機械畢業(yè)設計（論文）-鏜銑加工中心換刀機械手部件設計【全套圖紙三維】

本科畢業(yè)設計（論文）本科畢業(yè)設計（論文） 題題 目目 鏜銑加工中心換刀機械手部件的設計鏜銑加工中心換刀機械手部件的設計 學學 院院 機械與自動控制學院機械與自動控制學院 專業(yè)班級專業(yè)班級 09 機械設計制造及其自動化機械設計制造及其自動化 4 班班 姓姓 名名 學學 號號 指導教師指導教師 系系 主主 任任 學院院長學院院長 二 O 一三 年 五 月 二十一 日 浙浙 江江 理理 工工 大大 學學 機械與自動控制學院機械與自動控制學院 畢業(yè)設計誠信聲明 我謹在此保證：本人所做的畢業(yè)設計，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)權的情況，本人愿意承擔相應的責任。 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構設計。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構設 計，對關鍵零件進行校核以及尺寸的優(yōu)化選取。 主要設計內(nèi)容有： （1）設計鏜銑加工中心換刀機械手部件的結構，傳動系統(tǒng)以及驅動系統(tǒng)，使其 能夠滿足快速，平穩(wěn)，準確換刀的功能。 （2）完成重要零件的設計，主要包括齒輪的設計，軸的設計，手指的設計。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。 關鍵詞：鏜銑加工中心；結構設計；換刀機械手；伸縮回轉式單臂雙爪機械 手。 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 Abstract The 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 4 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. 6 目目 錄錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒論1 1.1 選題的背景和意義.1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.1 1.2.1 機械手簡介.1 1.2.2 機械手的分類3 1.2.3 工業(yè)機械手研究趨勢.6 1.3 換刀機械手研究意義7 1.4 設計的內(nèi)容和思路7 第 2 章 鏜銑加工中心換刀機械手總體設計.8 2.1 換刀機械手的工作原理分析8 2.2 機械手的平穩(wěn)性10 2.3 機械手的運動特性11 2.4 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計.12 3.1 手爪部分設計.12 3.2 機械手手臂的設計13 3.3 機械手傳動方式的選擇14 3.3.1 機械手轉過 180 度的傳動機構選擇.14 3.3.2 主軸以及機械手上下伸縮的傳動機構設計16 3.4 換刀機械手驅動機構的選擇18 第 4 章 換刀機械手的結構設計及尺寸確定.19 4.1 手指結構設計及計算19 4.1.1 手指夾緊力的計算19 4.1.2 手指部分的相關校核21 4.2 手臂的彎曲變形.23 4.3 軸與機械手配合部分的直徑的選取25 4.4 機械手轉過 180 度的驅動機構設計26 4.5 設計參數(shù)29 第 5 章 總結與展望30 參考文獻31 致 謝33 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒論 1.1 選題的背景和意義 機械制造業(yè)是一個國家最基礎的行業(yè)，為整個國民經(jīng)濟提供技術裝備，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，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) 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應 用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。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 設備。遠距離操作設備與普通設備的主要區(qū)別，在于能夠通過適當?shù)纳锲帘?把操作人員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 手的移動和關節(jié)動作功能用的操作機構。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期的作業(yè)任務，在構 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) 已成為高技術鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，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、機械手和驅動裝置幾部 分組成。 圖 1-1 加工中心換刀機械手1 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 3 1.2.2 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節(jié)的動作。但是，由于其 結構簡單、價格便宜，因而獲得廣泛應用，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雜。由于其操作方便、價格不太高，所以也 得了廣泛應用。磁力機械傳動機械手比機械傳動機械手略微復雜，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雜而且昂貴。