加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)論文

西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 加工中心 自動(dòng)換刀 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 08 級(jí)機(jī)電（ 2）班 學(xué) 號(hào) 08102080213 學(xué)生姓名 侯飛龍 指導(dǎo)教師 姚慧 設(shè)計(jì)所在單位 西安 文理學(xué)院 2012 年 2 月 目錄 目錄 第 1 章 緒論 .加工中心換刀 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)的目的及意義 .加工中心換刀 機(jī)構(gòu) 的發(fā)展現(xiàn)狀 .研究的主要內(nèi)容 . 2 章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 .加工中心換刀 機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)要求 .初步設(shè)計(jì)方案 . 旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu) . 主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) .方案的確定 .設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析 . 設(shè)計(jì)參數(shù) . 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn) . 加工中心換刀機(jī)械手的組成 .本章小結(jié) . 3 章 構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸 計(jì)算 .手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 . 手指夾緊力的計(jì)算 . 手指部分的相關(guān)校核 .手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì) . 10 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 . 10 材料的選擇 . 12 手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計(jì) . 12 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 . 12 主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . 14 主架架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) . 14 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 . 16 單級(jí)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核 . 17 主架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì) . 23 主架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 . 23 材料的選擇 . 24 手架伸縮液壓 缸活塞桿的校核 . 24 本章小結(jié) . 25 第 4 章 控制部分的設(shè)計(jì) . 26 液壓缸的流量、流速及壓力 . 26 確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號(hào) . 26 各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計(jì) . 28 液壓系統(tǒng)回路 . 28 旋轉(zhuǎn)軸控制線路 . 29 技術(shù)難點(diǎn) . 29 本章小結(jié) . 30 結(jié)束語 . 31 致 謝 . 32 參考文獻(xiàn) . 33 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁 第 1 章 緒論 加工中心換刀 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)的目的及意義 本設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)計(jì)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(dòng)要求的同時(shí)，本設(shè)計(jì)也在一定程度上簡(jiǎn)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。 加工中心換刀 機(jī)構(gòu) 的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，隨著世界制造業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移，我國(guó)對(duì)機(jī)床的需求量大增。同時(shí)，經(jīng)過多年的努力， 我國(guó)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(huì)發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費(fèi)量的臺(tái)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(jià)格相對(duì)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(guó)外進(jìn)口的。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(guó)數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國(guó)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(huì)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%。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(dòng)更換刀具，對(duì)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(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、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(gè)方面。加工中心中實(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(dòng)換刀裝置，它的功能是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動(dòng)交換。自動(dòng)換刀裝置可幫助數(shù)控機(jī)床節(jié)省輔助時(shí)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(dòng)換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時(shí)間短，重 復(fù)定位精度高，刀具儲(chǔ)存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。 換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)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(dòng)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(dòng)到的位置，同時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但換刀時(shí)間要長(zhǎng)。目前，加工中心 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 的自動(dòng)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(duì)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(shí)間比較短，應(yīng)用廣泛。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。 加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要的功能部件，它在國(guó)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(guó)外 換刀時(shí)間已達(dá)到 ， 換刀時(shí)間也達(dá)到了 左右，國(guó)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(dòng)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(dòng)作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)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。