換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖,機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD
遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第45頁
第1章 緒論
1.1 加工中心換刀機(jī)械手設(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。
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(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[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(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%[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(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[2]。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)[3]。
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[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(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BT40的換刀時(shí)間已達(dá)到0.9秒，BT50的換刀時(shí)間也達(dá)到了1.5秒左右，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[4]。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。
1.3 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。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)與論證
2.1 加工中心換刀機(jī)械手的設(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。
2.2 初步設(shè)計(jì)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(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)[5]，所以在以下幾種設(shè)計(jì)方案中，手臂伸縮運(yùn)動(dòng)及手指夾緊運(yùn)動(dòng)都采用液壓的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)方案Ⅰ
在此方案中，加工中心換刀機(jī)械手四個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)分別由四個(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2.1所示。
圖2.1 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)Ⅰ
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(dòng)到設(shè)計(jì)位置后，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(dòng)作。
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2、3和2′、3′反行程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)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(dòng)作，發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸1和1′開始動(dòng)作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運(yùn)動(dòng)，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(jì)方案Ⅱ
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Ⅰ的各自優(yōu)點(diǎn)，每側(cè)都由一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)手指運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的靈活性又使它在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)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)Ⅱ
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(dòng)到設(shè)計(jì)位置后不再運(yùn)動(dòng)，進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動(dòng)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(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，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(dòng)作。
手架在插刀動(dòng)作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時(shí)液壓缸2和2′反行程工作，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到初始位置后，手指恢復(fù)到原位置，同時(shí)發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸1和1′開始動(dòng)作，當(dāng)手臂縮回到初始位置后，活塞不再運(yùn)動(dòng)，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(jì)方案Ⅰ
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(duì)角接觸球軸承來連接，由這對(duì)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(dòng)，并且保證手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)干擾到手架伸縮液壓缸。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長(zhǎng)的鍵槽，通過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與手架的伸縮運(yùn)動(dòng)之間互不干擾。對(duì)于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，用延時(shí)繼電器控制電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間，并由單級(jí)圓錐齒輪將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡(jiǎn)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(hào)后，控制小齒輪軸運(yùn)動(dòng)的電動(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)出手臂伸縮和手指夾緊信號(hào)。
當(dāng)手臂伸縮和手指夾緊動(dòng)作完成后，即發(fā)出拔刀信號(hào)，手架伸縮液壓缸動(dòng)作，開始拔刀動(dòng)作過程。當(dāng)手架伸縮液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，拔刀動(dòng)作完成，電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)，手架開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主軸刀具與刀庫刀具的互換動(dòng)作。
