0009-臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)【全套9張CAD圖】
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摘要機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具,它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上,再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。 設(shè)計(jì)思路是用機(jī)械手的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中心的換刀,機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)有回轉(zhuǎn)液壓缸運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn),其動(dòng)力則由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 加工中心的自動(dòng)換刀裝置,通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成,它是加工中心的象征,又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠(chǎng)家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置,以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益,自動(dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容,各廠(chǎng)家都在保密,極少公開(kāi)有關(guān)資料,尤其機(jī)械手部分更是如此。這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作,大都由油缸動(dòng)作來(lái)完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,可以采用油缸動(dòng),活塞固定;或活塞動(dòng),油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。整個(gè)機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu),機(jī)械爪開(kāi)合機(jī)構(gòu),回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。引言 本次設(shè)計(jì)的題目是加工中心的自動(dòng)換刀裝置中的核心部件-機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具,它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上,再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。設(shè)計(jì)此機(jī)械手的目的是為了使加工中心能夠更快的的工作,使加工中心能夠得到更加充分的利用,以實(shí)現(xiàn)其的價(jià)值所在;再者,由于使用了機(jī)械手,減少由于人工換刀帶來(lái)的生產(chǎn)效率低,并且容易出事故的弊端。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有回轉(zhuǎn)液壓缸裝置和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),對(duì)于其中動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)則由電氣控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于本人能力及學(xué)識(shí)有限,在設(shè)計(jì)中存在有很多缺陷,望老師們能多加指導(dǎo)。加工中心的總體布局盤(pán)式刀庫(kù)的臥式加工中心臥式加工中心的主軸是水平設(shè)置的,臥式加工中心刀庫(kù)容量一般較大,有的刀庫(kù)可存放幾百把刀具,臥式加工中心的結(jié)構(gòu)較立式加工中心復(fù)雜,占地面積大,價(jià)格也較高,臥式加工中心較適用于加工箱體之類(lèi)的零件,特別對(duì)箱體零件上的一些孔和孔系,以及孔和型腔與基準(zhǔn)面有嚴(yán)格要求的箱體,容易得到保證,適合于批量加工。臥式加工中心的功能較立式加工中心多,在立式加工中心上加工不了的工件,在臥式加工中心上一般都能加工。2.1 技術(shù)條件我們所設(shè)計(jì)的加工中心的主要的技術(shù)參數(shù)有: 刀庫(kù)容量: 24把刀 刀柄型號(hào): 40號(hào)刀柄 刀具最大直徑: 120 刀具重量: 11 換刀時(shí)間: 5s 選刀方式: 任選2.2 總體布局我們?cè)O(shè)計(jì)的加工中心的總體布局如圖1.1所示:圖1.1 臥式加工中心的總體布局2.3 臥式加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu):主軸組件 對(duì)加工中心主軸組件的基本要求是具有足夠的剛度,精度,傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩,以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)和適應(yīng)自動(dòng)換刀的條件。主軸軸承多采用高精度,高剛度,高速滾動(dòng)軸承。臥式加工中心的主軸組件按進(jìn)給功能分有鏜軸進(jìn)給,滑枕進(jìn)給及非進(jìn)給主軸等類(lèi)型,大多數(shù)采用非進(jìn)給型主軸。立柱 立柱有側(cè)面導(dǎo)軌型與正面導(dǎo)軌型。側(cè)面導(dǎo)軌型立柱便于機(jī)床的總體設(shè)計(jì),制造成本也較低,并抑易于與非數(shù)控臥式鏜銑床建立模塊化系列關(guān)系,但這類(lèi)立柱在機(jī)床工作時(shí)受力狀況較差,且熱變形的對(duì)稱(chēng)性差,因而對(duì)機(jī)床加工精度影響較大。正面導(dǎo)軌型立柱多采用門(mén)式結(jié)構(gòu),有較好的熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和受力條件,多數(shù)加工中心采用這種立柱形式。3 工作臺(tái) 臥式加工中心可采用自動(dòng)分度工作臺(tái),數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1 刀具的交換裝置3.1.1 自動(dòng)換刀裝置加工中心區(qū)別于NC鏜銑床的主要特點(diǎn)就在于它具有根據(jù)工藝要求自動(dòng)更換所需刀具的功能,即自動(dòng)換刀(ATC)機(jī)能。機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具,它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上,再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。加工中心的自動(dòng)換刀形式,可分為有機(jī)械手換刀方式和無(wú)機(jī)械手換刀方式兩類(lèi)。無(wú)機(jī)械手換刀方式,適用于采用40號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用量型刀具的重型機(jī)床,這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手,因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。另外,刀庫(kù)回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間,即非切削時(shí)進(jìn)行的。因此,雖然刀庫(kù)設(shè)置在立柱頂面,卻免去了刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的震動(dòng)對(duì)加工精度的影響。無(wú)機(jī)械手換刀方式中,刀庫(kù)可以是圓盤(pán)型、直線(xiàn)排列式,也可以是格子箱式等。無(wú)機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度,為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確,就要盡力消除刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈的間隙,為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副,或采用可以相互錯(cuò)位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式,或采用插銷(xiāo)定位、反靠定位等方法來(lái)準(zhǔn)確定位。