加工中心刀庫與自動換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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Key Words：Machining Center Chain magazine Mechanical Arm Automatic Tool Changer 3 目錄 第1章 緒論 6 1.1 加工中心釋義 6 1.2 加工中心之發(fā)展史 6 1.3 加工中心的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 7 1.5 加工中心結(jié)構(gòu)組成機(jī)構(gòu) 7 第2章 加工中心刀庫設(shè)計(jì) 8 2.1 簡介 8 2.2 刀庫方案設(shè)計(jì) 8 2.3刀庫總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.3.1刀庫總體設(shè)計(jì) 9 2.3.2 鏈輪鏈條確定 10 2.3.3 刀庫選用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 10 2.3.4 伺服電機(jī)確定 13 2.4 傳動比分配 15 2.4.2 各軸工作功率 15 2.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩 15 第3章 傳動設(shè)計(jì) 16 3.1 蝸輪蝸桿的選用 16 3.2蝸桿渦輪傳動設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.2.1 按閉式蝸輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.2.2 蝸桿蝸輪主要參數(shù)幾何尺寸 17 3.2.3 校核閉式蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 19 3.3 軸的尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3.3.1 軸材料選定 19 3.3.2 蝸桿軸設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.3.2.1初步計(jì)算軸最小直徑 20 3.3.2.2 聯(lián)軸器選定 20 3.3.2.3 軸承的確定 20 3.3.2.4 各軸段尺寸確定 20 3.3.3 軸承校核 21 3.3.3.1 推力球軸承校核 21 3.3.3.2 圓柱滾子軸承校核 21 3.3.4 軸的校核 22 3.3.5 蝸輪軸設(shè)計(jì)計(jì)算 23 3.3.5.1 初步計(jì)算軸最小直徑 24 3.3.5.2 計(jì)算各段蝸輪軸段尺寸 24 3.3.5.3 軸承校核 25 3.3.5.6 軸的校核 25 第4章 刀庫尺寸的確定 27 4.1 刀庫總尺寸的計(jì)算 27 4.2 刀庫尺寸的計(jì)算 27 4.3 刀庫其余部件設(shè)計(jì) 27 4 4.3.1刀套的設(shè)計(jì) 27 4.3.1.1 彈簧的設(shè)計(jì) 28 4.3.1.2 尺寸的確定 29 4.3.2刀套氣缸的設(shè)計(jì) 29 第5章 自動換刀裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 31 5.1 概述 31 5.2 換刀裝置位置順序及原理 32 5.3 機(jī)械手驅(qū)動傳動結(jié)構(gòu) 33 5.4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 5.4.1 概述 35 5.4.2 機(jī)械手類型 35 5.4.3 機(jī)械手設(shè)計(jì) 36 5.4.3.1機(jī)械手手部類型 37 5.4.3.2 彈簧選取 37 5.4.3.3活動銷選取驗(yàn)證 38 5.4.3.4 鎖緊銷的選取驗(yàn)證 39 5.4.3.5 螺栓的確定 40 5.4.3.6總體尺寸的確定 41 結(jié)束語 42 參考文獻(xiàn) 43 致謝 44 5 摘要 自90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)與數(shù)控車床得到迅速的發(fā)展與普及。加工中心作為新的時(shí)代數(shù)控機(jī)床的代表，已被廣泛使用。刀庫與自動換刀裝置作為加工中心的最重要的部分，它們的發(fā)展直接決定了加工中心的快速發(fā)展。本論文完成的是立式加工中心鏈?zhǔn)降稁炫c自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動設(shè)計(jì)與傳動部分動力設(shè)計(jì)。鏈?zhǔn)降稁煸诩庸ぶ行膽?yīng)用十分廣泛，其換刀過程簡單、換刀時(shí)間短；鏈?zhǔn)降稁炱涞稁烊萘勘容^大，結(jié)構(gòu)比較靈活和緊湊，常為軸向取刀。可根據(jù)機(jī)床的布局將鏈環(huán)配置成各種形狀，也可將換刀位置刀座突出以利于換刀。刀庫傳動部分采用采用蝸輪蝸桿減速裝置，這種設(shè)計(jì)方案可以提高輸出軸傳動平穩(wěn)性能，提高刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。本刀庫滿載裝刀40把，選擇任意選刀方式，設(shè)計(jì)中機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，這種機(jī)械手可以同時(shí)完成拔刀和插刀動作，結(jié)構(gòu)簡單，換刀快。 關(guān)鍵詞：加工中心 鏈?zhǔn)降稁? 機(jī)械手 自動換刀裝置 1 ABSTRACT Since 1990s, CNC lathe and CNC machining technology have been rapid developed and spread.Machining center as a representative of a new era of CNC machine tools, has been widely used.Magazine and automatic tool changer as the most important part of the machining center, their development directly determines the rapid development of machining center.Chain magazine is widely used in the machining center, the tool changing process is simple, tool changing time is short; the chain magazine with its relatively large capacity, more flexible and compact structure, is often taken by the axial blade.Magazine transmission part adopts worm gear reduction device, this design can improve smooth