机械毕业设计（论文）-数控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构设计.pdf

iii 目目 录录 1 绪论绪论 . 1 1.1 题目背景和意义 1 1.2 数控镗铣床概述和结构组成 1 1.2.1 数控镗铣床的结构组成 . 2 1.3 国内外研究情况 2 1.4 本课题研究的主要内容 3 1.4.1 本课题研究的主要内容 . 3 1.4.2 研究方案 3 1.4.3 研究方法 3 2 总体方案的确定总体方案的确定.7 2.1 主要技术参数 . 6 2.2 自动换刀装置的设计参数 . 6 2.3 确定数控卧式镗铣床自动换刀装置的形式 . 6 3 机械手机械手 . 8 3.1 机械手的组成 8 3.1.1 执行机构 . 8 3.1.2 驱动机构 . 8 3.1.3 控制系统 9 3.1.4 课题工作要求 . 9 3.2 机械手手部的结构的设计 10 3.2.2 夹紧力及驱动力的计算 . 12 3.2.3 机械手手抓夹持精度的分析计算 13 3.2.4 弹簧的设计计算 13 3.3 机械手腕部结构的设计 15 3.3.1 腕部的结构以及选择 . 15 3.3.2 腕部的设计计算 . 15 3.3.3 液压缸盖螺钉的计算 . 17 3.4 臂部 . 18 3.4.1 臂部结构形式 19 3.4.2 臂部运动的导向装置 19 3.5 机械手机身的设计计算 21 iv 3.5.1 机身的整体设计 . 21 3.5.2 机身回转机构的设计计算 22 3.6 自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构 24 4 刀具交换装置的设计刀具交换装置的设计 . 26 4.1 换刀机械手抓刀部分结构 . 26 4.2 机械手传动结构 . 27 4.3 自动换刀过程的动作顺序 . 28 4.4 自动换刀装置的相关技术要求 . 29 4.4.1 主轴准停装置 29 4.4.2 换刀机械手的安装与调试 29 5 自动换刀装置的控制原理自动换刀装置的控制原理 30 5.1 刀库的控制 30 5.2 机械手的控制 30 结结 论论 31 致致 谢谢 32 参考文献参考文献 . 33 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明.34 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明.35 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 题目背景和意义题目背景和意义 数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字 控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的多种工序的加工。数 控卧式镗铣床刀库机械手回转与装卸刀机构用于主轴和刀库间的装刀与卸 刀操作。良好的结构设计能够实现刀库与机床主轴之间刀具的快速装卸， 提高机床的工作效率。 在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中 心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工 设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具 转动（主运动） ，在实践中具有“万能机床”的称号1。 镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转 为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或 一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加 工面的加工2。 1.2 数控镗铣床概述和结构组成数控镗铣床概述和结构组成 数控镗铣床也称“加工中心”机床，是一种新型机床，是一种具有自 动换刀装置和任意分度数控转台的点位-直线数字控制机床。 工件在一次装 夹后能自动完成几个侧面的钻、铣、镗、铰、攻丝等多种工序的加工，有 立式和卧式之分。在机械零件中，箱体类零件占相当大的比重，例如变速 箱、气缸体、气缸盖等3。这类零件往往重量较大，形状复杂，加工的工 序多。如果能在一台机床上，一次装夹自动地完成大部分工序，对于提高 生产率，提高加工质量和自动化程度将有很大的意义。箱体类零件的加工 工序，主要是铣端面和钻孔、攻螺纹、镗孔等孔加工。 因此，数控镗铣床集中了钻床、铣床和镗床的功能，有下列特点： a. 工序集中工序集中 集中了铣削和不同直径的孔加工工序。 b. 自动换刀自动换刀 按预定加工程序，自动地把各种刀具换到主轴上去，把 用过的刀具换下来。因此，要有刀库、换刀机械手等。 c. 精度高精度高 各孔的中心距全靠各坐标的精度来保证，不用钻、镗模。 有的机床，还有自动转位工作台，用来保证各孔各面间的角度。镗孔时， 毕业设计（论文） 2 还可先镗这个壁上的孔，然后工作台转 180 度，再镗对面壁上的孔。 两孔要保证达到一定的同轴度。 1.2.1 数控镗铣床的结构组成数控镗铣床的结构组成 a. 机床本体机床本体 数控镗铣床常按主轴在空间所处的状态， 分为立式数控 镗铣床和卧式数控镗铣床。机床本体是用来支撑机床的工作以达到加工生 产目的，主要由床身和立柱组成。 b. 主轴结构主轴结构 主轴部件既要满足精加工时精度较高的要求， 又要具备 粗加工时高效切削的能力，因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方 面，都有很高的要求。在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗 铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀 具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀孔吹净等装置。 c. 