圓盤(pán)型刀庫(kù)可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面,也可設(shè)在橫梁一端,或設(shè)在主軸箱上,由主軸箱和刀庫(kù)配合運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)換刀動(dòng)作。直線(xiàn)排列式刀庫(kù)可設(shè)在工作臺(tái)上方,也可設(shè)在工作臺(tái)的一端或兩端,由主軸箱或工作臺(tái)配合運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)換刀動(dòng)作。格子箱式刀庫(kù)可設(shè)在雙工作臺(tái)的中間,換刀時(shí),小直徑刀具可軸向取刀,大直徑刀具可徑向取刀。加工中心的自動(dòng)換刀裝置,通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成,它是加工中心的象征,又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠(chǎng)家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置,以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益,自動(dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容,各廠(chǎng)家都在保密,極少公開(kāi)有關(guān)資料,尤其機(jī)械手部分更是如此。無(wú)機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度。為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確,就要盡力消除刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈的間隙,為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副,或采用可以相互錯(cuò)位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式;或采用插銷(xiāo)定位、反靠定位等方法來(lái)準(zhǔn)確定位。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛,這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性,而且可以減少換刀時(shí)間。圖見(jiàn)零號(hào)圖自動(dòng)換刀機(jī)械手。換刀動(dòng)作如表3.1所示:表3.1 機(jī)械手的換刀動(dòng)作3.1.2 機(jī)械手的種類(lèi) 加工中心換刀機(jī)械手的種類(lèi)繁多,可以說(shuō)每個(gè)廠(chǎng)家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手,在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中,是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換,對(duì)其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫(kù)和主軸,其相對(duì)位置距離不同,相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程也不盡相同,它們由各種形式的機(jī)械手來(lái)完成。常見(jiàn)的機(jī)械手有:?jiǎn)伪蹎巫剞D(zhuǎn)式機(jī)械手機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線(xiàn)與刀具主軸平行,機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來(lái)進(jìn)行自動(dòng)換刀,換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng),用于刀庫(kù)換刀位置的刀座的軸線(xiàn)相平行的場(chǎng)合。如圖所示: 圖3.1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手圖3.2 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪,兩個(gè)卡爪有所分工,一個(gè)卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫(kù)的任務(wù),另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫(kù)取出“新刀”送到主軸的任務(wù),其換刀時(shí)間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短,如圖3.2所示。雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手(俗稱(chēng)扁擔(dān)式)這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪,可同時(shí)抓取刀庫(kù)及主軸上的刀具,在回轉(zhuǎn)180之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫(kù)及裝入主軸,是目前加工中心機(jī)床上最為常用的一種形式,換刀時(shí)間要比前兩種都短,如圖3.3-a)所示。圖3.3-a) 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手在有的設(shè)計(jì)中還采用了可伸縮的臂,如圖3.3-b)所示:圖3.3-b) 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手雙機(jī)械手這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手,相互配合起來(lái)進(jìn)行自動(dòng)換刀。其中一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫(kù),另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫(kù)取“新刀”插入機(jī)床主軸上,如圖3.4所示:圖3.4 雙機(jī)械手雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手圖3.5 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動(dòng),并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱(chēng)作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫(kù),裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫(kù)取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線(xiàn)移動(dòng)或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與主軸之間的運(yùn)送刀具工作,如圖3.5所示。雙臂端面夾緊式機(jī)械手這種機(jī)械手只是在夾緊部位上和前幾種不同,上述幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來(lái)抓住刀具,而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個(gè)端面,如圖3.6所示:圖3.6 雙臂端面夾緊式機(jī)械手由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單,而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫(kù)集中的刀具,換刀時(shí)間較短,我們本次設(shè)計(jì)所要求的換刀時(shí)間為5秒,故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。如果我們采用不能伸縮的機(jī)械手,由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)其手部回轉(zhuǎn)半徑較大,如刀庫(kù)中刀具排得較密,可能碰撞刀具,且用這種類(lèi)型的機(jī)械手直接在刀庫(kù)與主軸之間換刀,只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀,不然,換刀時(shí)間將增加。故我們采用可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手。3.1.3 手爪的選擇1單臂雙爪式機(jī)械手的手爪 這種機(jī)械手的手爪,大都采用機(jī)械鎖刀方式,有些大型加工中心,亦有采用機(jī)械加液壓鎖刀方式,以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出,較普通采用的機(jī)械鎖刀方式手爪彈簧銷(xiāo)式手爪。