performance of the output shaft, enhance the smooth functioning of the magazine.The magazine loaded with loaded knife 40, select any tool selection mode, the design of the robot arm using a rotary robot hands, this robot can complete his sword blades and action at the same time, the structure is simple,tool changing time is short. Key Words：Machining Center Chain magazine Mechanical Arm Automatic Tool Changer 3 目錄 第1章 緒論 6 1.1 加工中心釋義 6 1.2 加工中心之發(fā)展史 6 1.3 加工中心的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 7 1.5 加工中心結(jié)構(gòu)組成機(jī)構(gòu) 7 第2章 加工中心刀庫設(shè)計(jì) 8 2.1 簡介 8 2.2 刀庫方案設(shè)計(jì) 8 2.3刀庫總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.3.1刀庫總體設(shè)計(jì) 9 2.3.2 鏈輪鏈條確定 10 2.3.3 刀庫選用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 10 2.3.4 伺服電機(jī)確定 13 2.4 傳動比分配 15 2.4.2 各軸工作功率 15 2.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩 15 第3章 傳動設(shè)計(jì) 16 3.1 蝸輪蝸桿的選用 16 3.2蝸桿渦輪傳動設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.2.1 按閉式蝸輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.2.2 蝸桿蝸輪主要參數(shù)幾何尺寸 17 3.2.3 校核閉式蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 19 3.3 軸的尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3.3.1 軸材料選定 19 3.3.2 蝸桿軸設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.3.2.1初步計(jì)算軸最小直徑 20 3.3.2.2 聯(lián)軸器選定 20 3.3.2.3 軸承的確定 20 3.3.2.4 各軸段尺寸確定 20 3.3.3 軸承校核 21 3.3.3.1 推力球軸承校核 21 3.3.3.2 圓柱滾子軸承校核 21 3.3.4 軸的校核 22 3.3.5 蝸輪軸設(shè)計(jì)計(jì)算 23 3.3.5.1 初步計(jì)算軸最小直徑 24 3.3.5.2 計(jì)算各段蝸輪軸段尺寸 24 3.3.5.3 軸承校核 25 3.3.5.6 軸的校核 25 第4章 刀庫尺寸的確定 27 4.1 刀庫總尺寸的計(jì)算 27 4.2 刀庫尺寸的計(jì)算 27 4.3 刀庫其余部件設(shè)計(jì) 27 4 4.3.1刀套的設(shè)計(jì) 27 4.3.1.1 彈簧的設(shè)計(jì) 28 4.3.1.2 尺寸的確定 29 4.3.2刀套氣缸的設(shè)計(jì) 29 第5章 自動換刀裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 31 5.1 概述 31 5.2 換刀裝置位置順序及原理 32 5.3 機(jī)械手驅(qū)動傳動結(jié)構(gòu) 33 5.4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 5.4.1 概述 35 5.4.2 機(jī)械手類型 35 5.4.3 機(jī)械手設(shè)計(jì) 36 5.4.3.1機(jī)械手手部類型 37 5.4.3.2 彈簧選取 37 5.4.3.3活動銷選取驗(yàn)證 38 5.4.3.4 鎖緊銷的選取驗(yàn)證 39 5.4.3.5 螺栓的確定 40 5.4.3.6總體尺寸的確定 41 結(jié)束語 42 參考文獻(xiàn) 43 致謝 44 5 1 緒論 1.1 加工中心釋義 加工中心是適應(yīng)省時(shí)、節(jié)能和省力的時(shí)代需求而快速發(fā)展起來的自動換刀數(shù)控機(jī)床，綜合了電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、測量及傳感技術(shù)以及刀具和編程技術(shù)和通信診斷的產(chǎn)品。加工中心能夠集中多種工序，具有工序集中、自動換刀、精度高等特點(diǎn)，使機(jī)床切削利用率高于普通機(jī)床的3至4倍，是數(shù)控機(jī)床中自動化程度與生產(chǎn)率最高的綜合性機(jī)床。 1.2 加工中心之發(fā)展史 1958年，美國卡尼·特雷克公司把銑、鏜、鉆等多種工序集中到一臺機(jī)床上，通過換刀實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺數(shù)控加工中心。產(chǎn)品問世后，引起英國、德國各先進(jìn)工業(yè)國的高度重視，競相生產(chǎn)開發(fā)，不斷完善和擴(kuò)大機(jī)床功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快的產(chǎn)品之一。如今，世界上出現(xiàn)了臥式、立式等各種加工中心。 未來加工中心的發(fā)展動向進(jìn)一步提高精度以及高速化機(jī)能。自70年代開始，我國加工中心已得到迅速發(fā)展，但未能適應(yīng)我國快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)，與世界水平相差甚遠(yuǎn)。 1.3 加工中心的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 由于加工中心在加工過程中的重要作用，各國皆是十分重視，使在產(chǎn)量和技術(shù)上得到了迅速發(fā)展。目前全世界加工中心以日本、美國、歐盟以及中國臺灣等為代表性的生產(chǎn)基地。我國加工中心雖發(fā)展迅速，但與世界水平相差甚遠(yuǎn)，尤其是與日本與德國差距。目前，國產(chǎn)加工中心主要是臥式與立式加工中心，規(guī)格一般為300、400、500、630和800。而德國EX-CELL-O GMBH公司與Chrion Werke、日本Mazak公司等國外著名公司是世界加工中心先進(jìn)生產(chǎn)的代表。 加工中心發(fā)展傾向?yàn)? （1) 高效率、高速率 （2) 高精度 （3) 高可靠性 1.5 加工中心結(jié)構(gòu)組成機(jī)構(gòu) （1） 基礎(chǔ)部件 主要由立柱、床身和工作臺等組成。 （2） 主軸系統(tǒng) 主要由主軸電動機(jī)、主軸箱和主軸以及主軸零部件組成。 （3） 數(shù)控系統(tǒng) 主要由可編程序控制器、CNC裝置和電動機(jī)等組成。 （4） 自動換刀系統(tǒng) 主要由刀庫與自動換刀裝置等組成。 （5） 輔助系統(tǒng) 包括冷卻、潤滑、排屑、液壓和隨機(jī)檢測系統(tǒng)等部分。 2 加工中心刀庫設(shè)計(jì) 2.1 簡介 本設(shè)計(jì)采用刀庫式自動換刀裝置，只需一個(gè)夾持刀具進(jìn)行加工的主軸，刀庫中刀具數(shù)目可根據(jù)要求與機(jī)床布局而定，刀具數(shù)目可較多。刀庫位置可根據(jù)需要與機(jī)床結(jié)構(gòu)布局而定，可遠(yuǎn)離加工區(qū)，消除與工件相干擾的可能，并且加工中刀庫不承受作用力。 2.2 刀庫方案設(shè)計(jì) （1） 盤式刀庫 刀庫軸線與鼓盤軸線平行的鼓式刀庫---刀具環(huán)形排列，分徑向、軸向兩種取刀方式，結(jié)構(gòu)簡單，適用于刀庫容量較少的情況。為增加刀庫空間利用率，可采用雙環(huán)或者多環(huán)排列刀具的形式，但鼓盤直徑增加，轉(zhuǎn)動慣量就增加，選刀時(shí)間也增長。 鼓盤軸線與刀具軸線不平行的鼓式刀庫---鼓盤軸線與軸線之間的夾角為或銳角。這種刀庫占用面積大，刀庫容量與刀庫在機(jī)床上的安裝位置受很大程度的限制，所以在生產(chǎn)中應(yīng)用較少，但這種刀庫能夠很大程度的有效的減少機(jī)械手在生產(chǎn)中的換刀動作，并且很大程度上簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)。 （2） 鏈?zhǔn)降稁? 鏈?zhǔn)降稁旖Y(jié)構(gòu)較為緊湊，通常為軸向取刀，刀庫容量可較大，鏈環(huán)可根據(jù)機(jī)床布局配置成各種形狀，也可將換刀位置刀座突出以利換刀，一般刀具數(shù)量在30至120把時(shí)，多采用鏈?zhǔn)降稁臁? （3） 格子型盒子式刀庫 刀具在刀庫中分幾列直線排列，由橫、縱的方向移動，由此取刀，由機(jī)械手完成選刀動作，將為之后工作而選取的刀具送到換到位置-刀座上，由換刀機(jī)械手進(jìn)行完成交換刀具的動作。由于刀具排列密集，所以此種刀庫空間利用率很高，并且刀庫容量很大。 由上述條件，根據(jù)加工要求與本設(shè)計(jì)任務(wù)，刀庫采用鏈?zhǔn)降稁?，主要參?shù)如下： 1） 刀庫容量：最大容量40把 2）選刀方式：隨機(jī)選刀 3） 換刀方式：機(jī)械手換刀 4）選用刀具 BT40刀柄 5）最大刀具重量：8kg 2.3刀庫總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1刀庫總體設(shè)計(jì) 圖2-1 鏈?zhǔn)降稁祛愋? 刀庫的主運(yùn)動為鏈?zhǔn)竭\(yùn)動，主動鏈輪由伺服電動機(jī)通過蝸輪蝸桿減速裝置驅(qū)動。由主動鏈輪與兼起張緊輪作用的導(dǎo)向輪組成，導(dǎo)向輪一般做成光輪，圓周表面硬化處理。電機(jī)提供動力，電動機(jī)通過皮帶輪、蝸輪蝸桿驅(qū)動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)刀庫的運(yùn)轉(zhuǎn)，并由設(shè)計(jì)需求選用上述（b）型鏈?zhǔn)降稁臁? 2.3.2 鏈輪鏈條確定 考慮到刀具的重量與刀庫的工作平穩(wěn)性，采用HP型鏈條，由參考文獻(xiàn)1取尺寸如下： 表2-1鏈條參數(shù) 由文獻(xiàn)知鏈輪齒數(shù)不宜少于9齒，則取為15齒。 （1） 由文獻(xiàn)1可知鏈輪齒頂圓直徑為： （2-1） 取0.2，則計(jì)算為441.42mm, P-鏈條節(jié)距 (2) 鏈輪節(jié)圓直徑為： (2-2) 式中 N-齒數(shù) 計(jì)算為432.88mm （3）其余鏈輪的確定 其余鏈輪為從動輪，設(shè)計(jì)為光輪，其外徑Do’計(jì)算公式如下： (2-3) 式中i1-鏈傳動傳動比 d-鏈條套筒直徑（m） 已知i1=1，Dp=0.433m,d=0.055m，代入上式得D0‘=0.378m 2.3.3 刀庫選用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 由參考文獻(xiàn)（3）鏈?zhǔn)降稁熵?fù)載轉(zhuǎn)矩由刀具不平衡重量和滑動摩檫力引起， Tm=（W+FV)R 式中 TM--刀庫負(fù)載轉(zhuǎn)矩（） W--刀具不平衡重量（N) --鏈條總滑動摩檫力(N) R--鏈輪節(jié)圓半徑(m) 1,刀具最大不平衡重量可按在一個(gè)垂直方向分布的刀套上裝有 1/10刀庫最大刀具容量最終刀具總重量計(jì)算，如下： (2-4) 式中 no--刀庫最大容刀數(shù)量 --刀庫中一把刀具最大質(zhì)量（kg) 代入計(jì)算得=313.6N 2，滑動摩檫力FV計(jì)算 刀庫鏈輪節(jié)圓直徑0.518mm，刀具最大重量8kg,刀具平均重量7kg，每個(gè)方向上20把刀具，刀具重量140kg，刀具不平衡重量Wmax313.6N，法向約束力1400N， 滑動摩檫力由鏈條與導(dǎo)向板之間的摩察產(chǎn)生，垂直布置的鏈條左右兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)向板，用以減少鏈條的抖動，提高刀具定位精度，如圖所示： 圖2-2 垂直布置鏈條及導(dǎo)向板裝配圖 垂直不是的鏈條與導(dǎo)向板的摩擦力主要是由刀具下垂引起的，取垂直布置鏈條的一節(jié)鏈板與對應(yīng)的兩個(gè)刀套、刀具，刀柄為研究對象，進(jìn)行受力分析，簡化受力分析如圖所示， 圖中Fn1、Fn2--導(dǎo)向板對鏈板的作用力，分別集中于A、B處， Tb1、Tv2--鏈條內(nèi)部張力，集中在左右側(cè)外鏈板中心處， --每組內(nèi)鏈板及其對應(yīng)的刀套、刀具、刀柄重量（N) L1--右側(cè)外鏈板作用力Tv1、Tv2在x方向距A的距離（m） --在y方向上距A的距離（m) --在x方向上距A的距離（m) 圖2-3 垂直布置鏈條受力分析 根據(jù)圖列寫平衡方程 解得： 可得計(jì)算公式如下: （2-5） 式中μ--導(dǎo)向板與鏈條間動摩擦因數(shù) nv1--垂直方向分布的鏈條含研究對象數(shù) 刀庫最大容量40把，刀庫中最大刀具質(zhì)量8kg，在刀庫最大容量下計(jì)算Fvmax，得刀具平均質(zhì)量7kg。已知型號HP40-90鏈條每組內(nèi)鏈板及其兩刀套質(zhì)量為m=5.0kg，可得=135N；各尺寸為L1=68mm，Ln2=168mm，=115mm。由圖可知垂直方向布置鏈條共含研究對象24。刀庫中導(dǎo)向板材料為尼龍1010，鏈條材料為45號淬火鋼，由文獻(xiàn)1可知兩者摩擦因數(shù)為0.24，將各參數(shù)代入上述公式得： =749.83N，則=321.08Nm 2.3.4 伺服電機(jī)確定 （1） 鏈條轉(zhuǎn)速平均值可確定為：， （2-6） 式中n--鏈輪轉(zhuǎn)速（r/min） 由文獻(xiàn)（4）可知鏈條速度v=0.30.5m/s,已知N=21，f=0.09m， 則鏈輪轉(zhuǎn)速n為9.5215.87r/min。 