大型加工中心換刀裝置的設(shè)計(jì)含11張CAD圖

大型加工中心換刀裝置的設(shè)計(jì)含11張CAD圖,大型,加工,中心,裝置,設(shè)計(jì),11,十一,cad 目 錄 摘 要 Ⅲ Abstract Ⅳ 第1章 緒 論 1 1.1研究背景與意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 1 1.3主要研究內(nèi)容 2 第2章 加工中心的總體布局 3 2.1水平加工中心技術(shù)條件 3 2.2總體設(shè)備布局 4 2.3臥式加工中心機(jī)械結(jié)構(gòu) 4 第3章 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì) 5 3.1刀具的交換裝置 5 3.1.1自動(dòng)換刀裝置 5 3.1.2 機(jī)械手的種類 6 3.1.3 手爪的選擇 10 3.1.4 刀具的夾持 11 3.2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置 12 3.2.1 手臂的伸縮運(yùn)動(dòng) 12 3.2.2 手爪的開合運(yùn)動(dòng) 14 3.2.3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 15 3.2.4 直線運(yùn)動(dòng) 16 3.3設(shè)計(jì)計(jì)算 17 3.3.1 手爪夾緊力的計(jì)算 17 3.3.2 齒輪的設(shè)計(jì) 17 3.3.3軸的設(shè)計(jì) 22 3.3.4軸承的選擇 27 3.3.5彈簧的選擇 28 第4章 總結(jié)與展望 29 4.1總結(jié) 29 4.2 展望 29 參考文獻(xiàn) 30 致謝 31 27 大型加工中心換刀裝置的設(shè)計(jì) 摘 要 本文首先對大型加工中心換刀裝置的研究背景、研究意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了分析介紹，引出本文的主要研究內(nèi)容與研究方向。并且介紹了可用于加工中心，而非手動(dòng)換刀的機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)和益處。然后簡單介紹一下加工中心的布局，側(cè)重于介紹機(jī)械手換刀的設(shè)計(jì)，其中包含了刀具的交換裝置和機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置。通過介紹換刀裝置中的一些相關(guān)零件的知識(shí)和計(jì)算，闡述出本次設(shè)計(jì)中所選的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，總結(jié)出機(jī)械手在加工中心中所解決的相關(guān)問題，以及未來可以尋求的突破點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：加工中心；換刀裝置；機(jī)械手；相關(guān)問題 Design of tool changer in large-scale machining center Abstract This paper firstly analyzes and introduces the research background, research significance, the status quo at home and abroad of the tool changer of large-scale machining centers, and leads the main research contents and research directions of this paper. It also describes the advantages and benefits of a robot that can be used in a machining center rather than a manual tool change. Then briefly introduce the layout of the machining center, focusing on introducing the design of the robotic tool changer, which includes the tool exchange device and the manipulator drive device. By introducing the knowledge and calculation of some related parts in the tool changer, the selected structural design in this design is explained. Finally, summed up the relevant problems solved by the robot in the machining center, as well as the breakthrough points that can be sought in the future. Key words: machining center；tool changer；manipulator；related questions 第1章 緒 論 1.1研究背景與意義 1952年，發(fā)明了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，極大地改變了許多類型的中小型機(jī)床的自動(dòng)化和效率。第一代加工中心誕生于1958年，它擁有許多工藝（銑削、鉆孔、鏜孔、鉸鏈、攻絲等），大大提高了加工效率。數(shù)控機(jī)床可應(yīng)用于多批次、多類零件加工。除了以上工藝，加工中心還具有如下的功能：自動(dòng)進(jìn)行檢測、自動(dòng)進(jìn)行更換刀具和自動(dòng)進(jìn)行工件更換等，在一定程序上使加工的效率和自動(dòng)化水平更新到了一個(gè)相對較高的水平。通過實(shí)現(xiàn)加工流程的自動(dòng)化，使全自動(dòng)化PR的想法慢慢的變?yōu)榭赡?。因此，加工中心已?jīng)成為工廠自動(dòng)化，系統(tǒng)柔性制造和計(jì)算機(jī)輔助制造中不可缺少的組成部分。加工中心是機(jī)械行業(yè)典型的機(jī)電一體化加工設(shè)備裝置，是一種高新技術(shù)集成度較高的技術(shù)，成為數(shù)字控制機(jī)床的核心部分，一直以來受到世界各國尤其是發(fā)達(dá)工業(yè)國家的密切關(guān)注和重視。由于技術(shù)的快速發(fā)展，加工中心在數(shù)量上和品種上增加很快，在目前的全球機(jī)械設(shè)備加工中越開越引人注目。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 自1952年推出全球第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，多種中小型機(jī)械加工設(shè)備的靈活性變得更加明顯。自動(dòng)化程度和效率都發(fā)生了巨大的變化。數(shù)控機(jī)床由便于修改的加工數(shù)控程序進(jìn)行操作和控制，和用于生產(chǎn)線批量大的由開關(guān)和凸輪控制的專用機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有更大的靈活性，對需要加工的零件品種的實(shí)用性強(qiáng)，可用于多個(gè)品種的加工。對于機(jī)床的幾何圖形的移動(dòng)能力、加工工藝的性能和相關(guān)輔助能力，采用數(shù)字控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)字化的控制操作。由于數(shù)控機(jī)床具有較高的自動(dòng)化成度和較好的加工效果，極大地提高了中小批量產(chǎn)品生產(chǎn)中數(shù)控機(jī)床在整個(gè)機(jī)械加工行的比重，占到了70%-80%的市場份額。數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上的坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能，數(shù)控機(jī)床的效率和產(chǎn)品精度比模板控制和手動(dòng)加工要高。 第一臺(tái)加工中心出現(xiàn)在美國一家名叫卡尼&特雷克（Kearney&Trecker）的技術(shù)公司。什么是現(xiàn)代化的加工中心呢？首先，加工中心是一種能夠基于數(shù)控銑床或數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀的裝備。加工中心能夠自動(dòng)進(jìn)行更換刀具，并能夠自動(dòng)完成對于工件的攻絲、鏜孔、鉸接、銑削、鉆孔等功能。