数控镗铣床加工中心换刀机械手三维设计.zip
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换刀机械手设计
数控镗铣加工中心
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数控镗铣床加工中心换刀机械手三维设计.zip,换刀机械手设计,数控镗铣加工中心
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一、选题依据 1.论文（设计）题目数控镗铣床加工中心换刀机械手三维设计 2.研究领域机械设计、三维设计、工业机械手 3.论文（设计）工作的理论意义和应用价值一个零件往往需要进行多工序的加工，而单功能的数控机床，只能完成单工序的 加工，如车、钻、铣等。因此，在制造零件的过程中，大量的时间用于更换刀具、装 卸零件、测量和搬运零件等非加工时间上，切削时间仅仅占整个工时中的较小比例。 为了缩短非切削时间，提高工作效率，便设计带有自动换刀系统的加工中心。加工中 心(Machining Center,MC)是综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、拖动技术、 现代控制理论、测量及传感技术以及通信诊断、刀具和编程技术的高科技产品。由于 加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周 转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床的 3 到 4 倍，所以，加工中心 不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机 床。机械手的应用价值：（1）提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械 手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复， 特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而 造成的人身事故。（3）减轻人力，便于有节奏的生产 应用机械手代替人可以进行连续的工作，但在自动化机床综合加工自动线上，机械手还没有普及，应用机械手可以减少人力，更准确的控制生产的节拍，便于有节奏 的进行工作生产。4.目前研究的概况和发展趋势机械手（machine hand），指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序 抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，主要由执行机构、驱动机构和控制系统 三大部分组成。机械人手臂与人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度，也就是机 械手的最大优势可以重复的做同一动作。机械手可代替人的繁重劳动以实现生产的机8械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶 金、电子、轻工和原子能等部门。机械手研究始于 20 世纪中期。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展， 并且为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替 人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手，1948 年 又开发了机械式的主从机械手，1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的 结构是机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形 的。同时，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，农业机械将进入高度自动化和智 能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量，改善劳动条件，解 决劳动力不足等问题。比尔盖茨曾经说过：“前三十年是计算机的时代，后一百年是机器人的时代”足 见计算机时代后的机器人时代的重要性及其影响的长远性。世界上几大机器人巨头， 如日本、美国及欧共体，在机器人领域内取得巨大进步，从研究型走向实用型，从重 要的军事应用走向民用，甚至走向家庭，从高科技走向普及。而我国机器人技术领域 还有较大差距，很多方面还处于起步阶段。在先进制造业领域中，机器人的应用主要 在于示教焊接机器人、喷涂机器人、装配机器人、装卸机器人、换刀机器人等。作为 先进制造中技术含量最高的装备之一的加工中心，不仅是加工的多面手，也是构建柔 性制造系统乃至计算机集成制造系统的核心硬件，除了数控加工工艺和编程能力外， 其自动换刀机械手的性能也直接影响整机性能。要求机械手自动换刀具有准确性、稳 定性、快速性等。传统的换刀机械手都是专用的机械式的结构，通用性较差，标准化 程度低，商业市场不广。加工中心由于加工工艺的复杂性，使用的刀具种类和数量较多，当程序执行到不 同刀具功能代码 T 时，要及时更换刀具完成其加工。机械手则是完成刀库和机床主轴 之间刀具装卸与传递的装置。目前这类机械手的品种较多，比如：单臂单爪回转式机 械手，单臂双爪摆动式机械手，双臂回转式机械手，双臂往复交叉式机械手和双臂端 面夹紧式机械手等。没有芯片控制纯机械工作方式，它的拔刀，插刀及转动由机构驱 动，一种是液压控制驱动的油缸来完成，一种是电动驱动凸轮联动来完成。国内大部分大规模生产加工企业将采用机械手进行装配作为目前研究的重点，国 外已采用摄像机、力传感装置和微型计算机连接在一起，能确定零件的方位来达到安 装的目的。由于近年来世界制造业逐渐向中国转移，我国对于机床的需求量逐渐增加。 同时，经过多年努力我国数控机床的技术逐渐成熟，品种和质量有所提高。