裝配圖換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)

裝配圖換刀機(jī)械手設(shè)計(jì),裝配,圖換刀,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 摘要 機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。 設(shè)計(jì)思路是用機(jī)械手的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中心的換刀，機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)有回轉(zhuǎn)液壓缸運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)力則由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 加工中心的自動(dòng)換刀裝置，通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成，它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益，自動(dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開(kāi)有關(guān)資料，尤其機(jī)械手部分更是如此。 這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由油缸動(dòng)作來(lái)完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，可以采用油缸動(dòng)，活塞固定；或活塞動(dòng)，油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。 整個(gè)機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)械爪開(kāi)合機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 引言 本次設(shè)計(jì)的題目是加工中心的自動(dòng)換刀裝置中的核心部件---機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。 設(shè)計(jì)此機(jī)械手的目的是為了使加工中心能夠更快的的工作，使加工中心能夠得到更加充分的利用，以實(shí)現(xiàn)其的價(jià)值所在；再者，由于使用了機(jī)械手，減少由于人工換刀帶來(lái)的生產(chǎn)效率低，并且容易出事故的弊端。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有回轉(zhuǎn)液壓缸裝置和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于其中動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)則由電氣控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 由于本人能力及學(xué)識(shí)有限，在設(shè)計(jì)中存在有很多缺陷，望老師們能多加指導(dǎo)。 加工中心的總體布局 盤(pán)式刀庫(kù)的臥式加工中心 臥式加工中心的主軸是水平設(shè)置的，臥式加工中心刀庫(kù)容量一般較大，有的刀庫(kù)可存放幾百把刀具，臥式加工中心的結(jié)構(gòu)較立式加工中心復(fù)雜，占地面積大，價(jià)格也較高，臥式加工中心較適用于加工箱體之類(lèi)的零件，特別對(duì)箱體零件上的一些孔和孔系，以及孔和型腔與基準(zhǔn)面有嚴(yán)格要求的箱體，容易得到保證，適合于批量加工。 臥式加工中心的功能較立式加工中心多，在立式加工中心上加工不了的工件，在臥式加工中心上一般都能加工。 2.1 技術(shù)條件 我們所設(shè)計(jì)的加工中心的主要的技術(shù)參數(shù)有： ⑴ 刀庫(kù)容量： 24把刀 ⑵ 刀柄型號(hào)： 40號(hào)刀柄 ⑶ 刀具最大直徑： 120㎜ ⑷ 刀具重量： 11㎏ ⑸ 換刀時(shí)間： 5s ⑹ 選刀方式： 任選 2.2 總體布局 我們?cè)O(shè)計(jì)的加工中心的總體布局如圖1.1所示： 圖1.1 臥式加工中心的總體布局 2.3 臥式加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)： ⑴主軸組件 對(duì)加工中心主軸組件的基本要求是具有足夠的剛度，精度，傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)和適應(yīng)自動(dòng)換刀的條件。主軸軸承多采用高精度，高剛度，高速滾動(dòng)軸承。 臥式加工中心的主軸組件按進(jìn)給功能分有鏜軸進(jìn)給，滑枕進(jìn)給及非進(jìn)給主軸等類(lèi)型，大多數(shù)采用非進(jìn)給型主軸。 ⑵立柱 立柱有側(cè)面導(dǎo)軌型與正面導(dǎo)軌型。側(cè)面導(dǎo)軌型立柱便于機(jī)床的總體設(shè)計(jì)，制造成本也較低，并抑易于與非數(shù)控臥式鏜銑床建立模塊化系列關(guān)系，但這類(lèi)立柱在機(jī)床工作時(shí)受力狀況較差，且熱變形的對(duì)稱(chēng)性差，因而對(duì)機(jī)床加工精度影響較大。正面導(dǎo)軌型立柱多采用門(mén)式結(jié)構(gòu)，有較好的熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和受力條件，多數(shù)加工中心采用這種立柱形式。 3 工作臺(tái) 臥式加工中心可采用自動(dòng)分度工作臺(tái)，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì) 3.1 刀具的交換裝置 3.1.1 自動(dòng)換刀裝置 加工中心區(qū)別于NC鏜銑床的主要特點(diǎn)就在于它具有根據(jù)工藝要求自動(dòng)更換所需刀具的功能，即自動(dòng)換刀（ATC）機(jī)能。 機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。 加工中心的自動(dòng)換刀形式，可分為有機(jī)械手換刀方式和無(wú)機(jī)械手換刀方式兩類(lèi)。無(wú)機(jī)械手換刀方式，適用于采用40號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用量型刀具的重型機(jī)床，這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。另外，刀庫(kù)回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，即非切削時(shí)進(jìn)行的。因此，雖然刀庫(kù)設(shè)置在立柱頂面，卻免去了刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的震動(dòng)對(duì)加工精度的影響。 無(wú)機(jī)械手換刀方式中，刀庫(kù)可以是圓盤(pán)型、直線排列式，也可以是格子箱式等。無(wú)機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度，為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確，就要盡力消除刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈的間隙，為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副，或采用可以相互錯(cuò)位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式，或采用插銷(xiāo)定位、反靠定位等方法來(lái)準(zhǔn)確定位。圓盤(pán)型刀庫(kù)可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可設(shè)在橫梁一端，或設(shè)在主軸箱上，由主軸箱和刀庫(kù)配合運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)換刀動(dòng)作。