本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題題 目目 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件的設(shè)計(jì)鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件的設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院院 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 專業(yè)班級專業(yè)班級 09 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 4 班班 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號號 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 系系 主主 任任 學(xué)院院長學(xué)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(xué)學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)誠信聲明 我謹(jǐn)在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)，凡引用他人的研究成果 均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。設(shè)計(jì)說明書與圖紙均由本人獨(dú)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(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。 聲明人（簽名）： 年 月 日 摘 要 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機(jī)械手 雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞， 不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門 的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。 在機(jī)械加工中，大部分零件都要進(jìn)行多種工序加工。在一般數(shù)控機(jī)床的整 個(gè)加工過程中，真正用于切削的時(shí)間只占整個(gè)工作時(shí)間的 30%左右，其余的大 部分時(shí)間都花在安裝、調(diào)整刀具、裝卸、搬運(yùn)零件和檢查加工精度等輔助工作 上。自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多道工序加工不可 缺少的裝置。為充分發(fā)揮機(jī)床的作用，數(shù)控中心均配有自動(dòng)換刀裝置。 本課題重點(diǎn)在于鏜銑加工中心換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前工業(yè)機(jī)械手主 要用于機(jī)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(diǎn)解決的問題：換刀機(jī)械手部件的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，對關(guān)鍵零件進(jìn)行校核以及尺寸的優(yōu)化選取。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有： （1）設(shè)計(jì)鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件的結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使其 能夠滿足快速，平穩(wěn)，準(zhǔn)確換刀的功能。 （2）完成重要零件的設(shè)計(jì)，主要包括齒輪的設(shè)計(jì)，軸的設(shè)計(jì)，手指的設(shè)計(jì)。使 用 Pro/E 對所有換刀機(jī)械手零件進(jìn)行三維建模，并建立總裝模型。 （3）用 AutoCAD 畫出換刀機(jī)械手重要零部件的二維圖紙。 關(guān)鍵詞：鏜銑加工中心；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；換刀機(jī)械手；伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機(jī)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(jī)械手簡介.1 1.2.2 機(jī)械手的分類3 1.2.3 工業(yè)機(jī)械手研究趨勢.6 1.3 換刀機(jī)械手研究意義7 1.4 設(shè)計(jì)的內(nèi)容和思路7 第 2 章 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手總體設(shè)計(jì).8 2.1 換刀機(jī)械手的工作原理分析8 2.2 機(jī)械手的平穩(wěn)性10 2.3 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性11 2.4 換刀機(jī)械手方案的確定12 第 3 章 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì).12 3.1 手爪部分設(shè)計(jì).12 3.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)13 3.3 機(jī)械手傳動(dòng)方式的選擇14 3.3.1 機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇.14 3.3.2 主軸以及機(jī)械手上下伸縮的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16 3.4 換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇18 第 4 章 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定.19 4.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算19 4.1.1 手指夾緊力的計(jì)算19 4.1.2 手指部分的相關(guān)校核21 4.2 手臂的彎曲變形.23 4.3 軸與機(jī)械手配合部分的直徑的選取25 4.4 機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)26 4.5 設(shè)計(jì)參數(shù)29 第 5 章 總結(jié)與展望30 參考文獻(xiàn)31 致 謝33 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 1.1 選題的背景和意義 機(jī)械制造業(yè)是一個(gè)國家最基礎(chǔ)的行業(yè)，為整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)提供技術(shù)裝備，其 發(fā)展水平是國家工業(yè)化程度的主要指標(biāo)之一。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意 義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的 裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 二、以改善勞動(dòng)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(xiǎn)或根本不可能的， 而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)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(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng) 用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床 的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生 產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)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(jī)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(jìn)行 深水考察，以及操作有毒性的和爆炸性的物質(zhì)時(shí)，都必須利用各種遠(yuǎn)距離操作 設(shè)備。