裝配圖換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)

裝配圖換刀機(jī)械手設(shè)計(jì),裝配,圖換刀,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 第 1 章 緒論 .................................................................................................................................................2 1.1 加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)的目的及意義 ................................................................................................2 1.2 換刀機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................................................................2 1.3 研究的主要內(nèi)容 ........................................................................................................................................3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 .......................................................................................................................5 2.1 加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求 ............................................................................................................5 2.2 初步設(shè)計(jì)方案 ............................................................................................................................................5 2.2.1 手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu) ...............................................................................................................5 2.2.2 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu) ...............................................................................................................6 2.3 方案的確定 ................................................................................................................................................8 2.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析 ............................................................................................................................................9 2.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù) ...........................................................................................................................................9 2.4.2 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn) .......................................................................................................9 2.4.3 加工中心換刀機(jī)械手的組成 .........................................................................................................10 2.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................................................11 第 3 章 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定 ..............................................................................................13 3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 ..............................................................................................................................13 3.1.1 手指夾緊力的計(jì)算 .........................................................................................................................13 3.1.2 手指部分的相關(guān)校核 .....................................................................................................................15 3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................17 3.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 .............................................................................................17 3.2.2 材料的選擇 .....................................................................................................................................18 3.3 手臂伸縮液壓缸設(shè)計(jì) ..............................................................................................................................19 3.3.1 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 .............................................................................................19 3.3.2 流量及流速的確定 .........................................................................................................................21 3.4 手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................................................................................22 3.4.1 手架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) .........................................................................................................................22 3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 .............................................................................................................25 3.4.3 單級(jí)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核 .........................................................................................................26 3.5 手架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................33 3.5.1 手架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 .............................................................................................33 3.5.2 材料的選擇 .....................................................................................................................................33 3.5.3 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核 .....................................................................................................34 3.6 本章小結(jié) ..................................................................................................................................................35 第 4 章 控制部分的設(shè)計(jì) ............................................................................................................................36 4.1 液壓缸的流量、流速及壓力 ..................................................................................................................36 4.2 確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號(hào) ..........................................................................................37 4.3 各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計(jì) ......................................................................................................................38 4.4 液壓系統(tǒng)回路 ..........................................................................................................................................39 4.5 旋轉(zhuǎn)軸控制線路 ......................................................................................................................................40 4.6 技術(shù)難點(diǎn) ..................................................................................................................................................41 4.7 本章小結(jié) ..................................................................................................................................................41 結(jié)論 ..............................................................................................................................................................42 致謝 ..............................................................................................................................................................43 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................................44 致 謝 ........................................................................................................................................................1 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 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 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 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(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)。