直線排列式刀庫(kù)可設(shè)在工作臺(tái)上方，也可設(shè)在工作臺(tái)的一端或兩端，由主軸箱或工作臺(tái)配合運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)換刀動(dòng)作。格子箱式刀庫(kù)可設(shè)在雙工作臺(tái)的中間，換刀時(shí)，小直徑刀具可軸向取刀，大直徑刀具可徑向取刀。 加工中心的自動(dòng)換刀裝置，通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成，它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益，自動(dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開(kāi)有關(guān)資料，尤其機(jī)械手部分更是如此。 無(wú)機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度。為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確，就要盡力消除刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈的間隙，為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副，或采用可以相互錯(cuò)位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式；或采用插銷(xiāo)定位、反靠定位等方法來(lái)準(zhǔn)確定位。 采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間。 圖見(jiàn)零號(hào)圖自動(dòng)換刀機(jī)械手。換刀動(dòng)作如表3.1所示： 表3.1 機(jī)械手的換刀動(dòng)作 3.1.2 機(jī)械手的種類(lèi) 加工中心換刀機(jī)械手的種類(lèi)繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換，對(duì)其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫(kù)和主軸，其相對(duì)位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來(lái)完成。常見(jiàn)的機(jī)械手有： ⑴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(lái)進(jìn)行自動(dòng)換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，用于刀庫(kù)換刀位置的刀座的軸線相平行的場(chǎng)合。如圖所示： 圖3.1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 ⑵單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 圖3.2 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(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(kù)的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫(kù)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3.2 所示。 ⑶雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（俗稱(chēng)扁擔(dān)式） 這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪，可同時(shí)抓取刀庫(kù)及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180°之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫(kù)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3.3-a)所示。 圖3.3-a) 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3.3-b)所示： 圖3.3-b) 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 ⑷雙機(jī)械手 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(lái)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(kù)，另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫(kù)取“新刀”插入機(jī)床主軸上，如圖3.4所示： 圖3.4 雙機(jī)械手 ⑸雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 圖3.5 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手 這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱(chēng)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(kù)，裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫(kù)取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動(dòng)或 繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與主軸之間的運(yùn)送刀具工作，如圖3.5所示。 ⑹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(lái)抓住刀具，而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個(gè)端面，如圖3.6所示： 圖3.6 雙臂端面夾緊式機(jī)械手 由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫(kù)集中的刀具，換刀時(shí)間較短，我們本次設(shè)計(jì)所要求的換刀時(shí)間為5秒，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。 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(shí)其手部回轉(zhuǎn)半徑較大，如刀庫(kù)中刀具排得較密，可能碰撞刀具，且用這種類(lèi)型的機(jī)械手直接在刀庫(kù)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(shí)間將增加。故我們采用可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手。 3.1.3 手爪的選擇 1．單臂雙爪式機(jī)械手的手爪 這種機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械加液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出，較普通采用的機(jī)械鎖刀方式手爪——彈簧銷(xiāo)式手爪。如圖，A-A放大圖。 它是目前加工中心上用較多的一種，手臂的兩端個(gè)有一個(gè)手爪，刀具被彈簧2推著的活動(dòng)銷(xiāo)4（類(lèi)似于人的手指）頂靠在固定爪5中，鎖緊銷(xiāo)3被彈簧1頂起，使活動(dòng)銷(xiāo)4被鎖住，不能后退，這就是保證了機(jī)械手在換刀過(guò)程中手爪中的刀具不會(huì)被甩出，當(dāng)手臂處于抓刀位置時(shí)，鎖緊銷(xiāo)2被設(shè)置在主軸伸出端或刀庫(kù)上的撞塊壓下，活動(dòng)銷(xiāo)4就可以活動(dòng)，使得機(jī)械手可以抓?。