然而在所 有数控产品中，中高档数控机床较少，而且这些数控产品的核心技术加工中心换刀机 械手、数控伺服系统、高速电主轴、数控刀架等等都需要依赖中外合资企业提供或者 直接从国外进口，这也说明了国内外数控技术的发展不平衡，我国的整体技术水平和 国外技术水平还是有一定差距的。功能部件的技术水平以及性能优劣直接决定和影响着数控机床的整体技术水平和性能，而自动换刀机械手则是保证数控机床加工中心稳 定可靠运行的关键功能部件。换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件，它在 国内外的数控机床制造领域中已受到广泛的重视。在国外 BT40 机床的换刀时间已达 到 0.9 秒，BT50 机床的换刀时间也达到了 1.5 秒左右，国内也出现了立、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。换刀机器人换刀的速度和准确性 是影响加工中心发挥可靠加工性能的重要因素。据资料显示，刀库和机械手的故障率 占整机故障率的 25%。所以换刀机械手的质量和性能影响整体机床的质量、性能和品 种。加工中心自动换刀机械手的主要任务是完成换刀动作，给机床主轴和夹紧装置提 供相对转动实现夹紧和放松刀具的动作。因此机械手必须具备足够大的转矩，同时设 计机械手的结构紧凑使其占用空间尽量小。随着机械制造加工业的不断发展，制造业 对换刀机械手的需求量会逐渐提高，自动换刀机器人的普及度也会越来越高。目前，国内自动换刀机械手主要还是应用于机床加工、制造、热处理等方面，无 论数量、品种或是性能方面都是不能满足制造业发展需求的。面对机械加工行业中多 元化的需求和激烈的竞争，生产加工的效率将会越来越高，因此自动换刀机器人的发 展会愈加的多元化。首先，在国内换刀机器人扩大其应用范围，重点发展铸造加工和 热处理方面的机械手，以减轻疲劳强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时， 研制发展通用机械手、示教型机械手、计算机控制机械手和组合型机械手等。换刀机器人手的性能逐渐提高，主要表现在速度、精度、可靠性以及操作性可便 于维修方面，同时单机的价格也在逐渐下降。机器人的控制系统也逐渐向基于 PC 机 的开放型控制器方向发展，以便于标准化。元器件的集成度也提高了，控制柜也日渐 减小，并且采用模块化的结构，很大程度上提高了系统的可靠性、易操作性和可维修 性。换刀机器人的机械结构也向模块化和可重构化发向发展，比如在关节模块中，伺 服电机、减速机和检测系统三位一体化，关节模块和连杆模块用重组的方式构造机器 人的整体机构。机器人中的传感器也扮演着越来越重要的角色，除了采用传统的位置、 速度、加速度等传感器之外，还应用了视觉、声觉、触觉、力觉等传感器来进行环境 建模和决策控制。二、论文（设计）研究的内容 1. 重点解决的问题采用三维设计软件 SolidWorks 完成数控镗铣床加工中心换刀机械手的设计，包括 机械手总装结构设计、机械手手部和手臂的结构设计、升降伸缩和回转机构的结构设 计。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）（1）确定换刀机械手的组成与配置（2）通过设计计算和手册及参考文献确定换刀机械手的升降机构的结构和尺寸 及相互位置关系（3）设计自动换刀机械手的滑座伸缩机构（4）设计自动换刀机械手的手架回转运动机构（5）设计装、卸刀手手臂和手部结构（6）完成机械手三维模型 3.本论文（设计）预期取得的成果（1）一套完整的镗铣床加工中心换刀机械手三维模型及其二维零件图、装配图（2）一份镗铣床加工中心换刀机械手的设计说明书（3）一篇外文文献翻译三、论文（设计）工作安排 1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）采用三维设计软件 SolidWorks 完成数控镗铣床加工中心换刀机械手的设计，包 括机械手总结构设计、机械手手部和手臂的结构设计、升降伸缩和回转机构的结构 设计。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。 设计参数：刀库类型：链式刀库。 换刀机械手：双臂单爪交叉式机械手。 抓重：20 公斤自由度数：4 个 坐标形式：圆柱坐标。 手指夹持刀柄的直径：100 毫米 驱动方式：液压手架运动参数：拔、插刀行程（即滑座伸缩 Z）：155 毫米（最大 180 毫米） 升降行程（即找刀排 Y）：3x420 毫(刀排间垂直方向距离为 420 毫米，共四 排)回转角度（）：180 位置检测与定位方式：滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用 行程开关进行位置检测，由挡块定位。手架升降运动采用无触点行程开关进 行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位控制方式：数字控制 2.论文（设计）进度计划第 1 周：根据毕业设计任务做初步准备第 2 周：查阅镗铣床加工中心换刀机械手文献第 3 周：准备机械手、换刀、加工中心的开题报告材料第 4 周：撰写镗铣床加工中心换刀机械手开题报告，准备开题答辩第 5 周：查阅相关文献进行方案设计第 6 周：根据方案完成机械手结构设计第 7-9 周：换刀机械手零件三维设计和三维建模第 10 周：将换刀机械手三维零件进行装配，完成装配图第 11 周：完善换刀机械手装配图和零件图第 12-13 周：完成镗铣床加工中心换刀机械手设计说明书和英文翻译第 14 周：上交镗铣床加工中心换刀机械手设计说明书和英文翻译以及换刀机械 手装配图和零件图，并进行答辩四、需要阅读的参考文献1 张 俊 勇 , 赵 小 刚 . 刀 库 合 理 布 置 在 加 工 中 心 的 应 用 J. 装 备 制 造 技 术,2009(06):147-148.2 张祺,侯力,刘松,唐艳,蒋维旭.加工中心换刀机械手控制系统研究J.组合机床与自 动化加工技术,2010(08):42-44.3 马骋,李全普,王坤.加工中心机械手换刀与主轴松刀的凸轮液压联动技术J.制造 技术与机床,2012（01):142-143-145.4 焦大蒙. 加工中心链式刀库及机械手可靠性试验方法研究D. 