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第1章绪论1.1 加工中心换刀机械手设计的目的及意义本设计主要是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上,为加工中心换刀机械手的研究提供几种新的设计方案,并通过论证分析,选择其中一种比较理想可行的方案进行设计计算,以达到准确、稳定、快速、可靠换刀的目的。在满足加工中心换刀机械手各种运动要求的同时,本设计也在一定程度上简化了换刀机械手的结构,以方便加工中心换刀机械手的加工制造过程。1.2 换刀机械手的发展现状近年来,随着世界制造业向中国转移,我国对机床的需求量大增。同时,经过多年的努力,我国数控机床的开发水平也有了很大进步,数控机床的品种和质量均比以往有所提高,部分机床制造主导厂还开发出具有相当水平的数控设备。但是,通过有关部门给出的资料,只要作进一步的分析与了解,我们就会发现,国产数控机床在消费量的台数中虽占有一半55%以上,但它们多是些技术水平较低、价格相对便宜的普通产品,如数控车床、数控铣镗床和线切数机床等,高、中档数控产品则较少,而且这些产品的核心技术或功能部件,如加工中心换刀机械手、全功能的数控伺服系统,高速电主轴,数控刀架乃至高速安全防护装置等,还多是由中外合资企业提供或是从国外进口的1。这也说明由于技术发展的不平衡,在多种条件制约下,目前我国数控机床的整件技术水平与国际先进水平相比还有一定距离,部分高性能、高速、高精度的数控机床仍需要依靠海外进口。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平,都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能,也制约着主机的发展速度。而换刀机械手则是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。没有换刀机械手,就不可能有集中工序进行加工的加工中心。有资料显示,刀库和机械手的故障率约占整机故障率的25%1。所以说,换刀机械手的性能、质量直接影响着数控机床整机的性能、质量和品种的发展。加工中心是备有刀库,并能自动更换刀具,对工件进行多工序加工的一种功能较全的数字控制机床,也是典型的集高新技术于一体的机械加工设备,它的发展代表了一个国家设计、制造的水平,是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面2。加工中心中实现刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为自动换刀装置,它的功能是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间,并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀库和换刀机构组成。作为自动换刀装置,它需要满足换刀迅速、时间短,重复定位精度高,刀具储存量足够,所占空间位置小,工作稳定可靠等特点3。换刀装置中刀具的交换形式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有着直接影响。加工中心的自动换刀形式可分为无机械手换刀方式和有机械手换刀方式两大类。无机械手换刀方式一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置,同时,刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。无机械手换刀方式是由刀库和机床主轴的相对运动实现刀具的交换的,这种方式结构简单,但换刀时间要长。目前,加工中心的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式,因为有机械手换刀装置在刀库的配置、与主轴的相对位置及刀具数量确定上都比较灵活,机械手数量和换刀形式比较随意,换刀时间比较短,应用广泛4。换刀机械手的形式有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等,而常用双臂式机械手的手爪结构形式又分为钩手、抱手、伸缩手和叉手等2。加工中心换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件,它在国外的数控机床制造领域中已受到广泛的重视。目前,在国外BT40的换刀时间已达到0.9秒,BT50的换刀时间也达到了1.5秒左右,国也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手和用于五轴联动的换刀机械手的研究。加工中心换刀机械手的主要任务是,完全模拟人手的换刀动作,给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩,同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点,以适应不同类型机床的换刀空间4。随着机械加工业的发展,制造行业对加工中心换刀机械手的需求量会越来越大。