這類機械手的某些類型 得了廣泛應用，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，簡化了結構，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 先給定的工序。 其中換刀機械手也有各種分類： 單臂單爪回轉式機械手 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計 4 圖圖 1 單臂單爪回轉式機械手單臂單爪回轉式機械手 單臂雙爪回轉式機械手 圖圖 2 單臂雙爪回轉式機械手單臂雙爪回轉式機械手 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，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀” 送到主軸的任務，其換刀時間較上述單爪回轉式機械手要短，如圖 2 所示。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 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。 圖圖 3 雙臂回轉式機械手雙臂回轉式機械手 這種機械手在有的設計中還采用了可伸縮的臂如圖 4 所示： 圖圖 4 雙臂回轉式機械手雙臂回轉式機械手 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 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。 圖圖 5 雙機械手雙機械手 雙臂往復交叉式機械手 圖圖 6 雙臂往復交叉式機械手雙臂往復交叉式機械手 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 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 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，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(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鍵技術問題：如優(yōu)良運動曲 線選擇、機構運行可靠性、換刀復合凸輪的設計，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 隨著科學與技術的發(fā)展, 機械手的應用領域也不斷擴大。目前, 機械手不 僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學,船舶等領域,同時也已開始擴大到 核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領域以及家庭清潔,醫(yī)療康復等服務業(yè)領域 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 機械手應用的典型。機械手廣泛應用于各行各業(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。 換刀機械手的結構設計和研究是數(shù)控加工中心研究的基礎。因此，對具有 理想結構和傳動方式的換刀機械手進行抓取機理、操作理論、運動學和動力學、 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 設計的內(nèi)容和思路 設計思路：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 180，然后插刀，縮回。 設計內(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這 2 個關鍵的傳動作用）， 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，實現(xiàn)換刀的功 能），齒輪齒條 3（傳動裝置）。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 9 第 2 章 鏜銑加工中心換刀機械手總體設計 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、旋轉換刀的傳動裝置這四個方面的設計。制定總體方案，就是在深入調(diào)查和 分析的基礎上，提出所設計的工藝設備方法、運動和布局、傳動和結構的性能 等方面的方案。這個總體方案是部件和零件的設計依據(jù)，對整個設備設計的影 響很大，是至關重要的一步。因此，在擬定總體方案過程中，必須綜合地考慮 對設備的各項要求，使所定方案技術先進、經(jīng)濟效益高。 圖 2-1 總設計圖 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 10 2.1 換刀機械手的工作原理分析 整體結構設計布局如圖 2-1 所示。本設計中，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。工業(yè)生產(chǎn)要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，轉動靈活，定位 精度高。主要傳動部件：大主軸：采用 45 鋼；傳動齒輪：采用 40Cr，齒 數(shù)為 22，模數(shù)為 6，采用 7 級精度；帶齒條的傳動軸：采用 45 鋼；扇形齒 輪和傳動齒條軸：齒數(shù)為 21，模數(shù)為 2；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。應注意其影響 因 圖 2.1 慣性曲線2 素，設計合理結構，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 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 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振動，直 接影響定位精度。