长春: 吉林大 学,2014.5 汪雪松.加工中心自动换刀装置J.金属加工(冷加工),2013(04):51-54.6 高玮珽.数控加工中心刀库及机械手设计J.济南：山东大学 2014(24):14.7 谭春晖.加工中心换刀方式的选择J.组合机床与自动化加工技术,2004(03):114.8 Eric F.T. Buil,Paul Breedveld. A Laboratory Evaluation of Four Control Methods for Space Manipulator Positioning TasksJ. IFAC Proceedings Volumes, 1995, 28(15): 195-200.9 Ivan Virgala,Alexander Gmiterko,Rbert Surovec,Martina Vackov,Erik Prada,Mria Kenderov. Manipulator End-Effector Position ControlJ. Procedia Engineering, 2012, 48:684-692.10Marco Faroni,Manuel Beschi,Lorenzo Molinari Tosatti,Antonio Visioli. A Predictive Approach to Redundancy Resolution for Robot ManipulatorsJ. IFAC Papers On e,2017,50(1):8975-8980.11李剑玲,贺炜,丁毅,王宁侠.一种换刀机械手卡爪夹紧机构的设计J. 组合机床与自动化加工技术.2003(10):48-50. 12许瑞.大型链式刀库机械手改进设计D.呼和浩特:内蒙古农业大学,2014. 13郑博.机床自动换刀机械手的设计与研究J.科技创新与应用,2017,07:148. 14陈爱虎,罗生梅.数控机械手换刀精度优化控制仿真J.计算机仿 真,2017,34(07):345-349.15武晓杰,王一楠,王岩,杨小娟.圆盘机械手刀库工作原理及自动控制研究J.现 代制造技术与装备,2017(06):49-51. 16傅凯.数控铣床刀库改装装置J.科技创新与应用,2017(20):65-66.附：文献综述文献综述加工中心是由机械设备与数控系统组成的，适用于复杂零件加工的高效自动化机 床。它与一般数控机床的显著区别是对零件进行多序加工的能力，即在一次装夹中自 动完成铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等加工。加工中心能够广泛运用，是因为其能够 利用刀库实现自动换刀。因此自动换刀装置功能的好坏关系到整个加工中心的性能。 自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180回转式、回转插入式、二轴 转动式和主轴直接式。按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手 换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴 中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位 置，完成换刀过程。无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主 轴可到达位置换刀时，主轴移到刀库换刀位置，利用主轴将加工用毕刀具插入刀库中 要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置。主轴将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插入主轴。加工中心换刀机械手的工作特点是：工作循环时间短暂; 执行机构具有不恒定的 质量和转动惯量;在过渡过程中(起动、制动和反向时) ，传动机构会出现大的动载荷、 振动和冲击。由于这些特点，要保证换刀机械手动作的快速性、工作精度和使用寿命， 就必须合理选择它在过渡工作过程时的传动参数。换刀机械手的传动系统由原动机和传动机构以及带有位置、速度、力传感器的控 制装置组成。原动机可以是液压缸或气缸,液压马达或气动马达，液压或气动摆动马 达,直线电机或电磁铁。传动直流或交流电机，机构可以是减速器(普通齿轮式、行星 齿轮式或谐波齿轮式)，也可以是别的运动转换机构(齿轮齿条机构、蜗轮机构、曲柄 滑块机构、凸轮机构等等)。沈阳机床股份有限公司的武晓杰在对刀库结构及工作原理的研究中论述了刀库 回转系统主要由刀盘旋转驱动电机、减速机、蜗杆凸轮回转机构、旋转刀盘、刀套、 换刀位刀套翻转机构组成，主要完成刀具的安装、预选以及换刀位刀具翻转。其中， 换刀位刀套的水平、垂直翻转，一般采用气缸驱动实现。刀套均有对应的刀套号，刀 库回转系统内置 2 只无触点感应开关，分别用于刀库的回零反馈和刀库的旋转计数。 针对不同的刀柄标准，如 BT、ISO、CAT 等，对应不同的刀套型号，其余结构一致。 机械手驱动系统主要由机械手换刀电机、ATC 凸轮箱(内含弧面/ 平面组合凸轮、机 械手回转机构、刀臂伸缩机构等，是该类刀库的核心部件)、换刀机械手组成，主要 完成机床主轴与刀库中的刀具抓取、卸刀、换位、装刀等动作。ATC 凸轮箱中内置三 只无触点开关，用于监测机械手各项动作是否到位，并将信号反馈至机床控制系统。 圆盘机械手刀库采用随机换刀的方式，采用就近换刀原则，即多次换刀后，刀套号与 刀具号并不一致。每一个刀套号中对应的刀具号由数控系统记忆并实现不断更新，且 该过程同样适用于链式机械手刀库。大连机床集团有限公司技术中心的谭春晖师傅曾精确的设计了刀库的控制方式。 (1) 刀库作为系统的定位轴来控制。在梯形图中根据指令 T 码进行运算比较后输 出角度和速度指令到刀库伺服，驱动的刀库伺服电机。刀库的容量、旋转速度加/减 速时间等均可在系统参数中设定，此种方式不受外界因素影响，定位准确、可靠，但成本较高。(2)刀库由液压马达驱动，有快慢速之分，用接近开关计数并定位。在梯形图中 比较系统存储的当前刀号(主轴上的刀)和目标刀号(预选刀)并运算，再输出旋转指 令，同时判断按最短路径旋转到位。