臥式加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計

PAGEPAGE271前言1.1機(jī)械手發(fā)展歷史與現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，客戶的需求日益多樣化，人們對制造企業(yè)的生產(chǎn)模式提出了更高的要求，大批量的生產(chǎn)方式將逐漸被模塊化、柔性化的生產(chǎn)方式所取代。因此，企業(yè)對制造裝備提出了更高的要求，柔性化的數(shù)控加工設(shè)備將成為裝備制造業(yè)發(fā)展的主流。因此，將臥式加工中心的機(jī)械手設(shè)計作為畢業(yè)設(shè)計題目，迎合了裝備制造業(yè)發(fā)展趨勢。臥式加工中心的換刀機(jī)械手是自動換刀裝置中交換刀具的主要工具，它用來把刀庫上的刀具送到主軸上，同時把主軸上已用過的刀具返回刀庫。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界的工業(yè)機(jī)器人中大約有近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的加工中心的自動換刀領(lǐng)域。目前用得最廣泛的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)機(jī)器人，其手臂靈活性最大，可以使換刀卡爪的空間位置和姿勢調(diào)至任意狀態(tài)，滿足換刀需求。我國的機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期、80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今，我國正在從一個“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。不僅如此，我國目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件。國際上，目前機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。例如，德國的CLOOS、REIS、KUKA公司；瑞典的ABB公司；奧地利的IGM公司；意大利的CAMAU公司；日系有OTC、Panasonic、FANUC公司在機(jī)器人方面都做的比較好。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，自動換刀機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，正在不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。1.2設(shè)計目的及意義1.2.1設(shè)計目的本次設(shè)計主要為臥式加工中心設(shè)計其用于換刀的機(jī)械手部分，目的是為了使加工中心能夠更快的工作，使加工中心能夠得到更加充分的利用，以實(shí)現(xiàn)其價值所在。再者，使用了機(jī)械手，有效的減少了由于人工換刀帶來的生產(chǎn)效率低，并且容易出事故的弊端。1.2.2設(shè)計意義伴隨著機(jī)電一體化在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至于危害生命安全。因此機(jī)械手就在這樣誕生了,機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。其中機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，它的發(fā)展是由于其積極作用正日益為人們所認(rèn)識，因此設(shè)計機(jī)械手有著很大的意義：（1）能夠部分地代替人工操作，減輕人力勞動；（2）能夠按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸，改善勞動條件，大大的避免了人身事故；（3）能夠顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。2設(shè)計內(nèi)容本次設(shè)計參照設(shè)計項(xiàng)目要求及技術(shù)指標(biāo)確定機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動裝置所要選用等技術(shù)參數(shù)，確定結(jié)構(gòu)方案，繪制部件裝配圖及主要零件圖紙。設(shè)計的主要內(nèi)容有機(jī)械手臂和機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。該機(jī)械手的手臂伸縮運(yùn)動擬采用回轉(zhuǎn)液壓缸聯(lián)合齒輪齒條傳動，能較好地解決機(jī)械手在運(yùn)動過程中的動力問題，具有傳動平穩(wěn)，機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于機(jī)械手的存在，使得在現(xiàn)代化的企業(yè)中可以很好的實(shí)現(xiàn)自動化和減少人工費(fèi)用,同時可以解決在生產(chǎn)過程中，作業(yè)者勞動強(qiáng)度大的難題并能滿足加工中人工無法達(dá)到的精度要求。由于采用齒輪傳動使得機(jī)械手可以傳遞較大的動力，并且由于內(nèi)部軸及外部外筒在作用使其可以承受較大的扭矩和足夠的應(yīng)力變化。并且機(jī)械手有幾個方向上的自由度，可以進(jìn)行多方位工作。其驅(qū)動系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動擬采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)，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。加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計的具體內(nèi)容如下：（1）根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計提出幾種方案，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(jìn)行具體的設(shè)計；（2）對所選設(shè)計方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析；（3）對加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性；（4）確定各個運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；（5）對設(shè)計中所設(shè)計到的液壓缸通過計算確定某個部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證加工中心換刀機(jī)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(jìn)行安全校核。經(jīng)過以上設(shè)計內(nèi)容，可達(dá)到設(shè)計的目的和要求，使機(jī)械手做到[開始（縮手）--伸手抓住刀具并夾緊--直線伸出拔出刀具--手臂同時縮回--逆時針旋轉(zhuǎn)180°--手臂同時伸出--直線回程插入刀具--松手同時縮回--復(fù)位]的全部換刀動作，并保證換刀過程中的可靠性、安全性以及穩(wěn)定性。