ɑ蚍砰_(kāi)）主軸或刀庫(kù)刀套中的刀具。 此外，鉗形手的杠桿手，用得也較普遍。 鎖銷(xiāo)2在彈簧作用下，其大直徑外圓頂著止退銷(xiāo)3，杠桿手爪6就不能擺動(dòng)張開(kāi)，手爪中的刀具就不會(huì)被甩出，當(dāng)抓刀或還刀時(shí)，鎖銷(xiāo)2被裝在刀庫(kù)或主軸端處的撞塊壓回，止退銷(xiāo)3和杠桿手爪6就能擺動(dòng)、張開(kāi)。刀具就能裝入或取出。 鉗型手和杠桿手均為直線運(yùn)動(dòng)抓手。 機(jī)械手的手爪在抓住刀具后，還必須具有鎖刀功能，以防止在換刀過(guò)程中掉刀或刀具被甩出。當(dāng)機(jī)械手松刀時(shí)，刀庫(kù)的夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。對(duì)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，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。手爪的形式有： ⑴機(jī)械鎖刀手爪——彈簧銷(xiāo)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(zhuān)門(mén)的傳遞裝置，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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。 ⑵鉗形杠桿機(jī)械手。這種機(jī)械手手爪的張合需要?jiǎng)恿鬟f裝置，傳動(dòng)較復(fù)雜，但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡(jiǎn)單。使用也較普遍。 ⑶虎鉗形指。在手爪中設(shè)有定位銷(xiāo)，使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時(shí)，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。 我們?cè)谶@里采用第一種手爪。 3.1.4 刀具的夾持 在刀具自動(dòng)交換裝置上，機(jī)械手抓刀具的方法大體上可以分為下列兩類(lèi)： ⑴柄式夾持（軸向夾持）。 ⑵發(fā)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(pán)。采用發(fā)蘭式夾持，當(dāng)應(yīng)用中間搬運(yùn)裝置時(shí)，可以很方便地從一個(gè)機(jī)械手將刀具夾頭過(guò)渡到另一個(gè)輔助機(jī)械手上去，刀具夾頭采用帶洼形的法蘭盤(pán)夾持刀夾。 在這里，我們采用第一種夾持方式，刀柄型號(hào)為BT40。 圖3.7所示為標(biāo)準(zhǔn)刀具夾頭的錐柄柄部，由圖可見(jiàn)，刀柄圓柱部分的V形槽是供機(jī)械手夾持之用。帶V形槽圓柱右端，按所裝刀具（例如鉆頭、銑刀、鉸刀及鏜桿等）不同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)計(jì)成不同形式。 圖3.7 刀柄的型式 表3-1為日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸： 表3-1 日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸： 柄部 型號(hào) 錐 體 螺 紋 孔 凸 緣 D1 L r l1 l2 l3 d1 g d2 t b BT40 44.45 65.4 1 9 30 70 17 M16 19 22.5 16.1 BT45 57.15 82.8 1.2 11 38 70 21 M20 23 29 19.3 BT50 69.85 101.8 1.5 13 45 90 25 M24 27 35.3 25.7 柄部 型號(hào) 凸 緣 參考尺寸 L1 W D2 D3 T Y Y1 V d D4 BT40 21 0.12 53 63 25 1.6 1.6 16.6 10 75.679 BT45 26 0.12 68 80 30 3.2 3.2 21.2 12 95.215 BT50 31 0.20 85 100 35 3.2 3.2 23.2 15 119.019 3.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置 這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由油缸動(dòng)作來(lái)完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，可以采用油缸動(dòng)，活塞固定；或活塞動(dòng)，油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。 整個(gè)機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)械爪開(kāi)合機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。圖見(jiàn)自動(dòng)換刀機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置外形。 3.2.1 手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)： 回轉(zhuǎn)頭的兩端對(duì)稱(chēng)分布著兩個(gè)機(jī)械臂，可以同時(shí)伸出抓刀。機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1（見(jiàn)驅(qū)動(dòng)外形圖），輸出軸47，齒輪44以及齒條39和45組成（見(jiàn)自動(dòng)換刀機(jī)械手圖）。當(dāng)壓力油通過(guò)支架28和貫穿花鍵軸30的通孔（見(jiàn)換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置圖）進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸1時(shí)，推動(dòng)輸出軸47轉(zhuǎn)動(dòng)，軸上的齒輪44便帶動(dòng)齒條39和44作直線運(yùn)動(dòng)，使兩只機(jī)械臂同時(shí)伸出，通過(guò)齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來(lái)限制終點(diǎn)位置。同時(shí)由左視圖中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)30發(fā)出信號(hào)，以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時(shí)，機(jī)械臂便縮回。 3.2.2 手爪的開(kāi)合（見(jiàn)自動(dòng)換刀機(jī)械手圖） 機(jī)械臂的頭部帶有固定手爪14與活動(dòng)手爪18，用來(lái)夾持刀柄之用。活動(dòng)手爪18可繞小軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，擋桿22在彈簧作用下，其一端的斜面與活動(dòng)手爪18的端部斜面臺(tái)階相靠，從而將活動(dòng)手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移，將彈簧頂桿3壓入時(shí)，頂桿3的一端迫使杠桿21順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動(dòng)手爪18的端部斜面滑開(kāi)。因此，當(dāng)活動(dòng)手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時(shí)，刀柄表面可使活動(dòng)手爪18壓縮彈簧而稍微張開(kāi)，這樣機(jī)械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時(shí)，齒條44（或39）上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位，同時(shí)微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)出下一動(dòng)作的信號(hào)。