當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)180°后，發(fā)出插刀動(dòng)作信號(hào)，手架伸縮液壓缸開始反行程動(dòng)作。插刀動(dòng)作完成后，又依次完成手指松開和手臂縮運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)手臂縮回動(dòng)作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)并反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在反向旋轉(zhuǎn)75°后，電動(dòng)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(jì)方案Ⅱ
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(dòng)作。對(duì)于這種機(jī)構(gòu)，只要設(shè)計(jì)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(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。
圖2.3 機(jī)構(gòu)Ⅰ 圖2.4 機(jī)構(gòu)Ⅱ
工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號(hào)后，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪從A點(diǎn)位置開始旋轉(zhuǎn)，在凸輪開始旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，控制小齒輪軸運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)M也啟動(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)出手臂伸出和手指夾緊信號(hào)，此時(shí)凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)手臂伸出和手指夾緊動(dòng)作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時(shí)，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(dòng)作過程。
當(dāng)C點(diǎn)與E重合后，拔刀動(dòng)作完成，此時(shí)手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點(diǎn)a觸動(dòng)行程開關(guān)1，發(fā)出手架旋轉(zhuǎn)180°的信號(hào)，電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)，手架開始旋轉(zhuǎn)。此時(shí)凸輪仍在運(yùn)動(dòng)，但由于C→D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(dòng)作過程。當(dāng)凸輪上的F點(diǎn)到達(dá)E點(diǎn)位置后，插刀動(dòng)作結(jié)束。手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點(diǎn)b觸動(dòng)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(dòng)作完成后，發(fā)出手架復(fù)位指令。電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)并反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)75°后，電動(dòng)機(jī)M停止工作，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也停止工作，凸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，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(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。
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(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，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(huì)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(jì)得大一些，那么手架旋轉(zhuǎn)軸的負(fù)載也會(huì)變大，使得加工中心換刀機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)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。
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(zhǎng)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(dòng)與拔刀和插刀運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(jì)算出凸輪的旋轉(zhuǎn)速度和凸輪的輪廓曲線，同時(shí)還要精確的控制電動(dòng)機(jī)M的起、停時(shí)間。尤為重要的是：本設(shè)計(jì)中凸輪與從動(dòng)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(huì)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(huì)比較理想一些。
通過以上分析，本設(shè)計(jì)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(jì)。
2.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析
2.4.1 設(shè)計(jì)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(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2.7所示。分析過程如下：
(1) 手指夾緊運(yùn)動(dòng)()：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) 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)()：由伸縮式液壓缸控制實(shí)現(xiàn)。
(3) 手架伸縮運(yùn)動(dòng)()：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) 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)，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、手架旋轉(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)。
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(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)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(dòng)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(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(jì)中手臂的主要作用是帶動(dòng)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(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)[5]。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)。
3、控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)是用來控制驅(qū)動(dòng)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(cè)的反饋來檢測(cè)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(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)包括程序控制部分和行程反饋部分。
4、檢測(cè)機(jī)構(gòu)
檢測(cè)是為了進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，位置檢測(cè)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(jì)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。