1.3 研究的主要容加工中心换刀机械手的设计是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上,实现其准确、快速、可靠、稳定的换刀。设计得主要容如下：1、根据目前常用的加工中心换刀机械手的换刀方式,对手臂伸缩与手指夹紧机构、手架旋转与手架伸缩机构的设计提出几种新的方案,并通过对所提出方案的论证分析,选择一种较为理想的方案进行具体的设计。2、对所选设计方案中换刀机械手的组成机构及各个自由度运动的实现进行分析。3、对加工中心换刀机械手的手指夹紧力进行分析与计算,并对其关键部位进行校核,以保证换刀的可靠性。4、确定各个运动的驱动机构。5、对设计中所涉及到的液压缸通过计算确定其个部分结构的具体尺寸,并对个活塞杆的强度、稳定性以及螺栓的强度进行校核,以保证加工中心换刀机械手能够稳定、可靠的完成换刀过程。6、对设计中出现的齿轮、轴等重要零部件通过计算确定尺寸后,要进行安全校核。7、设计出加工中心换刀机械手的控制系统部分,完善设计容。1 / 49第2章总体方案设计与论证2.1 加工中心换刀机械手的设计要求设计加工中心换刀机械手,使其实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动,并设计出它的传动控制部分,以保证加工中心换刀机械手能够准确、稳定、快速、可靠的完成换刀过程。2.2 初步设计方案2.2.1 手臂伸缩与手指夹紧机构由于与机械、电力传动相比,液压传动具有体积小、质量轻、功率大运动平稳的特点,并且因为液压元件有自我润滑作用,使用寿命长5,所以在以下几种设计方案中,手臂伸缩运动及手指夹紧运动都采用液压的驱动方式。并且由于两手伸缩回转式单臂双爪机械手的两手可伸缩,缩回后回转,可避免与刀库中其他刀具干涉,所以,以下2种设计方案中的换刀机械手都为两手伸缩回转式单臂双爪机械手。1、结构设计方案在此方案中,加工中心换刀机械手四个手指的运动分别由四个液压缸单独控制,这使得它运动的灵活性很强,其结构如图2.1所示。图2.1 手臂伸缩与手指夹紧机构工作原理：当手架旋转75到指定位置后,发出手臂伸出指令,手臂伸缩液压缸1和1工作,当两液压缸的活塞运动到设计位置后,进油腔油压力升高,压力继电器开关动作,并发出手指夹紧指令,手指夹紧液压缸2、3、 2以及3工作,手指开始夹紧。当手指夹紧工件后,手指夹紧液压缸的进油腔的油压力升高,发出手架伸出指令,开始拔刀动作。手架在插刀动作结束后,发出手指松开指令,此时手指夹紧液压缸2、3和2、3反行程运动,当活塞运动到初始位置后,手指恢复到原位置,当进油腔油压力升高后,压力继电器开关动作,发出手臂缩回指令,液压缸1和1开始动作,当手臂缩回到初始位置后,活塞不再运动,手臂伸缩液压缸进油腔油压力升高,即发出手架复位指令。3、结构设计方案此方案在结构和原理上都与前一种方案相似,不同的是它综合了方案的各自优点,每侧都由一个液压缸驱动两个手指运动,即实现了运动的灵活性又使它在结构上比较简单,其结构如图2.2所示。图2.2手臂伸缩与手指夹紧机构工作原理：当手架旋转75到指定位置后,发出手臂伸出指令,液压缸1和1工作,当两液压缸的活塞运动到设计位置后不再运动,进油腔油压力升高,压力继电器开关动作,发出手指夹紧指令,手指夹紧液压缸2和2工作,由活塞杆推动手指运动,手指开始夹紧。当手指夹紧工件后,手指夹紧液压缸的进油腔的油压力升高,发出手架伸出指令,开始拔刀动作。手架在插刀动作结束后,发出手指松开指令,此时液压缸2和2反行程工作,当活塞运动到初始位置后,手指恢复到原位置,同时发出手臂缩回指令,液压缸1和1开始动作,当手臂缩回到初始位置后,活塞不再运动,手臂伸缩液压缸进油腔油压力升高,即发出手架复位指令。2.2.2 手架旋转与手架伸缩机构1、结构设计方案此方案的主要特点是,手架旋转轴与手架伸缩液压缸之间通过一对角接触球轴承来连接,由这对轴承向旋转轴传递活塞杆的推力和拉力,实现手架的伸缩运动,并且保证手架旋转轴在旋转时也不会干扰到手架伸缩液压缸。手架旋转轴上开有很长的键槽,通过滑键与圆锥齿轮相连,这样就可以使手架旋转运动与手架的伸缩运动之间互不干扰。对于手架的旋转运动,则采用电动机驱动方式,用延时继电器控制电动机的起、停时间,并由单级圆锥齿轮将电动机的运动传递给手架旋转轴,这在一定程度上简化了加工中心换刀机械手的机械结构,其结构如图2.3所示。工作原理：当加工中心发出换刀信号后,控制小齿轮轴运动的电动机M启动,通过单级圆锥齿轮带动手架旋转轴旋转。在旋转轴旋转75到达工作位置后,电动机M停止工作,并发出手臂伸缩和手指夹紧信号。当手臂伸缩和手指夹紧动作完成后,即发出拔刀信号,手架伸缩液压缸动作,开始拔刀动作过程。当手架伸缩液压缸活塞运动到设计位置时,拔刀动作完成,电动机M启动,手架开始旋转,实现主轴刀具与刀库刀具的互换动作。当手架旋转180后,发出插刀动作信号,手架伸缩液压缸开始反行程动作。插刀动作完成后,又依次完成手指松开和手臂缩运动。当手臂缩回动作完成后,发出手架复位指令。电动机M启动并反转,带动手架旋转轴旋转,在反向旋转75后,电动机M停止工作,手架恢复到初始位置,等待下一次换到指令。2、结构设计方案此方案的主要特点是采用凸轮机构实现加工中心换刀机械手的拔刀和插刀动作。对于这种机构,只要设计好凸轮的轮廓曲线以及凸轮的转速,就可实现预期的各种运动,其结构如图2.4所示。