3設(shè)計方案3.1機(jī)械手換刀運(yùn)動流程本次機(jī)械手換刀運(yùn)動流程擬采用以下方式：開始（縮手）--伸手抓住刀具并夾緊--直線伸出拔出刀具--手臂同時縮回--逆時針旋轉(zhuǎn)180°--手臂同時伸出--直線回程插入刀具--松手同時縮回--復(fù)位。如下圖所示：3.2刀具的交換裝置加工中心和其他數(shù)控機(jī)床的區(qū)別就在于它具有根據(jù)工藝要求自動更換所需刀具的功能，即自動換刀（ATC）機(jī)能。機(jī)械手是自動換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫上的刀具送到主軸上，同時把主軸上已用過的刀具返回刀庫上的任務(wù)。下面介紹機(jī)械手各部分組成結(jié)構(gòu)的方案選擇。3.2.1機(jī)械手的種類選擇常見的機(jī)械手種類有:（1）單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手：如下圖1所示：圖1.單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手?jǐn)[動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)行自動換刀，適用于刀庫換刀位置與刀座的軸線平行的場合。但是換所花費(fèi)的時間長。（2）單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手：如下圖2所示：圖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卡爪，兩個卡爪各有所分工，一個卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫的任務(wù)，另一個卡爪則執(zhí)行由刀庫取出“新刀”送到主軸的任務(wù)，其換刀時間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短。（3）雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（俗稱扁擔(dān)式）：如下圖3.1所示：圖3.1雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手兩臂各有一個卡爪，可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180°之后又同時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，換刀時間要比前兩種都短。另外，這種機(jī)械手在設(shè)計中有的還采用了可伸縮的臂，如下圖3.2所示：圖3.2可伸縮雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種帶有可伸縮臂的機(jī)械手，在刀庫中刀具排列較緊密的情況下，可以有效的避免機(jī)械手碰撞刀具的危險，使用也比較廣泛。（4）雙機(jī)械手：如下圖4所示：圖4.雙機(jī)械手這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個單臂單爪機(jī)械手，相互配合起來進(jìn)行自動換刀。其中一個機(jī)械手用來拔“舊刀”歸回刀庫，另一個機(jī)械手則從刀庫取出“新刀”插入機(jī)床主軸上。（5）雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手：如下圖5所示：圖5.雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手這種機(jī)械手的兩臂可往復(fù)運(yùn)動，并交叉成一定角度。兩個手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫的運(yùn)動，裝刀手執(zhí)行從刀庫取出“新刀”裝入主軸的運(yùn)動。整個機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動或繞某個轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)刀庫與主軸之間的交換刀具工作。（6）雙臂端面夾緊式機(jī)械手：如下圖6所示：圖6.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抓住刀具，而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個端面。結(jié)論：由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫中的刀具，換刀時間較短。如果我們采用不能伸縮的機(jī)械手，由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)時其手部回轉(zhuǎn)半徑較大，如刀庫中刀具排得較密，可能碰撞刀具，且用這種類型的機(jī)械手直接在刀庫與主軸之間換刀，只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀，不然，換刀時間將增加。綜上所述，本次設(shè)計采用可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手。3.2.2機(jī)械手爪形式的選擇常見的手爪形式有：（1）機(jī)械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪，使用這種形式的抓持機(jī)構(gòu)，手爪不需要設(shè)置專門的傳遞裝置，因而結(jié)構(gòu)簡單，使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，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。（2）鉗形杠桿機(jī)械手。這種機(jī)械手手爪的張合需要動力傳遞裝置，傳動較復(fù)雜，但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡單。使用也較普遍。（3）虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷，使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時，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。結(jié)論：機(jī)械手的手爪在抓住刀具后，必須有鎖刀功能，以防止在換刀過程中掉刀或刀具被甩出。當(dāng)機(jī)械手松刀時，刀庫的夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。對于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式。綜上所述，本次機(jī)設(shè)計將選擇機(jī)械鎖刀手爪——彈簧銷式手爪。3.2.3刀具夾持方式的選擇在刀具自動交換裝置上，機(jī)械手夾持刀具的方法大體上可以分為以下兩類：（1）柄式夾持（軸向夾持）。（2）法蘭式夾持：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。