裝配圖換刀機械手設(shè)計,裝配,圖換刀,機械手,設(shè)計 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 第 1 章 緒論 .................................................................................................................................................2 1.1 加工中心換刀機械手設(shè)計的目的及意義 ................................................................................................2 1.2 換刀機械手的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................................................................2 1.3 研究的主要內(nèi)容 ........................................................................................................................................3 第 2 章 總體方案設(shè)計與論證 .......................................................................................................................5 2.1 加工中心換刀機械手的設(shè)計要求 ............................................................................................................5 2.2 初步設(shè)計方案 ............................................................................................................................................5 2.2.1 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu) ...............................................................................................................5 2.2.2 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu) ...............................................................................................................6 2.3 方案的確定 ................................................................................................................................................8 2.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析 ............................................................................................................................................9 2.4.1 設(shè)計參數(shù) ...........................................................................................................................................9 2.4.2 自由度分析及各自由度的實現(xiàn) .......................................................................................................9 2.4.3 加工中心換刀機械手的組成 .........................................................................................................10 2.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................................................11 第 3 章 換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定 ..............................................................................................13 3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 ..............................................................................................................................13 3.1.1 手指夾緊力的計算 .........................................................................................................................13 3.1.2 手指部分的相關(guān)校核 .....................................................................................................................15 3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計 ..............................................................................................................................17 3.