因此，應根據(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） 、結構剛度的影響 零件結構剛度性差，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。應選擇合理結構，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計 12 圖 2.23 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都采用液壓的驅動方式。并且由于 兩手伸縮回轉式單臂雙爪機械手的兩手可伸縮，縮回后回轉，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。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 13 第 3 章 換刀機械手的總體方案設計 3.1 手爪部分設計 手爪部分的結構我選擇了雙指的結構，這樣選擇的原因是雙指具有結構簡單， 安裝拆卸方便，抓刀穩(wěn)定快速等特點。結構如圖 3-1 所示。 圖 3-1 雙指結構示意圖 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 機械手手臂的設計 機械手工作中運動速度較高，在結構位置應保證運動平穩(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)，在設計臂部、腕部和手部結構時，盡量使 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 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，引起導向裝置不均勻的磨損。在回轉運動中，偏重對回轉軸附加有動壓 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、某些機械手結構上無法避免偏重，則應加強導向支撐，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鍵，有利于提高定位精度，故常采用導 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，我在設計機械手手臂的時候采用了完全中心對稱的機構， 并且通過外殼的固定來保證機械手手臂的水平，結構如圖 2-3 所示。為了適應 不同型號的刀柄，兩邊的刀爪是可以拆卸調(diào)換的。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 15 圖 3-2 手臂結構示意圖 3.3 機械手傳動方式的選擇 3.3.1 機械手轉過 180 度的傳動機構選擇 在現(xiàn)代機械工業(yè)中應用較廣泛的主要有：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、結構簡單，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計 16 1、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、結構緊湊 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、渦輪副傳動的結構緊湊，渦輪箱的外形尺寸較小。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 17 2、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%。 考慮到效率，工作可靠，結構緊湊等方面，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，所以我設計的齒輪采用漸開線齒形。 圖 3-5 傳動齒輪齒條結構示意圖 3.3.2 主軸以及機械手上下伸縮的傳動機構設計 軸是組成機械的一個常用的重要零件，它支持著其他轉動零件如齒輪、蝸 輪等零件回轉并傳遞轉矩，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。 軸的設計主要包括：軸的材料選擇、結構設計、軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性 計算等，設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）進行軸的結構設計。 （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。進行軸的結構設計。 （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 其他轉動件回轉并傳遞轉矩，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 線作回轉運動，形成了一個以軸為基準的組合體軸系部件。 一、一、軸的總類： 軸按受載情況分為轉軸、心軸和傳動軸，其中轉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。 按結構形狀分為：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。 設計軸時應考慮多方面的因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結構、 強度和剛度。對于高速軸還應考慮震動穩(wěn)定性問題。 二、二、軸的常用材料 軸的材料種類很多，設計時主要根據(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墶?對于形狀復雜的軸，可采用鑄造。 軸的結構決定于受載情況、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。