采用發(fā)蘭式夾持，當(dāng)應(yīng)用中間搬運(yùn)裝置時，可以很方便地從一個機(jī)械手將刀具夾頭過渡到另一個輔助機(jī)械手上去，刀具夾頭采用帶洼形的法蘭盤夾持刀夾。結(jié)論：根據(jù)給定技術(shù)要求，本次設(shè)計將采用柄式夾持方式，刀柄型號為BT40。3.3機(jī)械手的驅(qū)動裝置這種機(jī)械手的拔刀、插刀動作，大都由液壓油缸來完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，可以采用油缸動，活塞固定；或者活塞動，油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。整個機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)械手爪開合機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成（見自動換刀機(jī)械手的驅(qū)動裝置和驅(qū)動裝置外形圖）。3.3.1機(jī)械手臂伸縮運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇回轉(zhuǎn)頭的兩端對稱分布著兩個機(jī)械臂，可以同時伸出抓刀。機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1（見驅(qū)動外形圖），輸出軸40，齒輪43以及齒條42和48組成（見自動換刀機(jī)械手圖）。當(dāng)壓力油通過支架6（見驅(qū)動外形圖）和貫穿花鍵軸50的通孔（見換刀機(jī)械手驅(qū)動裝置圖）進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸1時，推動輸出軸40轉(zhuǎn)動，軸上的齒輪43便帶動齒條42和48作直線運(yùn)動，使兩只機(jī)械臂同時伸出，通過齒條42及48上的擋塊36壓向調(diào)整螺釘35來限制終點(diǎn)位置。同時由左視圖中的微動開關(guān)30發(fā)出信號，以進(jìn)行下一個動作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時，機(jī)械臂便縮回。3.3.2機(jī)械手爪開合運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇機(jī)械臂手爪由固定手爪14與活動手爪18共同組成，用來夾持刀柄?；顒邮肿?8可繞小軸15轉(zhuǎn)動，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，擋桿22在彈簧作用下，其一端的階梯面與活動手爪18的端部的階梯面相靠，從而將活動手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移，將彈簧頂桿3壓入時，頂桿3的一端迫使杠桿21順時針轉(zhuǎn)動。這樣，杠桿21的一端將擋桿22的階梯面從活動手爪18端部的階梯面滑開。因此，當(dāng)活動手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時，刀柄表面可使活動手爪18壓縮彈簧而稍微張開，這樣機(jī)械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時，齒條42（或48）上的擋塊壓于調(diào)整螺釘而限位，同時微動行程開關(guān)動作發(fā)出下一動作的信號。由于手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后的位置上進(jìn)行的。為了使機(jī)械手的活動手爪18能在此同時從自鎖狀態(tài)下松開，在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿52，在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤4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52相碰時，錐孔盤4處于與鋼球5接觸位置，彈簧銷11頂著端蓋10，使錐孔盤4緊靠于支架12的端面上，此時機(jī)械臂的彈簧頂桿3自由伸出，活動手爪18處于鎖死狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手軸向向右移動后，固定桿52迫使擋塊13轉(zhuǎn)動，由于此時錐孔盤4端面上的錐孔與鋼球5錯開，這樣錐孔盤4即連同擋塊13、軸9、端蓋10、壓縮彈簧銷11向右移動。擋塊13即將機(jī)械臂上的彈簧頂桿3壓入，將活動手爪18自鎖緊狀態(tài)下松開。當(dāng)機(jī)械爪伸出抓住刀柄后，機(jī)械手軸向向左伸出，此時擋塊13同時離開固定桿52，借彈簧1的作用，將擋塊13拉回原來的錐孔盤4上錐孔與鋼球5相對的原始位置，由彈簧銷11的作用，使擋塊13連同錐孔盤4、軸9和端蓋10又向左移動至錐孔盤4與支架12端面壓緊的位置。這時機(jī)械手爪上的彈簧頂桿3又自由伸出，將活動手爪18鎖死，以保證機(jī)械手將刀具拔出后，能將刀具可靠地夾緊（詳情見機(jī)械手圖）。3.3.3機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)刀具的交換動作，由驅(qū)動外形圖可見它由手臂14、回轉(zhuǎn)座58等組成。手臂14與花鍵軸50固定連接，花鍵軸與兩個花鍵套筒30相連，后者則由固定在機(jī)床立柱上的回轉(zhuǎn)座58上的兩個滾動軸承支撐。齒輪38通過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)見第三張圖，回轉(zhuǎn)缸殼體88和上端蓋95、下端蓋83、定片78間均用螺釘聯(lián)接，并將它們作為一體通過上端蓋固定在立柱上。轉(zhuǎn)軸73支承在上、下端蓋上，與動片76固定聯(lián)接，其伸出端與和花鍵軸上的齒輪相嚙合的齒輪70聯(lián)接，向手臂傳遞運(yùn)動，當(dāng)液壓缸通入高壓油而使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，通過傳動齒輪70帶動齒輪38回轉(zhuǎn)，這樣，由花鍵軸50帶動手臂14轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動180°的極限位置可由兩個螺釘33限定，同時由兩個螺釘31分別壓下微動開關(guān)32及37發(fā)出到位信號，以進(jìn)行下一個動作。3.3.4機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)中直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的選擇回轉(zhuǎn)頭15的向左或向右（拔刀或插刀）的直線運(yùn)動是由液壓缸來實(shí)現(xiàn)。液壓缸座固定于機(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)動時，通過聯(lián)接件即可帶動花鍵軸作直線運(yùn)動，從而帶動回轉(zhuǎn)頭和機(jī)械手臂向左或向右運(yùn)動。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，都設(shè)有擋塊和調(diào)整螺釘，由微動開關(guān)作用發(fā)出到位信號。