这种方式需要足够的液压动力和电磁阀，刀库旋转速度可通过节流阀调整。但使用一段时间后，可能会因为油质、油压、油温及环境 因素的变化而影响运动速度和准确性，一般用于不需频繁换刀的大中型机床。(3)刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构(马氏机构)，用接近开关计数，这种方 式运行稳定，定位准确可靠，一般与凸轮机械手配合使用，换刀速度快，定位准。主 要用于中小型的加工中心。在自动化机床中，机械手的应用越来越普遍，在机床自动换刀机械手设计上，升 降系统是非常重要的，除了升降系统机械手的换刀和对刀具的夹持，都是需要仔细地 去设计，而对于机械手设计上要保证机床设备本身与机械手的柔性连接，保证工件的 正常输送和机床的自动化加工。上海优尼斯工业设备销售有限公司技术部郑博在刀具 换刀与夹持上做了相关研究，如下：在机床机械手换刀上,是自动换刀装置，同时它 还担负着把刀从刀库送到主轴上,刀具在主轴上使用完成之后，再从主轴上被送回到 刀库中，机床刀具的换刀方式有圆盘形、直线型,圆盘形换刀是刀架是一个回转体， 每个刀都置于圆盘的外圆端，通过圆盘的选择，刀具旋转到指定位置，机械手进行换 刀，这种换刀方法是机床上最常见的。刀具的夹持设计上，一般选取柄式夹持和法兰 式夹持，柄式夹持方法是轴向夹持，这种方法是利用最多的，因为刀柄的尾部是个锥 柄，这种刀具采用模式锥度方法夹持最方便、快捷。而法兰式夹持方法是在机械手前 端安装法兰盘，这种夹持方法有一些繁琐。兰州理工大学陈爱虎、罗生梅教授对机械手换刀控制进行了仿真研究。数控机械 手主要作用就是换刀，由于在换刀过程中会出现刀具不能精确地换到对应位置，影响 机床正常工作。为了能够减小这种误差，通过系统的建模、有限元仿真和优化的方法 对其结构进行建模、静力分析和模态分析，得到整个装配体的位移和应力以及它的固 有频率、振型，然后将优化前和优化后的机械手进行对比。结果显示，总的位移相对 于优化前的位移有了大幅的减少，且使一二五六阶模态固有频率变大,三四阶模态固 有频率减小。综合仿真分析结果可得，上述优化方法可以有效减小数控机械手误差， 为后续机械手设计提供了依据和借鉴。浙江交通技师学院的傅凯对刀库进行了改装装置的设计。随着对加工工艺的深入 了解，加工中心起到重要的作用。设备改造、产品创新设计、生产工艺改进等都是需 要突破的难点数控铣床的自动化换刀就是众多项目中的一个，通过分析企业需求，制 定设备改造方案，完成自动换刀装置支架的设计和制造、刀库系统的设计、刀库的安 装及位置调整、系统调试及运行等任务，最终完成对数控铣床的自动化改造，将机械 手自动换刀代替以前的人工手动换刀，使生产提高了效率，降低了成本。山东大学高玮珽在数控加工中心刀库及机械手设计中提到刀库传动系统的传动 过程为：直流伺服电机通过十字联轴节、蜗杆、蜗轮将运动传给刀盘，刀盘带动其刀 套(内装刀具)转动，完成选刀工作。其中每个刀套尾部有一个滚子，当待换刀具转到 换刀位置时，滚子进入拨叉的槽内。同时气缸的下腔进压缩空气，活塞杆带动拨叉上 升，带动刀套绕着销轴向下转动 90 度，从而使刀具轴线与主轴轴线平行，做好换刀 的准备工作。在运动过程中，为防止刀库、主轴等有误动作，高玮珽利用位置开关起 到自锁保护的作用，用以断开相关的电路，起到保护机械结构作用。考虑刀库的分度精度要求，本传动系统采用蜗杆、蜗轮传动，同时选用同服电动 机传动，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性。加工中心刀库的布置、刀库与主轴的配置影响机械手的动作、抓刀方式、机构的 复杂程度、可靠性和换刀时间的长短，进而影响加工中心的工作效率。陕西国防工业 职业技术学院的张俊勇和赵小刚通过对加工中心换刀的分析和研究，提出了合理布置 刀库的方式，以减少自动换刀装置的动作和机构的复杂程度，提高加工中心的效率、 可靠性和可维护性。12换刀过程为：图 1 加工中心换刀过程（1）刀库取刀：主轴正常工作，刀库旋转，将 T02 所在的滑板由刀库沿滑道上 移，并将 T02 所在的刀座中心与 P1 重合，等待换刀。当系统发出换刀指令后，送刀 机构将刀具 TO2 及其刀座一起沿轨道移动到 P2，等待换刀机械手换刀，在送刀机构 工作的同时，主轴快速停转并回到主轴换刀点，主轴应离开被加工工件一段距离，为 换刀留出一个足够的空间，避免换刀被工件干涉。（2）主轴换刀：主轴回到换刀点，刀具 T02 在 P2。机械手旋转抓刀，外伸拔刀。 旋转 180换刀，机械手装刀，机械手复位。主轴开始工作，送刀机构要将刚换下的刀 具 T01 放回刀库中。（3）刀库装刀：送刀机构将刚才换下的刀具 T01 沿轨道送到 P1 处的滑板里，滑 板沿轨道下移回到刀库中，刀库旋转，将 T03 所在的滑板由刀库沿轨道上移，并将 T03 所在的刀座中心与 P1 重合,等待下次换刀。换刀过程就是这样，由刀库取刀-送刀-机械手换刀-刀库装刀-刀库取刀循 环，直到工件加工完成。缺点：刀库容量大，加上采用盘式刀库引起刀库所占的空间较大，刀具由刀库到 换刀点 P2，并最终完成换刀和刀库装刀的操作太复杂，分别由刀库旋转一滑板上移一送刀机构一机械手换刀一送刀机构一 滑板下移来完成。换刀过程中，如果其中个环节出现问题，都可能无法正常工作，降 低了效率，甚至发生事故。因为制造业和工业不断的发展，科学不断的进步，对生产效率不断提高的要求， 单纯的使用人力，不能满足生产需要，使得机械手的应用越来越广泛，它可以代替人 完成更高要求、难度、重复枯燥的工作，所以怎样能更大提升加工中心换刀机械手的 性能，怎样将加工中心的控制系统与机械手完美的连接，这是机械手研究设计的一个 重要环节和意义所在。审核意见指导教师评阅意见（对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅）签字：年月日教研室主任意见签字：年月日学院教学指导委员会意见签字：年月日公章：数控镗铣床加工中心换刀机械手三维设计 摘 要 在本文中研究并设计了一种数控卧式镗铣床加工中心自动换刀机械手，让其在设定好的程序指令下，配合刀库和镗铣床完成整个加工工序的自动换刀过程。