图2.3 机构图2.4机构工作原理：当加工中心发出换刀信号后,由电动机带动凸轮从A点位置开始旋转,在凸轮开始旋转的同时,控制小齿轮轴运动的电动机M也启动,通过单级圆锥齿轮带动手架旋转轴旋转。在旋转轴旋转75到达工作位置后,电动机M停止工作,并发出手臂伸出和手指夹紧信号,此时凸轮继续旋转。当手臂伸出和手指夹紧动作完成后,准备拔刀,此时,手架旋转轴与凸轮的接触点E恰好到达凸轮上的B点位置。凸轮继续旋转,随着凸轮上C点向E点的逼近,手架伸出,开始拔刀动作过程。当C点与E重合后,拔刀动作完成,此时手架旋转轴上的触点a触动行程开关1,发出手架旋转180的信号,电动机M启动,手架开始旋转。此时凸轮仍在运动,但由于CD段上各点到凸轮旋转轴心的距离相等,所以能够保证手架在此过程中不发生伸缩现象。当手架旋转180后,凸轮上的D点与E点位置重合,开始插刀动作过程。当凸轮上的F点到达E点位置后,插刀动作结束。手架旋转轴上的触点b触动行程开关2,发出手指松开和手臂缩回指令。当手臂缩回动作完成后,发出手架复位指令。电动机M启动并反转,带动手架旋转轴旋转,在旋转75后,电动机M停止工作,带动凸轮转动的电动机也停止工作,凸轮停止转动。此时,凸轮上的A点又与E点重合,手架恢复到初始位置,等待下一次换到指令。此种机构如果设计出适当的凸轮机构便可是从动件实现预期的运动,而且结构简单、紧凑。2.3 方案的确定图2.2所示的加工中心换刀机械手手臂伸缩和手指夹紧机构中,手臂伸缩和手指夹紧运动都分别由单独的液压缸进行控制,这使得它们的灵活性都很好,但由于图2.1中所示的机构中,手指部分的结构都比较复杂,而且手指部分的整体也质量比较大,这就会使手臂伸缩液压缸的负载很大。为保证活塞杆的强度和稳定性,需要将手臂伸缩液压缸的尺寸设计得大一些,那么手架旋转轴的负载也会变大,使得加工中心换刀机械手的整体结构不会很紧凑,占用的空间也较大。所以,图2.2所示的手臂伸缩和手指夹紧机构比较理想一些。图2.3和图2.4所示的手架伸缩和手架旋转机构中,手架旋转轴上开有很长的键槽,并通过滑键与圆锥齿轮相联接。这样就使得手架的多次旋转运动与拔刀和插刀运动互不干扰,并且可以使加工中心换刀机械手的整体结构简单、紧凑。但图2.4所示的机构由于采用了凸轮机构,为保证准确换刀,就需要精确的计算出凸轮的旋转速度和凸轮的轮廓曲线,同时还要精确的控制电动机M的起、停时间。尤为重要的是：本设计中凸轮与从动件之间为点接触,并且凸轮需要承受工件、手指、手臂及手架旋转轴等的整体重量,这会使凸轮极容易磨损,从而大大缩短它的使用寿命。故选用图2.3所示机构会比较理想一些。通过以上分析,本设计最终选定由图2.2所示的手臂伸缩和手指夹紧机构和图2.3中所示的手架伸缩和手架旋转机构组成加工中心换刀机械手进行具体的设计。2.4 设计结构分析2.4.1 设计参数手架伸缩液压缸最大行程： 110mm；手臂伸缩液压缸最大行程： 60mm；手指夹紧液压缸最大行程： 10mm；夹持工件质量： 8kg；换刀过程手架旋转角度： 180；换刀机械手复位角度： -75；2.4.2 自由度分析及各自由度的实现分析自由度的坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式以及关节坐标式等等6,本设计中采用直角坐标式对加工中心换刀机械手的自由度进行分析,如图2.7所示。分析过程如下： 手指夹紧运动：由手指夹紧液压缸控制实现,通过活塞杆推动或拉动手指部分的连杆机构实现手指的夹紧或松开。 手臂伸缩运动：由伸缩式液压缸控制实现。 手架伸缩运动：由手架伸缩液压缸控制它的伸缩运动,能实现换刀机械手的拔刀和插刀动作。 手架旋转运动：由电动机带动单级圆锥齿轮来实现,通过控制电动机的启停时间即可实现手架旋转75到达工作位置、手架旋转180完成主轴刀具和刀库刀具互换运动、手架反向旋转75复位三种运动。图2.7 自由度分析2.4.3 加工中心换刀机械手的组成加工中心换刀机械手由执行机构、驱动机构、控制系统、检测机构组成6,各部分特点如下：1、执行机构执行机构是完成各种动作的部件总称,它由抓取部分手部、腕部、臂部和手架等运动部件所组成。手指部分：即直接与工件接触部分,一般是回转型或平移型,手爪多为两指,也有多指；根据需要分为抓式或外抓式；也可用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。本设计采用夹持式手部,即由手爪和传力机构组成,它的主要功能是在换刀过程中完成抓住工件、握持工件和释放工件的动作。手腕部分：用于连接手指部分和手臂部分的部件。手臂部分：手臂是支撑被抓物体以及手指部分的重要部件,起调整和改变工件方位的作用。本设计中手臂的主要作用是带动手指去抓取物件。手架部分：用于承受手部以及手臂部分的总体重量,在本设计中它还用于通过旋转运动实现加工中心主轴刀具和刀库刀具的互换运动。2、驱动机构驱动机构是用来为各个部件的运动提供动力,是实现一切运动的动力源,有气动、液动、电动和机械式四种形式。本设计中的各个运动主要是直线往复运动。由于电动机输出的是旋转运动,若采用电动机传动,则必须加入齿轮、齿条等机械机构,将电动机输出的旋转运动转变为直线往复运动,而液压缸或气缸一般都是直线往复运动的,可直接带动负载作直线往复运动,使得结构简单。同时,由于液压驱动的抗冲击能力比电气驱动的抗冲击能力要强,而且在产生相同驱动力力矩的条件下,与其他驱动方式相比,液压驱动系统还具有体积小、惯性小、工作平稳可靠以及可实现较高位置精度的特点5。