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 .............................................................................................17 3.2.2 材料的選擇 .....................................................................................................................................18 3.3 手臂伸縮液壓缸設(shè)計 ..............................................................................................................................19 3.3.1 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 .............................................................................................19 3.3.2 流量及流速的確定 .........................................................................................................................21 3.4 手架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 ..................................................................................................................................22 3.4.1 手架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 .........................................................................................................................22 3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的選擇 .............................................................................................................25 3.4.3 單級圓錐齒輪的設(shè)計與校核 .........................................................................................................26 3.5 手架伸縮液壓缸的設(shè)計 ..........................................................................................................................33 3.5.1 手架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 .............................................................................................33 3.5.2 材料的選擇 .....................................................................................................................................33 3.5.3 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核 .....................................................................................................34 3.6 本章小結(jié) ..................................................................................................................................................35 第 4 章 控制部分的設(shè)計 ............................................................................................................................36 4.1 液壓缸的流量、流速及壓力 ..................................................................................................................36 4.2 確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號 ..........................................................................................37 4.3 各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計 ......................................................................................................................38 4.4 液壓系統(tǒng)回路 ..........................................................................................................................................39 4.5 旋轉(zhuǎn)軸控制線路 ......................................................................................................................................40 4.6 技術(shù)難點 ..................................................................................................................................................41 4.7 本章小結(jié) ..................................................................................................................................................41 結(jié)論 ..............................................................................................................................................................42 致謝 ..............................................................................................................................................................43 