軸的結構應是盡量減小 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 19 應力集中，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，還應在結構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、三、軸的設計過程 我設計的驅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頭轉動，考慮到機械手在轉動 180 度的時候，上方的液壓缸不能跟著主軸一起轉動，所以必須設計一個裝置 能讓主軸轉動時保持上方的液壓缸不轉動，而上方液壓缸帶動主軸上下伸縮運 動時也不會和轉動裝置發(fā)生干涉。經(jīng)過查資料，我設計了以下結構來保證這一 要求，如圖 3-6 所示。 圖 3-6 手伸縮傳動結構示意圖 3.4 換刀機械手驅動機構的選擇 驅動機構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。 本設計中的各個運動主要是直線往復運動。由于電動機輸出的是旋轉運動， 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 20 若采用電動機傳動，則必須加入齒輪、齒條等機械機構，將電動機輸出的旋轉運 動轉變?yōu)橹本€往復運動，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復運動的，可直接帶動 負載作直線往復運動，使得結構簡單。同時，由于液壓驅動的抗沖擊能力比電氣 驅動的抗沖擊能力要強，而且在產(chǎn)生相同驅動力（力矩）的條件下，與其他驅動 方式相比，液壓驅動系統(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。故本設計中的驅動方式都為液壓驅動，用液壓驅動方式來實 現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和主軸轉動和上下伸縮的動作。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 21 第 4 章 換刀機械手的結構設計及尺寸確定 4.1 手指結構設計及計算 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)GKKKN 321 式中： 安全系數(shù)，本設計中取=1.5； 1 K1K 動載系數(shù)，本設計中取=1.5； 2 K2K 方位系數(shù)，本設計中， 3 KfK/sin5 . 0 3 3 . 02 . 0f 60 則，本設計=1.45；26 . 1 44 . 1 )032 . 0/(60sin5 . 0 3 K 3 K 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： =255.78N88 . 945. 15 . 15 . 1N 對手指結構進行受力分析如圖 4-1 所示，由： PPPsinsin 21 21 PP 可得： (4.2)sin2/( 1 PP 又由： 0sin/ 1 cPNb (4.3)sin( 11 PP 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 22 圖 4-1 手指受力分析 得： cNbP/sin)sin2/()sin( 即： (4.4)sin(/sinsin2cbNP 在本設計=50mm， =13mm；，302160bc 將各值代入式(4.4)，得 )3021sin(13/78.25530sin21sin2P =2500.50.358255.78/(130.777) =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動力 為： =453.27/0.95=477.12N/PP 實 本設計中取=500N； 實 P 由式(4.2)可得： =697.61N)21sin2/(500 1 P 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 23 由式(4.3)可得： =697.61=542.14N 1 P51sin =697.61=439.02N 1 P51cos 對手指夾緊力的校核過程如下： 在手架旋轉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 工件到旋轉軸線的距離，這里取mm；R300R 手架旋轉軸的轉速，初取rad/s；2 則由式(4.5)可得： =94.75N 2 )2(3 . 08 慣 F 因， 所以手指夾緊液壓缸的實際驅動力取=500N，安全。 實慣 PF 實 P 4.1.2 手指部分的相關校核 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，它們的許用剪應力=70MPa、許用擠壓 應力 =140MPa、許用拉應力=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)zIW y / 式中： 形心軸慣性矩； y I 截面圖形的形心位置；z A 部分截面處的圖形形狀如圖 4.2 所示，部分處的形心位置為： 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 24 (4.7) )( 3/)2(10 1 babahz 式中：=8.66mm，=20mm，=10mm，hba 將各值代入式(4.7)可得 =13.85mm 2 z 其截面面積為： =2017.3210(17.328.66)/2=(364.486.6)/2=129.9mm2 1 A 部分處的形心位置為： =5mm 2 z 其截面面積為： =2611.34=294.84mm2cHA 2 A 處截面的形心位置為： )/()( 212211 AAzAzAz =(13.85129.9+294.845)/(129.9+294.84) =(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm )(36/)4( 22 2 222 2 2 3 21 2 11 babbaahAaI = 8.663(102+41020+202)/36(20+10)+(13.855)2129.9 =781.76+10174.09=10955.85mm4 12/ 3 112 2 22 hbAaI =11.34326/12+(7.75)2294.84 =3159.59+2149.38=5308.97 mm4 =10955.85+5308.97=16264.82 mm4 21 IIIy 將各值代入式(4.6)得： 16264.82/7.7=2112.31mm3 A 截面處的彎矩： =2.26Nm A M 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 25 故危險截面 A 處的拉應力為： MPa01 . 