故本设计中的驱动方式以液压驱动为主,用液压驱动方式来实现手指夹紧、手臂伸缩和手架伸缩的动作。对于手架的旋转运动,由于手架旋转轴要实现：旋转75到工作位置,旋转180交换主轴刀具和刀库刀具和反向旋转75实现手架复位三种运动,如采用液压缸和行程开关来控制,要分别实现这三种旋转运动会比较困难,而若采用电动机驱动,则只需控制好电动机的起、停时间就可实现预期的运动。所以,本设计中的手架旋转运动由电动机带动单级圆锥齿轮来实现。3、控制系统此系统是用来控制驱动机构工作,从而实现按预定程序进行工作的机构。它通过位置检测的反馈来检测各部分机构工作的位置精度,从而保证能准确地实现加工中心换刀机械手的换刀动作。控制系统包括程序控制部分和行程反馈部分。4、检测机构检测是为了进行比较和判断提供依据,位置检测是通过将位置变化反馈给输入变量从而达到一定的定位精度和位置精度。本设计中伸缩和升降机构采用压力继电器进行位置控制。2.5 本章小结本章主要是介绍了一些目前常用加工中心换刀机械手的主要换刀形式,如两手伸缩回转式单臂双爪机械手、剪式手爪回转式单臂双爪机械手、两手互相垂直的回转式单臂双爪机械手等等,也给出了三种手臂伸缩与手指夹紧机构和两种手架旋转轴与手架伸缩机构的设计方案,并通过论证分析,确定了最终的设计方案。同时,本章对加工中心换刀机械手的组成及各自由度运动的实现也进行了较为具体的介绍。第3章换刀机械手的结构设计及尺寸确定前一章对机械手的整体结构进行了方案论证,并确定了技工中心换刀机械手的基本结构及工作围,本章将在上一章的基础上对机械手的各部分结构进行具体的设计。3.1 手指结构设计及计算3.1.1手指夹紧力的计算根据文献5,56.42-56.92,手指夹紧力的计算过程如下：手指对工件夹紧力： 式中：安全系数,本设计中取=1.5；动载系数,本设计中取=1.5；方位系数,本设计中,则,本设计=1.45；被抓持工件的重量,取工件质量为8kg；将上述各值代入式,得：=255.78N对手指结构进行受力分析如图3.1所示,由：可得： 又由： 图3.1 手指受力分析得：即： 在本设计=50mm,=13mm；将各值代入式,得=2500.50.358255.78/=453.27N考虑到运动过程中的能量损失,取=0.9,则手指夹紧液压缸的实际驱动力为：=453.27/0.95=477.12N本设计中取=500N；由式可得：=697.61N由式可得：=697.61=542.14N=697.61=439.02N对手指夹紧力的校核过程如下：在手架旋转过程中手指所受的惯性力为： 式中：工件质量；工件到旋转轴线的距离,这里取mm；手架旋转轴的转速,初取rad/s；则由式可得：=94.75N因,所以手指夹紧液压缸的实际驱动力取=500N,安全。3.1.2 手指部分的相关校核根据文献8,72-94,对手指部分重要部位的校核过程如下：轴和手指的材料都选用45号钢,它们的许用剪应力=70MPa、许用挤压应力 =140MPa、许用拉应力=300MPa；1、轴校核=5.59 MPa=3.79 MPa,轴安全。2、轴校核=13.88 MPa=6.71 MPa,轴安全。3、手指强度校核A截面的抗弯截面模量公式如下：式中：形心轴惯性矩；截面图形的形心位置；A部分截面处的图形形状如图3.2所示,部分处的形心位置为： 式中：=8.66mm,=20mm,=10mm,将各值代入式可得=13.85mm其截面面积为：=2017.3210/2=/2=129.9mm2部分处的形心位置为：=5mm其截面面积为：=2611.34=294.84mm2A处截面的形心位置为：=/=/424.74=7.7mm = 8.663/36+2129.9=781.76+10174.09=10955.85mm4=11.34326/12+2294.84=3159.59+2149.38=5308.97 mm4=10955.85+5308.97=16264.82 mm4将各值代入式得：16264.82/7.7=2112.31mm3A截面处的弯矩：=2.26Nm故危险截面A处的拉应力为：MPa安全。图3.2 A处截面图形形状图3.3 C处截面图形形状危险截面C处的弯矩=8.536Nm,其截面图形形状如图3.3所示,抗弯截面模量为：故危险截面C处的拉应力为：=4.04+1.03 =5.07MPa；安全。3.2 手指夹紧液压缸设计3.2.1 手指夹紧液压缸各部分尺寸的确定根据文献9,5-12,由：得： 式中：液压缸的工作压力,本设计中初取=1.5MPa；液压缸回油腔背压力,对于简单系统和一般轻载的节流调速系统,=0.20.5MPa,在本设计中初取估算值=0.5MPa；活塞杆直径与液压缸径之比,因在工作压力2MPa时,=0.20.3,本设计中取=0.2；工作循环中的最大外负载,本设计中=500N；液压缸密封处的摩擦力,=；密封处的机械效率,一般=0.90.97,本设计中取=0.9；将各值代入式,可得：=26.33mm；为便于采取标准的密封件,根据液压缸径尺寸系列,将径D进行圆整,取=32mm。因为本设计中=0.2,所以=0.232=6.4mm,同样为便于采取标准密封件,根据活塞杆直径系列,将活塞杆直径d进行圆整,取=8mm。手指夹紧液压缸的最大储油量为： 式中为活塞杆的最大行程,这里取=10mm,则有：=8042.48=8.04L活塞的宽度=19.232mm,为减少手指夹紧液压缸的整体重量,取=20mm。