負(fù)載所需功率為P=Tn/9549=0.54KW （2）同步帶傳動設(shè)計(jì) 為減輕同步帶輪質(zhì)量以及滿足輕度要求，選擇帶輪材料為YL12， 傳動比定為i3=1，查文獻(xiàn)1得傳動效率為=0.98。 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與傳遞功率范圍由文獻(xiàn)1選擇L型同步帶，齒型為梯形，節(jié)距為9.525mm，帶寬為25.4mm；帶輪齒數(shù)為18，節(jié)圓直徑為54.57mm，帶輪雙面加擋邊。 （3） 伺服電機(jī)選型 由動力學(xué)定律得以下方程： （2-7） （2-8） 式中---電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩； --負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)輸出軸的靜阻力距； ---電機(jī)輸出軸與主動鏈輪軸轉(zhuǎn)速比； ---電機(jī)輸出角速度 --電機(jī)輸出軸到主動鏈輪傳動效率； ---運(yùn)動部件折算到電機(jī)輸出軸等效轉(zhuǎn)動慣量 選擇伺服電機(jī)應(yīng)符合以下條件 （1） 式中TS---電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 (2) , （2-9） 式中最大角速度加速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 （3） ， （2-10） 式中-- 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量折算到電機(jī)輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量 -- 電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 式中— —蝸輪蝸桿傳動效率 ——同步帶效率 ——蝸輪蝸桿傳動比 ——同步帶傳動比 已知、=40、 代入上式得，=40 代入得TDX=10.29Nm, 則TS為12.348－15.435Nm 由文獻(xiàn)2選擇電機(jī)型號如下： 表2-2 電機(jī)參數(shù) 2.4 傳動比分配 Ⅰ軸：n1=nm/i1=500r/min Ⅱ軸：n2=n1/i2=12.5r/min 2.4.2 各軸工作功率 Ⅰ軸：P1=P0×η=0.55×0.99=0.5445KW Ⅱ軸：P2=P1×η1=0.5445×0.8=0.4356KW 2.4.3 各軸轉(zhuǎn)矩 電機(jī)輸出軸：T0=9550P0/n=10.5Nm Ⅰ軸：T1=10.4Nm Ⅱ軸：T2=332.8Nm 3 傳動設(shè)計(jì) 3.1 蝸輪蝸桿的選用 由文獻(xiàn)4蝸輪蝸桿對于傳動設(shè)計(jì)，參考6至9級精度，并蝸輪蝸桿難以保證較高的接觸精度，渦輪應(yīng)用減摩性能較好的軟性材料來制造。由于蝸桿會受到短時(shí)沖擊，故此次設(shè)計(jì)蝸桿采用45鋼，調(diào)質(zhì)表面硬度>45HRC，渦輪采用ZCuSn10P1，由GB/T 10085-1998推薦，采用漸開線蝸桿。 3.2蝸桿渦輪傳動設(shè)計(jì)計(jì)算 選用ZA型蝸桿渦輪減速器，輸入功率為0.55KW，轉(zhuǎn)速500r/min,傳動比i=40,，預(yù)期壽命12000h。 3.2.1 按閉式蝸輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，刀庫中蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)中根據(jù)閉式傳動蝸桿傳動設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按蝸輪齒面的接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后再校核蝸輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。查文獻(xiàn)4式得： （3-1） (1) 確定傳動中機(jī)構(gòu)作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩 按Z1=1，η=0.8，則 （3-2） （2） 確定載荷系數(shù)K 工作載荷穩(wěn)定，故=1,由文獻(xiàn)4表11-5選取=1.15；并轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動載荷系數(shù)=1.05，則K==1.21 (3) 確認(rèn)彈性影響系數(shù) 有選用材料可知ZE=160MPa1/2 (4) 確定渦輪齒數(shù) Z2=Z1×i=1×40=40 （5） 確定許用接觸應(yīng)力 由表11-7中查得許用應(yīng)力=268MPa 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=60jn2Lh=60×12.5×12000=9×106 壽命系數(shù)KHN=1.013，則=KHN=271.48MPa （6） 計(jì)算m2d1值 由表11-2取模數(shù)m=4mm,蝸桿分度圓直徑d1=60mm 3.2.2 蝸桿蝸輪主要參數(shù)幾何尺寸 （1） 中心距 a=(d1+d2)/2=(60+40×4)/2=110mm （2） 蝸桿 軸向齒距Pa=12.566mm；直徑系數(shù)q=10；齒頂圓直徑da1=68mm；齒根圓直徑df1=50.4mm;分度圓導(dǎo)程角γ=5042‘。 (3)蝸輪尺寸 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑da2=d2+2ha2=168mm 蝸輪齒根圓直徑 (4)蝸輪蝸桿各參數(shù)尺寸如下 表3-1 蝸輪蝸桿參數(shù) 3.2.3 校核閉式蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 =≤ （3-3） 當(dāng)量齒數(shù)==40.46，從圖11-17中可查的齒形系數(shù) =2.38，螺旋角系數(shù) =1-=0.959 許用彎曲應(yīng)力 【】=【】’ 由表11-8查得【】’=56MPa 壽命系數(shù) =0.783， 【】=43.869MPa 計(jì)算得=36.62MPa，故彎曲強(qiáng)度滿足要求。 3.3 軸的尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 軸材料選定 軸材料選用碳鋼及合金鋼，減速裝置中軸以45號調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用廣泛。 