遠(yuǎn)距離操作設(shè)備與普通設(shè)備的主要區(qū)別，在于能夠通過適當(dāng)?shù)纳锲帘?把操作人員與危險(xiǎn)源隔開進(jìn)行操作。作為這種屏蔽的有各種防護(hù)屏、屏蔽箱、 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 2 熱室和其它箱室的壁，有時(shí)亦可采用加大距離的辦法。 機(jī)械手就是這樣一種遠(yuǎn) 距離操作設(shè)備1。 機(jī)械手是由操作人員或程序裝置遠(yuǎn)距離操縱的一種裝置。它包括供模仿人 手的移動(dòng)和關(guān)節(jié)動(dòng)作功能用的操作機(jī)構(gòu)。機(jī)械手通常是由安裝在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的從 動(dòng)臂、安裝在危險(xiǎn)區(qū)外的主動(dòng)臂和穿墻（防護(hù)屏）的連接臂組成。工業(yè)機(jī)械手 是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器 人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu) 造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手 作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā) 展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)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(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn) 已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手 的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然 目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕 危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重 視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控加工中心在工件的一次裝 夾中實(shí)現(xiàn)多道工序加工不可缺少的裝置, 主要由刀庫、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置幾部 分組成。 圖 1-1 加工中心換刀機(jī)械手1 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 1.2.2 機(jī)械手的分類 目前，機(jī)械手尚無通用的分類方法。它們可按不同的特點(diǎn)分，例如，根據(jù) 從動(dòng)臂對于主動(dòng)臂動(dòng)作的模仿程度，主動(dòng)臂上力的再現(xiàn)，用途，從動(dòng)臂與主動(dòng) 臂的連接形式，操作方法，外形等分類。 實(shí)踐中所采用的機(jī)械手可分為四類：1）劍式機(jī)械手；2）機(jī)械傳動(dòng)和密封磁 力機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手；3）電動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)、液壓和氣動(dòng)機(jī)械手；4）特殊機(jī)械手1。 第一類機(jī)械手一般不能完全模仿操作人員的手關(guān)節(jié)的動(dòng)作。但是，由于其 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，因而獲得廣泛應(yīng)用，是通用的機(jī)械手。 第二類機(jī)械手能完全模仿操作人員的手關(guān)節(jié)的動(dòng)作（有七個(gè)和七個(gè)以上的 動(dòng)作）。它比第一類機(jī)械手較為復(fù)雜。由于其操作方便、價(jià)格不太高，所以也 得了廣泛應(yīng)用。磁力機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手比機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手略微復(fù)雜，而且昂貴， 但能保證箱室的完全密封。 第三類機(jī)械手比第二類機(jī)械手更加復(fù)雜而且昂貴。這類機(jī)械手的某些類型 得了廣泛應(yīng)用，尤其是用于操作間與箱室之間要求高度密封，進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作 和主動(dòng)臂作用于從動(dòng)臂的力按比例反射操作的地方。這一類的非模擬機(jī)械手有 杠桿或控制裝置和普通（非隨動(dòng)的）電傳動(dòng)裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了價(jià)格。 第四類機(jī)械手裝有控制裝置，這類機(jī)械手的抓舉能力很大，可用于完成預(yù) 先給定的工序。 其中換刀機(jī)械手也有各種分類： 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線與刀具主軸平行，機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來 進(jìn)行自動(dòng)換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)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(jī)械手部件設(shè)計(jì) 4 圖圖 1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 圖圖 2 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手單臂雙爪回轉(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”送回刀庫的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“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 2 所示。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪，可同時(shí)抓取刀庫及主軸上的刀具，在回 轉(zhuǎn)之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫及裝入主軸，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 所示。 圖圖 3 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手雙臂回轉(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 4 所示： 圖圖 4 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 6 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，另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫取新刀插入機(jī)床 上，如圖 5 所示。 圖圖 5 雙機(jī)械手雙機(jī)械手 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 圖圖 6 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 1.2.3 工業(yè)機(jī)械手研究趨勢 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量，品 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手， 以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用 機(jī)械手。在自動(dòng)換刀裝置的研究上還要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題：如優(yōu)良運(yùn)動(dòng)曲 線選擇、機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠性、換刀復(fù)合凸輪的設(shè)計(jì)，凸輪的精密加工等。 此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)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(yīng)的變更。