第二，加工中心配有能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)角或者自動(dòng)分度轉(zhuǎn)盤的主軸箱，工件可以在多平面和多角度位置完成多工序加工。第三，如果工作中心在工作臺(tái)上與交換臺(tái)一起加工時(shí)，而另一工件在卸載位置的工作臺(tái)上進(jìn)行裝卸，并不受影響。 對于加工中心的定義是什么？目前，世界上還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，通常認(rèn)為加工中心是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)攻絲、鉸接、鏜孔、銑削、鉆孔等的數(shù)控機(jī)床加工設(shè)備。尤為突出的是，加工中心是一種具有數(shù)控功能的鏜銑車床，可實(shí)現(xiàn)刀具自動(dòng)換刀。這就把加工中心和自動(dòng)換刀數(shù)控車床或者車削中心進(jìn)行了加以區(qū)別。 1.3主要研究內(nèi)容 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，大型機(jī)械加工企業(yè)對自動(dòng)換刀裝置的需求也在不斷增加。該課題主要研究機(jī)械手換刀裝置，主要研究機(jī)械手，它是自動(dòng)更換刀具的核心，將其運(yùn)用到大型加工中心的換刀裝置中也就是此次設(shè)計(jì)的目的所在。通過課題的實(shí)施，對自動(dòng)化有個(gè)進(jìn)一步的了解，初步掌握機(jī)械手的工作原理及其零件的設(shè)計(jì)方法，初步認(rèn)識(shí)和了解大型加工中心的換刀裝置，達(dá)到可以初步設(shè)計(jì)機(jī)械手換刀裝置的目的。 機(jī)械手自動(dòng)換刀的設(shè)計(jì)，是為了提高換刀速度，充分利用好加工中心，而且使用機(jī)械手換刀可以取代人工換刀，降低員工受傷的弊端，以及減小對刀誤差，使生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步的提高。 第2章 加工中心的總體布局 此次的加工中心設(shè)計(jì)是臥式的，它的加工中心的主軸是水平安裝的。水平加工中心刀庫的存放量通常很大，在一些刀具庫中，有的可以放置幾百把刀具。和立式加工中心相比，臥式加工中心的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，占用場地大，而且花費(fèi)比較昂貴。臥式加工中心主要用以對箱體類的器件進(jìn)行加工，尤其對有一些孔和孔系的箱體零件上，以及對型腔和孔與參考（基準(zhǔn)）面有著嚴(yán)苛需求的箱體零件，使部件規(guī)格能夠得到保證，適用于大批量的進(jìn)行制造。 相對于立式加工中心，臥式加工中心的功能比較全面。由此可知，對于在立式加工中心上不能進(jìn)行加工的零件，通常可以在水平加工中心上進(jìn)行制造。水平加工中心如圖2-1所示。 圖2-1 水平加工中心示意圖 2.1水平加工中心技術(shù)條件 水平加工中心的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下所示： 刀具庫的容量： 35把刀具 刀具的最大直徑： 135毫米 刀柄的型號： 40號刀柄 刀具的最大重量： 8千克 機(jī)械手的最大負(fù)載： 230N 換刀時(shí)間： 3秒鐘 選刀的方式： 任意選擇 2.2總體設(shè)備布局 圖2-2 水平加工中心總體設(shè)備布局 2.3臥式加工中心機(jī)械結(jié)構(gòu) （1）主軸組件 對加工中心來說，主軸零件應(yīng)該擁有符合要求的精密度和剛度，能夠滿足傳遞充足的轉(zhuǎn)矩和功率需求，滿足自動(dòng)換刀的需求條件，以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。主軸的軸承采取了具有高剛度和高精密度的高速滾動(dòng)軸承。 對于臥式加工中心來說，根據(jù)進(jìn)給功能，其主軸組件可分為非進(jìn)給主軸、鏜軸進(jìn)給以及閘板進(jìn)給等，大部分采用非進(jìn)給主軸。 （2）立柱 立柱有側(cè)軌式與前軌式。側(cè)面導(dǎo)軌型的立柱簡化了機(jī)床總體設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低了制造的成本，優(yōu)點(diǎn)是有利于與非數(shù)控的臥式鏜銑床形成模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是這種立柱在機(jī)床工作時(shí)的承受力的能力較弱，此外容易使對稱性產(chǎn)生熱變形，從而對機(jī)床加工零件產(chǎn)品的精密度產(chǎn)生較大的影響。相比之下，正面導(dǎo)軌型的立柱結(jié)構(gòu)大部分采用門式，具有良好的受力忍受條件和熱對稱結(jié)構(gòu)，從而具有較廣的應(yīng)用范圍。 （3）工作臺(tái) 對于臥式加工來說，其中心工作臺(tái)可以分為具有數(shù)控回轉(zhuǎn)功能的工作臺(tái)和具有自動(dòng)分度功能的工作臺(tái)。 第3章 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì) 3.1刀具的交換裝置 數(shù)控加工中心的特點(diǎn)與數(shù)控鏜銑床不同，它可以根據(jù)工藝需求對所需刀具進(jìn)行自動(dòng)更換，即自動(dòng)換刀的功能。 3.1.1自動(dòng)換刀裝置 機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置的最主導(dǎo)的工具是機(jī)械手，機(jī)械手的主要作用是把所需刀具從刀庫中選出，然后安裝到主軸上去，然后把所換刀具再送回刀庫。 加工中心的刀具自動(dòng)更換方式可劃分為兩種：無機(jī)械手的換刀方法和有機(jī)械手的換刀方法。對于量型刀具的重型加工機(jī)床或刀柄尺寸小于40號的較小的加工中心，比較適用于無機(jī)械手的換刀方式，其結(jié)構(gòu)比較簡單。除此之外，刀具庫的回轉(zhuǎn)以非切削的方式工作。即在工步與工步之間進(jìn)行。所以，即使刀庫設(shè)置在立柱的頂面上設(shè)置刀具庫，仍然可以消除在車削時(shí)震動(dòng)對刀具庫的影響。 刀庫可以是圓盤型、直線布列式或格子箱式等。在沒有機(jī)械手的情況下，更換刀具的關(guān)鍵是刀具庫的定位精度。為了保證轉(zhuǎn)位精度，刀具庫在進(jìn)行傳動(dòng)鏈間時(shí)的間隙要應(yīng)盡可能去除或減小。為了消除這種間隙，可以使用的技術(shù)有：使用反靠定位、銷定位等方法進(jìn)行準(zhǔn)確定位，利用兩個(gè)結(jié)構(gòu)相互錯(cuò)位的齒輪，具有雙導(dǎo)向的蝸桿蝸輪副，。自動(dòng)更換刀具的動(dòng)作可以在主軸箱與刀庫的配合下運(yùn)動(dòng)完成，圓盤型的刀庫可設(shè)置在立柱主軸箱的一側(cè)或者立柱頂上，也可設(shè)在在主軸箱上或梁端上。具有直線排列式的刀具庫的自動(dòng)換刀過程可由工作臺(tái)和主軸箱進(jìn)行配合完成。刀具庫可位于工作臺(tái)的一端或兩端或工作臺(tái)上方。對于雙工作臺(tái)，其中間可放置格子箱式刀庫。在更換刀具的時(shí)候，大直徑刀具可沿著徑向進(jìn)行取刀，小直徑刀具可沿著軸向進(jìn)行取刀。 對于加工中心的自動(dòng)換刀設(shè)置來說，其一般由刀具庫和機(jī)械手構(gòu)成。自動(dòng)換刀裝置是設(shè)備進(jìn)行工作的核心組成部分，是自動(dòng)更換刀具系統(tǒng)裝置的關(guān)鍵部分。自動(dòng)換刀能不能實(shí)現(xiàn)，提高生產(chǎn)率都有賴于自動(dòng)換刀裝置。因此，各大加工中心制造公司都在這方面展開研究，尋求自動(dòng)換刀更快，更穩(wěn)定的技術(shù)，以至于能在如今這個(gè)激烈的市場中站穩(wěn)腳跟，取得更好的利益。當(dāng)然，自動(dòng)換刀裝置是每一個(gè)加工中心的核心技術(shù)，各個(gè)公司也都有著自己的技術(shù)，極少對外公開，特別是機(jī)械手設(shè)計(jì)的技術(shù)更是關(guān)鍵。 由于機(jī)械手對于更換刀具靈活性很高，而且可以節(jié)省更換刀具的時(shí)間，并減少對刀的誤差。因此，機(jī)械手更換刀具在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手更換刀具過程分解如圖3.1所示： 圖3.1 機(jī)械手的換刀動(dòng)作 3.1.2 機(jī)械手的種類 加工中心的自動(dòng)更換刀具的機(jī)械手種類比較多，每個(gè)機(jī)械制造廠家都有自己所設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手。