该机构由液压 马达通过滚珠丝杠进行竖直方向的定位，使用液压回转油缸实现手架的回转，通过直线 油缸驱动手部结构配合刀库的运动实现对新刀的装卡和对旧刀卸载、入库。在完成机械 结构设计的同时进行了液压系统的原理设计和对液压油缸的设计计算，并制定了液压阀 电磁铁通断情况表，实现了机、电、液一体化结构设计，并利用 SolidWorks 软件对所 有结构进行了三维的绘制和装配。总结全文，本论文的工作包括如下几个方面： 1、通过参阅有关文献确定换刀机械手的组成与配置。2、通过设计计算和参考文献利用 SolidWorks 软件确定换刀机械手的升降机构的结 构和尺寸及相互位置关系。3、设计自动换刀机械手上的滑座伸缩机构并绘制及装配三维实体模型。4、设计自动换刀机械手的手架回转运动机构借助 SolidWorks 软件在装配中确定具 体结构和尺寸。5、设计装、卸刀手手臂和手部结构，并且绘制以及装配装、卸刀手手臂和手部结构 的三维实体模型。6、设计自动换刀机械手的液压系统结构。关键词：加工中心； 机械手；自动换刀装置；双臂机械手。AbstractIn this paper，I designed a kind of CNC horizontal boring and milling machine Robot Tool Manipulator，make it processes to achieve all the automatic tool changes with the Programinstructions that we gain it.This agency Vertical direction for positioning with Hydraulic Motor and Ball Screw.Use rotary hydraulic tanks to achieve hand planes rotation.Tanks drive through the linear structure of the hand movement with the knife to achieve the treasury on the new card and loaded knife blade to uninstall the old, put in storage.Upon completion of the mechanical structure design of the hydraulic system ,I desiged the principles of design and the design of the hydraulic cylinder calculation.I also make the Electromagnetic hydraulic valve set off Tietong Table.realizeed mechanical, electrical,hydraulic of structural design.use the SolidWorks software structure of all three-dimensional mapping and assembly.Summary of the full text of this paper include the following aspects of work:1. Refer to the relevant literature to determine the adoption of robot components and configuration.2. Through the design of computing and the light of references use SolidWorks software to determine the Manipulator hoisting appliance structure and the size and location of mutual relations.3. Design Manipulator telescopic slide and draw three-dimensional solid body.4. Design of Automatic Tool Changer hand manipulator rotating body frame with SolidWorks software in the assembly to determine the specific structure and size.5. Design, drawing and assembly loading, unloading arms structures. 6.design of the hydraulic manipulator system.7.Completed the design of electrical control.Keywords: machining center; manipulator; ATC; automatic tool changing device; manipulator arms目 录第一章绪论. - 1 -1.1 设计背景. - 1 -1.2 系统简要介绍. - 1 -1.2.1 刀库类型：. - 1 -1.2.2 换刀机械手：. - 1 -1.2.3 用途：. - 1 -1.2.4 规格参数. - 2 -1.2.5 手架的运动参数：. - 2 -第二章换刀机械手的总体方案设计32.1 设计任务32.2 设计思路32.2.1 设计步骤32.3 主要设计内容32.4 总体方案确定32.4.1 自动换刀机械手的组成与配置的确定3图 2.2 自动换刀过程示意图6第三章 机械部分的结构设计73.1 换刀机械手的升降机构的设计73.1.2 加工中心常见的刀库73.1.2 链式刀库的构成83.1.2 刀库的准停与回零93.1.3 升降机构结构的确定103.2 换刀机械手的滑座伸缩和手架回转机构的设计113.2.1 刀具交换装置113.2.2 自动换位换刀装置123.2.3 本次设计的自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构163.3 装、卸刀手手臂和手部结构163.3.1 手爪163.3.2 装、卸刀手手臂和手部结构173.4 自动换刀机械手液压系统19第四章 相关设计计算214.1 手部设计计算214.2 臂部设计要求214.2.