如位置發(fā)生少許 偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)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(jī)械手研究意義 隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前, 機(jī)械手不 僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學(xué),船舶等領(lǐng)域,同時(shí)也已開始擴(kuò)大到 核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔,醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域 中。如,水下機(jī)器人,拋光機(jī)器人,打毛刺機(jī)器人,擦玻璃機(jī)器人,高壓線作業(yè)機(jī)器 人,服裝裁剪機(jī)器人,制衣機(jī)器人,管道機(jī)器人等特種機(jī)器人以及掃雷機(jī)器人,作 戰(zhàn)機(jī)器人,偵察機(jī)器人,哨兵機(jī)器人,排雷機(jī)器人,布雷機(jī)器人等軍用機(jī)器人都是 機(jī)械手應(yīng)用的典型。機(jī)械手廣泛應(yīng)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(wù)機(jī)器人和家庭用消費(fèi)機(jī)器人將 不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究是數(shù)控加工中心研究的基礎(chǔ)。因此，對具有 理想結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式的換刀機(jī)械手進(jìn)行抓取機(jī)理、操作理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、 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(shè)計(jì)的內(nèi)容和思路 設(shè)計(jì)思路：鏜銑加工中心中的換刀機(jī)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(gè)流程是：機(jī)械手向前伸展，到達(dá)合適位置，抓刀， 然后拔刀，再旋轉(zhuǎn) 180，然后插刀，縮回。 設(shè)計(jì)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(dòng) 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 8 力裝置，通過齒輪齒條帶動(dòng)機(jī)械手的伸縮和抓放），齒輪齒條 1,2（傳動(dòng)裝置） ，機(jī)械手爪（抓刀，拔刀，插刀，松刀），液壓缸 3（動(dòng)力裝置，通過大主軸 帶動(dòng)機(jī)械手和液壓缸 1,2 的機(jī)械手部分上下平移運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)拔刀和插刀的功能） ，大主軸（傳動(dòng)裝置，起到上下平移和繞軸心旋轉(zhuǎn)這 2 個(gè)關(guān)鍵的傳動(dòng)作用）， 液壓缸 4（動(dòng)力裝置，通過齒輪齒條帶動(dòng)大主軸繞軸心的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)換刀的功 能），齒輪齒條 3（傳動(dòng)裝置）。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 2 章 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 本換刀機(jī)械手主要包括抓刀松刀控制裝置、伸縮手爪的傳動(dòng)裝置、拔刀插刀的動(dòng)力傳 動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)換刀的傳動(dòng)裝置這四個(gè)方面的設(shè)計(jì)。制定總體方案，就是在深入調(diào)查和 分析的基礎(chǔ)上，提出所設(shè)計(jì)的工藝設(shè)備方法、運(yùn)動(dòng)和布局、傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)的性能 等方面的方案。這個(gè)總體方案是部件和零件的設(shè)計(jì)依據(jù)，對整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)的影 響很大，是至關(guān)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(shè)備的各項(xiàng)要求，使所定方案技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益高。 圖 2-1 總設(shè)計(jì)圖 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 10 2.1 換刀機(jī)械手的工作原理分析 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局如圖 2-1 所示。本設(shè)計(jì)中，換刀機(jī)械手部件的最大長度 為 1400mm，最大高度為 1200mm，厚度為 175mm。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械手工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，定位 精度高。主要傳動(dòng)部件：大主軸：采用 45 鋼；傳動(dòng)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(dòng)軸：采用 45 鋼；扇形齒 輪和傳動(dòng)齒條軸：齒數(shù)為 21，模數(shù)為 2；液壓缸。 運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式:該換刀機(jī)械手通過液壓缸-帶齒條的傳動(dòng)桿-齒輪-大主軸-連 接塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平方向的 180轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成換刀的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的 另外一個(gè)運(yùn)動(dòng)是通過液壓缸-大主軸-連接塊，帶動(dòng)機(jī)械手臂的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn) 機(jī)械手的拔刀和插刀的運(yùn)動(dòng)。而機(jī)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(dòng)來完成的。 2.2 機(jī)械手的平穩(wěn)性 工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械手工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高。應(yīng)注意其影響 因 圖 2.1 慣性曲線2 素，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 機(jī)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(dòng)、部件松動(dòng)、零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直 接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使 加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)歸路變化，同時(shí)，在保證剛度的前提下，減輕機(jī)械 手運(yùn)動(dòng)件的重量。 （2） 、結(jié)構(gòu)剛度的影響 零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊， 就發(fā)生振動(dòng)。不但降低定位精度，而且降低機(jī)械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提 高機(jī)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(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機(jī)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(qū)動(dòng)源的影響 液壓、氣壓、電壓及油溫波動(dòng)都會降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，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(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性 深入分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。 