在加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀具由機(jī)械手自動(dòng)更換，需要快速準(zhǔn)確地更換刀具。由于主軸與機(jī)床刀庫的相對位置之間的距離不一樣，相對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)過程也不一樣，它們通過不同類型的機(jī)械手進(jìn)行處理。常用的機(jī)械手有： ⑴單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 刀具主軸與機(jī)械手的軸平行進(jìn)行擺動(dòng)，在不同的角度，機(jī)械手的手臂都可以自動(dòng)更換刀具。由于機(jī)械手臂上只有一個(gè)夾爪，無論是在主軸上還是在刀庫上，只能通過這唯一的夾爪進(jìn)行刀具選擇并進(jìn)行刀具裝拆。所以，該方式的機(jī)械手手臂換刀時(shí)間比較長。單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示： 圖3.2 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 ⑵單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 圖3.3 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)夾爪，它們在工作中各有分工。其中一個(gè)夾爪只負(fù)責(zé)完成從主軸上取出舊的刀具的任務(wù)，并把舊刀送回刀庫中。另一個(gè)夾爪的任務(wù)是將新刀具從刀庫中選擇出來，并送到主軸上。雙爪機(jī)械手手臂的換刀時(shí)間比單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的換刀時(shí)間短，其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。 ⑶雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的每一個(gè)手臂都只有一個(gè)爪，兩個(gè)爪可以同時(shí)抓取主軸上和刀庫中的刀具，然后將刀具送回刀庫，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)180°后，同時(shí)對主軸上的新刀具進(jìn)行安裝。換刀時(shí)間比上面兩種單臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手都短，是最常用的樣式。雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手如圖3.4-a)所示。這種機(jī)械手也可以用于伸縮雙臂的設(shè)計(jì)中，在裝拆刀具時(shí)，雙臂都能伸縮，可以避免與器械碰撞。如圖3.4-b)所示。 （a） （b） 圖3.4 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 1 雙機(jī)械手 雙機(jī)械手的效果相當(dāng)于兩個(gè)單臂單爪的機(jī)械手在進(jìn)行自動(dòng)換刀具時(shí)相互配合。其中一個(gè)機(jī)械手卸下舊刀具并把舊刀具返回刀具庫，另一個(gè)機(jī)械手則從刀具庫中選出新的刀具并安裝在機(jī)床的主軸上。雙機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖3.5所示： 圖3.5 雙機(jī)械手 2 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 圖3.6 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 這種方式的機(jī)械手的手臂可以以一定的角度進(jìn)行交叉運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中一個(gè)機(jī)械手臂將主軸上不用的刀具卸下來并送回刀具庫，另一個(gè)機(jī)械手則從刀庫中選出刀具并把刀具安裝在主軸上。整個(gè)機(jī)械手臂可繞一軸旋轉(zhuǎn)或沿導(dǎo)軌直線移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主軸與刀具庫之間刀具的更新。該手臂的如圖3.6所示。 3 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 該機(jī)械手臂僅僅在夾具上與前面提到的幾種機(jī)械手臂不同。前面幾個(gè)機(jī)械手臂通過夾緊刀柄的外圓表面從而達(dá)到夾緊刀具的目的，但雙臂端面夾緊式機(jī)械手和它們不同的是通過夾緊刀柄的兩端達(dá)到目的，其工作原理圖如圖3.7所示： 圖3.7 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的工作方式比較簡單，可以從刀庫中選擇所需刀具并將其安裝在主軸上，同時(shí)也可以將不需要的刀具卸下放回到刀庫中，刀具的更換時(shí)間相對較短。本設(shè)計(jì)進(jìn)行換刀所需要的時(shí)間僅為5秒鐘，所以我們選擇雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手進(jìn)行操作。 假如使用不靈活的機(jī)械手臂，當(dāng)機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑較大，如果刀具在刀庫中排得比較密集，則可能碰撞到刀具。使用這種類型的機(jī)械手臂可以在主軸與刀庫之間直接進(jìn)行刀具更換，它適合于刀具編碼式或順序換刀。否則會(huì)導(dǎo)致會(huì)更長的換刀時(shí)間。綜上所述，我們選用可伸縮式雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.1.3 手爪的選擇 1．單臂雙爪式機(jī)械手的手爪 這種方式的機(jī)械手爪采用的鎖刀方式是機(jī)械鎖刀。并且，它是使用彈簧銷式手爪，這樣能保證在換刀過程中，如果所換刀具過大過重時(shí)，不會(huì)把刀具甩出來。在一些比較大型的加工中心中，還有使用機(jī)械加液壓鎖刀的方式。 機(jī)械手手爪的形式有： ⑴彈簧銷式手爪：這種手爪使用比較廣泛，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)傳遞裝置。在自動(dòng)換刀過程中，為了防止刀具被甩出來，采用機(jī)械鎖刀方式，它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 ⑵鉗形杠桿機(jī)械手爪：這種形式的機(jī)械手爪使用也比較廣泛，因?yàn)樗臋C(jī)械手爪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡單，但它抓取刀具時(shí)，需要?jiǎng)恿鲃?dòng)裝置，其傳動(dòng)比較復(fù)雜。 ⑶虎鉗形手爪：這種機(jī)械手爪使用比較少，因?yàn)樵谶@種機(jī)械手爪的夾持工程中，刀具需要加工成它所需的形式，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的刀具，所以使用的比較少。 在這彈簧銷式手爪的工作原理是，刀具通過活動(dòng)銷被彈簧壓靠在固定手爪中，此時(shí)，鎖緊銷被彈簧彈出，壓鎖住活動(dòng)銷，使它不能后退，這就保證了在換刀時(shí)所抓的刀具不會(huì)被甩出來。當(dāng)機(jī)械手準(zhǔn)備抓取刀具時(shí)，主軸伸出端或刀庫上的撞塊會(huì)壓下鎖緊銷，活動(dòng)銷就能移動(dòng)了，這時(shí)，機(jī)械手就可以工作了（抓取或放開刀具）。這種方式在目前市場上還是運(yùn)用的比較廣泛的。 我采用使用機(jī)械鎖刀方法的彈簧銷式手爪。 3.1.4 刀具的夾持 在大型加工中心自動(dòng)換刀裝置中，機(jī)械手抓取刀具的方法有柄式夾持和法蘭式夾持兩種。柄式夾持采用的是軸向夾持方式。法蘭式夾持方式，它的刀具卡盤可以從兩個(gè)機(jī)械手之間轉(zhuǎn)移，通過使用一個(gè)凸緣盤夾緊刀盤（這類凸緣盤帶有凹陷）。其中，法蘭式夾持方式還在刀具卡盤前端設(shè)置了凸緣。 在這里，我們采用第一種柄式夾持方法，刀把型號為BT40。 圖3.8表示為標(biāo)準(zhǔn)刀具卡盤的錐柄，從圖中可知，刀柄的圓柱形部分的V形槽用于械手夾緊。