （4）進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （5）進行軸的強度、剛度、振動計鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計18算。 （6）校核鍵、軸承、聯(lián)軸器等的強度或壽命。進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （5）進行 軸的強度、剛度、振動計算。 （6）校核鍵、軸承、聯(lián)軸器等的強度或壽命。（7） 繪出軸系的裝配圖、零件圖等。軸是組成機械的一個重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn) 動件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時它又通過軸承和機架聯(lián)接。所有軸上零件都圍繞軸心 線作回轉(zhuǎn)運動，形成了一個以軸為基準的組合體——軸系部件。一、軸的總類：軸按受載情況分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸，其中轉(zhuǎn)軸既支承傳動機件又傳遞力，即承受彎矩和扭矩兩種作用；心軸只起支承旋轉(zhuǎn)件作用而不傳遞動力，即只承受彎矩作用；傳動軸主要傳遞動力，即主要承受扭矩作用。按結(jié)構(gòu)形狀分為：光軸、階梯軸、實心軸、空心軸等。按幾何軸線形狀分為：直軸、曲軸、鋼絲軟軸。設(shè)計軸時應(yīng)考慮多方面的因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強度和剛度。對于高速軸還應(yīng)考慮震動穩(wěn)定性問題。二、軸的常用材料軸的材料種類很多，設(shè)計時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟合理。軸的常用材料是 35、45、50 優(yōu)質(zhì)碳素鋼，對于受載較小或不太重要的軸，也可以用 A3、A5 等普通碳素鋼。對于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。根據(jù)工作條件要求，軸可在加工前或加工后經(jīng)過整體或表面處理，以及表面強化處理（如噴丸、輥壓、氮化等） ，以提高其強度（尤其疲勞強度）和耐磨、耐腐蝕等性能。軸一般由軋制圓鋼或鍛件經(jīng)切削加工制造。軸的直徑較小，可用圓鋼棒制造；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕?。對于形狀?fù)雜的軸，可采用鑄造。軸的結(jié)構(gòu)決定于受載情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運輸?shù)葪l件。軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)是盡量減小19應(yīng)力集中，受力合理，有良好工藝性，并使軸上零件定位可靠，裝拆方便。對于要求剛度大的軸，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。零件與軸的固定或聯(lián)接方式，隨零件的作用而異。一般情況下，為了保證零件在軸上具有固定的工作位置，需從軸向和周向加以固定。三、軸的設(shè)計過程我設(shè)計的驅(qū)動裝置中所采用的軸主要作用是既可以在插刀、拔刀時帶動整個機械手上下移動，又可在交換刀具時帶動回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動，考慮到機械手在轉(zhuǎn)動180 度的時候，上方的液壓缸不能跟著主軸一起轉(zhuǎn)動，所以必須設(shè)計一個裝置能讓主軸轉(zhuǎn)動時保持上方的液壓缸不轉(zhuǎn)動，而上方液壓缸帶動主軸上下伸縮運動時也不會和轉(zhuǎn)動裝置發(fā)生干涉。經(jīng)過查資料，我設(shè)計了以下結(jié)構(gòu)來保證這一要求，如圖 3-6 所示。圖 3-6 手伸縮傳動結(jié)構(gòu)示意圖3.4 換刀機械手驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)是用來為各個部件的運動提供動力，是實現(xiàn)一切運動的動力源，有氣動、液動、電動和機械式四種形式。本設(shè)計中的各個運動主要是直線往復(fù)運動。由于電動機輸出的是旋轉(zhuǎn)運動，鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計20若采用電動機傳動，則必須加入齒輪、齒條等機械機構(gòu)，將電動機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運動，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復(fù)運動的，可直接帶動負載作直線往復(fù)運動，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，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)可靠以及可實現(xiàn)較高位置精度的特點 [5]。故本設(shè)計中的驅(qū)動方式都為液壓驅(qū)動，用液壓驅(qū)動方式來實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和主軸轉(zhuǎn)動和上下伸縮的動作。21第 4 章 換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定4.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算4.1.1 手指夾緊力的計算根據(jù)文獻[5 ，56.42-56.92 ]，手指夾緊力的計算過程如下：手指對工件的夾緊力：(4.1)GKN321?式中：——安全系數(shù)，本設(shè)計中取 =1.5；1K1——動載系數(shù)，本設(shè)計中取 =1.5；2 2K——方位系數(shù)， ，本設(shè)計中 ， ，3 f/sin5.03??3.0~2?f??6?則 ，本設(shè)計 =1.45；6.1~4)2./(60sin5.??K3——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(4.1) ，得：=255.78N8.9451.???N對手指結(jié)構(gòu)進行受力分析如圖 4-1 所示，由： PP???sini21可得：(4.2))sin2/(1?P?又由： 0si/1????cNb(4.3))in(1????P鏜銑加工中心換刀機械手部件設(shè)計22圖 4-1 手指受力分析得： cNbP/sin)si2/()sin?????即：(4.4))]si(/[is??cbN在本設(shè)計 =50mm， =13mm；，，， ??302160???將各值代入式(4.4) ，得 )]3021sin(/[78.25sin??????P=2×50×0.5×0.358×255.78/(13×0.777)=453.27N考慮到運動過程中的能量損失，取 =0.9，則手指夾緊液壓缸的實際驅(qū)動力?為：=453.27/0.95=477.12N/P?實本設(shè)計中取 =500N；實P由式(4.2)可得：=697.61N)21sin/(501??P23由式(4.3)可得：=697.61 =542.14N?1P?51sin=697.61 =439.02N?co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：(4.5)2?mRF?慣式中：——工件質(zhì)量；m——工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取 mm；R30?R——手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取 rad/s；???2則由式(4.5)可得：=94.75N2)(3.08??慣F因 ， 所以手指夾緊液壓缸的實際驅(qū)動力取 =500N，安全。實慣 PF? 實P4.1.2 手指部分的相關(guān)校核根據(jù)文獻[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 =140MPa、許用拉應(yīng)力 =300MPa；][ij?][?1、手指強度校核A 截面的抗彎截面模量公式如下：(4.6)zIWy/?式中：——形心軸慣性矩；yI——截面圖形的形心位置；zA 部分②截面處的圖形形狀如圖 4.2 所示，部分① 處的形心位置為：