3.3.2 蝸桿軸設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.2.1初步計(jì)算軸最小直徑 軸的直徑可由功率與轉(zhuǎn)速確定，按下式計(jì)算： ，由表15-3，取值112，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得d≥11.52 則由此取為 3.3.2.2 聯(lián)軸器選定 由傳動設(shè)置工作條件選擇SL系列十字滑塊聯(lián)軸器，計(jì)算轉(zhuǎn)矩如下： （3-4） 式中 T--理論轉(zhuǎn)矩 Nm； --驅(qū)動功率 KW； n--工作轉(zhuǎn)速 r/min； --動力機(jī)系數(shù) 由文獻(xiàn)5取值1； K--工況系數(shù) 由文獻(xiàn)5表6-2-2取值為1.25； --啟動系數(shù) 取值1； --溫度系數(shù) 由表6-2-3取值1； --公稱轉(zhuǎn)矩，Nm 代入計(jì)算得=13Nm 由文獻(xiàn)5，根據(jù)上述條件選擇SL100型號聯(lián)軸器，內(nèi)孔直徑為36-40mm。 進(jìn)而確定蝸桿軸軸伸處直徑為40mm,軸孔長度L=70mm，D=100mm,=60mm。 3.3.2.3 軸承的確定 由于此次設(shè)計(jì)采用的是蝸輪蝸桿傳動設(shè)計(jì)，故受軸向力與徑向力，由文獻(xiàn)4采用推力球軸承與圓柱滾子軸承搭配使用，另一方向使用圓錐滾子軸承，查文獻(xiàn)6表14-3、14-6、14-7采用型號分別為51210，NU1010,32010X2。 3.3.2.4 各軸段尺寸確定 圖3-1 蝸輪軸 由軸上受力情況，根據(jù)固定和定位的要求，蝸桿軸分為八段，軸Ⅰ由聯(lián)軸器需求，設(shè)計(jì)為60mm，直徑為40mm，并由右側(cè)軸肩對聯(lián)軸器進(jìn)行軸向定位；軸Ⅱ設(shè)計(jì)為緊定螺釘軸段，既有固定聯(lián)軸器作用，也有對右側(cè)軸承進(jìn)行軸向定位的作用，直徑與長度分別設(shè)計(jì)為45mm、20mm；軸Ⅲ安裝有推力球軸承與圓柱滾子軸承，右側(cè)由擋圈與軸肩進(jìn)行軸向定位，直徑與長度分別設(shè)計(jì)為50mm、78mm；軸Ⅳ安裝軸承與擋圈，左側(cè)由擋圈、右側(cè)由軸肩進(jìn)行軸向定位，直徑與長度分別設(shè)計(jì)為55mm、53mm；軸Ⅴ為軸肩，對左側(cè)軸承進(jìn)行軸向定位，直徑與長度分別設(shè)計(jì)為60mm、30mm；軸Ⅵ為蝸桿處，蝸桿齒頂圓直徑為68mm，長度設(shè)計(jì)為102mm；軸Ⅶ為軸肩，對右側(cè)軸承進(jìn)行軸向定位，直徑與長度分別設(shè)計(jì)為50mm、50mm；軸Ⅷ安裝有圓錐滾子軸承，右側(cè)由彈性擋圈進(jìn)行軸向定位，直徑與長度分別設(shè)計(jì)為40mm、25mm總長度為418mm。 3.3.3 軸承校核 3.3.3.1 推力球軸承校核 由文獻(xiàn)4式13-5可知 （3-5） 由文獻(xiàn)4式11-6可知，式11-7知α 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Fa1=Ft2=4160N Fr1=Fr2=1514N 由文獻(xiàn)6查得c=48.5KN 由上式代入計(jì)算得=52823h，滿足需求。 3.3.3.2 圓柱滾子軸承校核 由文獻(xiàn)4式13-5可知 由文獻(xiàn)6查得c=25KN 由上式代入計(jì)算得=38197h，滿足要求。 3.3.4 軸的校核 (1)蝸桿軸水平面受力如下圖所示： 圖3-2 蝸桿軸受力分析 圖中,,, 水平彎矩圖如下圖所示： 圖3-3 蝸桿軸水平彎矩圖 (2) 蝸桿軸垂直面受力如下圖所示： 垂直方向彎矩圖如下圖所示： 圖3-4 蝸桿軸垂直彎矩圖 軸的材料選取為45鋼，， 蝸桿受力計(jì)算如下： 蝸桿轉(zhuǎn)矩： 計(jì)算得： 蝸輪轉(zhuǎn)矩： 計(jì)算得： 軸向力： 計(jì)算得： 徑向力： 計(jì)算得： 圓周力： 計(jì)算得： 確認(rèn)許用應(yīng)力為： 查表得， 校核軸徑如下： 由3.2.2可知齒根圓直徑為50.4mm 軸徑為： 由此可知 故而，軸徑滿足要求。 3.3.5 蝸輪軸設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.5.1 初步計(jì)算軸最小直徑 由文獻(xiàn)4式15-2 ，由表15-3 取112，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得d≥36.58mm,由于軸上由蝸輪與帶動刀庫轉(zhuǎn)動的需要，設(shè)有兩個(gè)鍵槽，故需要增大10%-15%，因此定為60mm。 3.3.5.2 計(jì)算各段蝸輪軸段尺寸 由軸上零件受力情況，由于固定與軸向定位的需要，初步確定軸的階段軸，蝸輪軸共為7段，圖、數(shù)據(jù)如下所示： 圖3-5 蝸桿軸 如上式所計(jì)算，Ⅰ軸直徑為60mm，裝有32912x2型號圓錐滾子軸承，T=17，軸承左側(cè)由箱體進(jìn)行軸向定位，右側(cè)由軸肩進(jìn)行定位，由此 長度設(shè)計(jì)為23mm；Ⅱ軸為軸承軸向定位軸肩，直徑為70mm，長度設(shè)計(jì)為15mm；Ⅲ軸為蝸輪軸向定位軸肩，直徑設(shè)計(jì)為85mm，長度設(shè)計(jì)為25mm；Ⅳ軸為軸頭，與蝸輪配合，對蝸輪進(jìn)行周向定位，直徑為75mm，蝸輪寬度為86mm，由此設(shè)計(jì)軸頭長為84mm，鍵槽參數(shù)為b×h=25×14，長度設(shè)計(jì)為75mm；Ⅴ軸為軸頸，安裝有32914x2型號圓錐滾子軸承，右側(cè)由擋圈對蝸輪和軸承進(jìn)行軸向定位，右側(cè)由箱體對軸承進(jìn)行軸向定位；Ⅵ軸為安裝箱體部分軸段，并對右側(cè)鏈輪進(jìn)行軸向定位，直徑設(shè)計(jì)為65mm,長度設(shè)計(jì)為105mm；Ⅶ軸為軸頭，安裝有鏈輪并由鍵對鏈輪進(jìn)行周向定位，鏈輪左側(cè)由軸肩進(jìn)行軸向定位，右側(cè)由箱體或其他部件進(jìn)行軸向定位，直徑與長度皆設(shè)計(jì)為60mm，鍵尺寸為b×h=18×11，長度設(shè)計(jì)為50mm；蝸輪軸總長為354mm。 3.3.5.3 軸承校核 由文獻(xiàn)4知 由文獻(xiàn)6可知c=34.5KN P=X+Y 由文獻(xiàn)4可知X=0.4，Y=0.63 代入計(jì)算得=33981h，滿足要求。 3.3.5.6 軸的校核 蝸輪軸水平受力如下圖所示： 圖3-6 蝸輪軸受力分析 蝸輪軸水平彎矩圖如下圖所示： 圖3-7 蝸輪軸水平彎矩圖 蝸輪軸垂直方向受力如下圖所示： 圖3-8 蝸輪軸垂直方向受力分析 蝸輪軸垂直方向彎矩圖如下圖所示： 圖3-9 蝸輪軸垂直方向彎矩圖 軸材料選取為45鋼，，，由上可知蝸輪直徑為160mm，鏈輪直徑為432mm，蝸輪轉(zhuǎn)矩 ，軸上圓周力、徑向力與軸向力如上計(jì)算可知。 鏈輪受力如下所示； 計(jì)算得： 承受許用應(yīng)力如下： 由表查得 由3.2.2可知蝸輪齒根圓直徑為150.4mm 蝸輪軸所需直徑計(jì)算得： 由此可知上述設(shè)計(jì)軸徑滿足需求。 40 4 刀庫尺寸的確定 4.1 刀庫總尺寸的計(jì)算 在2.3中選用的為HP-90型號鏈條，鏈條中心距為90mm，此次設(shè)計(jì)為40把鏈?zhǔn)降稁?，故鏈條總長度應(yīng)為L=40×90=3600mm。 4.2 刀庫尺寸的計(jì)算 在2.3中鏈輪節(jié)圓直徑為432.88mm，2.3中提到選用的鏈?zhǔn)降稁戽湕l寬度為88mm，故鏈?zhǔn)降稁旄叨菻=432.88+88×2=609mm，即0.609m。 鏈條套筒中心圓周線在兩端直徑為d=432.88+88=520.88mm，兩端圓周長之和=520.88×π=1636.39。兩鏈輪中心距==981.80mm。