活塞杆的导向长度=4.812mm。由于本设计中手指夹紧液压缸的缸体径较小,并且活塞的行程也不大,为方便它的加工制造,在这里将活塞和活塞杆设计成一体的形式。对于手指夹紧液压缸,因其为低压系统,而在中、低压系统中,液压缸缸筒的壁厚常由结构工艺上的要求决定,强度问题是次要的,一般不需要进行验算,所以,此手指夹紧液压缸的缸筒壁厚由结构需要决定。3.2.2 材料的选择根据文献5,87-92,对手指夹紧液压缸各元件的材料选取如下：活塞杆材料采用实心的45号钢,并进行表面淬火处理,以提高活塞杆硬度；由于活塞与活塞杆是一体的,所以活塞的材料也为45号钢,但为了增加它的耐磨性,需在活塞的表面覆盖一层耐磨材料,常用耐磨材料有青铜、黄铜、尼龙等等。一般情况下,压力较低的液压缸的缸筒材料多采用铸铁,但在本设计中,为了减轻结构的整体重量,将选用铝合金作为手指夹紧液压缸缸筒的材料。缸盖的材料选用HT200铸件。3.3 手臂伸缩液压缸设计3.3.1 手臂伸缩液压缸各尺寸数据的确定由于受到刀库刀具和主轴刀具之间距离的限制,为保证两侧手臂的伸缩围都能达到60mm,本设计中采用了伸缩式液压缸,即用手指夹紧液压缸来代替手臂伸缩液压缸的活塞和活塞杆部分。为方便采用标准的密封件,结合手指夹紧液压缸的相关计算,并根据文献9,5-12,中的活塞杆直径系列和液压缸径尺寸系列,取手指夹紧液压缸的缸体外径为=45mm,手臂伸缩液压缸径=63mm。手臂伸缩液压缸活塞杆的最大行程取60mm, 由式可得手臂伸缩液压缸的最大储油量为：=374069.44mm2=374.07L估算手臂伸缩液压缸负载：两机械手手指的质量：=0.3252=0.65 kg；上挡板的质量：=0.137 kg；下挡板的质量：=0.137 kg；后挡板的质量：=0.021kg；侧挡板的质量：=0.026kg2=0.052kg；手指与活塞杆之间连接件的质量：=0.147kg；夹持工件的质量：=8kg；取=0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147=1.144kg取钢与铝合金之间的滑动摩擦力=0.47,则：=0.471.1449.8=5.25N设活塞达到稳定速度过程中的加速度为：=20m/s2,则：=1.14420=22.88N手臂伸缩液压缸负载：=5.25+22.88=28.13N考虑到手臂在伸缩运动过程中的能量损失,取=0.9,则手臂伸缩液压缸的实际驱动力为：=28.13/0.9=31.26N在手架旋转轴旋转时,手臂伸缩液压缸受到的惯性力较大,为保证手臂伸缩液压缸的安全,这里取=200N；根据：得： 式中：手臂伸缩液压缸的实际驱动力；液压缸的工作压力,由计算结果确定；液压缸回油腔背压力,根据文献9,表22,对于简单系统和一般轻载的节流调速系统,=0.20.5MPa,在本设计中初取估算值=0.5MPa；手臂伸缩液压缸径；手指夹紧液压缸外径；将各值代入式,可得：=200+0.5632452/4/632/4=200+763.41/3117.25=0.31MPa3.3.2 流量及流速的确定手指夹紧液压缸活塞的最大行程=10mm,取其夹紧时的运动速度=12m/min=0.2m/s,则手指夹紧过程所需时间为：=0.05s根据： 可得手指夹紧时的流量为：mm3/min=0.965L/min当手指夹紧液压缸反行程运动,手指松开时,取其流量：=0.965L/min则根据式可得其运动速度为：=12.8m/min=0.21m/s手指夹紧液压缸反行程运动时间为：=0.05s手臂伸缩液压缸活塞的最大行程=60mm,取其伸出时的运动速度=5.5m/min=0.09m/s,所需时间为：=0.65s则由式可得：=1.71L/min取手臂伸缩液压缸反行程运动时的流量=1.71L/min；则其运动速度为：=11.2m/min=0.187m/s所需运动时间为：=0.32s液压缸的最小稳定速度的验算过程如下：利用公式： 按最低速度验算液压缸的最小稳定速度,式中为调速阀最小稳定流量。对于手指夹紧液压缸,选用型号为AQF3610B 的调速阀,其最小稳定流量=35mL/min,液压缸的最小稳定速度=12m/min；由式可得：=/=2.92 cm2本设计中=804.25mm2=8.04cm22.92cm2,故设计符合要求,液压缸能达到所需的低速要求。对于手臂伸缩液压缸,选用QF3E610B的调速阀,其最小稳定流量=40mL/min,液压缸的最小稳定速度=5.5m/min=0.092m/s；由式可得：=/=7.27 cm2本设计中=31.17 cm27.27 cm2,故设计符合要求,液压缸能达到所需的低速要求。