第3章 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定
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)。
3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1.1 手指夾緊力的計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[5，56.42-56.92]，手指夾緊力的計(jì)算過程如下：
手指對(duì)工件夾緊力：
(3.1)
式中：
——安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取=1.5；
——?jiǎng)虞d系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取=1.5；
——方位系數(shù)，，本設(shè)計(jì)中，，
則，本設(shè)計(jì)=1.45；
——被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為8kg；
將上述各值代入式(3.1)，得：
=255.78N
對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖3.1所示，由：
可得：
(3.2)
又由：
(3.3)
圖3.1 手指受力分析
得：
即：
(3.4)
在本設(shè)計(jì)=50mm，=13mm；
將各值代入式(3.4)，得
=2×50×0.5×0.358×255.78/(13×0.777)
=453.27N
考慮到運(yùn)動(dòng)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(dòng)力為：
=453.27/0.95=477.12N
本設(shè)計(jì)中取=500N；
由式(3.2)可得：
=697.61N
由式(3.3)可得：
=697.61=542.14N
=697.61=439.02N
對(duì)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)
式中：
——工件質(zhì)量；
——工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取mm；
——手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取rad/s；
則由式(3.5)可得：
=94.75N
因， 所以手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力取=500N，安全。
3.1.2 手指部分的相關(guān)校核
根據(jù)文獻(xiàn)[8，72-94]，對(duì)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(hào)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；
1、軸Ⅰ校核
=5.59 MPa
=3.79 MPa
∵， ∴軸Ⅰ安全。
2、軸Ⅱ校核
=13.88 MPa
=6.71 MPa
∵， ∴軸Ⅱ安全。
3、手指強(qiáng)度校核
A截面的抗彎截面模量公式如下：
(3.6)
式中：
——形心軸慣性矩；
——截面圖形的形心位置；
A部分②截面處的圖形形狀如圖3.2所示，部分①處的形心位置為：
(3.7)
式中：=8.66mm，=20mm，=10mm，
將各值代入式(3.7)可得
=13.85mm
其截面面積為：
=[20×17.32－10×(17.32－8.66)]/2=(364.4－86.6)/2=129.9mm2
部分②處的形心位置為：
=5mm
其截面面積為：
=26×11.34=294.84mm2
A處截面的形心位置為：
=(13.85×129.9+294.84×5)/(129.9+294.84)
=(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm
= 8.663×(102+4×10×20+202)/[36×(20+10)]+(13.85－5)2×129.9
=781.76+10174.09=10955.85mm4
=11.343×26/12+(7.7－5)2×294.84
=3159.59+2149.38=5308.97 mm4
=10955.85+5308.97=16264.82 mm4
將各值代入式(3.6)得：
16264.82/7.7=2112.31mm3
A截面處的彎矩：
=2.26Nm
故危險(xiǎn)截面A處的拉應(yīng)力為：
MPa
∵ ∴安全。
圖3.2 A處截面圖形形狀 圖3.3 C處截面圖形形狀
危險(xiǎn)截面C處的彎矩=8.536Nm，其截面圖形形狀如圖3.3所示，抗彎截面模量為：
故危險(xiǎn)截面C處的拉應(yīng)力為：
=4.04+1.03 =5.07MPa；
∵ ∴安全。
3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì)
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)
得：
(3.9)
式中：
——液壓缸的工作壓力，本設(shè)計(jì)中初取=1.5MPa；
——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),=0.2~0.5MPa，在本設(shè)計(jì)中初取估算值=0.5MPa；
——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，因在工作壓力<2MPa時(shí)，=0.2~0.3，本設(shè)計(jì)中取=0.2；
——工作循環(huán)中的最大外負(fù)載，本設(shè)計(jì)中=500N；
——液壓缸密封處的摩擦力，=×(1/-1)；
——密封處的機(jī)械效率，一般=0.9~0.97，本設(shè)計(jì)中取=0.9；
將各值代入式(3.9)，可得：=26.33mm；
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=32mm。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中=0.2，所以=0.2×32=6.4mm，同樣為便于采取標(biāo)準(zhǔn)密封件，根據(jù)活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑d進(jìn)行圓整，取=8mm。
手指夾緊液壓缸的最大儲(chǔ)油量為：
(3.10)
式中為活塞桿的最大行程，這里取=10mm，則有：=8042.48=8.04L
活塞的寬度=19.2~32mm，為減少手指夾緊液壓缸的整體重量，取=20mm。
活塞桿的導(dǎo)向長(zhǎng)度=4.8~12mm。
由于本設(shè)計(jì)中手指夾緊液壓缸的缸體內(nèi)徑較小，并且活塞的行程也不大，為方便它的加工制造，在這里將活塞和活塞桿設(shè)計(jì)成一體的形式。對(duì)于手指夾緊液壓缸，因其為低壓系統(tǒng)，而在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸缸筒的壁厚常由結(jié)構(gòu)工藝上的要求決定，強(qiáng)度問題是次要的，一般不需要進(jìn)行驗(yàn)算，所以，此手指夾緊液壓缸的缸筒壁厚由結(jié)構(gòu)需要決定。
3.2.2 材料的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[5，87-92]，對(duì)手指夾緊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(hào)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(hào)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，但在本設(shè)計(jì)中，為了減輕結(jié)構(gòu)的整體重量，將選用鋁合金作為手指夾緊液壓缸缸筒的材料。
缸蓋的材料選用HT200鑄件。
3.3 手臂伸縮液壓缸設(shè)計(jì)
3.3.1 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定
由于受到刀庫刀具和主軸刀具之間距離的限制，為保證兩側(cè)手臂的伸縮范圍都能達(dá)到60mm，本設(shè)計(jì)中采用了伸縮式液壓缸，即用手指夾緊液壓缸來代替手臂伸縮液壓缸的活塞和活塞桿部分。
為方便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封件，結(jié)合手指夾緊液壓缸的相關(guān)計(jì)算，并根據(jù)文獻(xiàn)[9，5-12]，中的活塞桿直徑系列和液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，取手指夾緊液壓缸的缸體外徑為=45mm,手臂伸縮液壓缸內(nèi)徑=63mm。
手臂伸縮液壓缸活塞桿的最大行程取60mm, 由式(3.10)可得手臂伸縮液壓缸的最大儲(chǔ)油量為：
=374069.44mm2=374.07L
估算手臂伸縮液壓缸負(fù)載：
兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： =0.325×2=0.65 kg；
上擋板的質(zhì)量： =0.137 kg；
下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137 kg；
后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；
側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg×2=0.052kg；
手指與活塞桿之間連接件的質(zhì)量：=0.147kg；
夾持工件的質(zhì)量： =8kg；
取
=0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147=1.144kg
取鋼與鋁合金之間的滑動(dòng)摩擦力=0.47，
則：
=0.47×1.144×9.8=5.25N
設(shè)活塞達(dá)到穩(wěn)定速度過程中的加速度為：=20m/s2，
則：
=1.144×20=22.88N
手臂伸縮液壓缸負(fù)載：
=5.25+22.88=28.13N
考慮到手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)過程中的能量損失，取=0.9，則手臂伸縮液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為：
=28.13/0.9=31.26N
在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，手臂伸縮液壓缸受到的慣性力較大，為保證手臂伸縮液壓缸的安全，這里取=200N；
根據(jù)：
得：
(3.16)
式中：
——手臂伸縮液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力；
——液壓缸的工作壓力，由計(jì)算結(jié)果確定；
——液壓缸回油腔背壓力，根據(jù)文獻(xiàn)[9，表2—2]，對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，=0.2~0.5MPa，在本設(shè)計(jì)中初取估算值=0.5MPa；
——手臂伸縮液壓缸內(nèi)徑；
——手指夾緊液壓缸外徑；
將各值代入式(3.16)，可得：
=[200+0.5×（632－452）×π/4]/（632×π/4）
=（200+763.41）/3117.25=0.31MPa
3.3.2 流量及流速的確定
手指夾緊液壓缸活塞的最大行程=10mm，取其夾緊時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度=12m/min=0.2m/s，
則手指夾緊過程所需時(shí)間為：
=0.05s
根據(jù)：
(3.17)
可得手指夾緊時(shí)的流量為：
mm3/min=0.965L/min
當(dāng)手指夾緊液壓缸反行程運(yùn)動(dòng)，手指松開時(shí)，取其流量：
=0.965L/min
則根據(jù)式(3.17)可得其運(yùn)動(dòng)速度為：
=12.8m/min=0.21m/s
手指夾緊液壓缸反行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：
=0.05s
手臂伸縮液壓缸活塞的最大行程=60mm，取其伸出時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度=5.5m/min=0.09m/s，所需時(shí)間為：
=0.65s
則由式(3.17)可得：
=1.71L/min
取手臂伸縮液壓缸反行程運(yùn)動(dòng)時(shí)的流量==1.71L/min；
則其運(yùn)動(dòng)速度為：
=11.2m/min=0.187m/s
所需運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：
=0.32s
液壓缸的最小穩(wěn)定速度的驗(yàn)算過程如下：
利用公式：
(3.18)
按最低速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，式中為調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量。
對(duì)于手指夾緊液壓缸，選用型號(hào)為AQF3—610B 的調(diào)速閥，其最小穩(wěn)定流量=35mL/min，液壓缸的最小穩(wěn)定速度=12m/min；
由式(3.18)可得：
=(35ml/min)/(12m/min)=2.92 cm2
本設(shè)計(jì)中=804.25mm2=8.04cm2>2.92cm2，故設(shè)計(jì)符合要求，液壓缸能達(dá)到所需的低速要求。
對(duì)于手臂伸縮液壓缸，選用QF3—E610B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；
由式(3.18)可得：
=(40ml/min)/(5.5m/min)=7.27 cm2
本設(shè)計(jì)中=31.17 cm2>7.27 cm2，故設(shè)計(jì)符合要求，液壓缸能達(dá)到所需的低速要求。
3.4 手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.4.1 手架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)
1、估算手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載
兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： =0.325kg×2=0.65kg；
上擋板的質(zhì)量： =0.137kg；
下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137kg；
后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；
側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg×2=0.052kg；
手指與活塞桿之間連接間的質(zhì)量：=0.147kg；
夾持工件的質(zhì)量： =8kg；
手指夾緊液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.491kg；
手指夾緊液壓缸后端蓋質(zhì)量： =0.362kg；
手指夾緊液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.184kg；
手臂伸縮液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.589kg；
手臂伸縮液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.427kg；
上套件質(zhì)量： =0.609kg；
上套件質(zhì)量： =1.08kg；
當(dāng)儲(chǔ)油量最大時(shí)油液的質(zhì)量：
手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的總質(zhì)量為：
=(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：
=23.96×9.8 =234.81N
2、手架旋轉(zhuǎn)軸的校核
初取手架旋轉(zhuǎn)軸的軸徑=30mm；
手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為：=23.96kg；
手架旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量為：=1.43kg；
取手架旋轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力距等于手架旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的慣性力距，則根據(jù)文獻(xiàn)[11，78-106]有：
(3.24)
式中：
——手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——手架旋轉(zhuǎn)軸對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的角加速度，這里初取手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速=1m/s,則其角速度=2πrad/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(shí)間為Δ=0.1s,則：=Δ/Δ=(2πrad/s)/(0.1s)=20πrad/s2；
機(jī)械手夾緊力的校核：
(3.25)
取手架回轉(zhuǎn)的角速度， =300mm，
則由式(3.25)得：
=8kg×300mm×=94.75N
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。
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?。?