由于機(jī)械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是當(dāng)機(jī)械手處于軸向向左移動(dòng)后的位置上進(jìn)行的。為了使機(jī)械手的活動(dòng)手爪18在這時(shí)能從自鎖狀態(tài)下松開(kāi)，在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿35，在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤(pán)4（在端面上周向均勻分布有4個(gè)錐孔）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35相碰時(shí)，錐孔盤(pán)4處于與鋼球5相對(duì)位置，彈簧銷(xiāo)11頂著端蓋10，使錐孔盤(pán)4緊靠于支架12的端面上，此時(shí)機(jī)械臂的彈簧頂桿3自由伸出，活動(dòng)手爪1處8于鎖死狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手軸向向右移動(dòng)后，固定桿35迫使擋塊13轉(zhuǎn)動(dòng)，由于此時(shí)錐孔盤(pán)4端面上的錐孔與鋼球5錯(cuò)開(kāi)，這樣錐孔盤(pán)4即連同擋塊13、軸9、端蓋11、壓縮彈簧銷(xiāo)11向左移動(dòng)。擋塊13即將機(jī)械臂上的彈簧頂桿3壓入，將活動(dòng)手爪18自鎖緊狀態(tài)下松開(kāi)。 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(shí)擋塊13亦同時(shí)離開(kāi)固定桿35，借彈簧1的作用，將擋塊13拉回原來(lái)的錐孔盤(pán)4上錐孔與鋼球5相對(duì)的原始位置，由彈簧銷(xiāo)11的作用，使擋塊13又向右移動(dòng)至錐孔盤(pán)4與支架12端面壓緊的位置。這時(shí)機(jī)械臂上的彈簧頂桿3又自由伸出，將活動(dòng)手爪18鎖死，保證機(jī)械手將刀具拔出后，機(jī)械手能將刀具可靠地夾緊。 3.2.3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)驅(qū)動(dòng)裝置圖） 回轉(zhuǎn)機(jī)械用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的交換動(dòng)作，由圖驅(qū)動(dòng)外形裝置圖可見(jiàn)它由手臂14，回轉(zhuǎn)座51組成的。手臂14與花鍵軸50固定連接，花鍵軸與兩個(gè)花鍵套筒49相連，后者則由固定在機(jī)床立柱上回轉(zhuǎn)座51上的兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐。齒輪41通過(guò)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(jiàn)第三張圖，回轉(zhuǎn)缸殼體79和上端蓋86、下端蓋74、定片93間均用螺釘聯(lián)接，并將它們作為一體通過(guò)上端蓋與固定在立柱上。轉(zhuǎn)軸2支承在上、下端蓋上，與動(dòng)片90固定聯(lián)接，其伸出端通過(guò)花鍵軸部分與中間座的齒輪聯(lián)接，向手臂傳遞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液壓缸通入高壓油而使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)齒輪99帶動(dòng)齒輪41回轉(zhuǎn)，這樣，由花鍵軸50帶動(dòng)手臂14轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角兩相對(duì)180°的極限位置，可由螺釘67及53限定，同時(shí)由螺釘65及68壓下微動(dòng)開(kāi)關(guān)69及52發(fā)出到位信號(hào)，以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。 3.2.4 直線運(yùn)動(dòng) 回轉(zhuǎn)頭14的向左或向右（拔刀或插刀）的直線運(yùn)動(dòng)是由液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。液壓缸座系固定于機(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(dòng)時(shí)，通過(guò)聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械手臂作向左或向右運(yùn)動(dòng)。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(shí)，都設(shè)有可調(diào)擋塊，由微動(dòng)開(kāi)關(guān)作用發(fā)出到位信號(hào)。 需要提醒的是，既要保證不漏油，又要保證機(jī)械手動(dòng)作靈活。過(guò)緊的密封，往往影響機(jī)械手的正常動(dòng)作。 這種液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，每個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖結(jié)構(gòu)可以是小孔節(jié)流，可以外接節(jié)流閥或是緩沖閥等。 為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠，除了要設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)外，還要考慮盡可能減小機(jī)械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)慣量可由下式確定： J=J0+WR2/9.8 (N.m.s^2) 式中 J0——圓柱體繞其自身中心的慣量（N·m·s2） W——圓柱體的重量（N） R——旋轉(zhuǎn)半徑(m) 由上式可見(jiàn)，慣量與物體重量成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比。因此要盡可能采用密度小質(zhì)量請(qǐng)的材料制造有關(guān)的零件，要盡可能的減小機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。 由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封，因此還需要緩沖機(jī)構(gòu)。 3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 手指夾緊力的計(jì)算： 手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： N≥k1k2k3G kg·f 式中k1——安全系數(shù)，通常取1.2~2，我們?nèi)1=1.8； k2——?jiǎng)虞d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(guò)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)，按《機(jī)械工程手冊(cè)》（第10卷）表56.2-3選取k3=0.9~1.1，我們?nèi)3=1.0; G——被夾持工件的重量，單位kg，這里G=11kg。 則我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手手指的夾緊力為： N≥1.8×1×1.0×11 kg·f = 19.8 kg·f 3.3.2 齒輪的設(shè)計(jì) 齒輪傳動(dòng)按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對(duì)位置的不同分為：兩軸相互平行，兩軸相交和兩軸交錯(cuò)（即不平行也不相交）三類(lèi)。 用與平行軸傳動(dòng)的有；直齒、斜齒、圓柱齒輪、直齒、斜齒內(nèi)齒輪、直齒、斜齒緣，這些齒輪有稱(chēng)為平面齒輪。 用與相交軸傳動(dòng)的有：兩軸線垂直相交和兩軸線相交但不垂直的直齒、圓弧齒、延伸外擺線齒錐齒輪。 