4設(shè)計計算4.1手指夾緊力的計算手指對工件的夾緊力可按下式計算：N≥k1k2k3G（kg·f式中：k1——安全系數(shù)，通常取1.2~2，在此我們?nèi)1=1.8；k2——動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按k2＝1＋a/g估算；a為機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的加速度，單位為m/s2,a＝9.8m/s2,g為重力加速度，所以這里k2=1；k3——方位系數(shù)，根據(jù)《機(jī)械工程手冊》（第10卷）表56.2-3選取k3=0.9~1.1，在此我們?nèi)3=1.0;G——被夾持工件的重量，單位kg，取G=11kg。則我們設(shè)計的機(jī)械手手指的夾緊力為：N≥1.8×1×1.0×11=19.8（kg·f）4.2齒輪的設(shè)計計算4.2.1齒輪傳動的特點(diǎn)齒輪傳動按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對位置的不同分為兩軸相互平行、兩軸相交和兩軸交錯（即不平行也不相交）三類。其傳動特點(diǎn)如下：①效率高。在常用的機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效率最高。如一級圓柱齒輪的效率可達(dá)99%。這對大功率傳動十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，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，齒輪傳動所需的空間較小。③工作可靠，壽命長。設(shè)計制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪，工作十分可靠，壽命可長達(dá)十幾年，這也是其它機(jī)械傳動無法比擬的。這對在車輛及礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。④傳動比穩(wěn)定。傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離大的場合。4.2.2齒輪的設(shè)計過程整個回轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)180°換刀的運(yùn)動是由回轉(zhuǎn)液壓缸8驅(qū)動，回轉(zhuǎn)液壓缸的輸出軸上安裝有齒輪70，齒輪38裝在套筒上，回轉(zhuǎn)液壓缸固定在立柱上。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸動片轉(zhuǎn)動時，齒輪70帶動齒輪38轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角的極限位置可由螺釘限定，同時有微動行程開關(guān)發(fā)出到位信號，其運(yùn)動的計算公式為：φ38/φ70=Z2/（Z1+Z2）式中：φ38回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)角度φ70回轉(zhuǎn)缸動片的轉(zhuǎn)角Z1齒輪38的齒數(shù)Z2齒輪70的齒數(shù)由于在這里φ38=180°，φ70=280°，即：180/280=Z2/（Z1+Z2）解得：兩齒輪的齒數(shù)比μ=Z2/Z1=1.8(1)選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)選用直齒圓柱齒輪傳動。2）換刀機(jī)械手換刀時速度較高，在此選用6級精度（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=μZ1=1.8×24=43.2,取Z2=43。(2)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計由設(shè)計公式（10-9a）進(jìn)行計算，即：d1t≥2.32×{(KtT1/φd)[(μ±1)/μ](ZE/[σH])2}1/31)確定公式內(nèi)各計算式數(shù)值①試選載荷系數(shù)Kt=1.3；②計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×30/1460=1.962×105（N.mm）③由表10-7選取齒寬系數(shù)：φd＝1；④由表10-6查的材料的彈性影響系數(shù)：ZE=189.8MPa1/2；⑤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σHlim1=600MPa;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=550MPa;⑥由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N1=60n1jLh=60×1460×1×（2×8×300×15）=6.307×109N2=4.147×109/3.2=1.296×109⑦由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.91;KHN2=0.94；⑧計算接觸疲勞許用應(yīng)力：取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式(10-12)得：[σH]1=KHN1σHlim1/S=0.91×600=546（Mpa）[σH]2=KHN2σHlim2/S=0.94×550=517（Mpa）2)計算①試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入[σH]中較小的值:d1t≥2.32×{(KtT1/φd)[(μ±1)/μ](ZE/[σH])2}}1/3=2.32×{(1.3×1.962×105/1)[(4.7+1)/4.7](109.8/517)2}1/3=80.445(mm)②計算圓周速度v:v=πd1tn1/60×1000=π×80.445×1460/60×1000=6.15(m/s)③計算齒寬b:b=φdd1t=1×80.445=80.445(mm)④計算齒寬與齒高之比b/h:模數(shù):mt=d1t/Z1=80.445/24=3.352齒高:h=2.25mt=2.25×3.352=7.54(mm)故:b/h=80.445/7.54=10.67⑤計算載荷系數(shù):根據(jù)v=6.15m/s,6級精度,由圖10-8查得動載荷系數(shù)：KV=1.02;直齒輪,假設(shè)KAFt/b≤100N/mm.