如圖,A-A放大圖。它是目前加工中心上用較多的一種,手臂的兩端個(gè)有一個(gè)手爪,刀具被彈簧2推著的活動(dòng)銷(xiāo)4(類(lèi)似于人的手指)頂靠在固定爪5中,鎖緊銷(xiāo)3被彈簧1頂起,使活動(dòng)銷(xiāo)4被鎖住,不能后退,這就是保證了機(jī)械手在換刀過(guò)程中手爪中的刀具不會(huì)被甩出,當(dāng)手臂處于抓刀位置時(shí),鎖緊銷(xiāo)2被設(shè)置在主軸伸出端或刀庫(kù)上的撞塊壓下,活動(dòng)銷(xiāo)4就可以活動(dòng),使得機(jī)械手可以抓住(或放開(kāi))主軸或刀庫(kù)刀套中的刀具。 此外,鉗形手的杠桿手,用得也較普遍。 鎖銷(xiāo)2在彈簧作用下,其大直徑外圓頂著止退銷(xiāo)3,杠桿手爪6就不能擺動(dòng)張開(kāi),手爪中的刀具就不會(huì)被甩出,當(dāng)抓刀或還刀時(shí),鎖銷(xiāo)2被裝在刀庫(kù)或主軸端處的撞塊壓回,止退銷(xiāo)3和杠桿手爪6就能擺動(dòng)、張開(kāi)。刀具就能裝入或取出。 鉗型手和杠桿手均為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)抓手。機(jī)械手的手爪在抓住刀具后,還必須具有鎖刀功能,以防止在換刀過(guò)程中掉刀或刀具被甩出。當(dāng)機(jī)械手松刀時(shí),刀庫(kù)的夾爪既起著刀套的作用,又起著手爪的作用。對(duì)于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的手爪,大都采用機(jī)械鎖刀方式,有些大型加工中心,亦有采用機(jī)械液壓鎖刀方式,以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。手爪的形式有:機(jī)械鎖刀手爪彈簧銷(xiāo)式手爪,使用這種形式的抓持機(jī)構(gòu),手爪不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的傳遞裝置,因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),為避免刀具甩脫,手爪就必須有自鎖夾持機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。鉗形杠桿機(jī)械手。這種機(jī)械手手爪的張合需要?jiǎng)恿鬟f裝置,傳動(dòng)較復(fù)雜,但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡(jiǎn)單。使用也較普遍。虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷(xiāo),使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時(shí),刀具需經(jīng)特殊補(bǔ)充加工,不能使用標(biāo)準(zhǔn)刀具,所以使用者較少。我們?cè)谶@里采用第一種手爪。3.1.4 刀具的夾持在刀具自動(dòng)交換裝置上,機(jī)械手抓刀具的方法大體上可以分為下列兩類(lèi):柄式夾持(軸向夾持)。發(fā)蘭式夾持。這種夾持方式,在刀具夾頭的前端,有供機(jī)械手用的發(fā)蘭盤(pán)。采用發(fā)蘭式夾持,當(dāng)應(yīng)用中間搬運(yùn)裝置時(shí),可以很方便地從一個(gè)機(jī)械手將刀具夾頭過(guò)渡到另一個(gè)輔助機(jī)械手上去,刀具夾頭采用帶洼形的法蘭盤(pán)夾持刀夾。在這里,我們采用第一種夾持方式,刀柄型號(hào)為BT40。圖3.7所示為標(biāo)準(zhǔn)刀具夾頭的錐柄柄部,由圖可見(jiàn),刀柄圓柱部分的V形槽是供機(jī)械手夾持之用。帶V形槽圓柱右端,按所裝刀具(例如鉆頭、銑刀、鉸刀及鏜桿等)不同,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)計(jì)成不同形式。圖3.7 刀柄的型式表3-1為日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸:表3-1 日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸:柄部型號(hào)錐 體螺 紋 孔凸 緣D1Lrl1l2l3d1gd2tbBT4044.4565.419307017M161922.516.1BT4557.1582.81.211387021M20232919.3BT5069.85101.81.513459025M242735.325.7柄部型號(hào)凸 緣參考尺寸L1WD2D3TYY1VdD4BT40210.125363251.61.616.61075.679BT45260.126880303.23.221.21295.215BT50310.2085100353.23.223.215119.0193.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作,大都由油缸動(dòng)作來(lái)完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,可以采用油缸動(dòng),活塞固定;或活塞動(dòng),油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。整個(gè)機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu),機(jī)械爪開(kāi)合機(jī)構(gòu),回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。圖見(jiàn)自動(dòng)換刀機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置外形。3.2.1 手臂的伸縮運(yùn)動(dòng):回轉(zhuǎn)頭的兩端對(duì)稱(chēng)分布著兩個(gè)機(jī)械臂,可以同時(shí)伸出抓刀。機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1(見(jiàn)驅(qū)動(dòng)外形圖),輸出軸47,齒輪44以及齒條39和45組成(見(jiàn)自動(dòng)換刀機(jī)械手圖)。當(dāng)壓力油通過(guò)支架28和貫穿花鍵軸30的通孔(見(jiàn)換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置圖)進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸1時(shí),推動(dòng)輸出軸47轉(zhuǎn)動(dòng),軸上的齒輪44便帶動(dòng)齒條39和44作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),使兩只機(jī)械臂同時(shí)伸出,通過(guò)齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來(lái)限制終點(diǎn)位置。同時(shí)由左視圖中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)30發(fā)出信號(hào),以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時(shí),機(jī)械臂便縮回。3.2.2 手爪的開(kāi)合(見(jiàn)自動(dòng)換刀機(jī)械手圖)機(jī)械臂的頭部帶有固定手爪14與活動(dòng)手爪18,用來(lái)夾持刀柄之用?;顒?dòng)手爪18可繞小軸15轉(zhuǎn)動(dòng),其一端由彈簧桿19作用支靠在小軸20上。當(dāng)彈簧頂桿3未碰到擋塊13而自由伸出時(shí),擋桿22在彈簧作用下,其一端的斜面與活動(dòng)手爪18的端部斜面臺(tái)階相靠,從而將活動(dòng)手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移,將彈簧頂桿3壓入時(shí),頂桿3的一端迫使杠桿21順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣,杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動(dòng)手爪18的端部斜面滑開(kāi)。因此,當(dāng)活動(dòng)手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時(shí),刀柄表面可使活動(dòng)手爪18壓縮彈簧而稍微張開(kāi),這樣機(jī)械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時(shí),齒條44(或39)上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位,同時(shí)微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)出下一動(dòng)作的信號(hào)。由于機(jī)械爪伸向刀柄拔刀,或插刀后收回,都是當(dāng)機(jī)械手處于軸向向左移動(dòng)后的位置上進(jìn)行的。