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的需求量會(huì)越來越大。 研究的主要內(nèi)容 加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(duì) 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(jì) 提出幾種新的方案，并 通過對(duì)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(jì)。 2、對(duì)所選設(shè)計(jì)方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。 3、對(duì) 加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計(jì)算，并對(duì)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(gè)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 5、對(duì)設(shè)計(jì)中所涉及到的液壓缸通過計(jì)算確定其個(gè)部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對(duì)個(gè)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(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的齒輪、軸等重 要零部件通過計(jì)算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。 7、設(shè)計(jì)出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 加工中心換刀 機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)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(dòng)，并設(shè)計(jì)出它的傳動(dòng)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。 初步設(shè)計(jì)方案 旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu) 由于與機(jī)械、電力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞?rùn)滑作用，使 用壽命長(zhǎng)，所以在以下幾種設(shè)計(jì)方案中， 旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及夾緊機(jī)構(gòu)夾緊運(yùn)動(dòng)都采用液壓的驅(qū)動(dòng)方式。并且由于 旋轉(zhuǎn)臂的兩臂可旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以設(shè)計(jì)方案中的 換刀機(jī)械手都兩手旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)式單臂機(jī)械手夾緊機(jī)構(gòu)。 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 在此方案中， 加工中心換刀機(jī)械手 兩個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動(dòng)的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 示。 圖 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工作，當(dāng)液壓缸的進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動(dòng)作，并發(fā)出手指夾緊指令，手手指開始夾緊。 手架在插刀動(dòng)作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時(shí)手指夾緊液壓缸 1 反行程運(yùn)動(dòng)，手指松開。 主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 此方案的主要特點(diǎn)是采用圓錐齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 加工中心換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動(dòng) 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁 作， 其結(jié)構(gòu)如圖 示。 圖 錐齒輪 機(jī)構(gòu) 工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號(hào)后，電動(dòng)機(jī) M 啟動(dòng)，通過單級(jí)圓錐齒輪帶動(dòng)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(dòng)機(jī) M 停止工作，并發(fā)出手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊信號(hào)。當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊動(dòng)作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時(shí)，支撐液壓缸開始運(yùn)動(dòng)，整個(gè)擺臂上升，拔刀動(dòng)作開始，擺臂運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，支撐液壓缸停止工作。 電動(dòng)機(jī)開始工作，擺臂架旋轉(zhuǎn) 180 后停止，開始插刀動(dòng)作過程。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(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆啓C(jī)構(gòu)便可是從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。 方案的確定 圖 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(dòng)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。 圖 示的機(jī)構(gòu)由于采用了錐齒輪機(jī)構(gòu)，為保證準(zhǔn)確換刀，就需要精確的計(jì)算出錐齒輪輪的旋轉(zhuǎn)速度和錐齒輪的輪廓曲線，同時(shí)還要精確的控制電動(dòng)機(jī) M 的起、停時(shí)間。故選用此機(jī)構(gòu)會(huì)比較理想一些。 通過以上分析，本設(shè)計(jì)選由圖 示的夾緊機(jī)構(gòu)和圖 所示的主架旋轉(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(jì)。 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析 設(shè)計(jì)參數(shù) 主架上下伸縮液壓缸最大行程： 110 手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸最大行程： 60 手指夾 緊液壓缸最大行程： 10 夾持工件質(zhì)量： 8 換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180 ； 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁 換刀機(jī)械手復(fù)位角度： ； 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，本設(shè)計(jì)中采用直角坐標(biāo)式對(duì) 加工中心換刀機(jī)械手的自由度進(jìn)行分析，如圖 示。分析過程如下： (1) 手指夾緊運(yùn)動(dòng) (Y )：由手指夾緊液壓缸控制實(shí)現(xiàn)，通過活塞 桿推動(dòng)或拉動(dòng)手指部分的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或松開。 (2) 手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (Y )：由伸縮式液壓缸控制實(shí)現(xiàn)。 (3) 主架上下伸縮運(yùn)動(dòng) (Z )：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動(dòng)作。 (4) 主架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (Z )：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單級(jí)圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)，通過控制電動(dòng)機(jī)的啟停時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75到達(dá)工作位置、主架旋轉(zhuǎn) 180完成主軸刀具和刀庫刀具互換運(yùn)動(dòng)、手架反向旋轉(zhuǎn) 75 復(fù)位三種運(yùn)動(dòng)。 