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻214.2.2 臂部运动速度要高，惯性要小224.2.3 手臂动作应灵活234.2.4 位置精度要高234.2.5 手臂的设计计算234.3 伸缩液压缸的设计计算244.3.1 作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力24计算数据274.3.2 手臂回转液压缸的设计计算32计算数据34第五章 三维装配效果图37第六章 环保性、经济性、安全性分析406.1 油液泄漏污染406.2 振动与噪声40参考文献41结束语42第一章绪论1.1 设计背景随着时代的发展，对机械加工的加工精度和加工效率要求越来越高，而普通机床 的加工精度有限，加工效率也比较低，因此加工中心越来越多的在机械加工行业被使 用。 加工中心(Machining Center)，是一种包含机械设备与数控系统的被用来加工复 杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心区别于数控机床最主要的特征是备有刀 库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。工件装夹 后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴 转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工 件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较 高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 加工中心的换刀方式主要有两种： 1、无机械手式：这种方式必须将用过的刀具送回刀库，之后再从刀库中取出新刀 具，这两个动作不能同时进行，因此换刀时间较长。 2、机械手换刀：这种方式应用的最为广泛，因为机械手换刀有较大的灵活性，可 以减少换刀时间。 由此可见自动换刀机械手在加工中心中有着十分重要的地位。在实际应用中加工中 心换刀机械手有着多种形式，各自的特点也各不相同。本文对换刀机械手进行系统的研 究，并系统的设计一种针对数控卧式镗铣床加工中心的换刀机械手。 1.2 系统简要介绍设计课题：数控卧式镗铣床自动换刀装置。1.2.1 刀库类型：链式刀库。1.2.2 换刀机械手：双臂单爪交叉式机械手。1.2.3 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。- 2 -1.2.4 规格参数抓重：20 公斤。 自由度数：4 个。 坐标形式：圆柱坐标。手指夹持刀柄的直径：100 毫米。 驱动方式：液压。1.2.5 手架运动参数：拔、插刀行程（即滑座伸缩 Z）：155 毫米（最大 180 毫米）。 升降行程（即找刀排 Y）：3x420 毫(刀排间垂直方向距离为 420 毫米，共四排)。 回转角度（）：180。装、卸刀手手臂伸缩行程（X）：195 毫米。手指夹持刀柄的直径：100 毫米。 位置检测与定位方式： 滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，由挡 块定位。手架升降运动采用无触点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。 控制方式：数字控制第二章换刀机械手的总体方案设计2.1 设计任务本次设计的主要任务是设计一种数控卧式镗铣床自动换刀机械手，使其在设定好 的指令下，和刀库以及镗铣床主机一起，完成整个加工工序的自动装、卸刀过程。2.2 设计思路2.2.1 设计步骤1、确定换刀机械手的结构与构成。2、通过设计计算和参考文献确定换刀机械手的升降机构的结构和尺寸及相互位置关系。3、设计自动换刀机械手的滑座伸缩机构。4、设计设计自动换刀机械手的手架回转运动机构。5、设计装、卸刀手手臂和手部结构。6、设计自动换刀机械手的液压系统结构。7、完成换刀机械手的电气控制系统的设计。2.3 主要设计内容1、换刀机械手的升降机构的设计； 2、滑座伸缩机构的设计； 3、 装、卸刀手手臂和手部结构的设计； 4、自动换刀机械手的液压系统的设计； 5、机械手的电气控制系统的设计.2.4 总体方案确定2.4.1 自动换刀机械手的组成与配置的确定 机械手在自动换刀数控机床中的形式有多种多样，常见的机械手形式有以下几种。 1、单臂单爪回转机械手这种机械手的手臂在进行自动换刀过程中可以回转不同的角度，而且不论在刀库上 或是在主轴上，均靠其仅有的一个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长。 2、单臂双爪回转式机械手9这种机械手换刀时间相对于上述单爪回转机械手用时要少，因为其手臂上有两个卡 爪，其中一个卡爪从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个卡爪从刀库取出“新刀”送 回主轴。 经过参考上述机械手的设计方案，最终确定了本次设计自动换刀机械手的总体结构： 自动换刀机械手由升降丝杆 1、滑座 2、横梁 3、油马达 4、 装刀手 5、手架 6、卸刀手 7 组成并与刀库 8（由四排带刀套的链条组成，每排链条上均 有 15 个刀套，总共有 60 个刀套）组成自动换刀装置，其配置如图所示。 换刀过程：图 2.1 换刀机械手配置示意图如图所示，设正在进行第五工序，主机的主轴上正用 T05 号刀进行切削过程，第六 工序需要用 T09 号刀，第七工序需要用 T46 号刀，P05 是装 T05 号刀的刀套，已经停在 换刀位置上，装刀手已经抓取了 T09 号刀，开始自动换刀前的状态如图 a。 第五工序最后的程序是：使主机立柱到最后位置(Z 轴原点)，主轴箱升到最高位置（Y 轴原点），将主轴定向，并使自动换刀控制部分作好换刀的准备。 