為了使機(jī)械手的活動(dòng)手爪18在這時(shí)能從自鎖狀態(tài)下松開(kāi),在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿35,在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤(pán)4(在端面上周向均勻分布有4個(gè)錐孔)和軸9固定相連,軸9裝于支架12內(nèi),其右端又與一端蓋10用螺紋固定。當(dāng)擋塊13未與固定桿35相碰時(shí),錐孔盤(pán)4處于與鋼球5相對(duì)位置,彈簧銷(xiāo)11頂著端蓋10,使錐孔盤(pán)4緊靠于支架12的端面上,此時(shí)機(jī)械臂的彈簧頂桿3自由伸出,活動(dòng)手爪1處8于鎖死狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手軸向向右移動(dòng)后,固定桿35迫使擋塊13轉(zhuǎn)動(dòng),由于此時(shí)錐孔盤(pán)4端面上的錐孔與鋼球5錯(cuò)開(kāi),這樣錐孔盤(pán)4即連同擋塊13、軸9、端蓋11、壓縮彈簧銷(xiāo)11向左移動(dòng)。擋塊13即將機(jī)械臂上的彈簧頂桿3壓入,將活動(dòng)手爪18自鎖緊狀態(tài)下松開(kāi)。當(dāng)機(jī)械爪伸出抓住刀柄后,機(jī)械手軸向向左伸出,此時(shí)擋塊13亦同時(shí)離開(kāi)固定桿35,借彈簧1的作用,將擋塊13拉回原來(lái)的錐孔盤(pán)4上錐孔與鋼球5相對(duì)的原始位置,由彈簧銷(xiāo)11的作用,使擋塊13又向右移動(dòng)至錐孔盤(pán)4與支架12端面壓緊的位置。這時(shí)機(jī)械臂上的彈簧頂桿3又自由伸出,將活動(dòng)手爪18鎖死,保證機(jī)械手將刀具拔出后,機(jī)械手能將刀具可靠地夾緊。3.2.3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)驅(qū)動(dòng)裝置圖)回轉(zhuǎn)機(jī)械用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的交換動(dòng)作,由圖驅(qū)動(dòng)外形裝置圖可見(jiàn)它由手臂14,回轉(zhuǎn)座51組成的。手臂14與花鍵軸50固定連接,花鍵軸與兩個(gè)花鍵套筒49相連,后者則由固定在機(jī)床立柱上回轉(zhuǎn)座51上的兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐。齒輪41通過(guò)花鍵軸套筒安裝在花鍵軸的右端?;剞D(zhuǎn)液壓缸的結(jié)構(gòu)見(jiàn)第三張圖,回轉(zhuǎn)缸殼體79和上端蓋86、下端蓋74、定片93間均用螺釘聯(lián)接,并將它們作為一體通過(guò)上端蓋與固定在立柱上。轉(zhuǎn)軸2支承在上、下端蓋上,與動(dòng)片90固定聯(lián)接,其伸出端通過(guò)花鍵軸部分與中間座的齒輪聯(lián)接,向手臂傳遞運(yùn)動(dòng),當(dāng)液壓缸通入高壓油而使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)傳動(dòng)齒輪99帶動(dòng)齒輪41回轉(zhuǎn),這樣,由花鍵軸50帶動(dòng)手臂14轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)角兩相對(duì)180的極限位置,可由螺釘67及53限定,同時(shí)由螺釘65及68壓下微動(dòng)開(kāi)關(guān)69及52發(fā)出到位信號(hào),以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。3.2.4 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)頭14的向左或向右(拔刀或插刀)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)是由液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。液壓缸座系固定于機(jī)床立柱上,活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連。當(dāng)活塞桿因液壓缸進(jìn)入高壓油而向左或向右運(yùn)動(dòng)時(shí),通過(guò)聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械手臂作向左或向右運(yùn)動(dòng)。在液壓缸兩端設(shè)有緩沖裝置,可防止活塞與液壓缸端面的撞擊。當(dāng)活塞在左右兩極限位置時(shí),都設(shè)有可調(diào)擋塊,由微動(dòng)開(kāi)關(guān)作用發(fā)出到位信號(hào)。需要提醒的是,既要保證不漏油,又要保證機(jī)械手動(dòng)作靈活。過(guò)緊的密封,往往影響機(jī)械手的正常動(dòng)作。這種液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手,每個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu),以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖結(jié)構(gòu)可以是小孔節(jié)流,可以外接節(jié)流閥或是緩沖閥等。為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠,除了要設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)外,還要考慮盡可能減小機(jī)械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)慣量可由下式確定:J=J0+WR2/9.8 (N.m.s2)式中 J0圓柱體繞其自身中心的慣量(Nms2)W圓柱體的重量(N)R旋轉(zhuǎn)半徑(m)由上式可見(jiàn),慣量與物體重量成正比,與旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比。因此要盡可能采用密度小質(zhì)量請(qǐng)的材料制造有關(guān)的零件,要盡可能的減小機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封,因此還需要緩沖機(jī)構(gòu)。3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 手指夾緊力的計(jì)算:手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算:Nk1k2k3G kgf式中k1安全系數(shù),通常取1.22,我們?nèi)1=1.8; k2動(dòng)載系數(shù),主要考慮慣性力的影響,可按k21a/g估算;a為機(jī)械手在搬運(yùn)過(guò)程中的加速度,單位為m/s2,a9.8m/s2,g為重力加速度,所以這里k2=1;k3方位系數(shù),按機(jī)械工程手冊(cè)(第10卷)表56.2-3選取k3=0.91.1,我們?nèi)3=1.0;G被夾持工件的重量,單位kg,這里G=11kg。則我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手手指的夾緊力為:N1.811.011 kgf = 19.8 kgf3.3.2 齒輪的設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對(duì)位置的不同分為:兩軸相互平行,兩軸相交和兩軸交錯(cuò)(即不平行也不相交)三類(lèi)。用與平行軸傳動(dòng)的有;直齒、斜齒、圓柱齒輪、直齒、斜齒內(nèi)齒輪、直齒、斜齒緣,這些齒輪有稱(chēng)為平面齒輪。用與相交軸傳動(dòng)的有:兩軸線(xiàn)垂直相交和兩軸線(xiàn)相交但不垂直的直齒、圓弧齒、延伸外擺線(xiàn)齒錐齒輪。用與交錯(cuò)軸傳動(dòng)的有:螺旋齒輪、蝸輪蝸桿和軸線(xiàn)偏置的錐齒輪(雙曲線(xiàn)齒輪)這些齒輪又稱(chēng)空間齒輪。齒輪齒形曲線(xiàn)主要采用漸開(kāi)線(xiàn)、其它還有擺線(xiàn)、圓弧線(xiàn)等,由于漸開(kāi)線(xiàn)齒形容易制造,便于安裝,所以大多數(shù)齒輪采用漸開(kāi)線(xiàn)齒形。齒形標(biāo)準(zhǔn):(摘自JB-100-60,JB304-62)齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一,形式很多,應(yīng)用廣泛,傳遞的功率近十萬(wàn)千瓦,圓周速度可達(dá)200m/s。齒輪傳動(dòng)按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對(duì)位置的不同一. 齒輪傳動(dòng)主要特點(diǎn):效率高 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中,以齒輪傳動(dòng)的效率為最高。如一級(jí)圓柱齒輪的效率可達(dá)99%。這對(duì)大功率傳動(dòng)十分重要,因?yàn)榧词剐手惶岣?