鏈?zhǔn)降稁靸啥税雸A軸向長度=+88=304.44mm。 故鏈?zhǔn)降稁炜傞L=+2=1590.68mm。 4.3 刀庫其余部件設(shè)計(jì) 刀庫在機(jī)床中工作過程中時(shí)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)在工作中發(fā)出指令后，由此之后伺服電動機(jī)接通，其傳動的運(yùn)動過程通過十字連軸器、蝸桿、蝸輪、鏈輪傳送到機(jī)床中的刀庫。由此刀庫帶動其上工作的刀套運(yùn)轉(zhuǎn)，完成工作過程中的選刀動作。刀庫中每一個(gè)刀套尾部皆需要有一個(gè)滾子，當(dāng)工作過程中待換刀具旋轉(zhuǎn)到換刀位置時(shí)，其尾部的滾子進(jìn)入機(jī)構(gòu)中的撥叉槽內(nèi)，并且在此同時(shí)氣缸的下腔通壓縮空氣，由此液壓缸下的活塞桿帶動撥叉上升，放開位置開關(guān)，用以由此斷開相關(guān)電路，防止機(jī)床中的刀庫、主軸等有誤動作。隨機(jī)構(gòu)中的撥叉的上升，帶動刀庫中的刀套繞著銷軸逆時(shí)針向下翻轉(zhuǎn)90度，從而使刀庫中的刀具軸線與主軸軸線平行。刀套下翻90度，液壓缸下的撥叉上升到終點(diǎn)，壓下機(jī)構(gòu)中的定位開關(guān)，發(fā)出信號命令換刀機(jī)械手抓刀。通過機(jī)構(gòu)中的螺桿，可以由此調(diào)整撥叉工作行程，而機(jī)構(gòu)中的撥叉工作行程決定了刀具軸線相對主軸線位置。 由上述刀庫工作原理可知，刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)除鏈?zhǔn)降稁炫c2.3設(shè)計(jì)的鏈輪鏈條與3.2、3.3設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿、軸之外，需要?dú)飧?、活塞桿、撥叉、螺桿、位置開關(guān)、定位開關(guān)、棍子、銷軸以及刀套。 4.3.1刀套的設(shè)計(jì) 刀套設(shè)計(jì)圖如下所示： 圖4-1刀套結(jié)構(gòu) 刀套材料設(shè)計(jì)為玻璃纖維增強(qiáng)的不飽和聚酯，模壓成型，制造成本低，重量輕，工作中噪音小。刀套的錐孔尾部設(shè)計(jì)有兩個(gè)球頭銷釘。在設(shè)計(jì)的刀套零部件中，在螺紋套與球頭銷之間裝有彈簧。當(dāng)?shù)毒卟迦氲短缀?，由于彈簧力的作用，使刀柄被夾緊。擰動螺紋套，可以調(diào)節(jié)夾緊力的大小。當(dāng)?shù)短自诘稁熘刑幱谒轿恢脮r(shí)，靠刀套頂部滾子支撐。 4.3.1.1 彈簧的設(shè)計(jì) 由上述可知當(dāng)?shù)短仔D(zhuǎn)之后，刀具由彈簧力的作用夾緊，彈簧設(shè)計(jì)如下： 通過計(jì)算兩彈簧壓縮量之和至少為26.5mm,故選擇壓縮量為15mm的彈簧。 下面拿一彈簧為例計(jì)算如下： 所需夾緊刀具力計(jì)算為： （4-1） 刀具最大重量為8Kg，要使刀具在夾緊力的作用下不掉下，摩擦力需大于重力，由于此處為金屬的接觸，摩擦系數(shù)選為 （4-2） 式中N--對刀具的壓力 即>G 即>=8×9.8/0.12=653N 由此可知彈簧對刀具的夾緊力需大于653N，即 >653N 聯(lián)立上面各式可以得到: >653/2N 即>24.2 所以K值取為25 4.3.1.2 尺寸的確定 零部件尺寸如下： 由2.2可知最大刀具重量為8kg以及刀具尺寸，刀套尺寸設(shè)計(jì)為， 棍子尺寸設(shè)計(jì)為mm。刀套中彈簧通過螺紋套與導(dǎo)套箱體鏈接，螺紋套尺寸設(shè)計(jì)為，長度設(shè)計(jì)為，螺紋套通過球頭銷定將其與刀套連接，球頭銷定尺寸設(shè)計(jì)為。刀套中，由右至左各段孔尺寸依次設(shè)計(jì)為Ⅰ段設(shè)計(jì)為，Ⅱ段孔尺寸設(shè)計(jì)為，Ⅲ段孔尺寸設(shè)計(jì)為階梯孔，優(yōu)選尺寸設(shè)計(jì)為，左端尺寸設(shè)計(jì)為，長度設(shè)計(jì)為19mm；Ⅳ段孔尺寸設(shè)計(jì)如下：左端為，右端為，長度為；Ⅴ段孔尺寸設(shè)計(jì)如下：右端為，左端為，長度為。導(dǎo)套總尺寸設(shè)計(jì)為。 4.3.2刀套氣缸的設(shè)計(jì) 刀庫在工作過程中，選定刀具之后，當(dāng)?shù)稁爝\(yùn)轉(zhuǎn)至換到位置時(shí)，由位置擋塊限定位置之后，發(fā)住換刀信號之后，由氣缸帶動刀套旋轉(zhuǎn)，之后由機(jī)械手完成之后一系列的換刀動作。氣缸設(shè)計(jì)如下： 由刀套工作怨氣能力選用雙作用普通氣缸。這種氣缸誘惑帶分成兩個(gè)腔室，為有敢搶與無桿腔。壓縮空氣進(jìn)入無感強(qiáng)之后，壓縮空氣作用在活塞右側(cè)的力推動活塞塞桿運(yùn)動，使得刀套復(fù)位；壓縮空氣進(jìn)入與偶敢搶的時(shí)候，活塞變相有運(yùn)動，帶動刀套向上運(yùn)動使其旋轉(zhuǎn)。 氣缸尺寸設(shè)計(jì)如下： 刀套在工作過程中，由氣缸通過撥叉與滾子帶動，刀具最大重量為，刀套、撥叉以及棍子等總重量為，由此重理論輸出力為，工作壓力為 5 自動換刀裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 概述 自動換刀裝置（Automatic Tool Changer)是由機(jī)械手及其相關(guān)的控制系統(tǒng)組成。一般刀具都是安裝在機(jī)床主軸上，加工工件時(shí)工件安裝在工作臺上。為能使工序較為集中，盡量能夠節(jié)省輔助時(shí)間，于是在數(shù)控銑床上安裝自動換刀裝置，便形成加工中心（MC)。 加工中心開始的時(shí)候曾采用轉(zhuǎn)塔頭的方式進(jìn)行換刀，在其結(jié)構(gòu)中，電動機(jī)、轉(zhuǎn)塔頭、變速箱等做成一體，這樣結(jié)構(gòu)緊湊；但變速箱工作的時(shí)候，產(chǎn)生的振動和熱量都會直接傳到轉(zhuǎn)塔的上面，而且轉(zhuǎn)塔式刀庫中，每把刀具皆需要一個(gè)主軸，因此，導(dǎo)致其刀具尺寸、結(jié)構(gòu)、數(shù)量都受到很多限制。 換刀方式確認(rèn)如下： 圖5-1 換刀方式 如上圖所示，為無機(jī)械手換刀方式。小型加工中心有些采用無機(jī)械手換刀方式進(jìn)行換刀，其刀庫立于立柱前方的上部，刀庫中刀具存放方式與主軸方向一致。換刀時(shí)，主軸箱帶著主軸在導(dǎo)軌上上升至換刀位置，主軸上刀具進(jìn)入刀庫的一個(gè)存放位置，主軸內(nèi)夾刀機(jī)構(gòu)松開，刀庫沿著主軸方向移動，隨即從主軸上拔出刀具，之后刀庫回轉(zhuǎn)。這種換刀方式，刀庫整體前后移動，結(jié)果導(dǎo)致刀具數(shù)量少，并且刀具尺寸也小，這種刀庫旋轉(zhuǎn)是在加工工序之間進(jìn)行的，也就是說刀庫回轉(zhuǎn)所需要的復(fù)制時(shí)間與加工所需時(shí)間不重合，此種刀庫與換刀裝置限制很大，而此次設(shè)計(jì)刀具數(shù)量不少，因此采用機(jī)械手換刀方式。 5.2 換刀裝置位置順序及原理 換刀裝置位置順序如下如下圖所示： 圖5-2 換刀過程 上一工序加工完畢后，停在主軸準(zhǔn)停位置，之后由自動換刀裝置換刀，順序如下： （1）刀庫下翻。