第六工序开始的第一个指令是选刀的指令 Z46，控制部分得到选刀指令后开始自动 换刀循环过程，其循环分三个阶段。第一阶段完成向主轴上换刀的过程，包括十个动作（需要时间约 8 秒）： 1、手架转向主轴，如图 b。 2、卸刀手向前伸，抓取主轴上的 T05 号刀，如图 c。 3、主轴箱拉刀机构松开，主轴孔吹气。 4、滑座前伸拔刀，如图 d。 5、卸刀手缩回，如图 e。 6、装刀手向前伸，如图 f。 7、滑座向后退，将 T09 号刀安装到主轴孔，如图 g。 8、主轴箱拉刀机构拉紧，停止吹气。 9、装刀手缩回，如图 h。 10、手架转向刀库，如图 i。 手架转向刀库后。机床即开始第六工序的加工。同时自动换刀循环过程进入第二阶 段，将 T05 号刀送回刀库。此过程包括五个动作： 1、横梁下降到第二排刀链处，如图 j。 2、滑座前伸。 3、卸刀手前伸。 4、滑座后退，将 T05 号刀安装到 P05 刀套中。 5、卸刀手后退。 然后转入第三阶段。使自动换刀装置变换为下一次换刀的换刀前状态，此过程包括 六个动作： 1、刀套链沿顺时针方向转动，将 T46 号刀移动到换刀位置，横梁下降到第三排刀套 链处，如图 k。 2、装刀手前伸，抓取 T46 号刀。 3、滑座前伸拔刀。 4、装刀手后退。 5、滑座后退。 6、横梁上升至最高位置，刀链反向转动，将 P09 刀套移动到换刀位置，如图 l。如 此，就结束了整个自动换刀循环过程。 图 2.2 自动换刀过程示意图第三章 机械部分的结构设计3.1 换刀机械手的升降机构的设计3.1.2 加工中心常见的刀库按照刀具的数目可分为单刀架和多刀架。按驱动刀架转位的动力可分为手动转位刀 架和自动（电动和液动）转位刀架。 自动换刀装置的刀库和换刀机械手的驱动都是采用电气或液压自动实现的。当前主 要在加工中心和车削中心上用到自动换刀装置，但数控磨床上的自动更换砂轮，电加工 机床上的自动更换电极，以及数控冲床上的自动更换模具等也日渐增多。 在数控车床的自动换刀装置中主要采用回转刀盘。在刀盘上安装有 812 把刀。部 分数控车床采用两个刀盘，实行四坐标控制方法。一小部分数控车床已经具有了刀库形 式的自动换刀装置。一个刀架上的回转盘，刀具与主轴中心平行安装，回转刀盘不仅仅 有回转运动还有纵向进给运动和横向进给运动。刀盘中心线相对于主轴中心线倾斜的回 转刀盘，在刀盘上安装有 68 个刀位，在每个刀位上可安装两把刀具，分别用来加工外 圆和内孔。安装有两个刀盘的数控车床，刀盘 1 的回转中心与主轴中心线平线，是用来加工外圆的；刀盘 2 的回转中心线与主轴中心线垂直，是用来加工内表面的。在安装有 刀库的数控车床中，其刀库可以是回转式的也可以是链式的，通过机械手进行交换。如 图： 图 3.1 数控车床的自动换刀装置加工中心有立式、卧式和龙门式等几种，因而其刀库和换刀装置也是各式各样的。 加工中心中刀库的类型有盘形刀库、链式刀库、格子箱式刀库和直线刀库等。 3.1.2 链式刀库的构成目前链式刀库在所有刀库中是用得最多的一种形式，它是由一个主动链轮带动装有 刀套的链条来进行刀具的移动。主动链轮是由直流（交流）伺服电动机通过蜗杆、蜗轮 等减速装置驱动的（根据结构的需要有时还需要加一对齿轮副）。不仅在链式刀库中有 这样的传动方式，而且也采用在其他形式的刀库传动中。导向轮一般都会被做成光轮， 并且在圆周表面做硬化处理。在左侧同时起张紧轮作用的两个导向轮，在其轮座上必须 带有导向槽（或导向键），防治松开螺钉时出现轮座位置歪扭的情况，导致张紧调节无 法正常完成。 由于刀具的重量和为了保证刀库工作的平稳性，推荐以下形式的链条供选择： 1、SK04 型链条（带导向轮的）； 2、HP 型链条（一种套筒式链条，其辊子本身就是刀套）。 上述链条中，应先确定好刀柄号和拉钉种类、刀套间距、定位安装位置和刀套导标牌位置，再予以采用。 链式刀库的结构形式有很多。SK 型悬挂式链条组成的链式刀库只能是刀套“外转型 “，所以如果刀库为方形时，就无法充分利用其中间空间。HP 型套筒式链条组成的链式 刀库在刀套”内转“时，刀套之间不会发生干涉，所以刀库空间的利用率比悬挂式的刀 库空间的利用率高。 3.1.2 刀库的准停与回零如果换刀机械手抓刀不准，就会在换刀时容易发生掉刀现象，刀套不能准确地停在 换刀位置上就会导致这种情况的发生。因此影响换刀动作可靠性的重要因素之一就是刀 套的准停问题。为了确保刀套准停 在换刀位置上，需要采取如下措施。 1、定位盘准停由液压缸推动的定位销插入定位盘的定位槽内，以实现刀套的准停。 为了保证刀套的准停精度和刀套定位的刚性，链式刀库的换刀位置一般设在主动链轮上， 或者尽可能设置在靠近主动链轮的刀套处。定位盘上的每个定位槽（或定位孔）都对应 一个相应的刀套，而且定位槽（或定位孔）的节距要一致。 这种准停方式的优点为： 能有效地消除传动链反向间隙的影响。 保护传动链，使其免受换刀撞击力。 可不用制动自锁装置驱动电动机。 2、链式刀库要选用节距精度较高的套筒辊子链和链轮，而且在把刀套装在链条上时。要用专用夹具来定位，以保证刀套间距一致。 3、链式刀库的链条要有导向轮，沿导向槽移动，这样就能防止链条在运动中的抖动现象，保证刀库工作的可靠性、回零开关的工作可靠性以及高的重复精度。 4、采用对链轮传动进行补偿方式 在链轮轴上装编码器，对链轮传动进行补偿实现准停。 5、采用单头双导程蜗杆传动方式 它通过调节蜗杆的轴向位置，把传动间隙调到 理想程度。在这种传动方式中，如果还加用定位销准停方式，就容易出现“过定位”现 象。 6、采用使刀套单方向运行和单方向定位方式 这是消除反向间隙影响的一个“笨方法”，使用该方法时，刀库单向运行方向必须 与机械手抓刀方向相反，否则机械手抓刀时会使刀套“挪位“。这种运行方式虽然能够 消除传动间隙的影响。却增加了选刀时间。因此这种方式一般只用于容量刀库或顺序选9刀的刀库上，应尽量少用。 7、为了准确地回到零点，在零点前设置减速行程开关，其回零减速撞块尺寸按下式计算。 10Vq (Ldw T q 2 +30+Ts)+40V1Ts60000该不等式计算后，Ldw 取整数就是减速撞块的有效工作长度。Lda 为由减速行程开关释放点到零点的距离，约等于电动机转动半圈的移动量。 3.1.3 升降机构结构的确定图 3.2 升降机构的示意图 这个自动换刀机械手的升降机构是由油马达 1、滚珠丝杠 2、螺旋副间隙调整垫 3、导向柱、减速齿轮 5、和无触点行程开关 6 等组成。