V型槽的右端可以按照所用刀具的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖3.8 刀柄的型式 下面的表3-1是所選刀具的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尺寸數(shù)據(jù)： 表3-1 日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀具刀把的相關(guān)數(shù)據(jù)： 柄部 型號 錐體 螺紋孔 凸緣 D1 L r l1 l2 l3 d1 g d2 t b BT40 44.45 65.4 1 9 30 70 17 M16 19 22.5 16.1 BT45 57.15 82.8 1.2 11 38 70 21 M20 23 29 19.3 BT50 69.85 101.8 1.5 13 45 90 25 M24 27 35.3 25.7 柄部 凸緣 參考 尺寸 型號 L1 W D2 D3 T Y Y1 V d D4 BT40 21 0.12 53 63 25 1.6 1.6 16.6 10 75.679 BT45 26 0.12 68 80 30 3.2 3.2 21.2 12 95.215 BT50 31 0.20 85 100 35 3.2 3.2 23.2 15 119.019 3.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置 本次所設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要是通過液壓缸作用來完成裝拆刀具工作的。根據(jù)所用的結(jié)構(gòu)要求不同，驅(qū)動(dòng)裝置可分為兩種形式，一種是液壓缸固定不動(dòng)，活塞桿直線運(yùn)動(dòng)，另一種是活塞桿固定不動(dòng)，液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)械手的組織結(jié)構(gòu)主要為：機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、開合機(jī)構(gòu)和裝卸刀具直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 3.2.1 手臂的伸縮運(yùn)動(dòng) 回轉(zhuǎn)頭的兩端設(shè)有可以同時(shí)伸展抓取刀具的兩個(gè)對稱分布的機(jī)械手。該伸縮機(jī)構(gòu)由齒輪44和兩根齒條39和45配合、輸出軸47和回轉(zhuǎn)液壓缸1組成。當(dāng)液壓油通過支架6和花鍵軸的通孔進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸時(shí)，使得輸出軸47開始回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得軸上的齒輪44一起回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條39和45作直線往復(fù)移動(dòng)，使得兩個(gè)機(jī)械手一起伸出。通過齒條39和45上的擋塊52的壓向調(diào)整，來限制螺釘?shù)淖罱K位置。這是，微動(dòng)開關(guān)30發(fā)出信號，改變回轉(zhuǎn)液壓缸的油路情況，使得兩個(gè)機(jī)械手臂縮回。 圖3.9 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)外形（一） 圖3.10 機(jī)械手（一） 圖3.11機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置（一） 3.2.2 手爪的開合運(yùn)動(dòng) 機(jī)械臂的頭部設(shè)有固定的爪14和可移動(dòng)的爪18，用來夾持所需刀具。銷軸20上的彈簧桿19支撐著活動(dòng)手爪18的一端，繞著小軸15轉(zhuǎn)動(dòng)。檔桿22在彈簧頂桿3沒有觸碰到擋塊13時(shí)，在彈簧的作用下，檔桿22一端的斜面靠著活動(dòng)手爪18的端部，使得活動(dòng)手爪18被鎖死。當(dāng)擋塊13向左移動(dòng)時(shí)，使得彈簧頂桿3被壓入，這時(shí)，杠桿21在彈簧頂桿3的彈性壓力下作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，杠桿21的一端從活動(dòng)爪18的傾斜端滑動(dòng)至檔桿22的斜面。因此，當(dāng)活動(dòng)手爪18拔刀或插入道具后，刀柄的表面可以使活動(dòng)手爪18輕微地壓縮和打開，從而使機(jī)械手能夠握住或撤回刀柄。同時(shí)，齒條45（或39）上的檔桿被壓在調(diào)節(jié)螺釘上，并且受到限制，而微動(dòng)開關(guān)操作發(fā)出下一動(dòng)作的信號。這時(shí)，設(shè)置在機(jī)床立柱上的固定桿35和機(jī)械手一側(cè)的擋塊就起到了讓活動(dòng)手爪18從自鎖狀態(tài)下松開的作用。支架12中安裝有裝有擋塊13和錐孔盤4的軸9，并且右端用螺紋和端蓋10固定在一起。當(dāng)擋塊13和固定桿35沒有接觸時(shí)，錐孔盤4與鋼珠5處在對立位置，彈簧銷11頂住端蓋10，使得機(jī)械手上的彈簧頂桿3任意伸出和鎖死活動(dòng)手爪18，這時(shí)，錐孔盤4在支架12的端面上緊靠著。當(dāng)機(jī)械手往右移動(dòng)后，錐孔盤4，擋塊13、軸9和壓縮彈簧銷一起往左移動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)錐孔盤4端面上的錐孔和鋼珠5是處于錯(cuò)開狀態(tài)的，而且擋塊13在固定桿35的迫使下旋轉(zhuǎn)，把彈簧頂桿3壓在機(jī)械臂上，使得活動(dòng)手爪18在自鎖狀況下松開。 當(dāng)機(jī)械手進(jìn)行抓取刀具時(shí)，擋塊13離開固定桿35，擋塊13在彈簧1的作用下，被壓回到錐孔盤4和鋼珠5的初始位置上。這時(shí)，活動(dòng)手爪18在彈簧頂桿3的作用下被鎖死，確保了機(jī)械手在選取完刀具后，能穩(wěn)定的夾住刀具。其中零件見圖3.9-圖3.14。 圖3.12 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)外形（二） 圖3.13機(jī)械手（二） 圖3.14 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置（二） 3.2.3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 反轉(zhuǎn)機(jī)械手用于兌現(xiàn)刀具的互換動(dòng)作，由機(jī)械手驅(qū)動(dòng)外形裝置圖可見它由手臂16和回轉(zhuǎn)座51構(gòu)成的。在花鍵軸上安裝固定機(jī)械手臂14，用兩個(gè)花鍵套筒49相連，由兩個(gè)滾動(dòng)軸承支承著，并安裝在機(jī)床立柱上。用花鍵軸套筒將齒輪41安設(shè)在花鍵軸的右端。由圖3.15和3.16可知，回轉(zhuǎn)缸的缸體79和上端蓋86、下端蓋74、定片95采用螺絲釘聯(lián)接，并通過上端蓋整體固定在立柱上?；剞D(zhuǎn)軸90與東片93固定，而且回轉(zhuǎn)軸支承在上下端蓋上。延伸端由花鍵軸部分連接到中心座的齒輪，并將運(yùn)動(dòng)傳達(dá)到手臂上。當(dāng)液壓缸通入高壓油時(shí)，齒輪41在齒輪99的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂14在花鍵軸50驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，由螺釘67和53限制兩個(gè)相對180°的極限位置，并且微動(dòng)開關(guān)在螺釘65和68的驅(qū)動(dòng)下發(fā)出執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作的信號。 圖3.15 回轉(zhuǎn)液壓缸（一） 圖3.16 回轉(zhuǎn)液壓缸（二） 3.2.4 直線運(yùn)動(dòng) 由液壓缸來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)頭14的向左或向右（裝拆刀具）的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓缸座設(shè)置在機(jī)床的立柱上，活塞桿端部的連桿與花鍵軸連接。活塞桿在液壓缸通入高壓油后向左或向右運(yùn)動(dòng)，在連接部分下，讓花鍵軸作直線運(yùn)動(dòng)，并且使回轉(zhuǎn)頭和機(jī)械臂一起向左或向右移動(dòng)。為了防止活塞桿與液壓缸端面承受沖擊，設(shè)有可調(diào)擋塊。當(dāng)活塞桿處于兩極限位置時(shí)，微動(dòng)開關(guān)發(fā)出信號，進(jìn)行調(diào)整。 需要注意的是，僅僅保證液壓缸不泄漏是沒用的，同時(shí)也應(yīng)保證機(jī)械手工作時(shí)的平穩(wěn)性與可靠性。過密密封也會(huì)對機(jī)械手的正常使用有所影響。 