%,也有很大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下,齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。工作可靠,壽命長(zhǎng) 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪,工作十分可靠,壽命可長(zhǎng)達(dá)一、二十年,這也是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)車(chē)輛及礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用,也就是由于這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高,價(jià)格較貴,且不宜用于傳動(dòng)距離大的場(chǎng)合。齒輪傳動(dòng)可做成開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式。如在農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械以及簡(jiǎn)易的機(jī)械設(shè)備中,有一些齒輪傳動(dòng)沒(méi)有防塵罩或機(jī)殼,齒輪完全暴露在外邊,這叫開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)外界雜物極易侵入,而且潤(rùn)滑不良,因此工作條件不好,輪齒也極易磨損,故只宜用于低速傳動(dòng)。當(dāng)齒輪傳動(dòng)裝有簡(jiǎn)易的防護(hù)罩,有時(shí)還把大齒輪部分地浸入油池中,則稱(chēng)為半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。它的工作條件雖有改善,但仍不能做到防止外界雜物侵入,潤(rùn)滑條件也不算最好。而汽車(chē)、機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的齒輪傳動(dòng),都是裝在精確加工而且封閉嚴(yán)密的箱體(機(jī)匣)內(nèi),這稱(chēng)為閉式齒輪傳動(dòng)(齒輪箱)。它與開(kāi)式或半開(kāi)式相比,潤(rùn)滑及防護(hù)等條件最好,多用于重要的場(chǎng)合。二. 設(shè)計(jì)原則:所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下,必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力,以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí),通常按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí),應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力,而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此,對(duì)齒輪材料性能的基本要求為:齒面要硬,齒芯要韌。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵和一些非金屬材料。三. 設(shè)計(jì)步驟:整個(gè)回轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)180換刀的運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)液壓缸8驅(qū)動(dòng),回轉(zhuǎn)液壓缸的輸出軸上安裝有齒輪99,齒輪41裝在套筒上,回轉(zhuǎn)液壓缸固定在立柱上。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),齒輪99帶動(dòng)齒輪41轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)角的極限位置可由螺釘限定,同時(shí)有微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)發(fā)出到位信號(hào),其運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式為:41/99=Z2/(Z1+Z2)式中41 -回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)角度 99-回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的轉(zhuǎn)角 Z1-齒輪41的齒數(shù) Z2-齒輪99的齒數(shù)由于在這里44=180,99=280,即:180/280= Z2/(Z1+Z2)解得:兩齒輪的齒數(shù)比= Z2/Z1=1.8選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1) 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。2) 換刀機(jī)械手換刀時(shí)速度較高,我們選用6級(jí)精度(GB10095-88)。3)材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS。4)選小齒輪齒數(shù)為Z1=24,大齒輪齒數(shù)Z2=Z1=1.824=43.2,取Z2=43。按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)公式(10-9a)進(jìn)行計(jì)算,即:d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3 1)確定公式內(nèi)各計(jì)算式數(shù)值試選載荷系數(shù)Kt=1.3計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=95.5105P1/n1=95.510530/ 1460N.mm =1.962105N.mm由表10-7選取齒寬系數(shù)d1由表10-6查的材料的彈性影響系數(shù)ZE =189.8MPa1/2由圖10-21d按齒輪齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 Hlim1 =600MPa;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2=550MPa; 由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=6014601(2830015)=6.307109N2=4.147109/3.2=1.296109由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1 =0.91;K HN2=0.94計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式(10-12)得H1= KHN1Hlim1/S=0.91600MPa=546MPH2= KHN2Hlim2/S=0.94550Mpa=517Mpa2)計(jì)算試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入H中較小的值d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3 =2.32(1.31.962105/1)(4.7+1)/4.7(109.8/517)21/3 =80.445mm計(jì)算圓周速度vv=d1tn1/601000=80.4451460/601000m/s=6.15m/s計(jì)算齒寬bb=dd1t=180.445=80.445計(jì)算齒寬與齒高之比b/h模數(shù) mt=d1t/ Z1=80.445/24=3.352齒高 h=2.25mt=2.253.352mm=7.54mmb/h=80.445/7.54=10.67計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)v=6.15m/s,6級(jí)精度,由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù):KV=1.02;直齒輪 ,假設(shè)KAFt/b100N/.