下面為我們所選工業(yè)機(jī)械手所具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在減速較大時(shí)的情形。 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 12 圖 2.23 運(yùn)動(dòng)特性曲線 按上圖的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)動(dòng)，其減速過程 亦分為等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行，在呈等加速運(yùn)行，而不等減速運(yùn)行時(shí)，由 于速度行程短，故有利于提高機(jī)械手的工作速度。 特點(diǎn)：速度變化基本上連續(xù)，運(yùn)動(dòng)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(jī)械手方案的確定 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凶晕覞櫥饔?，使用壽命長，所以本人在機(jī)械手 的手臂伸縮運(yùn)動(dòng)及手指夾緊運(yùn)動(dòng)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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，所以本人把現(xiàn)有的一種單臂單爪的機(jī)械手改進(jìn)為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單 臂雙爪機(jī)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第 3 章 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 3.1 手爪部分設(shè)計(jì) 手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了雙指的結(jié)構(gòu)，這樣選擇的原因是雙指具有結(jié)構(gòu)簡單， 安裝拆卸方便，抓刀穩(wěn)定快速等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。 圖 3-1 雙指結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 3-1 所示，當(dāng)機(jī)械手伸出的時(shí)候，液壓缸推動(dòng)活塞往前帶運(yùn)動(dòng)，通過扇形 齒輪的傳動(dòng)，齒條軸和手指一起往前運(yùn)動(dòng)，銷釘頂住的擋塊往前滑動(dòng)，當(dāng)滑到 套座的錐形區(qū)域時(shí)，機(jī)械手指開始夾緊，完成抓刀。 3.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) 機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)位置應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這樣可以提高 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，可以提高機(jī)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(shè)計(jì)臂部、腕部和手部結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量使 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 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(dǎo)向裝置不均勻的磨損。在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，偏重對回轉(zhuǎn)軸附加有動(dòng)壓 力，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時(shí)更加明顯，這些都將引起 機(jī)械手的振動(dòng)，嚴(yán)重的會造成卡死。 預(yù)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(jī)械手結(jié)構(gòu)上無法避免偏重，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，盡量減輕偏重對 運(yùn)動(dòng)的影響。 二、加強(qiáng)臂部剛度 提高臂部剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，有利于提高定位精度，故常采用導(dǎo) 向形式來加強(qiáng)定位。 三、改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度 機(jī)械手的緩沖裝置是保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和減少振動(dòng)的主要措施。 機(jī)械沖擊，它是在臂部運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，特別是高速運(yùn)動(dòng)的 機(jī)械手更需要保證加工精度和提高配合。 2、機(jī)械手的緊固件在運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)機(jī)械手手臂的時(shí)候采用了完全中心對稱的機(jī)構(gòu)， 并且通過外殼的固定來保證機(jī)械手手臂的水平，結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。為了適應(yīng) 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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 3-2 手臂結(jié)構(gòu)示意圖 3.3 機(jī)械手傳動(dòng)方式的選擇 3.3.1 機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇 在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的主要有：帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，蝸 桿傳動(dòng)這四種傳動(dòng)方式。它們分別具有以下特點(diǎn)： 一、帶傳動(dòng)： 1、結(jié)構(gòu)簡單，可以傳動(dòng)的中心距較大，傳動(dòng)中不產(chǎn)生震動(dòng)。 2、滑動(dòng)系數(shù)大，傳遞功率較小。 3、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震。 圖 3-3 皮帶傳動(dòng)示意圖4 二、鏈傳動(dòng)： 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 16 1、能夠保證準(zhǔn)確的平均速比。 2、可以作中心距較大的兩輪軸間傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。 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(dòng)的速度較低，傳動(dòng)時(shí)有噪音。 三、齒輪傳動(dòng)： 1、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。如一級圓柱齒輪 的效率可達(dá) 99%。這對大功率傳動(dòng)十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?1%，也有 很大的經(jīng)濟(jì)效益。 2、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。 3、工作可靠，壽命長 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。這對車輛及 礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。 4、傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對傳動(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)。 