数控转台数控转台 数控转台可以进行任意角度定位，它的功用有两个：一 是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。 d. 换刀装置换刀装置 数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所 有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须带 有自动换刀装置。其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回 转机构、装刀手和卸刀手组成。 e. 机床导轨机床导轨 导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。 在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不动的一方叫支撑导轨。运动导轨 相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动4。 1.3 国内外研究情况国内外研究情况 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、 高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展3,s。长期以 来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线， 特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加 速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制 造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入 wto 后， 正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床 产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务5。 随着数控镗铣床的发展，机床附件行业必须有与之相配套的产品，要 能跟得上数控镗铣床的步调，数控镗铣床竞争是激烈的，机床附件行业竞 争也是激烈的，但恶性的竞争终将给行业带来黑暗，机床附件行业急需公 平的良性竞争6。 毕业设计（论文） 3 我国机床的功能部件虽然从“小件“、 “配套件“的地位提升到“关键岗位“ 并受到重视，但一直是在“重主机、轻配套“，“重洋轻土“这样的大环境中逆 水行舟、艰难成长。长期以来我们对功能部件关注不够，在功能部件上无 所作为很难使我们的机床产业上一个台阶，购买国外的功能部件只能使我 们的产业缺乏竞争力7 。 我国滚动功能部件产业是土生土长的民族工业， 有着 40 多年的发展历 史，行业虽小（约 60 多家企业）却有一批从上世纪 60 年代“精密机床全 国会战“中成长起来的骨干企业。在生产规模、硬件设施等方面与国外同行 不相上下。再加上近几年出现的一批新生的企业，行业竞争越来越激烈， 我们应为机床附件行业提供一个好的公平的竞争环境。这才能促进行业更 进一步发展。 最近几年，随着国民经济快速稳定发展，装备制造业的振兴以及整个 制造业技术升级和国防现代化需求加大，在固定资产投资较快增长的拉动 下，我国机床附件工具市场呈现产需两旺的态势，代表装备制造业先进水 平的数控机床生产更是乘势而上8。 强劲的市场需求拉动， 促使国内机床工具行业出现了产销畅旺的局面， 机床附件行业在强大的需求之下也是如虎添翼，奋力前进9 。 1.4 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 1.4.1 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 a. 了解刀库机械手回转与装卸刀机构的性能要求； b. 了解刀库机械手回转与装卸刀机构的工作原理， 进行结构设计和计 算分析； c. 设计指标：回转油缸摆动，带动手架回转，实现主轴和刀库间的换 刀动作，手臂沿手臂座移动，完成拔刀和插刀动作； d. 应用 cad 系统对系统零件和装配建模和仿真 1.4.2 研究方案研究方案 a. 明确文章的研究内容，确定研究对象； b. 大量收集并查阅相关资料，力求条理清晰。 1.4.3 研究方法研究方法 a. 坚持很好地全部阅读指导教师指定的参考资料、文献，并阅读了较 多的自选资料和较多的外文资料，积极开展调研论证； 毕业设计（论文） 4 b. 充分利用时间，提前学习专业软件，能够熟练运用cad 软件进行 设计、分析、加工等操作，使产品提前得到的方案可行性设计。 c. 采用同其它同等机械类设备的类比，方案比较等方法，根据实际应 用特征及现有的物质、经济技术、人力等条件，以所学的理论知识为基础， 按照工业机械手工作的一般过程、设计标准。借鉴以往相似设备的成功经 验进行初步设计 然后对初步设计方案进行验算，修正，直至达到安全、 经济、实用的目的。其中对于机械手设计中的关键问题、难点问题进行重 点分析解决，确保整个设计方案的可行性和最佳性10。 图 1.1 刀库机械手回转与装卸刀 自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工 不可缺少的装置,主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱 动装置是两个关键部分,根据驱动装置的不同,自动换刀装置可分为凸轮 式、 液压式、 齿轮式、 连杆式及各种机构复合式,其中以凸轮式用得较多11。 毕业设计（论文） 5 图 1.2 刀库机械手回转与装卸刀 机械手回转及装刀、卸刀机构，是用于主轴和刀库间的装刀、卸刀的 换刀装置。回转油缸15摆动，带动手架3回转，实现向主轴和刀库换刀的动 作。当拔刀油缸7通入压力油时，缸体连同手臂8沿手臂座22移动，完成拔 刀和插刀动作。手臂8靠十字交叉滚子在手臂8的v字型导轨上移动。 2 总体方案的确定 6 2 总体方案的确定总体方案的确定 2.1 主要技术参数主要技术参数 a. 刀刀库库容容量量：4- 6 b. 