3.4 手架旋转机构设计3.4.1 手架旋转轴的设计1、估算手架旋转轴所承受的负载两机械手手指的质量：=0.325kg2=0.65kg；上挡板的质量：=0.137kg；下挡板的质量：=0.137kg；后挡板的质量：=0.021kg；侧挡板的质量：=0.026kg2=0.052kg；手指与活塞杆之间连接间的质量：=0.147kg；夹持工件的质量：=8kg；手指夹紧液压缸前端盖质量：=0.491kg；手指夹紧液压缸后端盖质量：=0.362kg；手指夹紧液压缸缸筒质量：=0.184kg；手臂伸缩液压缸前端盖质量：=0.589kg；手臂伸缩液压缸缸筒质量：=0.427kg；上套件质量：=0.609kg；上套件质量：=1.08kg；当储油量最大时油液的质量：手架旋转轴所承受的总质量为：=2+0.427+0.609+1.08+0.35=23.96kg；手架旋转轴所承受的负载为：=23.969.8 =234.81N2、手架旋转轴的校核初取手架旋转轴的轴径=30mm；手架旋转轴所承受的负载为：=23.96kg；手架旋转轴的质量为：=1.43kg；取手架旋转所需的驱动力距等于手架旋转时受到的惯性力距,则根据文献11,78-106有： 式中：手臂回转部件对回转轴线的转动惯量；手架旋转轴对回转轴线的转动惯量；手架旋转轴旋转时的角加速度,这里初取手架旋转轴的转速=1m/s,则其角速度=2rad/s,设手架旋转轴从静止开始到达到稳定速度所需的时间为=0.1s,则：=/=/=20rad/s2；机械手夹紧力的校核： 取手架回转的角速度,=300mm,则由式得：=8kg300mm=94.75N因小于机械手手指的夹紧力,所以机械手的手架旋转轴工作正常。由于手臂回转部件的回转轴线与其重心轴线重合,所以可取：本设计中=15mm,取=250mm,则：=23.960.252+30.0152/12=0.126N=1.430.0152/2=0.00016 N将值代入式3.24可得：=7.92 Nm手架旋转轴的输出功率：=7.92 Nmm 2rad/s =49.76w手架旋转轴强度校核公式如下： 式中：手架旋转轴的扭矩,此处 =7.92 Nm；手架旋转轴的抗弯截面模量,对于实心轴有,所以此处=m3；将值代入式可得：=7.92/=1.49MPa因=20MPa, ,故所选轴安全。3.4.2 手架旋转驱动机构的选择1、电动机类型的选择目前常用的加工中心换刀机械手,它的手架旋转运动是由两个液压缸实现的。一个液压缸用来实现手架旋转75到达工作位置,换刀运动过程准备开始。另一个液压缸则是在拔刀过程结束后,实现手架旋转180的运动,是主轴刀具与刀库刀具互换位置。虽然这种结构工作原理很简单,但由于驱动机构较多,它们之间以及它们和手架伸缩液压缸的活塞杆之间的连接机构却比较复杂。而在本设计中,由于采用了两个圆锥滚子轴承以及一个套筒作为手架伸缩液压缸活塞杆和手架旋转轴的连接机构,并且在手架旋转轴上设计了一个很长的键槽,所以只需要用一个驱动机构带动齿轮机构或蜗轮蜗杆机构,就可实现手架在拔、插刀前后的多次旋转运动。对于这个驱动机构,它需要能实现手架的75、180和反向75三种角度的旋转。若采用液压缸和行程开关进行控制,则一般只能实现一种角度的旋转。而如果采用电动机进行传动,则只需控制好电动机的起、停时间就可以实现各种预期的运动。所以本设计中的手架旋转运动由电动机带动单级圆锥齿轮来实现。TYV系列高精度微型特种减速电动机采用高新技术,具有齿轮减速、蜗轮减速、直线往复等多种结构,并可配有电子无级调速、阻尼制动、电磁刹车等功能,适用于交流、直流多种电压,是一种高效、节能、低噪音的微特减速电动机,它还具有结构紧凑、安装方便、减速比大、体积小、输出转矩大及运行可靠等特点12,因此,本设计中的手架旋转机构选用TYV系列高精度微型特种减速电动机作为驱动机构。2、电动机型号的选择根据文献13,8-13,各传动副传动效率为：弹性柱销连轴器：=0.99；圆锥滚子轴承：=0.99；单级圆锥齿轮：=0.95；总的传动效率为：=0.990.990.990.95=0.90取单级圆锥齿轮的传动比为=3；所选电动机应满足：=3r/s=180r/min=49.76/0.90=55.29w =2.93Nmm根据上述条件,查电机系列,取TYV4型齿轮减速电动机,其基本参数如下：允许负载为=60w,输出转速为=150r/min,转矩为=3.4Nmm。3.4.3 单级圆锥齿轮的设计与校核根据文献13,8-13,各轴转速为：=150r/min=150r/min=50r/min各轴转距为：=3.4Nm=0.993.4=3.37Nm=0.9033.4=9.18Nm各轴的输入功率为：=/9550=3.4150/9550=53.4w=0.9953.4=52.87w=0.9053.4=48.06w手架旋转轴的实际角速度=rad/s,因=41.47wP2, 所以安全。初算齿轮轴直径：=3.61mm根据文献7,32.167-32.185,圆锥齿轮的设计与校核如下过程：选定齿数、：取=19,则=319=57实际齿数比：分锥角、：因=90,=3,故：=arctg1/=arctg1/3=1826=-=90-1826=7134初选齿宽系数：常取0.25-0.35,这里取=0.3；工况系数：因其载荷特性为工作平稳,故可取=1.0；动载系数：这里取=1；试验齿轮的接触疲劳极限应力：由于此齿轮为硬齿面,并经淬火处理,故可取=1350N/mm2；齿轮大端分度圆直径：由式：得小齿轮大端分度圆直径为：=16.87mm本设计中取=35mm；大端模数：=35/19=1.84按标准系列取=2；重求齿轮大端分度圆直径、：=219=38mm=257=114mm锥距：=38/=60.08mm齿宽：=0.360.08=18mm实际齿宽系数：=18/60.08=0.3小齿轮中点分度圆直径：=38=32.3mm中点模数：=20.85=1.7mm当量齿数：=19/cos1826=20.76=57/cos7134=180.27将计算结果进行圆整,取=20,=180；大端分度圆处的实际圆周速度：=38150/60000=0.3m/s重求动载系数：按实际圆周速度=0.3m/s ,因为是高精度齿轮,故取=1；齿向载荷分布系数、：因小齿轮是悬臂支承,故取=1.2,=1.2；中点分度圆上的圆周力：由式,得=20003.37/32.3=208.67N1、齿面接触疲劳强度的校核接触计算用单位齿宽上的载荷： 式中工况系数；动载系数；接触计算用的齿向载荷分布系数；接触计算用的端面载荷分配系数,对于支持圆锥齿轮=1；齿宽中点分度圆上的额定圆周力；齿宽；将各值代入式可得：=208.671.011.21/18=13.91N接触计算应力：=420.74N试验齿轮的接触疲劳极限应力：由于大、小齿轮均采用20Cr,并经渗碳淬火处理,=1500 N/初步计算时,取中线偏下部分的值=1350N/,趋于安全,此处为精确校核,故取中线处的值。