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(dòng)機(jī)構(gòu)，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(dòng)作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、臂部和主架等運(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)作。 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(jì)中手臂的主要作用是帶動(dòng)手指去抓取物件。 主架部分：用于承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設(shè)計(jì)中它還用于通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運(yùn)動(dòng)。 2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來為各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。 本設(shè)計(jì)中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)主要是直線、旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，若采用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，則必須加入齒輪、齒條等機(jī)械機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而液壓缸或氣缸一般都 是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，可直接帶動(dòng)負(fù)載作直線往 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁 復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于液壓驅(qū)動(dòng)的抗沖擊能力比電氣驅(qū)動(dòng)的抗沖擊能力要強(qiáng)，而且在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力（力矩）的條件下，與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，液壓驅(qū)動(dòng)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)。故本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)方式以液壓驅(qū)動(dòng)為主，用液壓驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和手架伸縮的動(dòng)作。 對(duì)于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)會(huì)比較困難，而若采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則只需控制好電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。所以，本設(shè)計(jì)中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單級(jí)圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)。 本章小結(jié) 本章主要是設(shè)計(jì)加工中心換刀機(jī)械手的主要換刀形式，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 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并通過論證分析，確定了最終的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，本章對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的組成及各自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)也進(jìn)行了較為具體的介紹。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸 計(jì)算 前一章對(duì)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(duì)機(jī)械手的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì) 。 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 手指夾緊力的計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn) 5， 手指夾緊力的計(jì)算過程如下： 手指對(duì)工件夾緊力： 式中： 1K 安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取 1K = 2K 動(dòng)載系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取 2K = 3K 方位系數(shù)， ，本設(shè)計(jì)中 .0f ， 60 ， 則 360s K，本設(shè)計(jì)3K= G 被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為 7 將上述各值代入式 (得： N =手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖 示， 由： s 1 21 可得： )1 (又由： 0 )1 (得： s in)s )s 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 即： )s s (在本設(shè)計(jì) ， 302160 b =50c =13 將各值代入式 (得 )3021s 13/P =2 50 13 =慮到運(yùn)動(dòng)過程中的能量損失，取 =手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為： /實(shí) =設(shè)計(jì)中取實(shí)P=500N； 由式 (得： )215001 P =式 (得： 1P =511P =51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： 2慣 (式中： m 工件質(zhì)量； R 工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取 300R 手架 旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取 2 s； 則由式 (得： 2)2(慣F = N 因?qū)崙T ， 所以手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力取實(shí)P=500N，安全。 手指部分的相關(guān)校核 根據(jù)文獻(xiàn) 8， 72 對(duì)手指部分重要部位的校核過程如下： 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 軸和手指的材料都選用 45 號(hào)鋼， 它們的許用剪應(yīng)力 =70用擠壓應(yīng)力 140許用拉應(yīng)力 =300 1、軸校核 1 )1010/(2 =101013/(61 = ， 軸安全。 2、軸校核 1 )108/(2 =10813/(61 = ， 軸安全。 3、手指強(qiáng)度校核 A 截面的抗彎截面模量公式如下： (式中： 形心軸慣性矩； z 截面圖形的形心位置； )(3/)2(101 (式中：h =b =20a =10 將各值代入式 (得 2z =截面面積為： 1A =20 10 (2=z =5截面面積為： 2 =26 處截面的形心位置為： )/()( 212211 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10頁 =(5)/(=(36/)4( 22222222321211 = (102+4 10 20+202)/36 (20+10)+(5)2 2/3112222 =26/12+(5)2 1 y =各值代入式 (： 截面處的彎矩： 危險(xiǎn)截面 A 處的拉應(yīng)力為： 9A A A 安全。 危險(xiǎn)截面 C 處的彎矩截面圖形形狀如圖 示，抗彎截面模量為： 3222C (6/6/ 故危險(xiǎn)截面 C 處的拉應(yīng)力為： )9 = C安全。 