由表10-3查得:KH=KF=1.2;由表10-4查得使用系數(shù):KA=1;由表10-4查的7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)分布時(shí),KH=1.12+0.18(1+0.6d2)d2+0.2310-3b將數(shù)據(jù)代入后得KH=1.12+0.18(1+0.612)12+0.2310-380.445=1.75由b/h=10.67, KH=1.75,查圖10-13得KF=1.35;故載荷系數(shù):K=KAKVKHKH=11.021.21.75=2.142按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,由式(10-10a)得d1= d1t(K/Kt)2/3=80.445(2.142/1.3)2/3=95.01 計(jì)算模數(shù)mm=d1/ Z1=95.01/24=3.95按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式(10-5)得彎曲強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)公式為m(2KT1/d Z12)(YFaYSa/F)1/31)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限:FE1=500MPa大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限:FE2=380MPa由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù):KFN1=0.85KFN2=0.88計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù):S=1.4由式(10-12)得F1= KFN1/FE1=0.85500/1.4MPa=303.57Mpa F2= KFN2/FE2=0.88380/1.4MPa=238.86MPa計(jì)算載荷系數(shù)K=KAKVKFKF=11.021.21.35=1.944查取齒形系數(shù)由表10-5 查得:YFa1=2.65YFa2=2.226查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得:YSa1 =1.58YSa2=1.764計(jì)算大、小齒輪的YFaYSa/F并加以比較YFa1YSa1/F1 =2.651.58/303.57=0.01379YFa2YSa2/F2=2.2261.764/238.86=0.01644大齒輪的數(shù)值大。2)設(shè)計(jì)計(jì)算 m(21.9449.948105)/12420.16441/3=2.792對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù),由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力,而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑(即模數(shù)與齒數(shù)的乘積)有關(guān),可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.792并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=3。按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=95.01,算出:小齒輪齒數(shù):z1= d1/m=95.01/3=32大齒輪齒數(shù):z2=z1=1.832=57.6取z2=58這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng),既滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度,又滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,并做到結(jié)構(gòu)緊湊,避免浪費(fèi)。幾何尺寸計(jì)算1) 計(jì)算分度圓直徑d1=z1m=323=96 d2=z2m=583=1742)計(jì)算中心距a= (d1+d2)/2=(96+174)/2=1343)計(jì)算齒輪寬度 b=dd1=196=96驗(yàn)算 Ft =2T1/d1=21.965105/96N=4087.5NKAFt/b=14087.5/96N/=42.58 N/100 N/,合適.另外,機(jī)械手臂的伸出和縮回是通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行的,其設(shè)計(jì)過(guò)程與此相似,由于受篇幅的限制,這里就不再敘述設(shè)計(jì)步驟。3.3.3 軸的設(shè)計(jì)軸是組成機(jī)械的一個(gè)常用的重要零件,它支持著其他轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)架上面,軸承、軸和軸上零件形成一個(gè)組成體,稱(chēng)為軸系。組成軸系的主要零件-軸、軸承、聯(lián)軸器等稱(chēng)為軸系零件。軸設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題:軸的設(shè)計(jì)主要包括:軸的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算等,設(shè)計(jì)軸的主要步驟如下:(1) 根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)總體布局?jǐn)M定軸上零件的位置。(2)選擇軸的材料。(3)初步估計(jì)軸的直徑。(4)進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(5)進(jìn)行軸的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)計(jì)算。(6)校核鍵、軸承、聯(lián)軸器等的強(qiáng)度或壽命。(7)繪出軸系的裝配圖、零件圖等。軸是組成機(jī)械的一個(gè)重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩,同時(shí)它又通過(guò)軸承和機(jī)架聯(lián)接。所有軸上零件都圍繞軸心線(xiàn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),形成了一個(gè)以軸為基準(zhǔn)的組合體軸系部件。一. 軸的總類(lèi):軸按受載情況分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸,其中轉(zhuǎn)軸既支承傳動(dòng)機(jī)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(dòng)力,即只承受彎矩作用;傳動(dòng)軸主要傳遞動(dòng)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(shí)心軸、空心軸等。按幾何軸線(xiàn)形狀分為:直軸、曲軸、鋼絲軟軸。設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)考慮多方面的因素和要求,其中主要問(wèn)題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。對(duì)于高速軸還應(yīng)考慮震動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。二. 軸的常用材料軸的材料種類(lèi)很多,設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求,以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式,同時(shí)考慮制造工藝問(wèn)題加以選用,力求經(jīng)濟(jì)合理。軸的常用材料是35、45、50優(yōu)質(zhì)碳素鋼,對(duì)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(duì)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(guò)整體或表面處理,以及表面強(qiáng)化處理(如噴丸、輥壓、氮化等),以提高其強(qiáng)度(尤其疲勞強(qiáng)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(duì)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?duì)于形狀復(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(lèi)型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運(yùn)輸?shù)葪l件。軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)是盡量減小應(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(duì)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(jì)過(guò)程我們?cè)O(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置中所采用的軸主要作用是既可以在插刀、拔刀時(shí)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手左右移動(dòng),又可在交換刀具時(shí)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng),由于這兩個(gè)動(dòng)作是分離的,我們?cè)谶@里采用花鍵軸。該花鍵軸左端與回轉(zhuǎn)頭固定聯(lián)接,兩個(gè)花鍵套筒通過(guò)軸承安裝在機(jī)床立柱上的回轉(zhuǎn)座內(nèi),齒輪41通過(guò)花鍵套筒安裝在花鍵軸的右端。