由表10-3查得：KHα=KFα=1.2;由表10-4查得使用系數(shù)：KA=1;由表10-4查的7級精度、小齒輪相對支承非對稱分布時，KHβ=1.12+0.18(1+0.6φd2)φd2+0.23×10-3b代入數(shù)據(jù)得:KHβ=1.12+0.18(1+0.6×12)×12+0.23×10-3×80.445=1.75由b/h=10.67,KHβ=1.75,查圖10-13得KFβ=1.35;故載荷系數(shù)：K=KAKVKHαKHβ=1×1.02×1.2×1.75=2.142⑥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(mm)⑦計算模數(shù)m:m=d1/Z1=95.01/24=3.95(mm)(3)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度計算的設(shè)計公式為:m≥[(2KT1/φdZ12)×(YFaYSa/[σF])]1/31)確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值:①由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限：σFE1=500MPa大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限：σFE2=380MPa②由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：KFN1=0.85;KFN2=0.88③計算彎曲疲勞許用應(yīng)力:取彎曲疲勞安全系數(shù)：S=1.4由式（10-12）得:[σF]1=KFN1/σFE1=0.85×500/1.4=303.57(Mpa)[σF]2=KFN2/σFE2=0.88×380/1.4=238.86(MPa)④計算載荷系數(shù):K=KAKVKFαKFβ=1×1.02×1.2×1.35=1.944⑤查取齒形系數(shù):由表10-5查得：YFa1=2.65;YFa2=2.226⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得：YSa1=1.58;YSa2=1.764⑦計算大、小齒輪的YFaYSa/[σF],并加以比較:YFa1YSa1/[σF]1=2.65×1.58/303.57=0.01379YFa2YSa2/[σF]2=2.226×1.764/238.86=0.01644故大齒輪的數(shù)值大。2)設(shè)計計算:m≥[（2×1.944×9.948×105）/1×242]×0.1644]1/3=2.792(mm)對比計算結(jié)果，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)大于按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(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=95.01mm,算出：小齒輪齒數(shù)：z1=d1/m=95.01/3=32大齒輪齒數(shù)：z2=μz1=1.8×32=57.6取z2=58這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿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)。(4)幾何尺寸計算①計算分度圓直徑:d1=z1md2=z2m②計算中心距:a=(d1+d2)/2=（96+174）/2=134(mm)③計算齒輪寬度:b=φdd1=1×96=96(mm)(5)驗(yàn)算Ft=2T1/d1=2×1.965×105/96=4087.5(N)KAFt/b=1×4087.5/96=42.58(N/mm)<100(N/mm),合適.另外，機(jī)械手臂的伸出和縮回是通過齒輪齒條傳動進(jìn)行的，其設(shè)計過程與此類似，由于受篇幅的限制，在此就不再敘述其設(shè)計步驟。4.3軸的設(shè)計計算4.3.1軸的種類軸按其受載情況分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸，其中轉(zhuǎn)軸既支承傳動機(jī)件又傳遞動力，即承受彎矩和扭矩兩種作用；心軸只用來支承旋轉(zhuǎn)件而不傳遞動力，即只承受彎矩作用；傳動軸主要用于傳遞動力，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)計軸時應(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)考慮其震動穩(wěn)定性問題。4.3.2軸的常用材料軸的材料種類很多，設(shè)計時主要根據(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，同時考慮制造工藝問題繼而加以選用，力求合理經(jīng)濟(jì)。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，材料可采用合金鋼。4.3.3軸的設(shè)計過程本次設(shè)計的驅(qū)動裝置中所采用的軸主要作用是既可以在插刀、拔刀時帶動整個機(jī)械手左右移動，又可在交換刀具時帶動回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動，由于這兩個動作是分離的，因此我們在這里采用花鍵軸。該花鍵軸左端與回轉(zhuǎn)頭固定聯(lián)接，兩個花鍵套筒通過軸承安裝在機(jī)床立柱上的回轉(zhuǎn)座內(nèi)，齒輪38通過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)動時，通過傳動齒輪70帶動齒輪38轉(zhuǎn)動，這樣，花鍵軸即可帶動回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動，又由于直線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)動時，通過聯(lián)接件即可帶動花鍵軸作直線運(yùn)動，從而帶動回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械臂向左或向右運(yùn)動。已知條件：花鍵軸傳遞的功率為：P=30KW；軸的轉(zhuǎn)速為n=1460r/min(1)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)計手冊》（第四卷）表26.1-1查得材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)為：σb=750MPaσs=550MPaσ-1=350MPaτ-1=200MPa根據(jù)表26.3-1公式初步計算軸徑，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(mm)故我們選用花鍵軸的尺寸為：D×d×b=65mm×56mm×1(2)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如下圖7-a)所示：(3)軸上受力分析，如下圖7-b)所示：軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為：T1=9.55×106P/n=9.55×106×30/1460=1.962×105(N·mm)齒輪的圓周力為：Ft=2T1/d1=2×1.962×105/96=4088(N)齒輪的徑向力為：Fr=Ft·tgα=4088×tg20=1488(N)圖7(4)求支反力在水平面上的支反力（圖7-c）：由ΣMA=0,得：RBZ·a－Fr·(a+b)=0則：RBZ=Fr×(a+b)/a=1488×(280+80)/280=1913.14(N)由ΣZ=0,得：RAZ=Fr－RBZ=1488－1913=－425(N)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7-e）：由ΣMA=0,得：RBy·a－Ft·(a+b)=0則：RBy=Ft×(a+b)/a=4088×(280+80)/280=5256(N)由ΣY=0得：RAy=Ft－RBy=4088－5256=－1168(N)數(shù)值為負(fù)表示方向與圖示方向相反。