用與交錯(cuò)軸傳動(dòng)的有：螺旋齒輪、蝸輪蝸桿和軸線偏置的錐齒輪（雙曲線齒輪）這些齒輪又稱(chēng)空間齒輪。 齒輪齒形曲線主要采用漸開(kāi)線、其它還有擺線、圓弧線等，由于漸開(kāi)線齒形容易制造，便于安裝，所以大多數(shù)齒輪采用漸開(kāi)線齒形。 齒形標(biāo)準(zhǔn)：（摘自JB-100-60，JB304-62） 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞的功率近十萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)200m/s。齒輪傳動(dòng)按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對(duì)位置的不同 一. 齒輪傳動(dòng)主要特點(diǎn)： 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(jí)圓柱齒輪的效率可達(dá)99%。這對(duì)大功率傳動(dòng)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(dòng)所需的空間尺寸一般較小。 ③工作可靠，壽命長(zhǎng) 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(zhǎng)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(duì)車(chē)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(duì)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)。 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(chǎng)合。 齒輪傳動(dòng)可做成開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式。如在農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械以及簡(jiǎn)易的機(jī)械設(shè)備中，有一些齒輪傳動(dòng)沒(méi)有防塵罩或機(jī)殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)外界雜物極易侵入，而且潤(rùn)滑不良，因此工作條件不好，輪齒也極易磨損，故只宜用于低速傳動(dòng)。當(dāng)齒輪傳動(dòng)裝有簡(jiǎn)易的防護(hù)罩，有時(shí)還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱(chēng)為半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。它的工作條件雖有改善，但仍不能做到防止外界雜物侵入，潤(rùn)滑條件也不算最好。而汽車(chē)、機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的齒輪傳動(dòng)，都是裝在精確加工而且封閉嚴(yán)密的箱體（機(jī)匣）內(nèi)，這稱(chēng)為閉式齒輪傳動(dòng)（齒輪箱）。它與開(kāi)式或半開(kāi)式相比，潤(rùn)滑及防護(hù)等條件最好，多用于重要的場(chǎng)合。 二. 設(shè)計(jì)原則： 所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí)，通常按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。 設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對(duì)齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬，齒芯要韌。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵和一些非金屬材料。 三. 設(shè)計(jì)步驟： 整個(gè)回轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)180°換刀的運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)液壓缸8驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)液壓缸的輸出軸上安裝有齒輪99，齒輪41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(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪99帶動(dòng)齒輪41轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角的極限位置可由螺釘限定，同時(shí)有微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，其運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式為： φ41/φ99=Z2/（Z1+Z2） 式中φ41 ----回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)角度 φ99----回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的轉(zhuǎn)角 Z1----齒輪41的齒數(shù) Z2----齒輪99的齒數(shù) 由于在這里φ44=180°，φ99=280°，即： 180°/280°= Z2/（Z1+Z2） 解得：兩齒輪的齒數(shù)比μ= Z2/Z1=1.8 ⒈選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1） 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 2） 換刀機(jī)械手換刀時(shí)速度較高，我們選用6級(jí)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。 ⒉按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即： d1t≥2.32×{(KtT1/φd)[(μ±1)/μ](ZE/[σH])2}1/3 1)確定公式內(nèi)各計(jì)算式數(shù)值 ⑴試選載荷系數(shù)Kt=1.3 ⑵計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×30/ 1460N.mm =1.962×105N.mm ⑶由表10-7選取齒寬系數(shù)φd＝1 ⑷由表10-6查的材料的彈性影響系數(shù)ZE =189.8MPa1/2 ⑸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; ⑹由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60×1460×1×（2×8×300×15）=6.307×109 N2=4.147×109/3.2=1.296×109 ⑺由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1 =0.91;K HN2=0.94 ⑻計(jì)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=0.91×600MPa=546MP [σH]2= KHN2σHlim2/S=0.94×550Mpa=517Mpa 2)計(jì)算 ⑴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 =80.445mm ⑵計(jì)算圓周速度v v=πd1tn1/60×1000=π×80.445×1460/60×1000m/s=6.15m/s ⑶計(jì)算齒寬b b=φdd1t=1×80.445㎜=80.445㎜ ⑷計(jì)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=2.25×3.352mm=7.54mm b/h=80.445/7.54=10.67 ⑸計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=6.15m/s,6級(jí)精度,由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)： KV=1.02; 直齒輪 ,假設(shè)KAFt/b≤100N/㎜.