选选刀方刀方式式：顺序选刀 c. 重复重复精度精度： 5“ 数控卧式镗铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、镗头、主传 动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电 柜等部分组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独 立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种 类和数量等。 2.2 自动换刀装置的设计参数自动换刀装置的设计参数 在铣削轮廓时，为了保证一次连续地加工出全部表面，应选用半径小 于工件最小轮廓半径的刀具，而在实际的生产加工中，常尽量选用直径较 大的铣刀，因为大直径铣刀刚性好，耐用度高。由数控卧式镗铣床推荐使 用的最大切削范围可知，当铣切钢时，铣刀直径为 10 mm。当铣灰铸铁时， 铣刀直径达 25mm。因此，为了满足该机床的实际加工能力与生产情况， 在设计其自动换刀装置时，应该根据最大的刀具直径来设计，即设计的换 刀装置能交换 25mm 的刀具。 初估最大直径刀具的重量为 8kg。 2.3 确定数控确定数控卧式卧式镗铣床自动换刀装置的镗铣床自动换刀装置的形式形式 数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要 取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。 由于数控卧式镗铣床是一种使用范围较广的机床，且其可加工零件的 精度要求也较高，比较上章介绍的几种换刀形式，决定选用带刀库的自动 换刀形式。 带刀库的自动换刀装置是由刀库和刀具交换装置（换刀机械手）组成。 它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置， 其整过换刀过程比较复杂。 首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进 行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀， 毕业设计（论文） 7 由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧 刀放回刀库。存放刀具的刀库可具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱 的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。 数控卧式镗铣床主轴箱上方没有好的安装位置，安装在机床外又要增 加刀具运输时间，降低效率，所以安装在机床侧面最合适，有些部件交错 的地方，作适当的调整。因为数控卧式镗铣床外形及其他性能参数等均与 jcs018a 数控立式镗铣床相似，所以本机床的自动刀装置的设计将仿效 jcs018a 数控立式镗铣床换刀装置，设计成由由盘式刀库和回转式双臂 机械手组成。 设计增加自动换刀装置后的数控卧式镗铣床的外观图如图 2.1 所示。 图 2.1 数控卧式镗铣床的外观图 3 机械手 8 3 机械手机械手 3.1 机械手的组成机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成 及相互关系如下图： 3.1.1 执行执行机构机构 a. 手手部部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕， 以转动、伸屈手腕，开闭手指。 本课所指的机械手仅需开闭手指。 机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关 节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最 多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应 操作需要。本课所做的机械手采用二指形状。 b. 手手臂臂 手臂有无关节和有关节手臂之分。 本课所做的机械手的手臂采用无关节臂。 手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。 为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。 本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转 三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。 总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行 机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服 马达和步进马达等。 躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 3.1.2 驱驱动机构动机构 驱动机构主要有四种，液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。 其中以液压气，动用的最多，占 90 以上，电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、 毕业设计（论文） 9 马达加上齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、马达与减速器、 油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力 高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位 置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4- 6 ， 个大气压，个别的达到 8- 10 个大气压。