當(dāng)回轉(zhuǎn)缸通入壓力油而使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)傳動(dòng)齒輪99帶動(dòng)齒輪41轉(zhuǎn)動(dòng),這樣,花鍵軸即可帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng),又由于直線(xiàn)液壓缸活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連,當(dāng)活塞桿因油缸進(jìn)入高壓油而向左或向右運(yùn)動(dòng)時(shí),通過(guò)聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械臂作向左或向右運(yùn)動(dòng)。已知條件:花鍵軸傳遞的功率為:P=30KW;軸的轉(zhuǎn)速為n=1460r/min估算軸徑選擇軸的材料為40Cr,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四卷)表26.1-1查得材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)為: b=750MPa s=550MPa -1=350MPa -1=200MPa根據(jù)表26.3-1公式初步計(jì)算軸徑,由于材料為40Cr,由表26.3-2選取A=100,則得: dmin=A(P/n)1/3=100(30/1460) 1/3=27.3我們選用花鍵軸的尺寸為:Ddb=655610軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖3.8-a)所示:軸上受力分析,如圖3.8-b)所示:軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為:T1=9.55106P/n=9.5510630/1460 N=1.962105 N齒輪的圓周力為:Ft=2T1/d1=21.962105/96 N=4088 N齒輪的徑向力為:Fr= Fttg=4088tg20 N=1488 N圖38求支反力在水平面上的支反力(圖3.8-c):由: MA=0得:RBZaFr(a+b)=0則: RBZ=Fr(a+b)/a=1488(280+80)/280N=1913.14N由: Z=0得:RAZ= FrRBZ=14881913=425N數(shù)值為負(fù)表示方向與圖示方向相反。在垂直面內(nèi)的支反力(圖3.8-e):由: MA=0得:RByaFt(a+b)=0則: RBy=Ft(a+b)/a=4088(280+80)/280N=5256N由: Y=0得:RAy= FtRBy=40885256=1168N數(shù)值為負(fù)表示方向與圖示方向相反。作彎矩和扭矩圖齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖如圖3.8-d所示:MDZ=RAZ(a+b)=425(280+80) N=153000NMDZ=RBZb=191380 N=153000N齒輪的作用力在垂直平面的彎矩圖如圖3.8-f所示:MDy=RAy(a+b)=1168(280+80) N=420000NMDy=RByb=525880 N=420000N齒輪作用力在D截面作出的最大合成彎矩為:Md=(MDZ2+MDy2)1/2=(153000)2+(420000)2 1/2 N=447000 N作出扭矩圖,如圖2.8-g所示:T1=1960000 N軸的強(qiáng)度校核確定危險(xiǎn)截面。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸以及彎矩圖、扭矩圖,截面B處彎矩較大,且具有軸承配合引起的應(yīng)力集中,截面D處彎矩最大,且有齒輪配合與鍵槽引起的應(yīng)力集中,故屬危險(xiǎn)截面。現(xiàn)對(duì)D截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。安全系數(shù)的校核計(jì)算:由于該軸轉(zhuǎn)動(dòng),彎矩引起對(duì)稱(chēng)循環(huán)的彎應(yīng)力,轉(zhuǎn)矩引起的為脈動(dòng)循環(huán)的剪應(yīng)力。彎曲應(yīng)力副為:=MD/WW抗彎截面系數(shù),由公式:W=d4+(Dd)(D+d)2zb/32DW=d4+(Dd)(D+d)2zb/32D=564+(6256)(62+56)2610/3262=20029 MPa所以 =MD/W=447000/20029 MPa=18.091 MPa由于是對(duì)稱(chēng)循環(huán)彎曲應(yīng)力,故平均應(yīng)力m=0,根據(jù)公式26.3-2,S=-1/(K/)+m確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值:-140Cr彎曲對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限,由表26.1-1查得,-1=350MPa K正應(yīng)力有效集中系數(shù),由表26.3-6,用插值法求得:(750700)/(800750)=( K1.60)/(1.65K)得: K=1.625 尺寸系數(shù),由表26.3-11,查得:=0.68 表面質(zhì)量系數(shù),軸按磨削加工,由表26.3-9查得;=0.68代入公式得:S=350106/(1.62518.091/0.920.68)106+0 =7.45剪應(yīng)力副為:m=T1/2WTWT抗扭截面系數(shù),由公式:W=d4+(Dd)(D+d)2zb/16D=564+(6256)(62+56)2610/1662=36182 MPa所以 m=T1/2WT=196000103/236.183 MPa=2.7 MPa由公式26.3-2,S=-1/(K/)+確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值:-140Cr彎曲對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限,由表26.1-1查得,-1=200MPaK彎應(yīng)力有效集中系數(shù),由表26.3-6,用插值法求得:(750700)/(800750)=(K2.45)/(2.55K)得: K=2.5尺寸系數(shù),由表26.3-11,查得:=0.68表面質(zhì)量系數(shù),軸按磨削加工,由表26.3-9查得;=0.68 平均應(yīng)力折算系數(shù),由表26.3-13,查得:=0.29代入公式得:S=200106/(2.52.7/0.920.68)106+0.292.7106=20.32則: Sca=SS/ S2+ S21/2=7.4520.32/ 7.452+20.3221/2=6.99由表26.3-4可知,S=1.32.5故SS,則該軸是安全的。3.3.4 軸承的設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中應(yīng)用廣泛的部件之一,它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。其優(yōu)點(diǎn)主要有摩擦阻力小,功率消耗少,起動(dòng)容易等。一. 軸承的分類(lèi)如果僅按軸承用于承受的外載荷不同來(lái)分類(lèi)時(shí),滾動(dòng)軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承,主要承受徑向載荷的軸承叫做向心軸承;只能承受軸向載荷的軸承叫做推力軸承;能同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。二. 軸承的選用原則軸承的選用,包括類(lèi)型、尺寸、精度、游隙、配合以及支承形式的選擇。首先是選擇軸承的類(lèi)型,在選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要因素有:軸承的載荷、轉(zhuǎn)速和調(diào)心性能、安裝和拆卸等。根據(jù)載荷的大小選用軸承類(lèi)型時(shí),由于滾子軸承中的主要元件是線(xiàn)接觸,宜用于承受較大的載荷,承載后的變形也較小。而球軸承中則主要為點(diǎn)接觸,宜用于承受較輕的或中等的載荷,故在載荷較小時(shí),應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。根據(jù)載荷的方向選擇軸承時(shí),對(duì)于純軸向載荷,一般選用推力軸承;對(duì)于純徑向載荷,一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承;當(dāng)同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷,而軸向載荷不大時(shí),可選用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承,當(dāng)軸向載荷較大時(shí),可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。在一般轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)速的高低對(duì)類(lèi)型的選擇不會(huì)發(fā)生什么影響,只有在轉(zhuǎn)速較高時(shí),才會(huì)有比較顯著的影響。