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(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)分布時(shí)， KHβ=1.12+0.18(1+0.6φd2)φd2+0.23×10-3b 將數(shù)據(jù)代入后得 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=2.142 ⑹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㎜ ⑺計(jì)算模數(shù)m m=d1/ Z1=95.01/24㎜=3.95㎜ ⒊按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)公式為 m≥[(2KT1/φd Z12)×(YFaYSa/[σF])]1/3 1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ⑴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=380MPa ⑵由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)： KFN1=0.85 KFN2=0.88 ⑶計(jì)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=0.85×500/1.4MPa=303.57Mpa [σF]2= KFN2/σFE2=0.88×380/1.4MPa=238.86MPa 計(jì)算載荷系數(shù) K=KAKVKFαKFβ=1×1.02×1.2×1.35=1.944 ⑸查取齒形系數(shù) 由表10-5 查得： YFa1=2.65 YFa2=2.226 ⑹查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10-5查得： YSa1 =1.58 YSa2=1.764 ⑺計(jì)算大、小齒輪的YFaYSa/[σF]并加以比較 YFa1YSa1/[σF]1 =2.65×1.58/303.57=0.01379 YFa2YSa2/[σF]2=2.226×1.764/238.86=0.01644 大齒輪的數(shù)值大。 2）設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥[（2×1.944×9.948×105）/1×242]×0.1644]1/3㎜=2.792㎜ 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)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=95.01㎜,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(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿(mǎn)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)。 ⒋幾何尺寸計(jì)算 1） 計(jì)算分度圓直徑 d1=z1m=32×3㎜=96㎜ d2=z2m=58×3㎜=174㎜ 2）計(jì)算中心距 a= (d1+d2)/2=（96+174）/2㎜=134㎜ 3）計(jì)算齒輪寬度 b=φdd1=1×96㎜=96㎜ ⒌驗(yàn)算 Ft =2T1/d1=2×1.965×105/96N=4087.5N KAFt/b=1×4087.5/96N/㎜=42.58 N/㎜＜100 N/㎜,合適. 另外，機(jī)械手臂的伸出和縮回是通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行的，其設(shè)計(jì)過(guò)程與此相似，由于受篇幅的限制，這里就不再敘述設(shè)計(jì)步驟。 3.3.3 軸的設(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(chēng)為軸系。組成軸系的主要零件-軸、軸承、聯(lián)軸器等稱(chēng)為軸系零件。 軸設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題： ]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)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(guò)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. 軸的總類(lèi)： 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(wèn)題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。對(duì)于高速軸還應(yīng)考慮震動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。 二. 軸的常用材料 軸的材料種類(lèi)很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)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(wèn)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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?。?duì)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(lèi)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(duì)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. 軸的設(shè)計(jì)過(guò)程 我們?cè)O(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)械手左右移動(dòng)，又可在交換刀具時(shí)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，由于這兩個(gè)動(dòng)作是分離的，我們?cè)谶@里采用花鍵軸。 該花鍵軸左端與回轉(zhuǎn)頭固定聯(lián)接，兩個(gè)花鍵套筒通過(guò)軸承安裝在機(jī)床立柱上的回轉(zhuǎn)座內(nèi)，齒輪41通過(guò)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(dòng)時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)齒輪99帶動(dòng)齒輪41轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，花鍵軸即可帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)時(shí)，通過(guò)聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械臂作向左或向右運(yùn)動(dòng)。 已知條件： 花鍵軸傳遞的功率為：P=30KW； 軸的轉(zhuǎn)速為n=1460r/min ⒈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(jì)手冊(cè)》（第四卷）表26.1-1查得材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)為： σb=750MPa σs=550MPa σ-1=350MPa τ-1=200MPa 根據(jù)表26.3-1公式初步計(jì)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㎜ 我們選用花鍵軸的尺寸為：D×d×b=65㎜×56㎜×10㎜ ⒉軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3.8-a)所示： ⒊軸上受力分析，如圖3.8-b)所示： 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為： T1=9.55×106P/n=9.55×106×30/1460 N·㎜=1.962×105 N·㎜ 齒輪的圓周力為： Ft=2T1/d1=2×1.962×105/96 N=4088 N 齒輪的徑向力為： Fr= Ft·tgα=4088×tg20° N=1488 N 圖3．