機(jī)床刀庫位于立柱左側(cè)，刀具在鏈?zhǔn)降稁熘械陌惭b方向與主軸軸線垂直，如圖a所示。換刀前，鏈?zhǔn)降稁燹D(zhuǎn)動，將待用刀具送到換刀位置，之后將帶有此把刀庫刀具的刀套下翻轉(zhuǎn)，使得此把刀具軸線與主軸的軸線平行。 （2）機(jī)械手轉(zhuǎn)動。機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，機(jī)械手手臂與主軸中心到換刀位置刀具中心線的連線為，該位置為機(jī)械手原始位置。機(jī)械手進(jìn)行換刀的第一個(gè)動作是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖c所示，兩手爪分別抓住刀庫待用道具與主軸刀具的刀柄。 （3）刀具松開。機(jī)械手抓住主軸刀具的刀柄之后，刀具的自動夾緊機(jī)構(gòu)會松開刀具。 (4)機(jī)械手拔刀。機(jī)械手下降，將同時(shí)拔出量把刀具，如圖d所示。 （5）交換兩把刀具位置。機(jī)械手帶動兩把刀具逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使主軸刀具與刀庫待用刀具交換位置，如圖e所示。 （6）機(jī)械手插刀。機(jī)械手上升，如圖f所示，分別把兩把刀具插入主軸錐孔與刀套中。 （7）刀具夾緊。換刀之后的刀具插入主軸中的錐孔之后，刀具中的自動夾緊機(jī)構(gòu)會此時(shí)夾緊刀具。 （8）機(jī)械手反轉(zhuǎn)。機(jī)械手將反轉(zhuǎn)，如圖h所示，回到原始位置。 （9）刀庫上翻。刀套帶動刀具向上翻轉(zhuǎn)，如圖g所示，為再次選刀做準(zhǔn)備。 5.3 機(jī)械手驅(qū)動傳動結(jié)構(gòu) 如5.1中所述，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)抓刀，需要機(jī)械手手臂軸上齒輪齒條的嚙合傳動來完成；機(jī)械手上升與下降需要液壓缸，使活塞桿推動機(jī)械手完成，由此，機(jī)械手傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示： 圖5-3 機(jī)械手驅(qū)動結(jié)構(gòu) 機(jī)械手驅(qū)動傳動結(jié)構(gòu)工作原理如下： 如前所述，刀套下翻之后，壓下上行程開關(guān)，會發(fā)出機(jī)械手抓刀信號。此時(shí)，機(jī)械手處于圖中所示上面位置，液壓缸18右腔會通壓力油，活塞桿將推著齒條17向左方移動，使齒輪11轉(zhuǎn)動，帶動機(jī)械手手臂軸轉(zhuǎn)動。如上圖所示，使得機(jī)械手回轉(zhuǎn)抓刀。抓到動作結(jié)束之后，齒條17上檔環(huán)12將壓下位置開關(guān)14，會發(fā)出拔刀信號，此時(shí)液壓缸15上腔的通油，使活塞桿推動機(jī)械手手臂軸16，使其下降拔刀。在軸16下降之時(shí)，傳動盤會隨之下降，其下端銷子8會插入連接盤5的銷孔之中，連接盤5和其下面的齒輪同時(shí)也是羅費(fèi)那個(gè)連接的，空套在軸16上。當(dāng)拔刀動作完成之后，軸16上檔環(huán)2會壓下位置開關(guān)1，發(fā)出拔刀信號。此時(shí)，液壓缸20右腔通壓力油，使得活塞桿推動齒條19向左方移動，使齒輪4與連接盤5轉(zhuǎn)動，并通過銷子8，由傳動盤會帶動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，使刀庫上刀具與主軸上刀具交換位置。在換刀動作完成之后，齒條19上檔環(huán)6壓下位置開關(guān)9，并發(fā)出插刀信號，使液壓缸15下腔會通壓力油，使得活塞桿帶著機(jī)械手手臂軸上升插刀，同時(shí)并傳動盤下面之銷子8自連接盤5的銷孔中移出，在插刀動作完成之后，軸16上的檔環(huán)會壓下位置開關(guān)3，使得液壓缸20左腔通壓力油，使得活塞桿帶動齒條19向左方移動復(fù)位，而此時(shí)，齒輪4空轉(zhuǎn)，而機(jī)械手無動作。在齒條19復(fù)位之后，其上面檔環(huán)會壓下位置開關(guān)7，使得液壓缸18的左腔會通壓力油，使得活塞桿帶動齒條17將向右移動，并通過齒輪11使得機(jī)械手反轉(zhuǎn)復(fù)位。在機(jī)械手復(fù)位之后，齒條17上面的檔環(huán)將壓下位置開關(guān)13，之后發(fā)出換刀完成的信號，使得刀套向上翻轉(zhuǎn)，并為下次選刀動作做好準(zhǔn)備。 5.4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.4.1 概述 機(jī)械手是在主軸上的刀具完成加工工作之后，把此刀具送到刀庫，并把在接下來的加工工作中所需要的刀具從刀庫之中取出，并裝入主軸交換刀具的部件。對機(jī)械手的要求是換刀動作迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)、換刀所耗時(shí)間短。由于各種自動換刀裝置的刀庫與其主軸的相對位置及其距離不同，機(jī)械手在工作中的換刀過程也會不同。單臂單手機(jī)械手用一個(gè)手部依次完成主軸上卸刀并送回到庫，并從刀庫中取刀并且裝入主軸，因此，換到時(shí)間長?，F(xiàn)在，各種回轉(zhuǎn)式單臂機(jī)械手已經(jīng)應(yīng)用廣泛，其雙手可同時(shí)工作，并通過其手臂回轉(zhuǎn)交換刀具位置，所以，換刀時(shí)間短。 5.4.2 機(jī)械手類型 1， （1） 兩手不能伸縮的回轉(zhuǎn)形式單臂雙手機(jī)構(gòu)機(jī)械手 適用于刀庫中刀座軸線與主軸軸線平行的自動換刀裝置，機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)不得與換刀位置刀座相鄰的刀具干涉。換刀過程如下： （1） （2） 手臂前移，拔刀 （3） 手臂旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)，交換兩刀具位置 （4） （5） 機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的、復(fù)位 （2） 兩手伸縮的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 此種機(jī)械手也適用于刀庫中刀座軸線與主軸軸線平行的自動換刀裝置。由于兩手可以伸縮，縮回后回轉(zhuǎn)可避免與刀庫中其他刀具干涉。兩手在旋轉(zhuǎn)、拔刀之后的帶刀旋轉(zhuǎn)，復(fù)位皆需縮回，于是增加了兩手伸縮動作，換刀時(shí)間長。 （3） 2，兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手 此種機(jī)械手用于刀庫軸線與機(jī)床主軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具形式的自動換刀裝置。機(jī)械手有伸縮、回轉(zhuǎn)、抓刀、松刀等動作。伸縮動作:液壓缸帶動手臂托架沿著主軸軸方向移動?；剞D(zhuǎn)動作：液壓缸活塞驅(qū)動齒條使與機(jī)械手相連的齒輪旋轉(zhuǎn)。抓刀動作：液壓驅(qū)動抓刀活塞移動，通過活塞桿末端齒條傳動兩個(gè)小齒輪，在通過小齒條移動兩個(gè)手部中抓刀動塊，抓刀動塊與抓刀頂塊撐緊在刀具頸部兩法蘭之間。 