本設(shè)計(jì)中=15mm,取=250mm，
則：
=23.96×（0.252+3×0.0152）/12=0.126N
==1.43×0.0152/2=0.00016 N
將值代入式（3.24）可得：
=7.92 Nm
手架旋轉(zhuǎn)軸的輸出功率：
=7.92 Nmm ×2πrad/s =49.76w
手架旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度校核公式如下：
(3.26)
式中：
——手架旋轉(zhuǎn)軸的扭矩，此處 =7.92 Nm；
——手架旋轉(zhuǎn)軸的抗彎截面模量，對(duì)于實(shí)心軸有，所以此處==m3；
將值代入式(3.26)可得：
=7.92/=1.49MPa
因=20MPa, <，故所選軸安全。
3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
1、電動(dòng)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(dòng)是由兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)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(dòng)過程準(zhǔn)備開始。另一個(gè)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(dòng)， 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(jiǎn)單，但由于驅(qū)動(dòng)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(jì)中，由于采用了兩個(gè)圓錐滾子軸承以及一個(gè)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(jì)了一個(gè)很長(zhǎng)的鍵槽，所以只需要用一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)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(dòng)。
對(duì)于這個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，則只需控制好電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)各種預(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)。
TYV系列高精度微型特種減速電動(dòng)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(jí)調(diào)速、阻尼制動(dòng)、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(dòng)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(jì)中的手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用TYV系列高精度微型特種減速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2、電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[13，8-13]，各傳動(dòng)副傳動(dòng)效率為：
彈性柱銷連軸器： =0.99；
圓錐滾子軸承： =0.99；
單級(jí)圓錐齒輪： =0.95；
總的傳動(dòng)效率為：
=0.99×0.99×0.99×0.95=0.90
取單級(jí)圓錐齒輪的傳動(dòng)比為=3；
所選電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足：
=3r/s=180r/min
=49.76/0.90=55.29w
=2.93Nmm
根據(jù)上述條件，查電機(jī)系列，取TYV4型齒輪減速電動(dòng)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。
3.4.3 單級(jí)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核
根據(jù)文獻(xiàn)[13，8-13]，各軸轉(zhuǎn)速為：
=150r/min
==150r/min
==50r/min
各軸轉(zhuǎn)距為：
=3.4Nm
==0.99×3.4=3.37Nm
==0.90×3×3.4=9.18Nm
各軸的輸入功率為：
=/9550=3.41×50/9550=53.4w
==0.99×53.4=52.87w
==0.90×53.4=48.06w
手架旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際角速度=(5/3)πrad/s，因=41.47w
1200 N/時(shí)，取=0.93。
速度系數(shù)：
中點(diǎn)圓周速度為：
=π×32.3×150/60000=0.25m/s
因=0.25m/s和≥1200 N/，故可取=0.5；
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：
由公式：
==
=1500×0.93×0.5×1×1×1 ×1=697.5N
接觸計(jì)算安全系數(shù)：
因大小齒輪材料和硬度均相同，所以有：=697.5/420.74=1.66
接觸計(jì)算最小安全系數(shù)為=1.25，因=>，故安全。
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
= （3.28）
式中：
——中點(diǎn)分度圓上的圓周力，=208.67N；
——工況系數(shù)，=1；
——?jiǎng)虞d系數(shù)，=1；
——彎曲計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)，取=1.2；
——彎曲計(jì)算用的端面載荷分布系數(shù)，對(duì)直齒圓錐齒輪，一般取1；
將各值代入式(3.28)可得：
=208.67×1.2×1×1×1/18=13.91N
變位系數(shù)、：