它的优点是气源方便，维护简单， 成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间 位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击， 气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速 比减速器来驱动执行机构，直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构，有的 采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、 变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单 ，维护，使用方便。驱动机构和控制系 统可以采用统一形式的动力，出力比较大，缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低，缺点是不易调整。本课题所 做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。 采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。 3.1.3 控制系统控制系统 机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速 度等。 控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。 它首先要编制 程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作 。 3.1.4 课题工作要求课题工作要求 a. 用途用途 在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床，简称主机，实现所有 加工工序的自动装、卸刀。 b. 规格参数规格参数 抓重： 20kg 自由度数： 4 坐标形式： 圆柱坐标 毕业设计（论文） 10 手架运动参数： 拔、插刀行程（即滑座伸缩 z） ： 155mm（最大 180mm） 升降行程（即找刀排 y ） ： （刀排间垂直方向距离为 4 2 0 毫米）共四排 回转角度（w） ： 180 装 卸刀手手臂伸缩行程（x） ： 195mm 手指夹持刀柄的直径： 100mm 位置检测与定位方式： 滑座伸缩、手架会装和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位 置检测，有挡块（或活塞与端盖）定位。手架升降运动采用无触电行程开 关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。 缓冲方式 ： 滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲，手架回转 运动采用转换不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲，手架升降运动采用无 触点行程 开关发信，切断油路缓速缓冲。 驱动方式： 液压 控制方式： 数字控制 3.2 机械手手部的结构的设计机械手手部的结构的设计 3.2.1 机械手手机械手手抓抓的设计计的设计计算算 毕业设计（论文） 11 a. 手抓的力学分析手抓的力学分析 (a) (b) 1 手指 2销轴 3 杠杆 图 3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 在杠杆 3 的作用下,销轴 2 向上的拉力为 f ,并通过销轴中心 o 点,两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 f 和 f1 其力的方向垂直于滑槽的中心线 oo1和 oo2 并指向 o 点,交 f1和 f2的延长线于 a 及 b。 由0= x f 得 21 ff = 0= y f 得 - f1 1= f 由0)( 01 =fm，hff n = 1 cos =hq n f a b f 2 cos= (3.1) 式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离（mm） 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。 由分析可知： 当驱动力 f 一定时， 角增大，则握力 fn也随之增大，但 角 cos2 1 f f = 毕业设计（论文） 12 过大会导致拉杆行程过大,以及手部结构增大，因此最好 =30 4 0 。 3.2.2 夹紧力及驱动力的计算夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。 必须对大小、 方向和 作用点进行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运 动状态变化的惯性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态 。 手指对工件的夹紧力可按公式计算：fk1k2k3g 式中 k1安全系数,通常 1.02.0； k2工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式 估 a b k+=1 2 ，其中 a，重力方向的最大上升加速度： 响 t vmax =； vmax运载时工件最大上升速度 t响系统达到最高速度的时间,一般选取 0.030.5s； k3方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择。 g 被抓取工件所受重力（n） 。 表 3.2 液压缸的工作压力 作用在活塞上外 力 f(n) 液压缸工作压力 mpa 作用在活塞上外 力 f(n) 液压缸工作压力 mpa 小于 50000 0.8- 1 20000- 30000 2.4- 4.0 5000- 10000 1.5- 2.0 30000- 50000 4.0- 5.0 10000- 20000 2.5- 3.0 50000 以上 5.0- 8.0 计算：设 a=100mm，b=50mm，1040； 机械手达到最高响应时间为 0.5s， 求夹紧力 fn和驱动力 f 和驱动液压缸的尺寸。 