接触计算用的寿命系数：因按持久寿命计算,故取=1；润滑剂系数：取=1；表面光洁度系数：由于是高精度齿轮,齿面光洁度为,=6.3m,所以齿宽中点当量圆柱齿轮中心距为：=0.5432.3/ cos1826=68.09mm=7.16表示为试验齿轮副的中心距是100,节点处综合曲率半径10mm,齿面光洁度系数即为此条件下的试验值。当1200 N/时,取=0.93。速度系数：中点圆周速度为：=32.3150/60000=0.25m/s因=0.25m/s和1200 N/,故可取=0.5；工作硬化系数：因大小齿轮均为硬齿面,故取=1；接触计算时的尺寸系数：一般取=1；计算齿轮的接触疲劳极限应力：由公式：=15000.930.5111 1=697.5N接触计算安全系数：因大小齿轮材料和硬度均相同,所以有：=697.5/420.74=1.66接触计算最小安全系数为=1.25,因=,故安全。2、齿根弯曲疲劳强度的校核弯曲计算用单位齿宽上的载荷=3.28式中：中点分度圆上的圆周力,=208.67N；工况系数,=1；动载系数,=1；弯曲计算用的齿向载荷分布系数,取=1.2；弯曲计算用的端面载荷分布系数,对直齿圆锥齿轮,一般取1；将各值代入式可得：=208.671.2111/18=13.91N变位系数、：为提高弯曲疲劳强度,采用切向高变位传动,因=90轴交角,故由,可得：小轮的变位系数=0.41,大轮的变位系数=-=-0.41,根据=19/57=0.33,取=0.013,=-=-0.013；计算应力集中系数：当=0.41,=20时,=1.83,当=-0.41,=180时,=1.81；齿形系数：=1.15圆柱 根据=0.41,=20,=-0.41,=180,查得圆柱=2.26,圆柱=2.2；根据=0.013,=-0.013,查得=0.98,=1.02；故由式可得：=1.15圆柱=1.152.260.98=2.55=1.15圆柱=1.152.21.02=2.58弯曲计算应力：当量圆柱齿轮弯曲计算用重合度系数,对一般圆锥齿轮=1；中点模数；小齿轮弯曲计算应力：=13.912.551.831/1.7=38.18 N/大齿轮弯曲计算应力：=38.182.581.81/2.551.83=38.21 N/试验齿轮的弯曲疲劳极限应力：由于大、小齿轮的材料及硬度都相同,并经过渗碳淬火处理,可取=350 N/；试验齿轮弯曲计算用的寿命系数：按持久寿命计算,有：=1；相对表面状况系数：因小齿轮均用20Cr,表面经渗碳处理,齿面光洁度为,=6.3m故取=1.01；相对敏感系数：因大、小齿轮均用20Cr,并经渗碳淬火处理,当=600 N/,=1.83时,查得=0.99,当=600 N/,=1.81时,查得=0.98,试验齿轮的应力集中系数：取=2.1；弯曲计算用的尺寸系数：因为大、小齿轮材料和热处理方式都相同,=2,所以 =1；计算齿轮的弯曲疲劳极限应力：=3502.110.991.0151=727.65N/ =3502.110.981.0151=720.3N/弯曲计算安全系数：=727.65/38.18=19.06=720.3/38.21=18.85弯曲计算最小安全系数=2.0,因,故安全。3.5 手架伸缩液压缸的设计3.5.1 手架伸缩液压缸各尺寸数据的确定估算手架伸缩液压缸负载如下：轴承套筒质量：=0.93kg；两轴承质量：=0.4kg；旋转轴质量：=1.43kg；手架旋转轴所承受的负载为：=23.96kg；上述结构的总质量为：=0.93+0.4+1.43+23.96=26.72kg设手架伸缩液压缸的活塞杆在达到稳定速度过程中的加速度,则手架伸缩液压缸承受的负载为：=785.57N考虑到液压缸密封处的摩擦力,取=0.95,则手架伸缩液压缸实际的负载为：=826.92N；液压缸回油腔背压力,由于此液压缸在不工作时需保证它的负载能长时间的保持在某一位置上,所以在本设计中初取估算值=1MPa,取=1.5MPa,因工作压力2MPa,取活塞杆直径与液压缸径之比=0.3。将各值代入式,可得：=43.8mm。为便于采取标准的密封件,根据液压缸径尺寸系列,将径D进行圆整,取=50mm；又因为本设计中=0.3,所以=0.350=15mm,样为便于采取标准密封件,根据活塞杆直径系列,将活塞杆直径d进行圆整,取=16mm；活塞的宽度=3050mm,这里取=40mm。3.5.2 材料的选择根据文献5,87-92,对手架伸缩液压缸各元件的材料选取如下：活塞杆材料采用实心的45号钢,并进行表面淬火处理,以提高活塞杆硬度；由于活塞与活塞杆是一体的,所以活塞的材料也为45号钢,但为了增加它的耐磨性,需在活塞的表面覆盖一层耐磨材料,常用耐磨材料有青铜、黄铜、尼龙等等；一般情况下,压力较低的液压缸的缸筒材料多采用铸铁,此处选用HT200 ；缸盖的材料选用HT200铸件。