球軸承與滾子軸承相比較,有較高的 極限轉(zhuǎn)速,故在高速時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。軸承的極限轉(zhuǎn)速是在一定載荷和一定潤(rùn)滑條件下,滾動(dòng)軸承所能允許的最高轉(zhuǎn)速,它與軸承類(lèi)型、尺寸、精度、游隙,保持架的材料與結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑的性質(zhì)與用量、載荷的大小與方向以及散熱條件等因素有關(guān)。此外,軸承類(lèi)型的選擇還應(yīng)該考慮軸承裝置整體設(shè)計(jì)的要求,如軸承的配置使用要求、游動(dòng)要求等。三. 軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程根據(jù)以上原則,我們?cè)谠O(shè)計(jì)中,花鍵套筒的支撐我們選用角接觸球軸承,它可以同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷,也可單獨(dú)承受軸向載荷,能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作,由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力,因此,一般成對(duì)使用。且承受軸向載荷的能力與接觸角有關(guān)。接觸角大的,承受軸向載荷的能力也高。成對(duì)安裝的角接觸球軸承,是由兩套相同系列的單列角接觸球軸承選配組成,作為一個(gè)支承整體。按其外圈不同端面的組合分為背對(duì)背方式和面對(duì)面方式兩種,背對(duì)背方式是指一個(gè)支承上的兩個(gè)軸承小口相對(duì),構(gòu)成70000/DB型,面對(duì)面方式是指一個(gè)支承上的兩個(gè)軸承大口相對(duì),構(gòu)成70000/DF型,我們采用70000/DF型。在進(jìn)行壽命計(jì)算時(shí),其基本額定動(dòng)載荷和基本額定靜載荷均應(yīng)取雙列軸承的數(shù)值,如單列軸承的基本額定動(dòng)載荷和基本額定靜載荷分別為Cr、C0r,則成對(duì)安裝的軸承的基本額定動(dòng)載荷為C=i0.7Cr基本額定靜載荷C0=iC0r(其中I為支撐整體中單個(gè)軸承數(shù)),極限轉(zhuǎn)速為單個(gè)軸承的60%80%?;ㄦI軸的D=62,我們選用軸承型號(hào)為7214AC,參數(shù)見(jiàn)下表:軸承型號(hào)dDBar1minCrC0r極限轉(zhuǎn)速(r/min)7214AC701252435.10.669.257.56700其中極限轉(zhuǎn)速是采用油潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)速,若采用脂潤(rùn)滑,極限轉(zhuǎn)速為4500 r/min。軸承的安裝如圖3.9所示:圖3.9已知條件:軸上齒輪受切向力 Ft=4088N,齒輪受徑向力 Fr=1488N,齒輪的分度圓直徑為 d=96,齒輪轉(zhuǎn)速為 n=1460r/min,運(yùn)動(dòng)中無(wú)沖擊,軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 Lh=15000h。成對(duì)安裝的7214AC軸承:基本額定動(dòng)載荷為:C=i0.7Cr= 20.769.2KN=112.4KN基本額定靜載荷為:C=iCr=257.5KN=115KN求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2將軸系部件受到的空間力系分解為鉛垂面(圖3.9-b)和水平面(圖3.9-3c)兩個(gè)平面力系。其中圖3.9-c的Ft是通過(guò)另加轉(zhuǎn)矩而平移到的,指向軸線(xiàn),由分析可知:Fr1V=Fr(280+80)/280=1488360/280N=1913.14NFr2V=Fr- Fr1V=14881913.14=425.14NFr1H=Ft(280+80)/280=4088360/280N=5256NFr2H=Ft- Fr1H=40885256=1168NFr1=(Fr12V+Fr12H)1/2=(1913.142+52562)1/2N=5593.36NFr2=(Fr22V+Fr22H)1/2=(425.142+11682)1/2N=1242.97N求兩軸承的計(jì)算軸向力Fa1和Fa2對(duì)于70000AC型軸承,按機(jī)械設(shè)計(jì)(第七版)表13-7,軸承派生軸向力Fd=0.68Fr則:Fd1=0.68Fr1=0.685593.36N=3803.48NFd2=0.68Fr2=0.681242.97N=845.22N按式(13-11)得:Fa1=Fd2=845.22NFa2=Fd1=3803.48NFa1/C0=845.22/115000=0.0073Fa2/C0=3803.48=0.033求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2:Fa1/Fr1=845.22/5593.36=0.150.68,則: P1=Fr1+0.92Fa1=5593.36+0.92845.22N=6370.96NFa2/Fr2=3803.48/1242.97=3.060.68,則: P2=0.67Fr2+1.41Fa2=0.671242.97+1.413803.48N=6195.69N驗(yàn)算軸承壽命因?yàn)镻1P2,所以按軸承1的受力大小驗(yàn)算:Lh=106(C/P1)/60n=106(112.4103/6370.96)3/(601460)=62687.39hLh故所選軸承可滿(mǎn)足壽命要求。另外,在回轉(zhuǎn)液壓缸中轉(zhuǎn)軸的支承我們選用推力球軸承,型號(hào)為:51207,其基本尺寸為:dDT=356218,基本額定載荷為:Ca=39.2KN,,C0a=78.2KN,極限轉(zhuǎn)速脂潤(rùn)滑時(shí)為2800r/min,油潤(rùn)滑時(shí)為4000r/min,回轉(zhuǎn)液壓缸2的轉(zhuǎn)軸的支承我們選用滾針軸承,其設(shè)計(jì)及驗(yàn)算過(guò)程與角接觸球軸承相似,這里就不再重復(fù)。3.3.5 彈簧的設(shè)計(jì)彈簧是一種彈性元件,它可以在載荷作用下產(chǎn)生較大的彈性變形。彈簧在機(jī)械中的應(yīng)用十分廣泛,主要用于:控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),如:制動(dòng)器、離合器中的控制彈簧,內(nèi)燃機(jī)氣缸的閥門(mén)彈簧等。減振和緩沖,如汽車(chē),火車(chē)車(chē)廂下的減振彈簧,以及各種緩沖器用的彈簧等。儲(chǔ)存及輸出能量,如鐘表彈簧等。測(cè)量力的大小,如測(cè)力器和彈簧稱(chēng)中的彈簧等。一. 彈簧的分類(lèi):按照所承受的載荷的不同,彈簧可以分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等四種;而按照彈簧的形狀不同,又可分為螺旋彈簧、環(huán)形彈簧、碟形彈簧、板簧和平面渦卷彈簧等。螺旋彈簧是用彈簧絲卷繞而成的,由于制造簡(jiǎn)便,所以應(yīng)用最廣。在一般的機(jī)械中,最為常用的是圓柱螺旋彈簧。彈簧材料的許用應(yīng)力及必須按照負(fù)荷性質(zhì)來(lái)確定。彈簧按載荷性質(zhì)分為三類(lèi):類(lèi):受變負(fù)荷作用,次數(shù)在106次以上的彈簧;類(lèi):受變載荷作用,次數(shù)在103105次或沖擊負(fù)荷的彈簧;類(lèi):受變載荷作用,次數(shù)在103次以下的彈簧。彈簧材料是根據(jù)彈簧絲直徑d選擇的,當(dāng)d8時(shí),用碳素彈簧鋼絲組或a組,當(dāng)d10時(shí),用60Si2MnA.最大工作負(fù)荷Pn,類(lèi)彈簧按=0.4b計(jì)算。節(jié)距P是近似值,按表9-7計(jì)算出的自由高度應(yīng)圓整至尺寸參數(shù)系列中的H0推薦值。我們?cè)跈C(jī)械手中所選用的彈簧有圓柱螺旋拉伸彈簧和圓柱螺旋壓縮彈簧。普通圓柱螺旋彈簧的主要幾何尺寸有:外徑D、中徑D2、內(nèi)徑D1、節(jié)距p、彈簧絲直徑d,如圖3.10所示:圖3.10我們所選用的彈簧的規(guī)格如下:編號(hào)彈簧絲直徑d()彈簧中徑D2()節(jié)距P()10.53 21.28 3.07191.682.82230.741.55其中,彈簧1為圓柱螺旋拉伸彈簧,彈簧2、19、23為圓柱螺旋壓縮彈簧。二. 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算彈簧19的設(shè)計(jì)計(jì)算、校核步驟如下:原始條件:最大工作負(fù)荷:pn=11最小工作負(fù)荷:p1=0工作行程:h=5負(fù)荷種類(lèi):類(lèi)端部形式:端部并緊并磨平,支承圈為一圈制造精度:主要參數(shù)的制造精度為2級(jí)彈簧材料:碳素彈簧鋼絲根據(jù)pn,查表9-11,得到彈簧的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3.2所示:表3.2 彈簧
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