參考文獻 ......................................................................................................................................................44 致 謝 ........................................................................................................................................................1 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 第 1 章 緒論 1.1 加工中心換刀機械手設(shè)計的目的及意義 本設(shè)計主要是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運動的基礎(chǔ)上， 為加工中心換刀機械手的研究提供幾種新的設(shè)計方案，并通過論證分析，選擇其中一種 比較理想可行的方案進行設(shè)計計算，以達到準確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿 足加工中心換刀機械手各種運動要求的同時，本設(shè)計也在一定程度上簡化了換刀機械手 的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機械手的加工制造過程。 1.2 換刀機械手的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，我國對機床的需求量大增。同時，經(jīng)過多年 的努力，我 國 數(shù) 控 機 床 的 開 發(fā) 水 平 也 有 了 很 大 進 步 ， 數(shù) 控 機 床 的 品 種 和 質(zhì) 量 均 比 以 往 有 所 提 高 ， 部 分 機 床 制 造 主 導 廠 還 開 發(fā) 出 具 有 相 當 水 平 的 數(shù) 控 設(shè) 備 。 但是， 通過有關(guān)部門給出的資料，只要作進一步的分析與了解，我們就會發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)數(shù)控機床 在消費量的臺數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價格相對便 宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少， 而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)， 高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國 外進口的 [1]。這也說明由 于 技 術(shù) 發(fā) 展 的 不 平 衡 ， 在 多 種 條 件 制 約 下 ， 目 前 我 國 數(shù) 控 機 床 的 整 件 技 術(shù) 水 平 與 國 際 先 進 水 平 相 比 還 有 一 定 距 離 ， 部 分 高 性 能 、 高 速 、 高 精 度 的 數(shù) 控 機 床 仍 需 要 依 靠 海 外 進 口 。 功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影 響著數(shù)控機床整機的技術(shù)水平和性能，也制約著主機的發(fā)展速度。而換刀機械手則是加 工中心穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮 高效、可靠的加工性能的重要因素。沒有換刀機械手，就不可能有集中工序進行加工的 加工中心。有資料顯示，刀庫和機械手的故障率約占整機故障率的 25%[1]。所以說，換 刀機械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機床整機的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。 加工中心是備有刀庫，并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工的一種功能較全 的數(shù)字控制機床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個 國家設(shè)計、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標志的一個方面 [2]。加工中心 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 中實現(xiàn)刀庫和機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備 一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。自動換刀裝置可幫助數(shù)控機床節(jié)省輔助時間， 并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫和換刀機構(gòu)組成。 作為自動換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時間短，重復定位精度高，刀具儲存量足夠， 所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點 [3]。 換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機床的工作效率和工作可靠性有著 直接影響。加工中心的自動換刀形式可分為無機械手換刀方式和有機械手換刀方式兩大 類。無機械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運動到的位置，同時，刀庫中 刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無機械手換刀方式是由刀庫和機床主軸 的相對運動實現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但換刀時間要長。目前，加工中心 的自動換刀裝置大都采用有機械手換刀方式，因為有機械手換刀裝置在刀庫的配置、與 主軸的相對位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機械手數(shù)量和換刀形式比較隨意，換刀 時間比較短，應(yīng)用廣泛 [4]。換刀機械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等， 而常用雙臂式機械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等 [2]。 加工中心換刀機械手作為數(shù)控機床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機床 制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國外 BT40 的換刀時間已達到 0.9 秒，BT50 的 換刀時間也達到了 1.5 秒左右，國內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機械手和用于五軸 聯(lián)動的換刀機械手的研究。 