為了保證機(jī)械手工作的平穩(wěn)性和可靠性，液壓缸驅(qū)動(dòng)式的機(jī)械手需要在每一次動(dòng)作結(jié)束之前設(shè)置小孔節(jié)流閥、外接節(jié)流閥等緩沖機(jī)構(gòu)。 除了設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)外來保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)性與可靠性外，我們還應(yīng)考慮減少機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)慣量。可由以下公式計(jì)算出： J=J0+WR2/9.8 (N.m.s2) （公式3.1） 式中 J0——圓柱體繞其自身中心的慣量（N·m·s2） W——圓柱體的自身重量（N） R——機(jī)械手回轉(zhuǎn)半徑(m) 由公式3.1可見，運(yùn)動(dòng)慣量與物體的自身重量回轉(zhuǎn)半徑成正比。因此，相關(guān)零部件應(yīng)盡可能的采取低密度高質(zhì)量的原料來制作，同時(shí)，也應(yīng)盡可能的減少機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。 3.3設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 手爪夾緊力的計(jì)算 手爪對制件的夾緊力可由下式算得： FN≥K1K2K3G （公式3.2） 式中K1是安全系數(shù)，通常在1.2～2之間，我們?nèi)1=1.3； K2是工作情況系數(shù)，主要涉及慣性力的影響，可以按照K2=1.1～2.5進(jìn)行估算，或者是按照K2=1+ag 初步計(jì)算。 式中，a為在搬運(yùn)過程中，機(jī)械手的加速度，單位為m/s2，此次設(shè)計(jì)中a＝9.8m/s2,g為重力加速度，大小為9.8m/s2，所以這里k2=1+1=2； k3是方位系數(shù)，由《機(jī)械工程手冊》查得k3=0.9～1.1，我們?nèi)3=0.9; G是被抓取工件的重量，單位是N，這里G=8×9.8=78.4N。 由公式3.2我們可以計(jì)算出這次設(shè)計(jì)的機(jī)械手手爪的夾緊力為： FN=1.3×2×0.9×78.4=183.456N 3.3.2 齒輪的設(shè)計(jì) 1.齒輪傳動(dòng)類別: 根據(jù)機(jī)構(gòu)中兩個(gè)齒輪軸對立位置的不同，齒輪傳動(dòng)分成三個(gè)類型：兩個(gè)軸平行，兩個(gè)軸相交和兩個(gè)軸交錯(cuò)。 用于兩軸平行傳動(dòng)的有：直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)和人字齒輪傳動(dòng)。 用于兩軸相交傳動(dòng)的有：直齒錐齒輪傳動(dòng)、斜齒錐齒輪傳動(dòng)和曲線齒錐齒輪傳動(dòng)。 用于兩軸交錯(cuò)傳動(dòng)的有：交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動(dòng)。 其中，兩軸線平行的傳動(dòng)方式中的齒輪也叫平面齒輪，而在兩軸交錯(cuò)的傳動(dòng)中的齒輪也叫空間齒輪。 齒輪的齒廓主要由圓弧、其它擺線和漸開線組成，由于漸開線齒輪制作和裝拆比較便利，因此，絕大多數(shù)齒輪都是漸開線的。 齒形標(biāo)準(zhǔn)：由《機(jī)械工程手冊》第十卷查得。 齒輪傳動(dòng)為機(jī)械傳動(dòng)中最主要的傳動(dòng)裝置之一，齒輪傳動(dòng)樣式多種多樣，且用途普遍。最大的動(dòng)力傳動(dòng)裝置有十幾萬千瓦，周向轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)200米/秒。齒輪傳動(dòng)根據(jù)組織中的兩個(gè)齒輪軸的相對位置而變化。 齒輪傳動(dòng)主要特點(diǎn)： 在經(jīng)常使用的機(jī)械傳動(dòng)裝置中，齒輪傳動(dòng)具有極高的效率。例如，對于一級圓柱齒輪來說，其效率可到達(dá)百分之九十九，這對于高功率傳輸系統(tǒng)來說是非常重要的。因?yàn)榧词剐侍岣吡税俜种?，也將帶來巨大的?jīng)濟(jì)效益。 齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，在相同的工作前提下，齒輪傳動(dòng)需要的空間一般都比較小。 它的工作壽命長，而且可靠，設(shè)計(jì)制作合理、精確，正常使用和保養(yǎng)較好的齒輪，工作起來性能非常可靠，使用壽命可持續(xù)幾十年之久。這是其它機(jī)械傳動(dòng)的使用時(shí)間無法相比的。 傳動(dòng)比穩(wěn)定。傳動(dòng)比變化不大是傳動(dòng)好壞，穩(wěn)不穩(wěn)定的一個(gè)基本要求。齒輪傳動(dòng)由于具有穩(wěn)定的特性，從而得到非常廣泛地應(yīng)用。 齒輪傳動(dòng)可以分成閉式、半開式和開式三種形式。例如，在簡單的機(jī)器設(shè)備、工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械中，一些傳動(dòng)齒輪不設(shè)置外殼或防塵罩，齒輪完全露出在外部環(huán)境里，這稱為開式齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)方式容易進(jìn)入灰塵和渣滓，導(dǎo)致潤滑效果不良。因此，當(dāng)齒輪工作環(huán)境惡劣時(shí)，開式輪齒比較易于磨損，因此僅適用以低速傳動(dòng)場景。將一個(gè)簡易的保護(hù)蓋加裝在齒輪傳動(dòng)裝置上，有時(shí)還可以把大齒輪部分地浸泡到油池中，這種傳動(dòng)方式稱之為半開式齒輪傳動(dòng)。雖然在這種方式下齒輪作業(yè)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，但仍避免不了外邊雜質(zhì)的入侵，潤滑效果仍然不是最好的。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)床和汽車、等設(shè)備使用的傳動(dòng)齒輪，被安裝在一個(gè)精致密封的外殼中，這種傳動(dòng)形式稱為閉式齒輪傳動(dòng)。與半開式或開式對比，閉式的保護(hù)和潤滑效果是最好的，主要應(yīng)用于一些重要的場合。 2. 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)原則： 在特定的工作環(huán)境下，設(shè)計(jì)的傳動(dòng)齒輪必需擁有充足的工作性能，以擔(dān)保在整個(gè)工作壽命過程中，齒輪不會(huì)產(chǎn)生一些故障。當(dāng)前，在常用的傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)確保齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度兩個(gè)基本準(zhǔn)則來開始設(shè)計(jì)。 在進(jìn)行齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，輪齒表面要具有抗塑性變形、抗粘合、抗點(diǎn)蝕、抗磨損、的能力。齒輪根的抗斷裂能力應(yīng)很高。因此，對于齒輪材料的基本性能要求是：齒芯要具有韌性，齒面必須是硬的。通常齒輪材料有生鐵、鋼和一些非金屬的原料。 3.設(shè)計(jì)步驟： 整個(gè)回轉(zhuǎn)頭反轉(zhuǎn)一百八十度換刀的動(dòng)作是由回轉(zhuǎn)液壓缸8進(jìn)行帶動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)液壓缸的輸出軸上裝有齒輪99，套筒上安置有齒輪41，立柱上固定有回轉(zhuǎn)液壓缸。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸產(chǎn)生移動(dòng)時(shí)，齒輪99驅(qū)動(dòng)齒輪41旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度的極限位置受到螺釘?shù)南薅āＭ瑫r(shí)，微調(diào)開關(guān)下發(fā)信號，齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)過程如下： 1） 齒輪材料的選擇，以及精度等級： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選擇小齒輪原料為45鋼，采用調(diào)質(zhì)熱處理,硬度為220HBS，大齒輪原料也為45鋼，也采用調(diào)質(zhì)熱處理，硬度為180HBS。 