為提高彎曲疲勞強(qiáng)度，采用切向—高變位傳動(dòng)，因Σ=90°（軸交角），故由，可得：
小輪的變位系數(shù)=0.41，大輪的變位系數(shù)=-=-0.41 ，
根據(jù)=19/57=0.33 ，取=0.013，=-=-0.013；
計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)：
當(dāng)=0.41，=20時(shí)，=1.83，
當(dāng)=-0.41，=180時(shí)，=1.81；
齒形系數(shù)：
=1.15（圓柱） (3.29)
根據(jù)=0.41，=20，=-0.41，=180，
查得（圓柱）=2.26，（圓柱）=2.2；
根據(jù)=0.013，=-0.013，
查得=0.98，=1.02；
故由式(3.29)可得：
=1.15（圓柱）=1.15×2.26×0.98=2.55
=1.15（圓柱）=1.15×2.2×1.02=2.58
彎曲計(jì)算應(yīng)力：
(3.30)
——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：
=13.91×2.55×1.83×1/1.7=38.18 N/
大齒輪彎曲計(jì)算應(yīng)力：
=38.18×2.58×1.81/（2.55×1.83）=38.21 N/
試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力：
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/；
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20Cr，表面經(jīng)滲碳處理，齒面光潔度為，=6.3m 故取==1.01；
相對(duì)敏感系數(shù)：
因大、小齒輪均用20Cr，并經(jīng)滲碳淬火處理，
當(dāng) =600 N/，=1.83時(shí)，查得=0.99，
當(dāng) =600 N/，=1.81時(shí)，查得=0.98，
試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力集中系數(shù)：取=2.1；
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，=2，所以 ==1；
計(jì)算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力：
=350×2.1×1×0.99×1.015×1=727.65N/
=350×2.1×1×0.98×1.015×1=720.3N/
彎曲計(jì)算安全系數(shù)：
==727.65/38.18=19.06
==720.3/38.21=18.85
彎曲計(jì)算最小安全系數(shù)=2.0，因>，>故安全。
3.5 手架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)
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；
兩軸承質(zhì)量： =0.4kg；
旋轉(zhuǎn)軸質(zhì)量： =1.43kg；
手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為： =23.96kg；
上述結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為：
=0.93+0.4+1.43+23.96=26.72kg
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，則手架伸縮液壓缸承受的負(fù)載為：
=785.57N
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：=826.92N；
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=1MPa，取=1.5MPa，因工作壓力<2MPa，取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比=0.3。
將各值代入式(3.9)，可得：=43.8mm。
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(jì)中=0.3，所以=0.3×50=15mm，樣為便于采取標(biāo)準(zhǔn)密封件，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=30~50mm，這里取=40mm。
3.5.2 材料的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[5，87-92]，對(duì)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(hào)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(hào)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；
則由式 (3.11)可得：
=1.90 mm
因本設(shè)計(jì)中=16mm，大于1.90mm，故強(qiáng)度可以保證。
2、活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
本設(shè)計(jì)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：
=42.5
取手架伸縮液壓缸安裝長(zhǎng)度取=150mm；
由式(3.15)可得活塞桿橫斷面的最小回轉(zhuǎn)半徑：
=16/4=4 mm
故活塞桿細(xì)長(zhǎng)比為/ =150/4=37.5；
本設(shè)計(jì)中手架伸縮液壓缸活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比且=20~120，故手架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：
=
=394081.38/10.68=36899N
將上述各值代入式(3.12)可得：
/=36899/4=9224.75N
由于本設(shè)計(jì)中的手架伸縮液壓缸的活塞桿所承受的負(fù)載=850N
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