加工中心換刀機械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸與彈簧 夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。機械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時還應(yīng)使 機械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點，以適應(yīng)不同類型機床的換刀空間 [4]。隨著機 械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機械手的需求量會越來越大。 1.3 研究的主要內(nèi)容 加工中心換刀機械手的設(shè)計是在實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn) 運動的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其準確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計得主要內(nèi)容如下： 1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)、 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu)的設(shè)計提出幾種新的方案，并通過對所提出方案的論證分析， 選擇一種較為理想的方案進行具體的設(shè)計。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 2、對所選設(shè)計方案中換刀機械手的組成機構(gòu)及各個自由度運動的實現(xiàn)進行分析。 3、對加工中心換刀機械手的手指夾緊力進行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進行校 核，以保證換刀的可靠性。 4、確定各個運動的驅(qū)動機構(gòu)。 5、對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個活 塞桿的強度、穩(wěn)定性以及螺栓的強度進行校核，以保證加工中心換刀機械手能夠穩(wěn)定、 可靠的完成換刀過程。 6、對設(shè)計中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸后，要進行安全校核。 7、設(shè)計出加工中心換刀機械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 第 2 章 總體方案設(shè)計與論證 2.1 加工中心換刀機械手的設(shè)計要求 設(shè)計加工中心換刀機械手，使其實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn) 運動，并設(shè)計出它的傳動控制部分，以保證加工中心換刀機械手能夠準確、穩(wěn)定、快速、 可靠的完成換刀過程。 2.2 初步設(shè)計方案 2.2.1 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu) 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 [5]，所以在以下幾種設(shè)計方案中， 手臂伸縮運動及手指夾緊運動都采用液壓的驅(qū)動方式。并且由于兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙 爪機械手的兩手可伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫中其他刀具干涉，所以，以下 2 種 設(shè)計方案中的換刀機械手都為兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手。 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅰ 在此方案中，加工中心換刀機械手四個手指的運動分別由四個液壓缸單獨控制，這 使得它運動的靈活性很強，其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。 圖 2.1 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)Ⅰ 工作原理：當手架旋轉(zhuǎn) 75°到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸 1 和 1′工作，當兩液壓缸的活塞運動到設(shè)計位置后，進油腔油壓力升高，壓力繼電器開 關(guān)動作，并發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2、3、 2′以及 3′工作，手指開始夾緊。 當手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手架伸出指令，開 始拔刀動作。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時手指夾緊液壓缸 2、3 和 2′、3′反行程運動，當活塞運動到初始位置后，手指恢復到原位置，當進油腔內(nèi)油壓 力升高后，壓力繼電器開關(guān)動作，發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸 1 和 1′開始動作，當手 臂縮回到初始位置后，活塞不再運動，手臂伸縮液壓缸進油腔內(nèi)油壓力升高，即發(fā)出手 架復位指令。 3、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅱ 此方案在結(jié)構(gòu)和原理上都與前一種方案相似，不同的是它綜合了方案Ⅰ的各自優(yōu)點， 每側(cè)都由一個液壓缸驅(qū)動兩個手指運動，即實現(xiàn)了運動的靈活性又使它在結(jié)構(gòu)上比較簡 單，其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。 圖 2.2 手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)Ⅱ 工作原理：當手架旋轉(zhuǎn) 75°到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，液壓缸 1 和 1′工 作，當兩液壓缸的活塞運動到設(shè)計位置后不再運動，進油腔油壓力升高，壓力繼電器開 關(guān)動作，發(fā)出手指夾緊指令，手指夾緊液壓缸 2 和 2′工作，由活塞桿推動手指運動， 手指開始夾緊。當手指夾緊工件后，手指夾緊液壓缸的進油腔內(nèi)的油壓力升高，發(fā)出手 架伸出指令，開始拔刀動作。 手架在插刀動作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時液壓缸 2 和 2′反行程工作，當 活塞運動到初始位置后，手指恢復到原位置，同時發(fā)出手臂縮回指令，液壓缸 1 和 1′ 開始動作，當手臂縮回到初始位置后，活塞不再運動，手臂伸縮液壓缸進油腔內(nèi)油壓力 升高，即發(fā)出手架復位指令。 2.2.2 手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機構(gòu) 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅰ 此方案的主要特點是，手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮液壓缸之間通過一對角接觸球軸承來 連接，由這對軸承向旋轉(zhuǎn)軸傳遞活塞桿的推力和拉力，實現(xiàn)手架的伸縮運動，并且保證 手架旋轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時也不會干擾到手架伸縮液壓缸。