8 ⒋求支反力 在水平面上的支反力（圖3.8-c）： 由： ΣMA=0得： RBZ·a－Fr·(a+b)=0 則： RBZ=Fr×(a+b)/a =1488×(280+80)/280N=1913.14N 由： ΣZ=0得： RAZ= Fr－RBZ=1488－1913=－425N 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3.8-e）： 由： ΣMA=0得： RBy·a－Ft·(a+b)=0 則： RBy=Ft×(a+b)/a=4088×(280+80)/280N=5256N 由： ΣY=0得： RAy= Ft－RBy=4088－5256=－1168N 數(shù)值為負(fù)表示方向與圖示方向相反。 ⒌作彎矩和扭矩圖 齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖如圖3.8-d所示： MDZ=RAZ·(a+b)=－425×(280+80) N·㎜=－153000N·㎜ M′DZ=RBZ·b=1913×80 N·㎜=153000N·㎜ 齒輪的作用力在垂直平面的彎矩圖如圖3.8-f所示: MDy=RAy·(a+b)=－1168×(280+80) N·㎜=－420000N·㎜ M′Dy=RBy·b=5258×80 N·㎜=420000N·㎜ 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 N·㎜=447000 N·㎜ 作出扭矩圖，如圖2.8-g所示： T1=1960000 N·㎜ ⒍軸的強(qiáng)度校核 確定危險(xiǎn)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(xiǎn)截面?，F(xiàn)對(duì)D截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。 安全系數(shù)的校核計(jì)算： 由于該軸轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩引起對(duì)稱(chēng)循環(huán)的彎應(yīng)力，轉(zhuǎn)矩引起的為脈動(dòng)循環(huán)的剪應(yīng)力。 彎曲應(yīng)力副為： σα=MD/W W—抗彎截面系數(shù)，由公式： W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/32D 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 MPa=18.091 MPa 由于是對(duì)稱(chēng)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(jì)算數(shù)值： ①σ-1—40Cr彎曲對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限，由表26.1-1查得， σ-1=350MPa ① Kσ—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=1.625 ② εσ—尺寸系數(shù)，由表26.3-11，查得： εσ=0.68 ③ β—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=T1/2WT WT—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 MPa=2.7 MPa 由公式26.3-2， Sτ=τ-1/[(Kττα/βετ)+Ψτστ] 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值： ①τ-1—40Cr彎曲對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限，由表26.1-1查得， τ-1=200MPa ②Kτ—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=2.5 ③ετ—尺寸系數(shù)，由表26.3-11，查得： ετ=0.68 ④β—表面質(zhì)量系數(shù)，軸按磨削加工，由表26.3-9查得； β=0.68 ④ Ψτ—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。 3.3.4 軸承的設(shè)計(jì) 滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中應(yīng)用廣泛的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。其優(yōu)點(diǎn)主要有摩擦阻力小，功率消耗少，起動(dòng)容易等。 一. 軸承的分類(lèi) 如果僅按軸承用于承受的外載荷不同來(lái)分類(lèi)時(shí)，滾動(dòng)軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承，主要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(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。 二. 軸承的選用原則 軸承的選用，包括類(lèi)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(lèi)型，在選擇時(shí)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。 根據(jù)載荷的大小選用軸承類(lèi)型時(shí)，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，故在載荷較小時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。 根據(jù)載荷的方向選擇軸承時(shí)，對(duì)于純軸向載荷，一般選用推力軸承；對(duì)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(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，而軸向載荷不大時(shí)，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(shí)，可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。 在一般轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的高低對(duì)類(lèi)型的選擇不會(huì)發(fā)生什么影響，只有在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才會(huì)有比較顯著的影響。球軸承與滾子軸承相比較，有較高的 極限轉(zhuǎn)速，故在高速時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。軸承的極限轉(zhuǎn)速是在一定載荷和一定潤(rùn)滑條件下，滾動(dòng)軸承所能允許的最高轉(zhuǎn)速，它與軸承類(lèi)型、尺寸、精度、游隙，保持架的材料與結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑的性質(zhì)與用量、載荷的大小與方向以及散熱條件等因素有關(guān)。 此外，軸承類(lèi)型的選擇還應(yīng)該考慮軸承裝置整體設(shè)計(jì)的要求，如軸承的配置使用要求、游動(dòng)要求等。 