a. 设 k1=1.5 02 . 1 8 . 9 5 . 0 1 . 0 11 2 =+=+= a b k (3.2) 5 . 0 3= k 根据公式，将已知条件带入 ： n 8 . 449n5885 . 002 . 1 5 . 1= n f b. 根据驱动力公式得： ()n1378 8 . 44930cos 50 502 f= = o 计算 c. 取 =0.85 毕业设计（论文） 13 1621 85 . 0 1378f = 计算 实际 f d. 确定液压缸直径 d ()pd-d 4 f 22 = 实际 选取活塞杆直径 d=0.5d 选择液压缸压力油工作压力 p=0.8- 1mpa； () 587 . 0 75 . 0 108 . 0 16214 0.5-1p f4 52 = = 实际 (3.3) 根据表 3.2（jb826- 66） ，选取液压缸内径为 d=63mm； 则活塞杆内径为： d=63 0.5=31.5，选取 d=32mm 3.2.3 机械手手机械手手抓夹持抓夹持精度的精度的分析分析计计算算 机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳 定性好，并有足够的抓取能力 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位 精度 (由臂部和腕部等运动部件来决定)，而且也于机械手夹持误差大小有关。 特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一 定进行机械手的夹持误差。 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为 80mm- 180mm； 一般夹持误差不超过 1mm 分析如下： 工件的平均半径: mm cp 65 2 4090 r= + = 手指长 l=100mm，取 v 型夹角 2=120 偏转角 按最佳偏转角确定： = =46 60sin100 60 cos sin cos 1 -1 - l rcp 计算： 15.6046cos60sin100cossin= lr 当s minmax rrr 时带入有： cos sin r 2-) sin (-cos sin r 2-) sin2 ( min22max2max2 l r ll r l max += (3.4) 夹持误差满足设计要求。 3.2.4 弹簧弹簧的设计计的设计计算算 选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。计算过程如下。 a. 选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力； mpa800= 毕业设计（论文） 14 b. 选择旋绕比 c=8，则 6 615 . 0 4-4 1-4 + c c k () () 183 . 1 6 615 . 0 4-84 1-84 6 615 . 0 4-4 1-4 =+ =+ c c k c. 根据安装空间选择弹簧中径 d=42mm 估算弹簧丝直径 mm c d d25 . 5 8 42 = d. 试算弹簧丝直径: kcf d max 6 . 1 mmd7 10800 8183 . 1 1621 6 . 1 6 = e. 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： 86 . 2 816218 007 . 0 1080000 8 3 6 3 = = max maxc f gd n 选择标准为 n =3，弹簧的总圈数 n1=n+1.5=3+1.5=4.5 圈 f. 最后确定 d=42mm，d=7mm，d1=d- d=42- 7=35mm d2=d+d=42+7=49mm g. 对于压缩弹簧稳定性的验算 对于压缩弹簧如果长度较大时,则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不 允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比76 . 1 12 74 = = d b ， 本设计弹簧 是 2 端自由，根据下列选取： 当两端固定时，b 5.3，当一端固定：一端自由时，3b 7 ， 当两端自由 转动时，b 2.6 。结论本设计弹簧 b = 1.76 2.6 ，因此弹簧稳定性合适。 h. 疲劳强度和应力强度的验算 对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧 ，还应该进一步对弹簧的疲劳强 度和静应力强度进行验算 ，如果变载荷的作用次数 n 103， 或者载荷变化幅 度不大时（可只进行静应力强度验算） 。 现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公 式 s s s ss ca = max ss选取 1.3- 1.7（力学性精确能高）f d kd 3 max 8 = 毕业设计（论文） 15 5987564791621 001 . 0 14 . 3 042 . 0 184 . 1 88 33 max = =f d kd 3361 . 1 598756479 10800 6 max = = pa pa s s sca 结论：经过校核，弹簧适应 。 3.3 机械手机械手腕部腕部结构的设计结构的设计 3.3.1 腕部腕部的结构的结构以及选择以及选择 a. 典型典型的的腕部腕部结构结构 (1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。 它具有结构紧凑 、 灵活等 优点而被广腕部回转，总力矩 m，需要克服以下几种阻力，克服启动惯性所用。 回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定， （一般小于 270） 。 (2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于 270 的情况下 ，可采用 齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。 (3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。 它使腕部具有水平和垂直转动 的两个自由度。 (4) 机- 液结合的腕部结构。 b. 腕部腕部结构和结构和驱驱动机构的动机构的选择选择 本设计要求手腕回转 180，综合以上的分析考虑到各种因素， 腕部结构选 择具有一个自由度的回转驱动腕部结构 ，采用液压驱动。 3.3.2 腕部腕部的设计计的设计计算算 a. 腕部腕部设计考设计考虑虑的参数的参数 夹取工件重量 60kg 回转 b. 腕部腕部的的驱驱动动力矩力矩计计算算 （1） 腕部的驱动力矩需要的力矩 m惯。 （2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩 m摩。 夹取棒料直径 100mm 长度 1000mm 重量 60kg 当手部回转 180 时，计算力矩： 1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体高为 220mm 直径 120mm 其重力估算 g=3.14 毕业设计（论文） 16 nkgnmkgg1908 . 9780022 . 0 06 . 0 32 = 2） 擦力矩 m 摩=0.1 m 。 3） 启动过程所转过的角度启=18=3.14rad， 等速转动角速度= 2.616 s2。 () 启 工件惯 2 2 jjm+= (3.5) 查取转动惯量公式有： 2222 0342 . 0 06 . 0 8 . 9 190 2 1 2 1 jsmnsmn kgn n mr= ()() 22222 n0125 . 5 05 . 0 31 12 1 3 12 1 sm g g rl g g j=+=+= 工件 代入： ()mmm= +=55 03142 616 . 2 0125 . 5 0342 . 0 2 惯 m1 . 0m+=+= 惯摩惯 mmm mn = 1 . 61 9 . 0 55 m c. 腕部驱腕部驱动动力力的计的计算算 表 3.3 腕部驱动力图示 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 设定腕部的部分尺寸:根据表设缸体内空半径 r=110mm 外径根据表 选择 121mm 这个是液压缸壁最小厚度,考虑到实际装配问题后,其外径为 226mm 动片 宽度 b=66mm 输 出 轴 r=22.5mm 基本尺寸示如图所示。则回转缸工作压力， ()() mpa rb m p35 . 7 0.0225-055 . 0 066 . 0 11.612 r- 2 2222 = =选择 8mpa 毕业设计（论文） 17 图 3.4 腕部液压缸剖截面结构示意 表 3.5 标准液压缸外径 （jb1068- 67） （mm） 液 压 缸 内 径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 20 钢 p 1600 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 45 钢 p200 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 180 200 219 245 219 245 3.3.3 液压缸盖螺钉的计算液压缸盖螺钉的计算 图 3.6 缸盖螺钉间距示意 毕业设计（论文） 18 表 3.7 螺钉间距 t 与压力 p 之间的关系 工作压力 p(mpa) 螺钉的间距 t（mm） 0.51.5 小于 150 1.52.5 小于 120 2.55.0 小于 100 5.010.0 小于 80 缸盖螺钉的计算，如图所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表， 在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 x qqq fff+= 0 计算： 液压缸工作压强为 p= 8mpa， 所以螺钉间距 t 小 于 80mm，试 选 择 8 个螺钉8017.43 8 11. 014. 3 8 = = d ，所以选择螺钉数目合适 z=8 个 危险截面 2 22 22 007908875. 0 4 0.045-11. 0 r-mrs= 所以， z ps fq= (3.6) z ps fq=7908.875n qq kff s = k=1.5- - 1.8 qq kff s =1.5 7908.8=11863.3n 所以， nfff x qqq 1977210545 3 . 11863 0 =+=+= 螺钉材料选择 q235，则 )2.5-2 . 1(160 5 . 1 240 =nmpa n s 螺钉直径： 0 3 . 14 q f d m f d q 0159 . 0 1016014 . 3 197723 . 14 3 . 14 6 0 = = 螺钉的直径选择 d=16mm 3.4 臂部臂部 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部,并改变手部在空 间的位置。机械手的臂部一般具有 2 3 个自由度，即伸缩、回旋、俯仰或升降， 专用机械手的臂部一般具有 12 个自由度，即伸缩、回转或直移。臂部总重量 较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件(或工具)的静、 动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力(或惯性距)，引起冲击，影响定 位的准确性。臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。专 毕业设计（论文） 19 用机械手的臂部一般直接安装在主机上， 机械手的臂部一般与控制系统和驱动系 统一起安装在机身，(即机座)上，机身可以是固定的，也可以是行走式的、即可 沿地面或导轨移动。 臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动 精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及倒向装置 的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素 ，它们分别是，刚度要大，倒向性 要好，偏重力矩要小，运动要平稳、定位精度要高 。 3.4.1 臂部结构形式臂部结构形式 机械手的臂部结构一般包括臂部伸缩、回转、俯仰或升降等运动的结构以及 与其有关的结构，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑连接件和位置检 测元件等。此外还有与腕部连接的有关构件及配管、线等。下面介绍一些臂部结 构。 a. 圆柱坐标机器人的臂部结构，其臂部具有回转、升降、伸缩自由度回转 运动通过齿条缸驱动齿轮回转来实现升降与伸缩分别由升降油缸和伸缩油缸驱 动。 b. 极坐标机器人的臂部结构，臂回转结构为齿轮齿条缸结构，臂俯仰、臂 伸缩均采用直线运动油缸。 c. 多关节型机器人的臂部结构，这种类型的 机械手多用于喷漆，故也称 为喷漆机器人。 其臂部有回转、 俯仰和前后移动三个运动。回转机构为齿轮齿 条缸结构，俯仰和前后运动均采用铰链油缸驱动。 d. 臂部伸缩运动结构，用钢管做成伸缩臂，由活塞杆带动齿轮沿固定齿条 滚动而产生伸缩运动 ，这种结构的特点是传动效率高，易于实现较大行程和速 度，它的行程和速度的大小与齿轮的直径大小有关。 e. 臂部俯仰运动的结构，一般采用铰接油（气）缸来实现。铰接油（气） 缸位于手臂下方，活塞杆与手臂之间用铰链连接，缸体与立柱之间用耳叉销轴等 方式连接。 f. 臂部回转及升降运动的结构， 可采用齿条缸与升降缸实现臂回转和升降， 臂回转还可用回转缸与行星齿轮传动，链条链轮传动。 g. 臂部复合运动机构，它是将一个驱动运动分解为 1 3 个运动，并能依 合成运动的形式实现复杂运动的机构。在一些专用机械手中常采用行星齿轮机 构、凸轮机构及连杆机构等来实现臂部的复合运动。 3.4.2 臂部运动的导向装置臂部运动的导向装置 臂部的导向装置，机械手的手臂伸缩及升降运动机构上常设置导向装置 ， 毕业设计（论文） 20 其目的是： a. 防止移动部件在伸缩及升降时产生不必要的转动，以保证手臂运动方位 的准 确性。 b. 增大移动部件的刚性， 减少移动部件由于自重与抓取重量所引起的变形 和位移。 c. 承受移动部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。 导向装置一般根据臂部的安装形式、具体的结构及抓取重量等因素来确定， 就导向装置而言，其导向精度、刚度和耐磨性对机械手的精度和其它工作性能影 响很大，在设计时必须充分注意。这里仅就几种特殊形式作一简单介绍： (1) 单导向杆式单导向杆式 单导向杆一般配置在驱动油 （气） 缸体的一侧或活塞杆内。 放在活塞杆内时，虽然结构紧凑，但是工艺性比较差。单导向杆导向装置结构简 单 、重量轻、摩擦力小，但是承载能力较低 ，刚性差，而且导向杆内走管通道 少。一般用于较小型的机器人。 单导向杆一般采用实心圆杆 、方杆、 空心圆杆、花键轴等。方杆比圆杆刚 性好，但加工比较困难。 (2) 双导向杆式双导向杆式 双到向杆一般对称配置在驱动油（气）缸两侧。这种形式 受力情况好、刚性大，可承受重载，导向杆内部走管道多，便于油路配置 。但 转动惯量增加，不利于回转定位。双导向杆一般采用圆杆，以便内部通走管。 (3) 导轨式导轨式 导轨式的形式较多，其共同特点是刚性好，工作平稳、导向性 能好，但结构比较复杂。适用于负载较重、速度较低的机器人或专用机械手。 (4) 滚珠花键式滚珠花键式 焊接结构的轴套前端固接一个循环滚珠套， 套内装有若 干钢珠，并设有保持架。滚珠花键轴的圆弧性花键槽与其中一部分钢珠配合 ， 轴套的转动通过循环滚珠套及钢珠传给花键轴， 花键轴在随手臂移动时便带动钢 珠滚动并自行循环，实现滚动摩擦代替普通花键轴的滑动摩擦。这种结构摩擦阻 力小，定向精度高，移动速度快，但是结构比较复杂，制造成本高。 臂部具有 3 个自由度、即升降、回转、伸缩运动。臂部的结构形式必须根据 机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。为了防止 臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂要有足够的刚度，导向性要好，偏重力 矩要小，运动要平稳，定位精度要高，回转运动用伺服电机驱动，通过一对内齿 轮实现手臂的回转运动。伸缩运动用伺服电机驱动，由斜齿轮带动螺杆、螺母作 相对的移动，使手臂能灵活地伸缩。升降运动用伺服电机驱动，通过丝杠与滚珠 的回转，带动外壳体在机座外侧表面作相对滑动，实现手臂的升降。 在手臂回转运动中，手臂的重量通过大齿轮由交叉轴承。该轴承是根据标准 毕业设计（论文） 21 的止推轴承特制设计的，8320 型属此种。8320 的额定运载荷是 21700ckn，额 定静载荷是 57200ckn，完全可以满足许用条件要求。该轴承的内 、外圈都可有 螺孔以联接用，并且在淬火之前铣一外圈的键槽和大齿轮进行周向固定。 特制的交叉滚珠轴承结构尺寸如下： d=140.0mm d=287.0mm b=54.0mm 润滑方式 ：脂润滑。 机座：是机械手用来手臂部件，并安装驱动装置与其它装置的部件，故稳定 性要好，且满足足够的刚度，机座为 7 0 0 的尺寸，足够满足运动时的平稳。 3.5 机械手机身的设计计算机械手机身的设计计算 机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动 .这些 运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂 部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是 行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。 