手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，通 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 過滑鍵與圓錐齒輪相連，這樣就可以使手架旋轉(zhuǎn)運動與手架的伸縮運動之間互不干擾。 對于手架的旋轉(zhuǎn)運動，則采用電動機驅(qū)動方式，用延時繼電器控制電動機的起、停時間， 并由單級圓錐齒輪將電動機的運動傳遞給手架旋轉(zhuǎn)軸，這在一定程度上簡化了加工中心 換刀機械手的機械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。 工作原理：當加工中心發(fā)出換刀信號后，控制小齒輪軸運動的電動機 M 啟動，通過 單級圓錐齒輪帶動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75°到達工作位置后，電動機 M 停止 工作，并發(fā)出手臂伸縮和手指夾緊信號。 當手臂伸縮和手指夾緊動作完成后，即發(fā)出拔刀信號，手架伸縮液壓缸動作，開始 拔刀動作過程。當手架伸縮液壓缸活塞運動到設(shè)計位置時，拔刀動作完成，電動機 M 啟動，手架開始旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)主軸刀具與刀庫刀具的互換動作。 當手架旋轉(zhuǎn) 180°后，發(fā)出插刀動作信號，手架伸縮液壓缸開始反行程動作。插刀 動作完成后，又依次完成手指松開和手臂縮運動。 當手臂縮回動作完成后，發(fā)出手架復位指令。電動機 M 啟動并反轉(zhuǎn)，帶動手架旋 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在反向旋轉(zhuǎn) 75°后，電動機 M 停止工作，手架恢復到初始位置，等待下一 次換到指令。 2、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Ⅱ 此方案的主要特點是采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)加工中心換刀機械手的拔刀和插刀動作。對 于這種機構(gòu)，只要設(shè)計好凸輪的輪廓曲線以及凸輪的轉(zhuǎn)速，就可實現(xiàn)預(yù)期的各種運動， 其結(jié)構(gòu)如圖 2.4 所示。 圖 2.3 機構(gòu)Ⅰ 圖 2.4 機構(gòu)Ⅱ 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 工作原理：當加工中心發(fā)出換刀信號后，由電動機帶動凸輪從 A 點位置開始旋轉(zhuǎn)， 在凸輪開始旋轉(zhuǎn)的同時，控制小齒輪軸運動的電動機 M 也啟動，通過單級圓錐齒輪帶 動手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75°到達工作位置后，電動機 M 停止工作，并發(fā)出 手臂伸出和手指夾緊信號，此時凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。當手臂伸出和手指夾緊動作完成后，準 備拔刀，此時，手架旋轉(zhuǎn)軸與凸輪的接觸點 E 恰好到達凸輪上的 B 點位置。凸輪繼續(xù)旋 轉(zhuǎn)，隨著凸輪上 C 點向 E 點的逼近，手架伸出，開始拔刀動作過程。 當 C 點與 E 重合后，拔刀動作完成，此時手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點 a 觸動行程開關(guān) 1， 發(fā)出手架旋轉(zhuǎn) 180°的信號，電動機 M 啟動，手架開始旋轉(zhuǎn)。此時凸輪仍在運動，但由 于 C→ D 段上各點到凸輪旋轉(zhuǎn)軸心的距離相等，所以能夠保證手架在此過程中不發(fā)生伸 縮現(xiàn)象。 當手架旋轉(zhuǎn) 180°后，凸輪上的 D 點與 E 點位置重合，開始插刀動作過程。當凸輪 上的 F 點到達 E 點位置后，插刀動作結(jié)束。手架旋轉(zhuǎn)軸上的觸點 b 觸動行程開關(guān) 2，發(fā) 出手指松開和手臂縮回指令。 當手臂縮回動作完成后，發(fā)出手架復位指令。電動機 M 啟動并反轉(zhuǎn)，帶動手架旋 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn) 75°后，電動機 M 停止工作，帶動凸輪轉(zhuǎn)動的電動機也停止工作， 凸輪停止轉(zhuǎn)動。此時，凸輪上的 A 點又與 E 點重合，手架恢復到初始位置，等待下一次 換到指令。 此種機構(gòu)如果設(shè)計出適當?shù)耐馆啓C構(gòu)便可是從動件實現(xiàn)預(yù)期的運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、 緊湊。 2.3 方案的確定 圖 2.2 所示的加工中心換刀機械手手臂伸縮和手指夾緊機構(gòu)中，手臂伸縮和手指夾 緊運動都分別由單獨的液壓缸進行控制，這使得它們的靈活性都很好，但由于圖 2.1 中 所示的機構(gòu)中，手指部分的結(jié)構(gòu)都比較復雜，而且手指部分的整體也質(zhì)量比較大，這就 會使手臂伸縮液壓缸的負載很大。為保證活塞桿的強度和穩(wěn)定性，需要將手臂伸縮液壓 缸的尺寸設(shè)計得大一些，那么手架旋轉(zhuǎn)軸的負載也會變大，使得加工中心換刀機械手的 整體結(jié)構(gòu)不會很緊湊，占用的空間也較大。所以，圖 2.2 所示的手臂伸縮和手指夾緊機 構(gòu)比較理想一些。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 圖 2.3 和圖 2.4 所示的手架伸縮和手架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽， 并通過滑鍵與圓錐齒輪相聯(lián)接。這樣就使得手架的多次旋轉(zhuǎn)運動與拔刀和插刀運動互不 干擾，并且可以使加工中心換刀機械手的整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但圖 2.4 所示的機構(gòu)由 于采用了凸輪機構(gòu)，為保證準確換刀，就需要精確的計算出凸輪的旋轉(zhuǎn)速度和凸輪的輪 廓曲線，同時還要精確的控制電動機 M 的起、停時間。尤為重要的是：本設(shè)計中凸輪 與從動件之間為點接觸，并且凸輪需要承受工件、手指、手臂及手架旋轉(zhuǎn)軸等的整體重 量，這會使凸輪極容易磨損，從而大大縮短它的使用壽命。故選用圖 2.3 所示機構(gòu)會比 較理想一些。 通過以上分析，本設(shè)計最終選定由圖 2.2 所示的手臂伸縮和手指夾緊機構(gòu)和圖 2.3 中所示的手架伸縮和手架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成加工中心換刀機械手進行具體的設(shè)計。 2.