3.5.3 手架伸缩液压缸活塞杆的校核1、活塞杆强度校核活塞杆直径=16mm；取液压缸负载=850N；则由式 可得：=1.90 mm因本设计中=16mm,大于1.90mm,故强度可以保证。2、活塞杆稳定性验算本设计中手架伸缩液压缸的支承方式为一端固定、一端自由,所以取=0.25,=85,所以有： =42.5取手架伸缩液压缸安装长度取=150mm；由式可得活塞杆横断面的最小回转半径：=16/4=4 mm故活塞杆细长比为/ =150/4=37.5；本设计中手架伸缩液压缸活塞杆的细长比且=20120,故手架伸缩液压缸的活塞杆保持工作稳定的临界负载应按公式进行验算有：=394081.38/10.68=36899N将上述各值代入式可得：/=36899/4=9224.75N由于本设计中的手架伸缩液压缸的活塞杆所承受的负载=850N/,故活塞杆的稳定性也可以保证。3.6 本章小结本章对手指夹紧液压缸、手臂伸缩液压缸及手架伸缩液压缸进行了设计计算,并对手指夹紧力、各液压缸的活塞杆以及重要部位的螺栓和键进行了校核。同时,本章也对手架旋转机构进行了设计,选用电动机作为驱动机构,采用单级圆锥齿轮传递动力,并通过对圆锥齿轮的计算和校核,保证了换刀的安全性、可靠性以及设计的实用性。第4章控制部分的设计4.1 液压缸的流量、流速及压力1、伸缩式液压缸在本设计中,由于考虑到两侧手臂伸出后要受到主轴刀具与刀库刀具之间距离的限制,所以将手指夹紧液压缸与手臂伸缩液压缸一起设计成了伸缩式液压缸,并由液压控制系统单独控制手指的夹紧与松开运动和手臂的伸缩运动。运动过程如图4.1所示。图4.1手指夹紧与手臂伸缩运动分析图各运动过程的流速如下：=5.5m/min=0.092m/s=12m/min=0.187m/s=12.8m/min=0.21m/s=11.2m/min=0.187m/s手臂伸缩液压缸进油腔油压力：=0.31MPa；手指夹紧液压缸进油腔油压力：=1.5MPa；手臂伸缩液压缸流量：=1.71L/min；手指夹紧液压缸流量；=0.965L/min；2、手架伸缩液压缸伸出时：=18m/min=0.3m/s；=14.48L/min；缩回时：=15m/min=0.25m/s；=9.65L/min；手架伸缩液压缸伸出时进油腔油压力：=1.5MP；4.2 确定液压泵的流量、压力及液压泵的型号1、泵的工作压力的确定考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失,所以泵的工作压力为： 式中：液压泵的最大工作压力；执行元件的最大工作压力；进油管路中的压力损失,初算时简单系统可取0.20.5MPa,复杂系统可取0.51.5MPa,本设计中取p=0.2MPa；将各值代入式,得=1.5+0.2=1.7MPa；上述计算中所得的是系统的静态压力,考虑到系统在工作过程中出现的动态压力往往超过静态压力,另外考虑到一定的压力储备量,并保证泵的寿命,因此,选用泵的额定压力应满足,在中低压系统中取小值,高压系统中取大值,本设计为低压系统,故取=1.25=1.251.7=2.13MPa；2、泵的流量的确定泵的最大流量: 式中：液压泵的最大流量；系统泄漏系数,一般取=1.11.3,本设计中=1.2；同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值,这里取=14.48L/min；将各值代入式,得：=1.214.48=17.38L/min3、液压泵的选择泵的主要类型有：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。柱塞泵主要用在高压、大流量、大功率的液压系统中,而本设计为低压系统,故不可选用柱塞泵。齿轮泵结构简单、紧凑,体积小,自吸能力强,但它还具有径向不平衡力大,泄漏大,噪声较高的缺点。与齿轮泵相比,叶片泵流量均匀、运转平稳、寿命长、噪声小,同时,它的轮廓尺寸也较小,在中低压系统的普通机床中应用广泛,在精密机床中应用也较多5。所以,在本设计中选用叶片泵。根据以上计算的和值,现选用YB120型叶片泵,其基本参数为：额定压力为6.3MPa,驱动功率为2.6kw,公称排量为20mL/r,转速为960r/min,在额定压力下的流量为18.0L/min,容积效率0.90,总效率0.78,本设计取0.95,0.80；4、与液压泵匹配的电动机的选择所选电动机的功率按下式进行验算： 式中：所选电动机功率；叶片泵的额定压力,这里=6.3MP；额定压力下泵的输出流量,这里=18L/min；将各值代入上式得：6.318/=2.36kw根据上述计算,选用YBZS-6三相步进电动机,其额定功率为3.0kw,额定转速为960r/min。4.3 各液压缸缓冲装置的设计由于当工作机构质量较大,活塞速度较高12m/min时,液压缸将有较大的动量,使得液压缸在行程终点停止时,易产生很大的冲击及噪音,这种冲击不仅会引起液压缸的损坏,而且还会引起各类阀及相关部件的损坏,具有很大的危险性。为消除这种冲击,可设置缓冲装置。
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