3，雙手交叉機(jī)構(gòu)式機(jī)械手 機(jī)械手移動到刀庫處作用是送回卸下的刀具，之后進(jìn)行選擇刀具：手臂座橫移至刀庫的上面，并沿著軸向向前移動；卸刀手前伸使刀具對準(zhǔn)刀庫中的空刀座；手臂座向后移動，卸刀手把刀具插入刀座；卸刀手縮回，刀庫進(jìn)行選刀運(yùn)動，之后將進(jìn)行加工所需刀具旋轉(zhuǎn)到換刀的位置；裝刀手向前伸動抓刀，手臂座向前移動進(jìn)行拔刀，裝刀手縮回。 如上面所述，由各種機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)需要，此次設(shè)計(jì)選取兩手成的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手。 5.4.3 機(jī)械手設(shè)計(jì) 圖5-4 機(jī)械手結(jié)構(gòu) 機(jī)械手換刀過程如上述5.2所述，機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)如上圖所示。 機(jī)械手由以下機(jī)構(gòu)組成： 1，機(jī)械手腕部、手部 2，驅(qū)動傳動的機(jī)構(gòu) 3，主軸上的自動夾緊刀具機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)如上述5.3所述，而此次設(shè)計(jì)只需考慮1、3兩個(gè)機(jī)構(gòu)。 機(jī)械手手部作用是用之來抓刀具，機(jī)械手手部抓刀具的精準(zhǔn)將會直接影響機(jī)械手的工作功能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部分。 5.4.3.1機(jī)械手手部類型 由機(jī)械手所夾持的刀具形狀與尺寸、材料與重量的各異，手部具有各種結(jié)構(gòu)形式，而手部工作方式一般有手指式，吸盤式與特殊式。 手指式是指由手指的張開與關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)夾刀工作。這種形式對各種形狀的刀具具有很大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。手指式手部一般具有2或3指以及多指。 吸盤式手部是指利用吸力來加持工件?？諝庳?fù)壓吸盤適用于表面光滑的材料。 特殊式手部是指為了提高加工具的能力和特殊條件情況下使用。 在此次設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意一下問題： 1，手指應(yīng)該由充分的夾緊力，加持加緊工作，除刀具自身重量之外，還有刀具傳遞過程中的動載荷。 2，應(yīng)能保證刀具在手指內(nèi)的精確位置 3，結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，重量相當(dāng)輕 4，手指應(yīng)在一定開閉范圍內(nèi)，主要與工件尺寸有關(guān)。 工作機(jī)構(gòu)原理如下： 當(dāng)手臂位于換刀位置時(shí)，鎖緊銷被擋塊壓下，活動銷就能夠活動，這時(shí)，使得機(jī)械手可以抓住刀套與主軸中刀具，而刀具被活動銷頂靠在固定抓中，鎖緊銷這時(shí)被彈簧彈起，使得此活動銷被鎖緊，不能退，從而保證了在機(jī)械手運(yùn)動中，手爪中刀具不會被甩掉。 5.4.3.2 彈簧選取 刀具中最大尺寸為mm，所以我這次設(shè)計(jì)中手爪為mm，而實(shí)際中需要 調(diào)節(jié)活動銷行程實(shí)現(xiàn)加持刀具。在計(jì)算中得出，活動銷行程應(yīng)該大于L=mm，這就需要彈簧壓縮量至少為mm,在此次設(shè)計(jì)中選取壓縮量為mm的彈簧。 對直徑為mm的刀具來說，彈簧對刀具的夾緊力為彈簧的反力，而夾緊力 =X 直徑為90mm的刀具重量為Kg，為了在加持過程中刀具不掉落，故摩擦力大于刀具重力。 由于是鋼鐵的摩擦，這次設(shè)計(jì)中摩擦因數(shù)=，摩擦力 （5-1） 式中：N--活動銷對刀具的壓力 因此，需要 即：N>=8×9.8/0.12=653N 從此式中可以看出活動銷對刀具的壓力需大于653N，即P>653N 聯(lián)合上式得出：P=>653N K=>653/26.5=24.6 故因此取K=25N/mm 5.4.3.3活動銷選取驗(yàn)證 由于活動銷在工作中承受壓力大，因此，選用45鋼（調(diào)質(zhì)） ’是工作中刀具對活動銷的支撐反力 ’=P=KX=25N/mm×26.5mm=662.5N F’是摩擦產(chǎn)生的結(jié)果，是活動銷阻止刀具下落的作用反力，與f作用方向相反，即方向向上 力之大小計(jì)算如下如下： f’=f==662.5×0.12=79.5N （5-2） F’為工作中彈簧對活動銷的作用力 F’=KX=25N/mm×26.5mm=662.5N 而F1是固定活動銷之外壁產(chǎn)生的，由力平衡得知： （5-3） （5-4） 即F1=f’=79.5N，方向向上 對X軸方向上，活動銷受到F’與N’的同時(shí)作用力 因此產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力為 （5-5） 即 式中：=58Mpa =662.5N 因此式中，因A= 即=14.54 綜合考慮取d=16mm 銷長度確定如下： 在F1與f’作用下產(chǎn)生一力矩，大小為：M=F1L 式中L為活動銷長度 由此可知：彎曲應(yīng)力 式中W--抗彎截面系數(shù) （5-6） 因此，由上述材料選擇45鋼，彎曲應(yīng)力為40Mpa。因此，由上式可計(jì)算得 由此可取得L=140mm。 5.4.3.4 鎖緊銷的選取驗(yàn)證 因在工作中鎖緊銷沒活動銷的要求高，因此選用20鋼 其剪應(yīng)力為 （5-7） （5-8） 可得到 由此取d=7mm，由參考文獻(xiàn)5選取銷為。 5.4.3.5 螺栓的確定 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如上圖所示，手部是通過螺栓連接在腕部的，而手部與腕部的鏈接需要精確地固定相對位置，因此此次設(shè)計(jì)中選用普通螺栓進(jìn)行連接，螺栓布置如上圖所示，在上表面通過五螺栓隨手部與腕部進(jìn)行連接。 現(xiàn)在對這5螺栓進(jìn)行受力分析，工作過程中這5螺栓同時(shí)共受到力 F=662.5N 以及力矩的作用 由上述可知此次設(shè)計(jì)中選用的是普通螺栓，所以每個(gè)螺栓受力為 ’= 所以螺栓驗(yàn)證如下： （5-9） 即 式中 i--結(jié)合面數(shù)，此處i取為2 K--防滑系數(shù)，=1.1-1.3，此處取為1.2 f--摩擦系數(shù)，取為0.1 可得知 螺栓危險(xiǎn)截面拉伸公式為： (5-10) 由于螺栓采用的中碳鋼，所以許用應(yīng)力=43Mpa 以上式可計(jì)算如下： 由于此次為粗略計(jì)算，故取值為d=12mm，螺栓布置如5.4.3圖所示 5.4.3.6總體尺寸的確定 由于機(jī)械手手腕部分在工作中要求比手部低，故材料選取20碳鋼，其厚度設(shè)計(jì)為，寬度設(shè)計(jì)為，手腕部分長度設(shè)計(jì)為，機(jī)械手中心到手腕部長度設(shè)計(jì)為184mm，機(jī)械手總長設(shè)計(jì)為925mm。