5、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 的場合。 1、蝸桿 2、渦輪 圖 3-4 渦輪蝸桿傳動(dòng)示意圖5 四、蝸桿傳動(dòng)： 1、渦輪副傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊湊，渦輪箱的外形尺寸較小。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 2、渦輪副傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪音。 3、渦輪副傳動(dòng)是滑動(dòng)摩擦，在傳動(dòng)中摩擦損害較大，因此傳動(dòng)效率較低。采用 自鎖傳動(dòng)時(shí)，效率約為 50%。 考慮到效率，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊等方面，我選擇了齒輪齒條傳動(dòng)作為我 的動(dòng)力傳動(dòng)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(shè)計(jì)的齒輪采用漸開線齒形。 圖 3-5 傳動(dòng)齒輪齒條結(jié)構(gòu)示意圖 3.3.2 主軸以及機(jī)械手上下伸縮的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(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) 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 18 算。 （6）校核鍵、軸承、聯(lián)軸器等的強(qiáng)度或壽命。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)它又通過軸承和機(jī)架聯(lián)接。所有軸上零件都 圍繞軸心 線作回轉(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、一、軸的總類： 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，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、 強(qiáng)度和剛度。對于高速軸還應(yīng)考慮震動(dòng)穩(wěn)定性問題。 二、二、軸的常用材料 軸的材料種類很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對軸的強(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(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(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 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 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 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、三、軸的設(shè)計(jì)過程 我設(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)械手上下移動(dòng)，又可在交換刀具時(shí)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到機(jī)械手在轉(zhuǎn)動(dòng) 180 度的時(shí)候，上方的液壓缸不能跟著主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)裝置 能讓主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持上方的液壓缸不轉(zhuǎn)動(dòng)，而上方液壓缸帶動(dòng)主軸上下伸縮運(yùn) 動(dòng)時(shí)也不會和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置發(fā)生干涉。經(jīng)過查資料，我設(shè)計(jì)了以下結(jié)構(gòu)來保證這一 要求，如圖 3-6 所示。 圖 3-6 手伸縮傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 3.4 換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 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)， 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 20 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)方式都為液壓驅(qū)動(dòng)，用液壓驅(qū)動(dòng)方式來實(shí) 現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下伸縮的動(dòng)作。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 第 4 章 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定 4.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 4.1.1 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： 手指對工件的夾緊力： (4.1)GKKKN 321 式中： 安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取=1.5； 1 K1K 動(dòng)載系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取=1.5； 2 K2K 方位系數(shù)，本設(shè)計(jì)中， 3 KfK/sin5 . 0 3 3 . 02 . 0f 60 則，本設(shè)計(jì)=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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)械手部件設(shè)計(jì) 22 圖 4-1 手指受力分析 得： cNbP/sin)sin2/()sin( 即： (4.4)sin(/sinsin2cbNP 在本設(shè)計(jì)=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(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/PP 實(shí) 本設(shè)計(jì)中取=500N； 實(shí) P 由式(4.2)可得： =697.61N)21sin2/(500 1 P 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸線的距離，這里取mm；R300R 手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)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(shí)際驅(qū)動(dòng)力取=500N，安全。 實(shí)慣 PF 實(shí) P 4.1.2 手指部分的相關(guān)校核 根據(jù)文獻(xiàn)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(yīng)力=70MPa、許用擠壓 應(yīng)力 =140MPa、許用拉應(yīng)力=300MPa； ij 1、手指強(qiáng)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(jī)械手部件設(shè)計(jì) 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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 故危險(xiǎn)截面 A 處的拉應(yīng)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(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 C M 面模量為： 3222 C mm67.11266/ )(6/6/bBHbHBHW 故危險(xiǎn)截面 C 處的拉應(yīng)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(shí)手臂和刀具的干涉，造成機(jī)器的損壞。 