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析 2.4.1 設(shè)計參數(shù) 手架伸縮液壓缸最大行程： 110mm； 手臂伸縮液壓缸最大行程： 60mm； 手指夾緊液壓缸最大行程： 10mm； 夾持工件質(zhì)量： 8kg； 換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180°； 換刀機械手復位角度： -75°； 2.4.2 自由度分析及各自由度的實現(xiàn) 分析自由度的坐標形式有：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式以及關(guān)節(jié)坐標式等 等 [6]，本設(shè)計中采用直角坐標式對加工中心換刀機械手的自由度進行分析，如圖 2.7 所 示。分析過程如下： (1) 手指夾緊運動( )：由手指夾緊液壓缸控制實現(xiàn)，通過活塞桿推動或拉動手指Y 部分的連桿機構(gòu)實現(xiàn)手指的夾緊或松開。 (2) 手臂伸縮運動 ( )：由伸縮式液壓缸控制實現(xiàn)。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 (3) 手架伸縮運動( )：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運動，能實現(xiàn)換刀機械手Z 的拔刀和插刀動作。 (4) 手架旋轉(zhuǎn)運動( )：由電動機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)，通過控制電動機的啟? 停時間即可實現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75°到達工作位置、手架旋轉(zhuǎn) 180°完成主軸刀具和刀庫刀具 互換運動、手架反向旋轉(zhuǎn) 75°復位三種運動。 圖 2.7 自由度分析 2.4.3 加工中心換刀機械手的組成 加工中心換刀機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、檢測機構(gòu)組成 [6]，各部分 特點如下： 1、執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是完成各種動作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、腕部、臂部和手架 等運動部件所組成。 手指部分：即直接與工件接觸部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，手爪多為兩指，也有 多指；根據(jù)需要分為內(nèi)抓式或外抓式；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。 本設(shè)計采用夾持式手部，即由手爪和傳力機構(gòu)組成，它的主要功能是在換刀過程中完成 抓住工件、握持工件和釋放工件的動作。 手腕部分：用于連接手指部分和手臂部分的部件。 手臂部分：手臂是支撐被抓物體以及手指部分的重要部件，起調(diào)整和改變工件方位 的作用。本設(shè)計中手臂的主要作用是帶動手指去抓取物件。 手架部分：用于承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設(shè)計中它還用于通過旋轉(zhuǎn) 運動實現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運動。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 2、驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)運動，若采用 電動機傳動，則必須加入齒輪、齒條等機械機構(gòu)，將電動機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單。同時，由于液壓驅(qū)動的抗沖擊能力比電氣驅(qū)動的抗沖擊能力要強，而且 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力（力矩）的條件下，與其他驅(qū)動方式相比，液壓驅(qū)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(shè)計中的驅(qū)動方式 以液壓驅(qū)動為主，用液壓驅(qū)動方式來實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和手架伸縮的動作。 對于手架的旋轉(zhuǎn)運動，由于手架旋轉(zhuǎn)軸要實現(xiàn)：旋轉(zhuǎn) 75°到工作位置，旋轉(zhuǎn) 180° 交換主軸刀具和刀庫刀具和反向旋轉(zhuǎn) 75°實現(xiàn)手架復位三種運動，如采用液壓缸和行程 開關(guān)來控制，要分別實現(xiàn)這三種旋轉(zhuǎn)運動會比較困難，而若采用電動機驅(qū)動，則只需控 制好電動機的起、停時間就可實現(xiàn)預(yù)期的運動。所以，本設(shè)計中的手架旋轉(zhuǎn)運動由電動 機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)。 3、控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是用來控制驅(qū)動機構(gòu)工作，從而實現(xiàn)按預(yù)定程序進行工作的機構(gòu)。它通過位 置檢測的反饋來檢測各部分機構(gòu)工作的位置精度，從而保證能準確地實現(xiàn)加工中心換刀 機械手的換刀動作?？刂葡到y(tǒng)包括程序控制部分和行程反饋部分。 4、檢測機構(gòu) 檢測是為了進行比較和判斷提供依據(jù)，位置檢測是通過將位置變化反饋給輸入變量 從而達到一定的定位精度和位置精度。本設(shè)計中伸縮和升降機構(gòu)采用壓力繼電器進行位 置控制。 2.5 本章小結(jié) 本章主要是介紹了一些目前常用加工中心換刀機械手的主要換刀形式，如兩手伸縮 回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手、剪式手爪回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手、兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂 雙爪機械手等等，也給出了三種手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)和兩種手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 機構(gòu)的設(shè)計方案，并通過論證分析，確定了最終的設(shè)計方案。同時，本章對加工中心換 刀機械手的組成及各自由度運動的實現(xiàn)也進行了較為具體的介紹。 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 第 3 章 換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定 前一章對機械手的整體結(jié)構(gòu)進行了方案論證，并確定了技工中心換刀機械手的基本 結(jié)構(gòu)及工作范圍，本章將在上一章的基礎(chǔ)上對機械手的各部分結(jié)構(gòu)進行具體的設(shè)計。 3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 3.1.1 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： 手指對工件夾緊力： (3.1)GKN321? 式中： ——安全系數(shù)，本設(shè)計中取 =1.5；1K1 ——動載系數(shù)，本設(shè)計中取 =1.5；2 2 ——方位系數(shù)， ，本設(shè)計中 ， ，3 fK/sin5.03??3.0~2?f??6? 