3.5.1 机机身身的的整整体设计体设计 按照设计要求，机械手要实现手臂 180 的回转运动，实现手臂的回转运动 机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构,就要综合考虑,分析。 机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分 。常用的 机身结构有以下几种： a. 回回转转缸缸置置于升降之下于升降之下的结构的结构 这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其 缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。 b. 回回转转缸缸置置于升降之上于升降之上的结构的结构 这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结 构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。 c. 活塞缸活塞缸和和齿条齿轮齿条齿轮机构机构 手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现， 齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 分析： 经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括 两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结 构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手 臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装 一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用 键来固定，下短盖与连接地面的的 底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构 毕业设计（论文） 22 是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。 驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分 别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于 本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度为满足设计要求， 设计中动片和静 片之间可以回转 180。 3.5.2 机身回转机构的设计计算机身回转机构的设计计算 a. 回转缸驱动力矩的计算回转缸驱动力矩的计算 手臂回转缸的回转驱动力矩 m驱 ，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩 m 惯及各密封装置处的摩擦阻力矩 m阻 相平衡。 m驱=m惯+m阻+m回 惯性力矩的计算 . t jm = 0 j 惯 (3.6) 式中 回转缸动片角速度变化量（ rad s ） ，在起动过程中 = ， t 起动过程的时间(s). j0手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(nms2 ) 。 若手 臂回转零件的重心与回转轴的距离为 ，则 2 0 p g g jj c+ = (3.7) 式中 jc回转零件的重心的转动惯量。 ()123 22 rlmjc+= (3.8) 回转部件可以等效为一个长 1800mm 直径为 60mm 的圆柱体,质量为 159.2kg 设置起动角度 =18 则起动角速度 =0.314rad s，起动时间设计为 0.1s。 () 222 43123smnrlmj z c =+= 22 0 1495smnp g g jj c =+= 2 00 3 . 4649 1 . 0 314 . 0 1495smn t jjm= = 惯 密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算下m阻=0.03m驱由于回油背差一般非常 的小，故在这里忽略不计。 经过以上的计算 m驱=4839.5nms2 b. 回回转转缸尺寸缸尺寸的的初步初步确定确定 设计回转缸的静片和动片宽 60mm，选择液压缸的工作压强为 8mpa。d 为 毕业设计（论文） 23 输出轴与动片连接处的直径，设 d=50mm 则回转缸的内径通过下列计算： 2 bq 8 d m d+= 驱 d=151mm 既设计液压缸的内径为 150mm， 根据表 选择液压缸的基本外径尺寸 180mm（不是最终尺寸） ，再经过配合等条件的考虑。 c. 液压缸盖螺钉液压缸盖螺钉的计的计算算 根据表 3.7 所示，因为回转缸的工作压力为 8mpa 所以螺钉间距 t 小于 80mm,根据初步估算mmdl47115014. 3=, t z l tp 5 . 78 6 471 =，所以缸盖螺钉的数目为(一个面 6 个，两个面是 12 个)。 危险截面 2 22 22 0157 . 0 4 0.05-15 . 0 r-mrs= 所以， n z ps fq20933= qq kff s = k=1.5- 1.8 qq kff s =1.5 20933=31400n 螺钉材料选择 q235，则 mpa n s 200 2 . 1 240 = (n=1.2- - - 2.5) 螺钉的直径 m f d q 020 . 0 1020014 . 3 523333 . 14 3 . 14 6 0 = = 螺钉的直径选择 d=20mm 选择 m20 的开槽盘头螺钉。 经过以上的计算,需要螺钉来连接， 最终确定的液压缸的截面尺寸如图 3.9 所 示，内径为 150mm 外径为 230mm 输出轴径为 50mm。 毕业设计（论文） 24 图 3.8 回转缸的截面图 3.6 自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构自动换刀