2 1126/1026 . 2 / 9 A WM AA 安全。 A 圖 4-2 A 處截面圖形形狀 圖 4-3 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 C M 面模量為： 3222 C mm67.11266/ )(6/6/bBHbHBHW 故危險截面 C 處的拉應力為： CCCC APWM/ 1 )1074.424/(02.439)1031.2112/(53 . 8 69 =4.04+1.03 =5.07MPa； 安全。 C 4.2 手臂的彎曲變形 手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以會有彎曲變形，如果彎曲太大， 就會造成換刀時手臂和刀具的干涉，造成機器的損壞。 手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉化為一個長度為 680mm，寬 460mm，高 20mm 的長方體來計算， G=mg=7.81068462=487968N=487.968KN488KN 刀具的重量 F=106=60KN 手臂材料的抗拉強度 =460MPa t 屈服強度 =235MPa 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 26 圖 4-4 手臂的受力可以簡化為圖 4-4 所示 如上圖所示，可簡化為懸臂梁來處理， 則任意橫截面上的彎矩為： M=-60(l-x) =-60（205-x） 3 10 （4.8） 得撓曲線方程 刀具重力所造成的彎曲： )6()3( 2 EIxlFx （4.9） 刀臂自重所造成的彎曲： )6()3( 2 EIxlFx （4.10） 其中=3012=1822500=1.822512 3 bhI 3 90Pa 12 10Pa 6 10 E=2.2Pa 11 10 最大撓度為 刀具重力所造成的彎曲： )3( 3 EIFl B （4.11） 刀臂自重所造成的彎曲： )3()3( 2 EIalFa B （4.12） 端截面轉角為 刀具重力所造成的彎曲 )2( 2 EIFl B （4.13） 刀臂自重所造成的彎曲： )2( 2 EIFa B （4.14） 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 27 計算得 刀具重量所造成的彎曲： =-60（32.21.8225）)3( 3 EIFl B 3 205 9 10 11 10 6 10 4.3m 7 10 =-60（22.21.8225）)2( 2 EIFl B 2 205 6 10 11 10 6 10 3.1 6 10 刀臂自身重量所造成的彎曲： =-87（3205-102.5）)3()3( 2 EIalFa B 2 5 . 102 9 10 （32.2 1.8225）3.9m 11 10 6 10 7 10 3.9m 7 10 =-488（22.21.8225）)2( 2 EIFa B 2 5 . 102 6 10 11 10 6 10 6.4 6 10 通過以上的計算可知，換刀機械手的手臂的彎曲非常小，根本不會對實際工作 造成任何影響，所以是符合要求的。 4.3 軸與機械手配合部分的直徑的選取 1）材料的確定 由于軸是重要的零件所以選用 45 鋼 2）按扭轉強度來計算軸徑 在軸的結構設計時，通常用下面的這個公式來初步估算軸徑 (4-15) T T T d n p W T 3 2 . 0 955000 上式中為扭轉切應力，單位為 Mpa T T 為軸所承受的扭距，單位為 N.mm 為軸的抗扭截面系數(shù),單位為 T W 3 mm P 為軸所傳遞的功 單位為 kW D 為計算截面處的直徑 ,單位為 mm 為許用扭轉應力,單位為 Mpa T 由上式可以得到軸的直徑為: 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 28 3 0 3 33 2 . 0 9550000 2 . 0 9550000 n P A n P n p d TT 確定上式的值: (1) 確定 0 A 查表得=126-103,這里取=126 0 A 0 A (2) 確定轉速 n 因為在 MV-810/A 中,換刀時間為 2.5s,整個過程有 10 個動作,按每個動作的 時間相等來計算 所以每個動作的時間s25. 0 10 5 . 2 10 T t 而機械手在交換刀具的時候轉過 180 度的時間也為 0.25s,所以在這個時候,它 的轉速最大,我們只要用最大轉速去計算軸徑就好了 因為軸轉過 180 度的時間為 0.25s,所以轉過一 周所用的時間為 0.5s 所轉速就為min/12060 5 . 0 1 rn (3) P 的確定 由于所產(chǎn)生的功主要是用來使機械手轉動 在轉 180 度的時候 p 最大,p=M 其中 M=FL 我們?nèi)?F 的最大值為 598.5N,而 L 的值我們在前面已經(jīng)確定了為 320mm 所以 M=FL=598.5NmNmm. 5 . 192320 而 rad/s4 所以 p=M=192.5kww42 . 2 8 . 24174 所以(21)式可以表示為: mm n P A n P n p d TT 5 . 31 25. 0126 0187 . 