則 ，本設(shè)計 =1.45；6.1~4)2./(60sin5.?? 3K ——被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為 8kg；G 將上述各值代入式(3.1) ，得： =255.78N8.9451.???N 對手指結(jié)構(gòu)進行受力分析如圖 3.1 所示，由： PP???sini21 可得： (3.2))sin2/(1? 又由： 0si/1????cPNb (3.3))sin(1???? 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 圖 3.1 手指受力分析 得： cNbP/sin)si2/()sin????? 即： (3.4))]i(/[i??b 在本設(shè)計 =50mm， =13mm；，，， ???302160???c 將各值代入式(3.4) ，得 )]3021sin(/[78.25sin????P =2×50×0.5×0.358×255.78/(13×0.777) =453.27N 考慮到運動過程中的能量損失，取 =0.9，則手指夾緊液壓缸的實際驅(qū)動力為：? =453.27/0.95=477.12N/P?實 本設(shè)計中取 =500N；實P 由式(3.2)可得： =697.61N)21sin/(501??P 由式(3.3)可得： =697.61 =542.14N?1?si 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 =697.61 =439.02N?1P?51cos 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： (3.5)2?mRF?慣 式中： ——工件質(zhì)量；m ——工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取 mm；R30? ——手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取 rad/s；???2 則由式(3.5)可得： =94.75N2)(3.08??慣F 因 ， 所以手指夾緊液壓缸的實際驅(qū)動力取 =500N，安全。實慣 PF? 實P 3.1.2 手指部分的相關(guān)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(yīng)力 =70MPa、許用擠壓應(yīng)力 ???][ij? =140MPa、許用拉應(yīng)力 =300MPa；][? 1、軸Ⅰ校核 =5.59 MPa????AP/1? )10/(402.3962??? =3.79 MPa??ij? ∵ ， ∴ 軸Ⅰ安全。][??? ][ijij 2、軸Ⅱ校核 =13.88 MPa??AP/1? )108/(46.9762??? =6.71 MPa3?ij? ∵ ， ∴軸Ⅱ安全。][???][ijij 3、手指強度校核 A 截面的抗彎截面模量公式如下： 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 (3.6)zIWy/? 式中： ——形心軸慣性矩；yI ——截面圖形的形心位置；z A 部分②截面處的圖形形狀如圖 3.2 所示，部分① 處的形心位置為： (3.7) )](3/[)2(10bahz??? 式中： =8.66mm， =20mm， =10mm，hba 將各值代入式(3.7) 可得 =13.85mm2z 其截面面積為： =[20×17.32－10×(17.32－8.66)]/2=(364.4－86.6)/2=129.9mm 21A 部分②處的形心位置為： =5mm2z 其截面面積為： =26×11.34=294.84mm2cHA?2 A 處截面的形心位置為： )/()(2121zz?? =(13.85×129.9+294.84×5)/(129.9+294.84) =(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm)](36/[)4( 2223121 babahAaI ??? = 8.663×(102+4×10×20+202)/[36×(20+10)]+(13.85－5) 2×129.9 =781.76+10174.09=10955.85mm41/322hbaI?? =11.343×26/12+(7.7－5) 2×294.84 =3159.59+2149.38=5308.97 mm4 =10955.85+5308.97=16264.82 mm421IIy 將各值代入式(3.6) 得： 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 16264.82/7.7=2112.31mm3?AW A 截面處的彎矩： =2.26NmAM 故危險截面 A 處的拉應(yīng)力為： MPa01.26/12./9???A? ∵ ∴安全。][??A 圖 3.2 A 處截面圖形形狀 圖 3.3 C 處截面圖形形狀 危險截面 C 處的彎矩 =8.536Nm，其截面圖形形狀如圖 3.3 所示，抗彎截面模量CM 為： 3222 m67.12/)(6// ?????bBHbBW 故危險截面 C 處的拉應(yīng)力為： CAP//1??? )1074.2/(0.439).2(53.8 6????? =4.04+1.03 =5.07MPa； ∵ ∴安全。][?C 3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計 3.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 根據(jù)文獻[9 ，5-12] ，由： (3.8)4/)(4/ 2212 ??dDPFPDf?? 得： 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 (3.9)1221/)()/(4PdDPFDf ???? 式中： ——液壓缸的工作壓力，本設(shè)計中初取 =1.5MPa；1P1 ——液壓缸回油腔背壓力，對于簡單系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),2 =0.2~0.5MPa，在本設(shè)計中初取估算值 =0.5MPa；2P ——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，因在工作壓力 2.92cm2，故設(shè)計符合要求，液壓缸能43?? 達到所需的低速要求。 對于手臂伸縮液壓缸，選用 QF3—E610B 的調(diào)速閥，其最小穩(wěn)定流量 =40mL/min，液壓缸的最小穩(wěn)定速度 =5.5m/min=0.092m/s；minQ1minv? 由式(3.18)可得： =(40ml/min)/(5.5m/min)=7.27 cm21min1/vQA? 本設(shè)計中 =31.17 cm2>7.27 cm2，故設(shè)計符合要求，液壓缸能達到所需的4/6321?? 低速要求。 