(5)作彎矩和扭矩圖齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖如上圖7-d所示.MDZ=RAZ·(a+b)=－425×(280+80)=－153000(N·mm)M′DZ=RBZ·b=1913×80=153000(N·mm)齒輪的作用力在垂直平面的彎矩圖如上圖7-f所示.MDy=RAy·(a+b)=－1168×(280+80)=－420000(N·mm)M′Dy=RBy·b=5258×80N·㎜=420000(N·mm)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=447000(N·mm)作出扭矩圖，如上圖7-g所示.T1=1960000(N·mm)(6)軸的強(qiáng)度校核確定危險截面。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，故屬危險截面?，F(xiàn)對D截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。安全系數(shù)的校核計算：由于該軸轉(zhuǎn)動，彎矩引起的為對稱循環(huán)的彎應(yīng)力，轉(zhuǎn)矩引起的為脈動循環(huán)的剪應(yīng)力。彎曲應(yīng)力副為：σα=MD/WW—抗彎截面系數(shù)，由公式：W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/32D故:W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/32D=[π×564+(62－56)×(62+56)2×6×10]/32×62=20029(Mpa)所以σα=MD/W=447000/20029=18.091(Mpa)由于是對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力σm=0，根據(jù)公式26.3-2:Sσ=σ-1/[(Kσσα/βεσ)+Ψσσm]確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：①σ-1—40Cr彎曲對稱循環(huán)應(yīng)力時的疲勞極限，由表26.1-1查得:σ-1=350MPa②Kσ—正應(yīng)力有效集中系數(shù)，由表26.3-6，用插值法求得：（750－700）/（800－750）=（Kσ－1.60）/（1.65－Kσ）得：Kσ=1.625③εσ—尺寸系數(shù)，由表26.3-11，查得：εσ=0.68④β—表面質(zhì)量系數(shù)，軸按磨削加工，由表26.3-9查得:β=0.68代入公式得：Sσ=350×106/[(1.625×18.091/0.92×0.68)×106+0]=7.45剪應(yīng)力副為：τm=τα=T1/2WTWT—抗扭截面系數(shù)，由公式：W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/16D=[π×564+(62－56)×(62+56)2×6×10]/16×62=36182(MPa)所以τm=T1/2WT=196000×103/2×36.183=2.7(Mpa)由公式26.3-2，Sτ=τ-1/[(Kττα/βετ)+Ψτστ]確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：①τ-1—40Cr彎曲對稱循環(huán)應(yīng)力時的疲勞極限，由表26.1-1查得:τ-1=200MPa②Kτ—彎應(yīng)力有效集中系數(shù)，由表26.3-6，用插值法求得：（750－700）/（800－750）=（Kτ－2.45）/（2.55－Kτ）得：Kτ=2.5③ετ—尺寸系數(shù)，由表26.3-11，查得：ετ=0.68④β—表面質(zhì)量系數(shù)，軸按磨削加工，由表26.3-9查得:β=0.68⑤Ψτ—平均應(yīng)力折算系數(shù)，由表26.3-13，查得：Ψτ=0.29代入公式得：Sτ=200×106/[(2.5×2.7/0.92×0.68)×106+0.29×2.7×106]=20.32則：Sca=SσSτ/[Sσ2+Sτ2]1/2=7.45×20.32/[7.452+20.322]1/2=6.99由表26.3-4可知，[S]=1.3~2.5.故S＞[S]，則該軸是安全的。4.4軸承的設(shè)計計算4.4.1軸承的種類如果僅按軸承用于承受的外載荷不同來分類時，滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承。只能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；能同時承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。4.4.2軸承的選用原則軸承的選用，包括類型、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型，在選擇時應(yīng)考慮的主要因素有：軸承的載荷、轉(zhuǎn)速和調(diào)心性能、安裝和拆卸等方面。根據(jù)載荷的大小選用軸承類型時，由于滾子軸承中的主要元件是線接觸，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，因此當(dāng)載荷較小時，應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。根據(jù)載荷的方向選擇軸承時，對于純軸向載荷，一般選用推力軸承；對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承；當(dāng)同時承受徑向載荷和軸向載荷，而軸向載荷不大時，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，可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。4.4.3軸承的設(shè)計過程按照以上原則，在本設(shè)計中，花鍵套筒的支撐選用角接觸球軸承，它可以同時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，由于一個軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。并且承受軸向載荷的能力與接觸角α有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。成對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，作為一個支承整體。按其外圈不同端面的組合分為面對面方式和背對背方式兩種，面對面方式是指一個支承上的兩個軸承大口相對，構(gòu)成70000/DF型，背對背方式是指一個支承上的兩個軸承小口相對，構(gòu)成70000/DB型，我們采用面對面方式，即70000/DF型。在進(jìn)行壽命計算時，其基本額定動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載荷和基本額定靜載荷分別為Cr、C0r，則成對安裝的軸承的基本額定動載荷為C=i0.7×Cr，基本額定靜載荷C0=i×C0r（其中I為支撐整體中單個軸承數(shù)），極限轉(zhuǎn)速為單個軸承的60%~80%?