三. 軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程 根據(jù)以上原則，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，花鍵套筒的支撐我們選用角接觸球軸承，它可以同時(shí)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(gè)軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對(duì)使用。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(duì)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(gè)支承整體。按其外圈不同端面的組合分為背對(duì)背方式和面對(duì)面方式兩種，背對(duì)背方式是指一個(gè)支承上的兩個(gè)軸承小口相對(duì)，構(gòu)成70000/DB型，面對(duì)面方式是指一個(gè)支承上的兩個(gè)軸承大口相對(duì)，構(gòu)成70000/DF型，我們采用70000/DF型。在進(jìn)行壽命計(jì)算時(shí)，其基本額定動(dòng)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(dòng)載荷和基本額定靜載荷分別為Cr、C0r，則成對(duì)安裝的軸承的基本額定動(dòng)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(gè)軸承數(shù)），極限轉(zhuǎn)速為單個(gè)軸承的60%~80%?；ㄦI軸的D=62㎜，我們選用軸承型號(hào)為7214AC,參數(shù)見(jiàn)下表： 軸承型號(hào) d D B a r1min Cr C0r 極限轉(zhuǎn)速（r/min） 7214AC 70 125 24 35.1 0.6 69.2 57.5 6700 其中極限轉(zhuǎn)速是采用油潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)速，若采用脂潤(rùn)滑，極限轉(zhuǎn)速為4500 r/min。 軸承的安裝如圖3.9所示： 圖3.9 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=96㎜， 齒輪轉(zhuǎn)速為 n=1460r/min， 運(yùn)動(dòng)中無(wú)沖擊， 軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 L′h=15000h。 成對(duì)安裝的7214AC軸承： 基本額定動(dòng)載荷為：C=i0.7×Cr= 20.7×69.2KN=112.4KN 基本額定靜載荷為：C=i×Cr=2×57.5KN=115KN ⒈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3.9-b）和水平面（圖3.9-3c）兩個(gè)平面力系。其中圖3.9-c的Ft是通過(guò)另加轉(zhuǎn)矩而平移到的，指向軸線，由分析可知： Fr1V=Fr×(280+80)/280=1488×360/280N=1913.14N Fr2V=Fr- Fr1V=1488－1913.14=－425.14N Fr1H=Ft×(280+80)/280=4088×360/280N=5256N Fr2H=Ft- Fr1H=4088－5256=－1168N Fr1=(Fr12V+Fr12H)1/2=(1913.142+52562)1/2N=5593.36N Fr2=(Fr22V+Fr22H)1/2=(425.142+11682)1/2N=1242.97N ⒉求兩軸承的計(jì)算軸向力Fa1和Fa2 對(duì)于70000AC型軸承，按《機(jī)械設(shè)計(jì)》（第七版）表13-7，軸承派生軸向力Fd=0.68Fr則: Fd1=0.68Fr1=0.68×5593.36N=3803.48N Fd2=0.68Fr2=0.68×1242.97N=845.22N 按式（13-11）得： Fa1=Fd2=845.22N Fa2=Fd1=3803.48N Fa1/C0=845.22/115000=0.0073 Fa2/C0=3803.48=0.033 ⒊求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2： Fa1/Fr1=845.22/5593.36=0.15＜0.68, 則： P1=Fr1+0.92Fa1=5593.36+0.92×845.22N=6370.96N Fa2/Fr2=3803.48/1242.97=3.06＞0.68, 則： P2=0.67Fr2+1.41Fa2=0.67×1242.97+1.41×3803.48N=6195.69N ⒋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(mǎn)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(hào)為：51207，其基本尺寸為：d×D×T=35㎜×62㎜×18㎜，基本額定載荷為：Ca=39.2KN,，C0a=78.2KN，極限轉(zhuǎn)速脂潤(rùn)滑時(shí)為2800r/min，油潤(rùn)滑時(shí)為4000r/min，回轉(zhuǎn)液壓缸2的轉(zhuǎn)軸的支承我們選用滾針軸承，其設(shè)計(jì)及驗(yàn)算過(guò)程與角接觸球軸承相似，這里就不再重復(fù)。 3.3.5 彈簧的設(shè)計(jì) 彈簧是一種彈性元件，它可以在載荷作用下產(chǎn)生較大的彈性變形。彈簧在機(jī)械中的應(yīng)用十分廣泛，主要用于： ①控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，如：制動(dòng)器、離合器中的控制彈簧，內(nèi)燃機(jī)氣缸的閥門(mén)彈簧等。 ②減振和緩沖，如汽車(chē)，火車(chē)車(chē)廂下的減振彈簧，以及各種緩沖器用的彈簧等。 ③儲(chǔ)存及輸出能量，如鐘表彈簧等。 ④測(cè)量力的大小，如測(cè)力器和彈簧稱(chēng)中的彈簧等。 一. 彈簧的分類(lèi)： 按照所承受的載荷的不同，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；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。 螺旋彈簧是用彈簧絲卷繞而成的，由于制造簡(jiǎn)便，所以應(yīng)用最廣。在一般的機(jī)械中，最為常用的是圓柱螺旋彈簧。 彈簧材料的許用應(yīng)力[τ]及[б]必須按照負(fù)荷性質(zhì)來(lái)確定。 彈簧按載荷性質(zhì)分為三類(lèi)： Ⅰ類(lèi)：受變負(fù)荷作用，次數(shù)在106次以上的彈簧； Ⅱ類(lèi)：受變載荷作用，次數(shù)在103~105次或沖擊負(fù)荷的彈簧； Ⅲ類(lèi)：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≤8㎜時(shí)，用碳素彈簧鋼絲Ⅱ組或Ⅱa組，當(dāng)d≥10㎜時(shí)，用60Si2MnA. 最大工作負(fù)荷Pn，Ⅱ類(lèi)彈簧按[τ]=0.4бb計(jì)算。 節(jié)距P是近似值，按表9-7計(jì)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?cè)跈C(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3.10所示： 圖3.10 我們所選用的彈簧的規(guī)格如下： 編號(hào) 彈簧絲直徑d（㎜） 彈簧中徑D2（㎜） 節(jié)距P（㎜） 1 0.5 3 2 1.2 8 3.07 19 1.6 8 2.82 23 0.7 4 1.55 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。 二. 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 彈簧19的設(shè)計(jì)計(jì)算、校核步驟如下： 原始條件： 最大工作負(fù)荷：pn=11㎏ 最小工作負(fù)荷：p1=0㎏ 工作行程：h=5㎜ 負(fù)荷種類(lèi)：Ⅱ類(lèi) 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(jí) 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)如表3.2所示： 表3.2 彈簧