3.4 手架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 3.4.1 手架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 1、估算手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負載 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 兩機械手手指的質(zhì)量： =0.325kg×2=0.65kg；1m 上擋板的質(zhì)量： =0.137kg；2 下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137kg；3 后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；4 側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg×2=0.052kg；5m 手指與活塞桿之間連接間的質(zhì)量： =0.147kg；6 夾持工件的質(zhì)量： =8kg；7 手指夾緊液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.491kg；8 手指夾緊液壓缸后端蓋質(zhì)量： =0.362kg；9m 手指夾緊液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.184kg；10 手臂伸縮液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.589kg； 手臂伸縮液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.427kg；12 上套件質(zhì)量： =0.609kg；3m 上套件質(zhì)量： =1.08kg；14 當儲油量最大時油液的質(zhì)量： 35kg.0L)7.320.8(/kg90315 ????Vm? 手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的總質(zhì)量為： 1234567891011()mm??? =(0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147+8+0.491+0.362+0.184 +0.589)×2+0.427+0.609+1.08+0.35=23.96kg； 手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負載為： =23.96×9.8 =234.81NmgF? 2、手架旋轉(zhuǎn)軸的校核 初取手架旋轉(zhuǎn)軸的軸徑 =30mm；d 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負載為： =23.96kg；m 手架旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量為： =1.43kg；? 取手架旋轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力距等于手架旋轉(zhuǎn)時受到的慣性力距，則根據(jù)文獻[11，78- 106]有： (3.24)??)(0210JJM??慣 式中： ——手臂回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；01J ——手架旋轉(zhuǎn)軸對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；2 ——手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的角加速度，這里初取手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 =1m/s,則其角? n 速度 =2πrad/s，設(shè)手架旋轉(zhuǎn)軸從靜止開始到達到穩(wěn)定速度所需的時間為 Δ =0.1s,則：? t =Δ /Δ =(2πrad/s)/(0.1s)=20 πrad/s2；t 機械手夾緊力的校核： (3.25)2?MRF?慣 取手架回轉(zhuǎn)的角速度 ， =300mm，?2 則由式(3.25) 得： =8kg×300mm× =94.75N慣 2)(? 因 小于機械手手指的夾緊力，所以機械手的手架旋轉(zhuǎn)軸工作正常。慣F 由于手臂回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)軸線與其重心軸線重合，所以可取： 12/)3(20RLmJ?? 本設(shè)計中 =15mm,取 =250mm，RL 則： =23.96×（0.25 2+3×0.0152）/12=0.126N01J 3m = =1.43×0.0152/2=0.00016 N2/m? 將值代入式（3.24）可得： =7.92 Nm2)0(16..0(????慣M 手架旋轉(zhuǎn)軸的輸出功率： =7.92 Nmm ×2πrad/s =49.76w?P 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 手架旋轉(zhuǎn)軸強度校核公式如下： (3.26)][/????nWM 式中： ——手架旋轉(zhuǎn)軸的扭矩，此處 =7.92 Nm；nM慣n ——手架旋轉(zhuǎn)軸的抗彎截面模量，對于實心軸有 ，所以此處 =W 16/3dn??nW = m3；16/)03(9???60.5?? 將值代入式(3.26) 可得： =7.92/ =1.49MPa?610.5?? 因 =20MPa, < ，故所選軸安全。][??][ 3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的選擇 1、電動機類型的選擇 目前常用的加工中心換刀機械手，它的手架旋轉(zhuǎn)運動是由兩個液壓缸實現(xiàn)的。一個 液壓缸用來實現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75°到達工作位置，換刀運動過程準備開始。另一個液壓缸則 是在拔刀過程結(jié)束后，實現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 180°的運動， 是主軸刀具與刀庫刀具互換位置。 雖然這種結(jié)構(gòu)工作原理很簡單，但由于驅(qū)動機構(gòu)較多，它們之間以及它們和手架伸縮液 壓缸的活塞桿之間的連接機構(gòu)卻比較復雜。而在本設(shè)計中，由于采用了兩個圓錐滾子軸 承以及一個套筒作為手架伸縮液壓缸活塞桿和手架旋轉(zhuǎn)軸的連接機構(gòu)，并且在手架旋轉(zhuǎn) 軸上設(shè)計了一個很長的鍵槽，所以只需要用一個驅(qū)動機構(gòu)帶動齒輪機構(gòu)或蝸輪蝸桿機構(gòu)， 就可實現(xiàn)手架在拔、插刀前后的多次旋轉(zhuǎn)運動。 對于這個驅(qū)動機構(gòu)，它需要能實現(xiàn)手架的 75°、180°和反向 75°三種角度的旋轉(zhuǎn)。 若采用液壓缸和行程開關(guān)進行控制，則一般只能實現(xiàn)一種角度的旋轉(zhuǎn)。而如果采用電動 機進行傳動，則只需控制好電動機的起、停時間就可以實現(xiàn)各種預(yù)期的運動。所以本設(shè) 計中的手架旋轉(zhuǎn)運動由電動機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)。 TYV 系列高精度微型特種減速電動機采用高新技術(shù)，具有齒輪減速、蝸輪減速、直 線往復等多種結(jié)構(gòu)，并可配有電子無級調(diào)速、阻尼制動、電磁剎車等功能，適用于交流、 直流多種電壓，是一種高效、節(jié)能、低噪音的微特減速電動機，它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安 裝方便、減速比大、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大及運行可靠等特點 [12]，因此，本設(shè)計中的手架 遼寧科技大學本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)選用 TY