這里選用的齒輪傳動(dòng)方式為直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 因?yàn)闄C(jī)械手在進(jìn)行換刀時(shí)，它的換刀速度比較快，所以我們選用的齒輪精度為8級，要求齒輪的表面粗糙度Ra在3.2～6.3μm之間。 2） 確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 因?yàn)檫@對齒輪屬于閉式齒輪傳動(dòng)，而且兩齒輪的齒面硬度都小于350HBS，屬于軟齒面，所有出現(xiàn)的主要失效方式為齒面點(diǎn)蝕。因此，要先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來設(shè)計(jì)計(jì)算，規(guī)定出齒輪的主要參數(shù)，接著再按照彎曲疲勞強(qiáng)度來校核齒輪齒根的彎曲強(qiáng)度。 3） 按齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)： 因?yàn)閮蓚€(gè)齒輪都是鋼制正規(guī)直齒圓柱齒輪，所以求小齒輪分度圓直徑可以用公式計(jì)算得。 d1≥76.433kT1u±1φduσH2 （公式3.3） 上面公式中的一些數(shù)據(jù)計(jì)算： ① 轉(zhuǎn)矩T1可以用以下公式計(jì)算得出： T1=9.55×106Pn1 （公式3.4） 式中，P為傳動(dòng)功率，且P=12KW，n1是使出軸上齒輪99的轉(zhuǎn)速，即n1=1000r/min。所以，有公式3.4可以算出轉(zhuǎn)矩 T1=9.55×106×121000=114600N·mm ② 由《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》查得載荷系數(shù)k=1.8 ③ 確定齒寬系數(shù)Ψd，這邊，小齒輪Z1取28，所以由公式 i=ω1ω2=Z2Z1 （公式3.5） 計(jì)算出大齒輪的齒數(shù)Z2，公式中ω1為回轉(zhuǎn)液壓缸動(dòng)片的回轉(zhuǎn)角度，ω2為機(jī)械手回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)角度，由于這里ω1=280°，ω2=180°，所以可以根據(jù)公式3.5計(jì)算 i=u=ω1ω2=Z2Z1= 280°180°=149 得到，大齒輪齒數(shù)Z2=44，這時(shí)由《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》查的Ψd=,1.1。 ④ 許用接觸應(yīng)力[σH]：由《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》尋得，兩齒輪的接觸疲勞極限分別為σHlim1=570Mpa，σHlim2=540Mpa，安全系數(shù)SH=1.應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可由下面的公式計(jì)算得到： N1=60njLh （公式3.6） 式中，j為齒輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，與之相配合的齒輪的嚙合次數(shù)，Lh是齒輪的使用壽命，假設(shè)我設(shè)計(jì)的齒輪的使用壽命為10年，一年工作200天，一天10個(gè)鐘頭。由公式3.6就可以算出齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N1=60×1000×1×10×200×10=1.2×109 N2=N1i=1.2×109149=7.71×108 根據(jù)上面所算出的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》中，可以查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1，ZN2=1.05，這時(shí)可以由下面的公式計(jì)算出兩齒輪齒面的接觸疲勞許用應(yīng)力： σF=ZNσHlimSH （公式3.7） 所以，由公式3.7計(jì)算得： σH1=ZN1σHlim1SH=1×5701=570Mpa σH2=ZN2σHlim2SH=1.05×5401=567Mpa 因此，由公式3.3可算得小齒輪的分度圓直徑 d1≥76.433kT1u±1φduσH2=76.4331.8×114600×149±11.1×149×5702=75.088mm 所以，模數(shù)m=d1Z1=75.08828=2.68mm，圓整取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=3mm。 4） 兩齒輪相關(guān)參數(shù)的計(jì)算： d1=m×Z1=3×28=84mm d2=m×Z2=3×44=132mm b1=φd?d1=1.1×84=92.4mm 因?yàn)榇簖X輪的齒寬應(yīng)該比小齒輪的齒寬稍微大一點(diǎn)，所以 b2=92.4+5=97.4mm 兩齒輪的中心距為：a=12mZ1+Z2=12×3×28+44=108mm 5） 按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核： 由下面公式計(jì)算出齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，若果σF≤[σF]，就表示該齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度合格。 σF=2KT1bmd1YFYS=2KT1bm2Z1YFYS≤σF （公式3.8） 式中，由《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》可查得齒形系數(shù)YF1=2.58，YF2=2.36；應(yīng)力修正系數(shù)Ys1=1.61，Ys1=1.68；許用彎曲應(yīng)力σFlim1=200MPa，σFlim2=180MPa；安全系數(shù)SF=1.3；彎曲疲勞壽命系數(shù)YN1= YN2=1。由下面的公式可以計(jì)算出兩齒輪齒根的彎曲疲勞許用應(yīng)力： σF=YNσFlimSF （公式3.9） 由公式3.9計(jì)算得：σF1=YN1σFlim1SF=1×2001.3=153.8MPa σF2=YN2σFlim2SF=1×1801.3=138.5MPa 有公式3.8計(jì)算得：σF1=2KT1b1m2Z1YF1YS1=2×1.8×11460092.4×32×28×2.58×1.61=73.6MPa σF2=σF1YF2YS2YF1YF1=73.6×2.36×1.682.58×1.61=70.3MPa 由此可得，σF1﹤[σF]1；σF2﹤[σF]2；所以這兩個(gè)齒輪合格。 6）齒輪的圓周速度驗(yàn)算：按照下面公式 v=Πd1n160×1000=Π×84×100060×1000=4.4m/s，v﹤5，所以選擇的齒輪精度8級合格。 另外，通過出輪齒條的配合運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)過程設(shè)計(jì)與上面的齒輪傳動(dòng)相似，我就不再解釋了。 3.3.3 軸的設(shè)計(jì) 在機(jī)床上，軸起到至關(guān)重要的作用。它支承著其他組件，如齒輪、蝸輪等零件轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)傳達(dá)轉(zhuǎn)矩。它由軸系支承，軸承被放置在箱體或機(jī)架上，軸系由軸承、軸和軸上器件構(gòu)成，而這些部件叫作軸系零件。 軸的設(shè)計(jì)主要包括：軸的原料選擇、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)軸的主要過程如下： （1） 根據(jù)所設(shè)計(jì)軸的工作環(huán)境，選擇適合自己設(shè)計(jì)軸的原料，并規(guī)范出它的許用應(yīng)力大小。 （2） 按扭矩強(qiáng)度估算出所設(shè)計(jì)軸的最小直徑。 （3） 設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)，并繪制出草圖。 （4） 計(jì)算出軸的彎矩和扭矩，并且繪制出受力圖。 （5） 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)，對它的強(qiáng)度進(jìn)行校核。 （6） 繪制軸的零件圖 在機(jī)器中，軸是它的重要組成部分。其它軸上回轉(zhuǎn)零件的運(yùn)動(dòng)都由它支承著，并傳遞轉(zhuǎn)矩，并通過軸承和框架連接。軸上的所有部件都繞軸線回轉(zhuǎn)，形成一個(gè)軸系組合。 1. 