0 126 120 24 . 2 126 2 . 0 9550000 2 . 0 9550000 3 33 0 3 33 我們?nèi)?d=50mm 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 29 4.4 機械手轉過 180 度的驅動機構設計 這個機構由一般個液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當發(fā)出機械 手交換刀具的信號時，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動著齒輪條向前 移動，使得齒輪轉動，齒輪轉動的時候，帶動連桿轉動，而連桿通過連接塊連 在機械手上，所以當活塞通入壓力油的時候，機械手就相應的轉動。 1）下面我們首先來選擇與計算液壓缸 由于機械手的整個換刀時間為 2.5s 整個過程有 10 個動作,按每個動作的 時間相等來計算 所以每個動作的時間s25. 0 10 5 . 2 10 T t 即：機械手轉過 180 間為 0.25s 取齒輪的齒數(shù)為 20,模數(shù)為 6，材料為 40Cr,那么齒輪的分度員直徑為 d=mz=mm120620 齒輪的分度圓周長為 S=mmd8 .37612014 . 3 所以齒輪轉過 180 度所走的距離 L=mmmms4 .188 8 . 376 360 180 360 180 0 0 0 0 因為齒輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個運動中也走過 188.4mm 活塞桿的速度為sm t s /7536. 0 25 . 0 4 . 188 設液壓缸的溶積效魚為，這里取99. 097 . 0 98 . 0 設液壓缸的額定流量為 q 所以 （4- q A 16） 又 （4- 4 2 d A 17） 由上 2 式可以得到 （4-q qq d66 . 1 7536 . 0 14 . 3 98 . 0 44 18） 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 30 因為 q=0.8m/s 3 10 所以（28）式如下計算 mqd001325 . 0 108 . 066 . 1 66 . 1 3 所以選擇 d=30m 所以選擇液壓缸，它的 行程為 188.4mm,直徑為 30mm。 2.確定齒輪齒條機構其它尺寸 首先確定齒寬系數(shù) d 由于齒輪的二支承相對齒輪做對稱布置，所以取=1。 d 由于 （4- * aaa mhmzhmzd 19） 由于我都采用的是標準直齒輪（壓力角為 20 度） 所以1 * a h 所以 =72+ * aaa mhmzhmzdmm 5 . 7315 . 1 因為所以齒輪做成實心mmda160 由于這個齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運動的，所以齒輪做成如下的結構： 浙江理工大學本科畢業(yè)設計 31 圖 4-5 大齒輪結構 4.5 設計參數(shù) 手架伸縮液壓缸最大行程： 220mm； 手架旋轉液壓缸最大行程： 220mm； 手臂伸縮液壓缸最大行程： 120mm； 夾持工件質(zhì)量： 8kg； 換刀過程手架旋轉角度： 180； 傳動齒輪模數(shù)： 6； 傳動齒輪齒數(shù) 20。 第 5 章 總結與展望 本課題根據(jù)鏜銑加工中心換刀機械手的基本功能要求，對鏜銑加工中心換 刀機械手部件的機械系統(tǒng)進行了結構設計。全文在對換刀機械手的研究及應用 現(xiàn)狀與機械手系統(tǒng)進行了詳?shù)卣撌?。明確了換刀機械手工作原理之后，確定了 換刀機械手機械系統(tǒng)的總體方案，設計了機械系統(tǒng)中各個機構。運用軟件建立 了換刀機械手的三維模型以及應力分析。主要研究工作可以歸納如下： 首先分析了換刀機械手的優(yōu)點和應用前景。 （1）提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 （2）改善勞動條件，避免人身事故。（3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生 產(chǎn)（其次使用 AutoCAD 軟件繪制出了零件圖和裝配圖，運用 Pro/E 軟件對換刀 機械手進行了三維建模。接著，將各個部件進行了裝配，分析了是否存在干涉 現(xiàn)象。 結合自己在全自動文件柜設計過程的研究，并在參閱大量國內(nèi)外相關文獻 的基礎上，提出以下相關工作的展望： 本文設計了鏜銑加工中心換刀機械手部件的機械系統(tǒng)，達到了預期的效果， 但是也存在一些不足：可以嘗試用其它仿真手段如 OpenGL 軟件或者 Adams 虛擬 鏜銑加工中心換刀機械手部件設計 32 樣機軟件實現(xiàn)換刀機械手的仿真系統(tǒng)；要能夠真正地運用到生產(chǎn)實踐中，在設 計的過程中還需要對各個部件進行更加詳細地設計和優(yōu)化。 參考文獻參考文獻 1 李劍玲,賀煒，丁毅，王寧俠.一種換刀機械手卡爪夾緊機構的設計J.組合機床與自 動化加工技術,2003,(10):48. 2 張祺，侯力，劉松等.加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究J.組合機床與自動化加工技 術,2010，(8):42. 3 馬浩源.淺談工業(yè)機械手J.商情,2011，(12):154. 4 牟世維.雙主軸雙刀庫立式加工中心機床設計.甘肅科技.2007，(12):35. 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 杜祖鈞,賈爭現(xiàn).滾子齒形凸輪循環(huán)圖的設計與分析J. 西北輕工業(yè)學院學報. 2002，(5) 7 謝政. 加工中心換刀機械手的研究D. 湘潭大學. 2008，05.15. 8 夏粉玲,賀煒. 凸輪式立臥兩用換刀機械手的研究J. 機械科學與技術, 2004, 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