手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì) 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 根據(jù) 文獻(xiàn) 9， 5由： 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11頁 4/)(4/ 22212 f (得： 12221 /)()/()(4 f (式中： 1P 液壓缸的工作壓力，本設(shè)計(jì)中初取1P= 2P 液 壓缸 回油 腔背 壓 力， 對(duì)于 簡(jiǎn)單 系統(tǒng) 和 一般 輕載 的節(jié) 流調(diào) 速 系統(tǒng) , 2P =本設(shè)計(jì)中初取估算值 2P = 活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，因在工作壓力 1P 1200 N/ 2，取 速度系數(shù) 中點(diǎn)圓周速度為： )100060/(11 =50/60000=s 因s 和 1200 N/ 2故 可取 工作硬化系數(shù) 因大小齒輪均為硬齒面，故取 1； 接觸計(jì)算時(shí)的尺寸系數(shù) 一般取 1； 計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力 ： 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21頁 由公式： 1=2=150011 1=觸計(jì)算安全系數(shù) 因大小齒輪材料和硬度均相同，所以有：S /=觸計(jì)算最小安全系數(shù)為1HS安全。 2、 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 彎曲計(jì)算用單位齒寬上的載荷K 式中： 中點(diǎn)分度圓上的圓周力， K 工況系數(shù)，K=1； 動(dòng)載系數(shù)，； 彎曲計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)，取 彎曲計(jì)算用的端面載荷分布系數(shù)，對(duì)直齒圓錐齒輪，； 將各值代入式 (得： 11/18=位系數(shù) x 、 為提高彎曲疲勞強(qiáng)度，采用切向 高變位傳動(dòng)，因 =90（軸交角），故由)/11(1 ，可得： 小輪的變位系數(shù) 1x =輪的變位系數(shù) 2x =- 1x = 根據(jù) 212 /1 =19/57=取11 計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù) 當(dāng) 1x =0 時(shí)，1 當(dāng) 2x =2180 時(shí)， 2 齒形系數(shù) 圓柱） ( 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22頁 根據(jù)1x=0，2x=80， 查得1柱） =柱） = 根據(jù)1 查得1C=C= 故由式 (得： 1柱） =柱） =曲計(jì)算應(yīng)力 F ： 111 ( 當(dāng)量圓柱齒輪彎曲計(jì)算用重合度系數(shù)，對(duì)一般圓錐齒輪1； 中點(diǎn)模數(shù)； 小齒輪彎曲計(jì)算應(yīng)力： 111 =： )/( 212212 = = ： 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 1= 2=350 N/ 2 試驗(yàn)齒輪彎曲計(jì)算用的壽命系數(shù) 按持久壽命計(jì)算，有：1； 相對(duì)表面狀況系數(shù) 因小齒輪均用 20面經(jīng)滲碳處理，齒面光潔度為 7 ， 21 R =m 故取1 2 相對(duì)敏感系數(shù) ： 因大、小齒輪均用 20經(jīng)滲碳淬火處理， 當(dāng) =600 N/ 2 1，查得 1= 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23頁 當(dāng) 600 N/ 22，查得2 試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力集中系數(shù) 彎曲計(jì)算用的尺寸系數(shù) 因?yàn)榇?、小齒輪材料和熱處理方式都相同， m =2，所以 1； 計(jì)算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力： 111111l i i m XR re lT =350=2222222l i i m XR re lT =350=2彎曲計(jì)算安全系數(shù) 1 11 = 22 =曲計(jì)算最小安全系數(shù) 1 2 安全。 主架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì) 主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： 1m = 兩軸承質(zhì)量： 2m = 旋轉(zhuǎn)軸質(zhì)量： 3m= 手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為： 4m = 上述結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為： 4321 = 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 ，則手架伸縮液壓缸承受的負(fù)載為： )( = 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24頁 考慮到液壓缸密封處的摩擦力，取C=手架伸縮液壓缸實(shí)際的負(fù)載為：F = 液壓缸回油腔背壓力，由于此液壓缸在不工作時(shí)需保證它的負(fù)載能 長(zhǎng)時(shí)間的保持在某一位置上，所以在本設(shè)計(jì)中初取估算值2P=1取1P=工作壓力1時(shí)，液壓缸將有較大的動(dòng)量，使得液壓缸在行程終點(diǎn)停止時(shí)，易產(chǎn)生很大的沖擊及噪音，這種沖擊不僅會(huì)引起液壓缸的損壞，而且還會(huì)引起各類閥及相關(guān)部件的損壞，具有很大的危險(xiǎn)性。為消除這種沖擊，可設(shè)置緩沖裝置。在本設(shè)計(jì)中，手指夾緊液壓缸的負(fù)載雖然不是很大，可是由于它的速度較高，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(huì)導(dǎo)致非緩沖行程過短，甚至沒有緩沖行程。所以，本設(shè)計(jì)中只在手指夾緊液壓缸的前端設(shè)置了緩沖裝置。 而對(duì)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(duì)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(shí)間，本設(shè)計(jì)中將手架伸縮液壓缸的速度取得較大，同時(shí)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。 液壓系統(tǒng)回路 本設(shè)計(jì)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)。 控 制過程如下： 當(dāng)手臂伸出信號(hào)發(fā)出后，電磁鐵 作，兩側(cè)手臂同時(shí)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(dòng)到設(shè)計(jì)位置后，由于受到阻礙，便不再運(yùn)動(dòng)。 力繼電器 1作，同時(shí)，電磁鐵 電，電磁鐵 電，開始手指夾緊動(dòng)作。同理，當(dāng)手指夾緊液壓缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置后便不再運(yùn)動(dòng) 。 d 腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器 2作，電磁鐵 電，手架伸縮液壓缸開始拔刀動(dòng)作。當(dāng)手架伸縮液壓缸運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的線圈 好延時(shí)結(jié)束，它所控制的常開延時(shí)閉觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，手架旋轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行刀庫刀具和主軸刀具的互換動(dòng)作。在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 180后，發(fā)出插刀信號(hào)。電磁鐵 電，手架伸縮液壓缸開始反行程運(yùn)動(dòng)。但運(yùn)動(dòng)到初始位置后，活塞不運(yùn)動(dòng)， 油腔 力繼電器 3作，控制電磁鐵 電，手指夾緊液壓缸反行程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng) 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 29頁 刀設(shè)計(jì)位置后，油腔 c 內(nèi)油壓力升高，電磁鐵 電，手臂伸縮液壓缸開始反行程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)回到初始位置后，換刀動(dòng)作結(jié)束，手架旋轉(zhuǎn)軸準(zhǔn)備復(fù)位。 旋轉(zhuǎn)軸控制線路 手指夾緊時(shí)間： 1t= 手臂伸出時(shí)間： 2t= 手指松開時(shí)間： 3t= 手臂縮回時(shí)間： 4t= 手架伸出時(shí)間 : 5t= 手架縮回時(shí)間 : 6t= 手架旋轉(zhuǎn) 75 時(shí)間： 7t= 手架旋轉(zhuǎn) 180 時(shí)間： 8t= 手架反向旋轉(zhuǎn) 75復(fù)位時(shí)