軸的總類： 根據(jù)受負(fù)載情況差別，將軸分成轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸，其中心軸只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)軸恰好與心軸相反，它只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩。而轉(zhuǎn)軸就比前面兩種軸更全面了，它結(jié)合了心軸與傳動(dòng)軸的特點(diǎn)，既承受彎矩，同時(shí)也能傳遞轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)軸的軸線形態(tài)不同，軸可以分成曲軸、直軸和軟軸。 其中，直軸按照它的外形形狀的差別，可以分成光軸和階梯軸這兩種形式，其中光軸的形狀比較簡單，它的應(yīng)力集中比較少，而且加工起來比較容易，但由于這種軸上面的零件安裝起來比較復(fù)雜，固定起來也不方便，所以，主要用作為傳動(dòng)軸。階梯軸的設(shè)計(jì)中，每段軸的截面大小都不相同，而這一種設(shè)計(jì)使得各個(gè)軸段的強(qiáng)度比較接近，而且階梯軸上的零部件安裝起來比較簡單，安置起來也比較方便，所以在機(jī)械傳動(dòng)中使用的最為普遍。 綜上所述，這次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的軸的類型為直軸。 2. 軸的常用材料 首先，軸的原料應(yīng)該擁有充足的強(qiáng)度，而且對應(yīng)力匯集不那么敏感，同時(shí)，在剛度、耐磨性和耐腐蝕性方面也得有一定的講求，當(dāng)然，選材也應(yīng)相對廣泛，容易獲得，價(jià)格還得低廉，并且得具有良好的加工性能。 軸通常使用的加工原料為碳鋼和合金鋼。其中，應(yīng)用比較普遍的是經(jīng)過軋制或鍛造過的45鋼，當(dāng)然，球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵也有一定的使用。 碳鋼具有充足的強(qiáng)度，而且它對應(yīng)力匯集不是那么的敏感，方便于使用機(jī)械加工和各類所需的熱處理，材料價(jià)格比較便宜，所以應(yīng)用的最為廣泛。一般機(jī)械傳動(dòng)中的軸，采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼中的30、40、45等鋼材制造，在加工前，都得先進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火熱處理。比較普通的軸或者受力比較小的軸可采取普通碳鋼中的Q235、Q275等鋼材進(jìn)行制造。 與碳鋼對比，合金鋼擁有較好的力學(xué)性能和熱處理性能。但這種材料對應(yīng)力匯集相對敏感，而且材料花費(fèi)也相對高，通常用于制造對強(qiáng)度和耐磨性需求相對高，或者有其它特殊需求的軸的加工。比如，在高速重載情況下的軸，或者要求軸的尺寸和重量較小，但受力比較大的場合中。常用的合金鋼有40Cr、20CrMnTi等。 在應(yīng)力集中方面，合金鋼比較敏感，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)可能的減少應(yīng)力集中，所以，合金鋼也就沒必要采用了。 與合金鋼相比，球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵也具有很高的強(qiáng)度，而且對應(yīng)力匯集也不那么敏感，材料價(jià)格也比較低廉，它的鑄造性也比較好，容易加工出形狀比較復(fù)雜的零件（如曲軸、凸輪軸等），同時(shí)，它的吸振性和耐磨性也比較好，所以應(yīng)用的也比較廣泛。 本設(shè)計(jì)加工軸采用的材料是碳鋼中的45鋼。 3. 軸的設(shè)計(jì)過程 在設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置中所使用的軸的主要功能是，在插入刀具和拉動(dòng)刀具時(shí)，整個(gè)機(jī)械手可以左右移動(dòng)，并且在更換刀具時(shí)可以驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭。因?yàn)檫@兩個(gè)動(dòng)作是不在一塊，所有我可以選則直軸中的花鍵軸。 在換件軸的左端，裝有回轉(zhuǎn)機(jī)械頭，右端通過使用花鍵套筒安裝了齒輪41（如圖3.14所示），軸上的兩個(gè)花鍵套筒，跟軸承配合安設(shè)在機(jī)床的回轉(zhuǎn)座上。在回轉(zhuǎn)液壓缸進(jìn)入高壓油時(shí)，使得轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪99發(fā)動(dòng)齒輪41一塊轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，花鍵軸就可以使得回轉(zhuǎn)頭一塊轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，由于花鍵軸通過連接件與液壓缸的活塞桿連接，液壓缸進(jìn)入高壓油，使得活塞桿向左或向右移動(dòng)，這時(shí)，就連動(dòng)花鍵軸作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而機(jī)械臂和回轉(zhuǎn)頭被帶著向左或向右運(yùn)動(dòng)。 1).按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸徑： 已知的條件有：花鍵軸傳遞的功率為P=12KW，轉(zhuǎn)速n1=1000r/min，因此，按照下面的公式可以估算出軸徑的大小。由于此軸采用的制作材料為45鋼，所以在《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》中可查得材料的C值在107～118之間。 d≥C3Pn （公式3.10） 由公式3.10算得： d≥C3Pn=107~1183121000=24.5~27mm 因?yàn)椋S的加工原料為45鋼，采取的熱處理方式為調(diào)質(zhì)熱處理，而且毛培直徑小于200毫米，所以由《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》查得它的力學(xué)性能參數(shù)為：軸的強(qiáng)度極限σb =637MPa，許用彎曲應(yīng)力[σ-1b]=60MPa。 我們初步估算軸的直徑為25mm，因此，所選花鍵軸的基本尺寸為N×D×d×B=6×60×52×8，其中N表示花鍵軸上鍵的個(gè)數(shù)，D表示軸的大徑，d是軸的小徑，B為花鍵軸上鍵的寬度。 2).軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如（圖3.17-A)所示： 3).花鍵軸上力的分析，如（圖3.17-B)所示： 輸出軸上傳遞的轉(zhuǎn)矩就是所設(shè)計(jì)的花鍵軸上的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^齒輪99和齒輪41傳遞的，所以軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩為：T1=114600N·mm 齒輪41所受的圓周力為： Ft=2T1d2=2×114600132=1736.4N 齒輪41所受的徑向力為： Fr=Ft?tan20°=1736.4×tan20°=632N 4）支反力的求解：支反力在水平面上的受力圖如（圖3.17-C）所示： 其中a=280mm，b=80mm。 當(dāng)ΣMA=0時(shí)，RBZ?a-Fr?a+b=0 RBZ×280-632×280+80=0 RBZ=812.57N 當(dāng)ΣFZ=0時(shí)：RAZ+RBZ=Fr ； RAZ=Fr-RBZ=632-812.57=-180.57N，如果當(dāng)所求出的力為負(fù)數(shù)是，就表示它的實(shí)際受力方向與圖中所標(biāo)的方向相反。 作用在垂直平面內(nèi)的支反力受力圖如圖（圖3.17-E）所示： 當(dāng)ΣMA=0時(shí)，RBY?a-Ft?a+b=0 RBY×280-1736.4×280+80=0 RBY=2232.5N 當(dāng)ΣFY=0時(shí)，RAY+RBY=Ft ； RAY=Ft-RBY=1736.4-2232.5=-496.1N ，表示所受力FAY的實(shí)際受力方向與圖中相反。 圖3．17 4.繪制軸的彎矩圖和扭矩圖 在水平面上齒輪的作用力的彎矩圖如（圖3.17-D）所示： MDZ1=RAZ?a+b=-180.57×280+80=-65005.6N?mm MDZ2=RBZ?b=812.57×80=65005.6N?mm 在垂直平面上齒輪的作用力的彎矩圖如（圖3.17-F）所示: MDY1=RAY?a+b=-496.1×280+80=-178600N?mm MDY2=RBY?b=2232.5×80=178600N?mm 在D截面處齒輪作用力作出的最大合成彎矩為： Md=2MDZ2+MDY2=265005.62+1786002=190062N?mm 軸的扭矩圖，如（圖3.17-G）所示： T1=114600N·㎜ 5.