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 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。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 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。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 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 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 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(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 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 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。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 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(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(dòng) ( )：由伸縮式液壓缸控制實(shí)現(xiàn)。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 (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Z 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)。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 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 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 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。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 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)GKN321? 式中： ——安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取 =1.5；1K1 ——?jiǎng)虞d系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取 =1.5；2 2 ——方位系數(shù)， ，本設(shè)計(jì)中 ， ，3 fK/sin5.03??3.0~2?f??6? 則 ，本設(shè)計(jì) =1.45；6.1~4)2./(60sin5.?? 3K ——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： =255.78N8.9451.???N 對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖 3.1 所示，由： PP???sini21 可得： (3.2))sin2/(1? 又由： 0si/1????cPNb (3.3))sin(1???? 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 圖 3.1 手指受力分析 得： cNbP/sin)si2/()sin????? 即： (3.4))]i(/[i??b 在本設(shè)計(jì) =50mm， =13mm；，，， ???302160???c 將各值代入式(3.4) ，得 )]3021sin(/[78.25sin????P =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/P?實(shí) 本設(shè)計(jì)中取 =500N；實(shí)P 由式(3.2)可得： =697.61N)21sin/(501??P 由式(3.3)可得： =697.61 =542.14N?1?si 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 =697.61 =439.02N?1P?51cos 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)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? ——手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取 rad/s；???2 則由式(3.5)可得： =94.75N2)(3.08??慣F 因 ， 所以手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力取 =500N，安全。實(shí)慣 PF? 實(shí)P 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 ???][ij? =140MPa、許用拉應(yīng)力 =300MPa；][? 1、軸Ⅰ校核 =5.59 MPa????AP/1? )10/(402.3962??? =3.79 MPa??ij? ∵ ， ∴ 軸Ⅰ安全。][??? ][ijij 2、軸Ⅱ校核 =13.88 MPa??AP/1? )108/(46.9762??? =6.71 MPa3?ij? ∵ ， ∴軸Ⅱ安全。][???][ijij 3、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(jì) 第 16 頁 (3.6)zIWy/? 式中： ——形心軸慣性矩；yI ——截面圖形的形心位置；z 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) )](3/[)2(10bahz??? 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： =[20×17.32－10×(17.32－8.66)]/2=(364.4－86.6)/2=129.9mm 21A 部分②處的形心位置為： =5mm2z 其截面面積為： =26×11.34=294.84mm2cHA?2 A 處截面的形心位置為： )/()(2121zz?? =(13.85×129.9+294.84×5)/(129.9+294.84) =(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm)](36/[)4( 2223121 babahAaI ??? = 8.663×(102+4×10×20+202)/[36×(20+10)]+(13.85－5) 2×129.9 =781.76+10174.09=10955.85mm41/322hbaI?? =11.343×26/12+(7.7－5) 2×294.84 =3159.59+2149.38=5308.97 mm4 =10955.85+5308.97=16264.82 mm421IIy 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(jì) 第 17 頁 16264.82/7.7=2112.31mm3?AW A 截面處的彎矩： =2.26NmAM 故危險(xiǎn)截面 A 處的拉應(yīng)力為： MPa01.26/12./9???A? ∵ ∴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(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CM 為： 3222 m67.12/)(6// ?????bBHbBW 故危險(xiǎn)截面 C 處的拉應(yīng)力為： CAP//1??? )1074.2/(0.439).2(53.8 6????? =4.04+1.03 =5.07MPa； ∵ ∴安全。][?C 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)4/)(4/ 2212 ??dDPFPDf?? 得： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 (3.9)1221/)()/(4PdDPFDf ???? 式中： ——液壓缸的工作壓力，本設(shè)計(jì)中初取 =1.5MPa；1P1 ——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),2 =0.2~0.5MPa，在本設(shè)計(jì)中初取估算值 =0.5MPa；2P ——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(jì)符合要求，液壓缸能43?? 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；minQ1minv? 由式(3.18)可得： =(40ml/min)/(5.5m/min)=7.27 cm21min1/vQA? 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4/6321?? 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 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： =0.325kg×2=0.65kg；1m 上擋板的質(zhì)量： =0.137kg；2 下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137kg；3 后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；4 側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg×2=0.052kg；5m 手指與活塞桿之間連接間的質(zhì)量： =0.147kg；6 夾持工件的質(zhì)量： =8kg；7 手指夾緊液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.491kg；8 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；10 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；12 上套件質(zhì)量： =0.609kg；3m 上套件質(zhì)量： =1.08kg；14 當(dāng)儲(chǔ)油量最大時(shí)油液的質(zhì)量： 35kg.0L)7.320.8(/kg90315 ????Vm? 手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的總質(zhì)量為： 1234567891011()mm??? =(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 =234.81NmgF? 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(jì) 第 24 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；? 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)??)(0210JJM??慣 式中： ——手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；01J ——手架旋轉(zhuǎn)軸對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；2 ——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? n 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：? t =Δ /Δ =(2πrad/s)/(0.1s)=20 πrad/s2；t 機(jī)械手夾緊力的校核： (3.25)2?MRF?慣 取手架回轉(zhuǎn)的角速度 ， =300mm，?2 則由式(3.25) 得： =8kg×300mm× =94.75N慣 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?。?12/)3(20RLmJ?? 本設(shè)計(jì)中 =15mm,取 =250mm，RL 則： =23.96×（0.25 2+3×0.0152）/12=0.126N01J 3m = =1.43×0.0152/2=0.00016 N2/m? 將值代入式（3.24）可得： =7.92 Nm2)0(16..0(????慣M 手架旋轉(zhuǎn)軸的輸出功率： =7.92 Nmm ×2πrad/s =49.76w?P 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 手架旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度校核公式如下： (3.26)][/????nWM 式中： ——手架旋轉(zhuǎn)軸的扭矩，此處 =7.92 Nm；nM慣n ——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 =W 16/3dn??nW = m3；16/)03(9???60.5?? 將值代入式(3.26) 可得： =7.92/ =1.49MPa?610.5?? 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 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用 TY