；ㄦI軸的D=65mm，我們選用軸承型號為7214AC,參數(shù)見下表：軸承型號dDBar1minCrC0r極限轉(zhuǎn)速（r/min）7214AC701252435.10.669.257.56700其中,極限轉(zhuǎn)速是在采用油潤滑情況下的轉(zhuǎn)速，若采用脂潤滑方式，則極限轉(zhuǎn)速為4500r/min。軸承的安裝如圖8所示：圖8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=96mm，齒輪轉(zhuǎn)速為n=1460r/min，運(yùn)動中無沖擊，軸承預(yù)期計算壽命為L′h=15000h。成對安裝的7214AC軸承：基本額定動載荷為：C=i0.7×Cr=20.7×69.2=112.4(KN)基本額定靜載荷為：C=i×Cr=2×57.5KN=115(KN)(1)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8-b）和水平面（圖8-c）兩個平面力系。其中圖8-c的Ft是通過另加轉(zhuǎn)矩而平移到的，指向軸線，由分析可知：Fr1V=Fr×(280+80)/280=1488×360/280=1913.14(N)Fr2V=Fr-Fr1V=1488－1913.14=－425.14(N)Fr1H=Ft×(280+80)/280=4088×360/280=5256(N)Fr2H=Ft-Fr1H=4088－5256=－1168(N)Fr1=(Fr12V+Fr12H)1/2=(1913.142+52562)1/2=5593.36(N)Fr2=(Fr22V+Fr22H)1/2=(425.142+11682)1/2=1242.97(N)(2)求兩軸承的計算軸向力Fa1和Fa2對于70000AC型軸承，按《機(jī)械設(shè)計》（第七版）表13-7，軸承派生軸向力Fd=0.68Fr則:Fd1=0.68Fr1=0.68×5593.36=3803.48(N)Fd2=0.68Fr2=0.68×1242.97=845.22(N)按式（13-11）得：Fa1=Fd2=845.22(N)Fa2=Fd1=3803.48(N)Fa1/C0=845.22/115000=0.0073Fa2/C0=3803.48=0.033(3)求軸承當(dāng)量動載荷P1和P2：Fa1/Fr1=845.22/5593.36=0.15＜0.68,則：P1=Fr1+0.92Fa1=5593.36+0.92×845.22=6370.96(N)Fa2/Fr2=3803.48/1242.97=3.06＞0.68,則：P2=0.67Fr2+1.41Fa2=0.67×1242.97+1.41×3803.48=6195.69(N)(4)驗(yàn)算軸承壽命因?yàn)镻1＞P2，所以按軸承1的受力大小驗(yàn)算：Lh=106×(C/P1)ε/60n=106×(112.4×103/6370.96)3/(60×1460)=62687.39h＞L′h故所選軸承可滿足壽命要求。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，型號為：51207，其基本尺寸為：d×D×T=35mm×62mm×18mm，基本額定載荷為：Ca=39.2KN，C0a=78.2KN，極限轉(zhuǎn)速脂潤滑時為2800r/min，油潤滑時為4000r/min，回轉(zhuǎn)液壓缸中的轉(zhuǎn)軸的支承我們選用滾針軸承，其設(shè)計及驗(yàn)算過程與角接觸球軸承相似，這里就不再重復(fù)。4.5彈簧的設(shè)計計算4.5.1彈簧的分類按照所承受載荷的不同，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類型；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。彈簧材料的許用應(yīng)力[τ]及[б]必須按照其負(fù)荷性質(zhì)來確定。彈簧按載荷性質(zhì)分為三類：Ⅰ類：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在106次以上的彈簧；Ⅱ類：受變載荷作用，次數(shù)在103~105次或沖擊負(fù)荷的彈簧；Ⅲ類：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)d≤8mm時，用碳素彈簧鋼絲Ⅱ組或Ⅱa組，當(dāng)d≥10mm時，用60Si2MnA.最大工作負(fù)荷Pn，Ⅱ類彈簧按[τ]=0.4бb計算。節(jié)距P是近似值，按表9-7計算出的自由高度應(yīng)圓整至尺寸參數(shù)系列中的H0推薦值。我們在機(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9所示：圖9我們所選用的彈簧的規(guī)格如下：編號彈簧絲直徑d（mm）彈簧中徑D2（mm）節(jié)距P（mm）10.5321.283.07191.682.82230.741.55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。4.5.2彈簧的設(shè)計過程彈簧19的設(shè)計計算、校核步驟如下：原始條件：最大工作負(fù)荷：pn=11kg最小工作負(fù)荷：p1=0kg工作行程：h=5mm負(fù)荷種類：Ⅱ類端部形式：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級彈簧材料：碳素彈簧鋼絲Ⅱ根據(jù)pn，查表9-11，得到彈簧的相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示：dD2PPnFnpd′lQ1.68.02.8411.3540.88712.80025.1200.0039彈簧要求的剛度：p′=(pn-p1)/h=(11-0)/6=1.83(kg/mm)有效圈數(shù)：n=pd′/p′=12.800/1.83=6.99取n=7.0計算項(xiàng)目：彈簧實(shí)際剛度：p′=pd′/n=12.800/7.0=1.829（kg/mm）,與要求高度相近.總?cè)?shù)：n1=n+2=7.0+2=9.0自由高度：H0=nt+1.5d=7.0×2.82+1.5×1.6=22.14(mm),圓整取標(biāo)準(zhǔn)值22彈簧實(shí)際節(jié)距：p=(H0-1.5d)/n=(22-1.5×1.6)/7=2.8(mm)工作極限負(fù)載下的變形：Fj=pj/p′=12.741/1.829=6.97因取τj=1.25[τ]Ⅱ，根據(jù)表9-2，[τ]Ⅲ=1.25[τ]Ⅱ，所以τj=[τ]Ⅲ故:pj等于同樣規(guī)格彈簧的Ⅱ類彈簧的最大工作負(fù)荷，從表9-11查得pj=12.741。最大工作負(fù)荷下的變形：Fn=pn/p′=11/1.829.=6.01(mm)最小工作負(fù)荷下的變形：F1=p1/p′=0(mm)最大工作負(fù)荷下高度：Hn=H0-Fn=22-8.87=13.13(mm)最小工作負(fù)荷下高度：H1=H0-F1=22-0=18(mm)工作極限下高度：Hj=H0-Fj=22-6.97=15.03(mm)展開長度：L=l×n1=25.120×9=226.08(mm)細(xì)長比：b=H0/D2=22/8=2.75<5.3故穩(wěn)定。