軸的強(qiáng)度校核 根據(jù)圖3.17中受力圖的分析，截面B處的彎矩有點(diǎn)大，有與軸配合引起的應(yīng)力匯集，而截面D處的彎矩最大，具有較高的應(yīng)力集中，屬于危險(xiǎn)截面，所以得對它進(jìn)行強(qiáng)度校核。 安全系數(shù)的校核計(jì)算： 計(jì)算軸截面上的當(dāng)量彎曲應(yīng)力副，由下面的式子計(jì)算： σe=MeW （公式3.11） 式中W表示軸計(jì)算截面的抗彎截面系數(shù)，Me是當(dāng)量彎矩，其中，抗彎截面系數(shù)W的計(jì)算過程如下： W=πd4+D-dD+d2Zb32D=π×524+（60-52）60+522×6×832×60=14472MPa 因此，有公式3.11計(jì)算得 σe=19006214472=13.133MPa，因?yàn)榛ㄦI軸是對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，所以σm=0。 校核截面的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)可由下面的公式進(jìn)行： Sσ=σ-1kσβεσ?σa+φσσm （公式3.12） Sτ=τ-1kτβετ?τa+φττm （公式3.13） 公式中相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算： 在公式3.12和公式3.13中，Sσ是和Sτ分別是在只考慮彎矩或轉(zhuǎn)矩的作用下，軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，σ-1和τ-1分別表示在對稱循環(huán)下原料的彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞極限，ka和kτ是彎曲和扭轉(zhuǎn)的有效應(yīng)力集中系數(shù)，εσ和ετ是絕對尺寸影響系數(shù)，表面質(zhì)量系數(shù)是β，σa和σm分別表示彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的表示符號為τa和C，ψσ和ψτ分別表示彎曲二和扭轉(zhuǎn)的折算系數(shù)。由《機(jī)械設(shè)計(jì)第七版》找得，因?yàn)樵撦S采用的為45鋼，其中σ-1=637MPa，τ-1=155MPa，ψσ=0.2，ψτ=0.1，由插值法求得ka=1.63，kτ=2.4，εσ=0.68，ετ=0.68，β=0.68， τm=τa=T12WT=T14W=1146004×14472=1.98MPa，帶入公式3.12和3.13算得： Sσ=6371.630.68×0.68×13.133+0.2×0=13.7 Sτ=1552.40.68×0.68×1.98+0.1×1.98=14.8 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知，[S]=1.3～2.5 所以S＞[S]，則該軸是安全的。 3.3.4 軸承的選擇 軸承是現(xiàn)代機(jī)械中必不可少的一環(huán)，看似簡單，實(shí)則大有內(nèi)涵。通常情況下，軸承的類型有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩類，滾動(dòng)軸承通常情況下是由內(nèi)外圈、滾動(dòng)體和保持架構(gòu)成的，一般外是不動(dòng)的，它與機(jī)床機(jī)座或者軸承孔安裝在一起，而內(nèi)圈與軸一起作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)軸上載荷的大小，和軸承自身所能承受的載荷大小方向，轉(zhuǎn)速高低和自我調(diào)心能力等，這次設(shè)計(jì)中選用的支承花鍵軸回轉(zhuǎn)的軸承類型為角接觸球軸承，因?yàn)檫@種軸承能承受徑向載荷，同時(shí)也能承受較大的軸向載荷。我選擇的軸承型號為7214AC，下列表中就是它的一些基本參數(shù)。 參數(shù)見下表3.2： 表3.2 軸承7214AC主要參數(shù) 軸承型號 d D B a r1min Cr C0r 極限轉(zhuǎn)速（r/min） 7214AC 70 125 24 35．1 0.6 69.2 57.5 6700 表中，Cr是這種軸承的額定動(dòng)載荷，C0r為額定靜載荷。其中極限轉(zhuǎn)速為油潤滑速度，如果用潤滑油脂，極限轉(zhuǎn)速為4500 r/min。 軸承的安裝如圖3.17所示。另外，在回轉(zhuǎn)液壓缸中，我們選用來推理球軸承，其型號為51207，它的基本額定負(fù)載為：Cr=39200N，C0r=78200N，它的極限轉(zhuǎn)速，如果采用的是油潤滑是4000r/min，若果是潤滑脂潤滑，它的極限轉(zhuǎn)速為2800r/min。 3.3.5 彈簧的選擇 彈簧，大家都或多或少的有所接觸。通常情況下，我們所使用的彈簧都是由彈簧鋼絲制作而成，因?yàn)橹圃旌唵?，所以被大家廣泛使用。 這次設(shè)計(jì)中，我所選用的彈簧的規(guī)格如下標(biāo)： 表3.3 彈簧規(guī)格表 編號 彈簧絲直徑d（㎜） 彈簧中徑D2（㎜） 節(jié)距P（㎜） 1 0.5 3 2.5 2 1.2 8 3.07 3 1.6 8 2.82 4 0.7 4 1.55 其中，彈簧1為圓柱形螺旋拉伸彈簧，彈簧2、3、4為圓柱形螺旋壓縮彈簧。 而我主要使用的是編號3這種圓柱螺旋壓縮彈簧。它的主要相關(guān)數(shù)據(jù)如下表3.3： 表3.3 彈簧3的相關(guān)數(shù)據(jù) 彈簧鋼絲直徑d（mm） 彈簧 中經(jīng) D2（mm） 結(jié) 距 P （mm） 最大工作負(fù)荷 Pn （kg） 軸向 載荷 Fn 理 論 剛度Pd’ 長度 l 彈簧 內(nèi)徑 D1 (mm) 1.6 8.0 2.84 11.354 8.87 12.8 25.12 6.0 第4章 總結(jié)與展望 4.1總結(jié) 通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我對大型加工中心換刀裝置有了進(jìn)一步的了解。首先通過自己收集相關(guān)資料，和與指導(dǎo)老師的交流中，對加工中心換刀裝置和機(jī)械手進(jìn)行了探討與了解，完成了相關(guān)理論知識(shí)的分析與學(xué)習(xí)，同時(shí)也對其設(shè)計(jì)有了初步的計(jì)算。當(dāng)然，根據(jù)課題的要求，設(shè)計(jì)機(jī)械手換刀裝置時(shí)運(yùn)用了相關(guān)繪圖軟件，解決了以下幾個(gè)工作： 1、 完成了加工中心自動(dòng)換刀裝置的核心部件——機(jī)械手的設(shè)計(jì)。 2、 設(shè)計(jì)出的內(nèi)容包括機(jī)械手總裝圖、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)外形的設(shè)計(jì)和機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。 這次設(shè)計(jì)，還總結(jié)出來了國內(nèi)外的自動(dòng)換刀裝置的技術(shù)差異與特點(diǎn)。與國外產(chǎn)品相比，技術(shù)上還是有明顯差距的，主要變現(xiàn)在換刀速度、刀庫以及機(jī)械手的定位精度和精度保持性能上。刀到刀。切削到切削以及切屑到切屑換刀時(shí)間和國外先進(jìn)國家還是有著明顯的差異的。相比于國外的產(chǎn)品，國內(nèi)的自動(dòng)換刀裝置的機(jī)械制造及其加工工藝，以及數(shù)控方面的技術(shù)研究還較為薄弱，限制了自動(dòng)換刀裝置的創(chuàng)新與發(fā)展。總而言之，我國在自動(dòng)換刀裝置方面的研究方面，要針對自己的不足點(diǎn)進(jìn)行研究，聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的廠家進(jìn)行科研探討，提高我國自動(dòng)換刀裝置的整體水平，解決現(xiàn)有的問題，盡快趕上國外先進(jìn)水平。 4.2 展望 首先，從國產(chǎn)的數(shù)控加工中心的程度出發(fā)，總結(jié)出國內(nèi)外自動(dòng)換刀裝置現(xiàn)狀，分析出國內(nèi)自動(dòng)換刀裝置目前存在的相關(guān)問題和發(fā)展方向，針對自己的薄弱方向加強(qiáng)科研突破，認(rèn)真學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)。 根據(jù)自動(dòng)換刀裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，可以說，我國