手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉(zhuǎn)化為一個(gè)長度為 680mm，寬 460mm，高 20mm 的長方體來計(jì)算， G=mg=7.81068462=487968N=487.968KN488KN 刀具的重量 F=106=60KN 手臂材料的抗拉強(qiáng)度 =460MPa t 屈服強(qiáng)度 =235MPa 鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 計(jì)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(jì)算可知，換刀機(jī)械手的手臂的彎曲非常小，根本不會對實(shí)際工作 造成任何影響，所以是符合要求的。 4.3 軸與機(jī)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(zhuǎn)強(qiáng)度來計(jì)算軸徑 在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常用下面的這個(gè)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(zhuǎn)切應(yīng)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(jì)算截面處的直徑 ,單位為 mm 為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(jī)械手部件設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)速 n 因?yàn)樵?MV-810/A 中,換刀時(shí)間為 2.5s,整個(gè)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的 時(shí)間相等來計(jì)算 所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間s25. 0 10 5 . 2 10 T t 而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過 180 度的時(shí)間也為 0.25s,所以在這個(gè)時(shí)候,它 的轉(zhuǎn)速最大,我們只要用最大轉(zhuǎn)速去計(jì)算軸徑就好了 因?yàn)檩S轉(zhuǎn)過 180 度的時(shí)間為 0.25s,所以轉(zhuǎn)過一 周所用的時(shí)間為 0.5s 所轉(zhuǎn)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(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng) 在轉(zhuǎn) 180 度的時(shí)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 4.4 機(jī)械手轉(zhuǎn)過 180 度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 這個(gè)機(jī)構(gòu)由一般個(gè)液壓缸、齒輪條、齒輪以及連桿組成的，當(dāng)發(fā)出機(jī)械 手交換刀具的信號時(shí)，液壓缸的后腔就通入壓力油，活塞桿推動(dòng)著齒輪條向前 移動(dòng)，使得齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿通過連接塊連 在機(jī)械手上，所以當(dāng)活塞通入壓力油的時(shí)候，機(jī)械手就相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 1）下面我們首先來選擇與計(jì)算液壓缸 由于機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為 2.5s 整個(gè)過程有 10 個(gè)動(dòng)作,按每個(gè)動(dòng)作的 時(shí)間相等來計(jì)算 所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間s25. 0 10 5 . 2 10 T t 即：機(jī)械手轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過 180 度所走的距離 L=mmmms4 .188 8 . 376 360 180 360 180 0 0 0 0 因?yàn)辇X輪齒條是配合的所以 齒輪條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)中也走過 188.4mm 活塞桿的速度為sm t s /7536. 0 25 . 0 4 . 188 設(shè)液壓缸的溶積效魚為，這里取99. 097 . 0 98 . 0 設(shè)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(jī)械手部件設(shè)計(jì) 30 因?yàn)?q=0.8m/s 3 10 所以（28）式如下計(jì)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(jī)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)直齒輪（壓力角為 20 度） 所以1 * a h 所以 =72+ * aaa mhmzhmzdmm 5 . 7315 . 1 因?yàn)樗札X輪做成實(shí)心mmda160 由于這個(gè)齒輪通過連桿與連接盤來傳遞運(yùn)動(dòng)的，所以齒輪做成如下的結(jié)構(gòu)： 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 圖 4-5 大齒輪結(jié)構(gòu) 4.5 設(shè)計(jì)參數(shù) 手架伸縮液壓缸最大行程： 220mm； 手架旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度： 180； 傳動(dòng)齒輪模數(shù)： 6； 傳動(dòng)齒輪齒數(shù) 20。 第 5 章 總結(jié)與展望 本課題根據(jù)鏜銑加工中心換刀機(jī)械手的基本功能要求，對鏜銑加工中心換 刀機(jī)械手部件的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。全文在對換刀機(jī)械手的研究及應(yīng)用 現(xiàn)狀與機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了詳?shù)卣撌觥Ｃ鞔_了換刀機(jī)械手工作原理之后，確定了 換刀機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計(jì)了機(jī)械系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)。運(yùn)用軟件建立 了換刀機(jī)械手的三維模型以及應(yīng)力分析。主要研究工作可以歸納如下： 首先分析了換刀機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景。 （1）提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度 （2）改善勞動(dòng)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(yùn)用 Pro/E 軟件對換刀 機(jī)械手進(jìn)行了三維建模。接著，將各個(gè)部件進(jìn)行了裝配，分析了是否存在干涉 現(xiàn)象。 結(jié)合自己在全自動(dòng)文件柜設(shè)計(jì)過程的研究，并在參閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn) 的基礎(chǔ)上，提出以下相關(guān)工作的展望： 本文設(shè)計(jì)了鏜銑加工中心換刀機(jī)械手部件的機(jī)械系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)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(jī)械手部件設(shè)計(jì) 32 樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的仿真系統(tǒng)；要能夠真正地運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，在設(shè) 計(jì)的過程中還需要對各個(gè)部件進(jìn)行更加詳細(xì)地設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 李劍玲,賀煒，丁毅，王寧俠.一種換刀機(jī)械手卡爪夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)J.組合機(jī)床與自 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