5結(jié)論在本次的臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計過程中，主要完成了以下設(shè)計工作：（1）對機(jī)械手的各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了設(shè)計方案，并選出一種最優(yōu)方案進(jìn)行具體的設(shè)計；（2）對所選最優(yōu)設(shè)計方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析；（3）對加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行了分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性；（4）確定了機(jī)械手各部分運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；（5）對在機(jī)械手中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過計算確定尺寸并進(jìn)行了安全校核。在完成這些工作的同時，在設(shè)計中我獲得了不少設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和想法，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）可以根據(jù)刀具重量的不同計算不同的手指夾緊力。本次設(shè)計中選擇的11kg的重量代表刀庫中刀具的最大重量；（2）在刀庫中刀具排列不是很密集的情況下，也可以選擇雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手中不帶可伸縮手臂種類的機(jī)械手，這樣可以簡化設(shè)計，減少成本；（3）對于機(jī)械手的驅(qū)動裝置，也可選用氣壓驅(qū)動裝置或者機(jī)械式驅(qū)動裝置；（4）在設(shè)計的過程中當(dāng)設(shè)計某部分時，要結(jié)合考慮到其它因素的影響和限制，要把部分和整體有機(jī)地結(jié)合起來，尋找適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案和辦法，讓我們認(rèn)識到將來無論認(rèn)識什么事都要系統(tǒng)地、全面地認(rèn)識它。經(jīng)過以上設(shè)計方案的選擇和計算，本次設(shè)計的換刀機(jī)械手可以成功的達(dá)到給定的技術(shù)要求并可以準(zhǔn)確的完成在臥式加工中心中的換刀任務(wù)，即可以使機(jī)械手做到[開始（縮手）--伸手抓住刀具并夾緊--直線伸出拔出刀具--手臂同時縮回--逆時針旋轉(zhuǎn)180°--手臂同時伸出--直線回程插入刀具--松手同時縮回--復(fù)位]的全部換刀動作，并保證換刀過程中的可靠性、安全性以及穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)[1]劉明保,呂春紅,張春梅.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及其技術(shù)指標(biāo)的確定[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2004，20（6）：621～623.[2]郭益友.工業(yè)機(jī)械手在機(jī)械制造工藝中的發(fā)展及應(yīng)用[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2002,25（2）:235～237.[3]楊建平,邊際.機(jī)械手自動給料系統(tǒng)[J].電子機(jī)械工程.2004,9（4）:523～526.[4]劉煒.數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2005,(05):125～128.[5]王黎明.柔性、高速的臥式加工中心[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,1996,(04):221～223.[6]李宗斌.加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計與計算[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),1994,（12）:174～178.[7]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[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2003,（10）:136～139.[8]劉茂生.FMS刀具交換系統(tǒng)換刀機(jī)械手的方案設(shè)計[J].航空精密制造技術(shù)，1997，33（6）：18～20.[9]夏粉玲，李體仁，劉俊生等.關(guān)于立臥兩用換刀機(jī)械手的設(shè)計[J].西北工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002（05）：13～16.[10]雷天覺.液壓工程手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.[11]劉延俊.液壓與氣壓傳動（第2版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.[12]杜君文.機(jī)械制造技術(shù)裝備及設(shè)計(新版)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2007.[13]吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2006.[14]張樹森.機(jī)械制造工程學(xué)[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2001.[15]孫恒,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2006.[16]李郝林，方鍵.機(jī)床數(shù)控技術(shù)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5.[17]吳祖育，秦鵬飛.數(shù)控機(jī)床（第三版）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000.7.[18]陸祥生，楊秀蓮.機(jī)械手理論及應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，1985:20～62.[19]T.Keller,M.R.popovic,M.Ammann,etal.Asystemformeasuringfingerforcesduringgrasping[J].ProceedingofIFESS,Aalborgh,[20]FCChen.Configurationsynthesisofmachiningcenterswithtoolchangemechanisms[J].InternationalJournalofMachinetool&Manufacture,1999,(39):273～295.基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究HYPERLINK"/det