当接受使手架上升或下降（找刀排） 指令后，压力油进到油马达 1 中，油马达带动滚珠丝杆转动，使手架带着装、卸刀手升 降。因刀库有四排刀排，手架可上下移动 3x420 毫米的距离，当手架上下运动接近所选 刀排位置时，其上的悬臂感应块使安装在刀排相应位置的无触点行程开关发信，控制手 架升降油路的调速阀作用使手架减速，当到达所选刀排要求准确定位时，装在减速齿轮上的感应块使无触点行程开关（12XK 或 20XK）发信，切断手架升降油路，油马达停止 转动，手架即停在所规定的位置上。滚珠丝杆和螺母间隙，可用修磨调整垫来达到。导 向柱除起导向作用外，并使滚珠丝杆在传动中免受弯曲力矩的作用，使手架升降运动平 稳可靠。 3.2 换刀机械手的滑座伸缩和手架回转机构的设计3.2.1 刀具交换装置数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为 刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和 采用机械手交换刀具两类。刀具的交换方式和其具体结构对机床的生产率和工作可靠性 有着直接的影响。 1、利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的装置 此装置在换刀是必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间较长。数控立式镗铣床就是采用这类刀具交换 方式的实例。该机床的盘式刀库的结构极为简单，换刀过程却较为复杂。它的选刀和换 刀由三个坐标轴的数控定位系统来完成，因而每交换一次刀具，工作台和主轴箱就必须 沿着三个坐标轴作两次来回的运动，因而增加了换刀时间。另外由于刀库置于工作台上， 减少了工作台的有效使用面积。 2、刀库机械手的刀具交换装置 采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛，这是因为机械手有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。在各种类型的机械手中，双臂机械手集中地体现了以上的优点。 在刀库远离机床主轴的换刀装置中，除了机械手以外，还带有中间搬运装置。 双臂机械手中最常用的几种结构，他们分别是钩手、抱手、伸缩手和叉手。这几种 机械手能够完成抓刀、拔刀、回转、插刀以及返回等全部动作。为了防止刀具掉落，各 机械手的活的爪都必须带有自锁结构。由于双臂回转机械手的动作比较简单，而且能够 同时抓起和装卸机床主轴和刀库中的刀具，因此换刀时间可以进一步缩短。 双刀库机械手换刀装置，其特点是用两个刀库和两个单臂机械手进行工作，因而机 械手的工作行程大为缩短，有效地节省了换刀时间。还由于刀库分设两处使布局较为合 理。 根据各类机床的需要，自动换刀数控机床所使用的刀具的刀柄有圆柱形和圆锥形两11种。为了使机械手能可靠地抓取刀具，刀柄必须有合理的夹持部分，而且应当尽可能使 刀柄标准化。V 形槽夹持结果适用于各种机械手。这是由于机械手抓的形状和 V 形槽能 很好地吻合，使刀具能保持准确的轴向和径向位置，从而提高了装刀的重复精度。凸缘 夹持结构适用于钳式机械手装夹，这是由于凸缘的两边可以同时伸进钳口，使用辅助机 械手能够方便地将刀具从一个机械手传递给另一个机械手。 3.2.2 自动换位换刀装置数控车床上使用的转位刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，可 以设计成四方刀架和六角刀架等多种形式。转位刀架上分别安装着四把、六把或更多的 刀具，并按数控装置的指令换刀。 转位刀架在结构上应具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。由于车 削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，加工过程中刀尖位置 不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀 架在每一次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 0.0010.005mm）。 1、四方转位刀架一般经济型数控车床采用的螺旋升降式四方自动刀架，适用于轴类零件的加工。其 换刀过程：a.刀架抬起。当数控装置发生换刀指令后，电动机正传，并经联轴套、轴， 由滑键（或花键）带动蜗杆、蜗轮、轴、轴套转动。轴套的外圆上有两处凸起，可在套 筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起刀架及上端齿盘，使齿盘与下端齿盘分开，完成刀 架拾起动作。b.刀架转位。刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过 90（如 不到位，刀架还可以继续转位 180、270、360）并由微动开关发出信号给数控装 置。c.刀架压紧。刀架转位后，由微动开关发出的信号使电动机发转，使刀架定住而不 随轴套回转，于是刀架向下位移，上下端齿盘合拢压紧。蜗杆继续转动则产生轴向位移， 压缩弹簧，套筒的外圆曲面压缩开关使电动机停止旋转，从而完成一次转位。 2、六角转位刀架数控车床的六角转位刀架，适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以换用 四方转位刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。 六角转位刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制。其动作分 为四个步骤：a.刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油进入压紧液压缸的下腔， 活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱开。同时，活塞下端的端齿离合12器与空套齿轮结合。b.刀架转位。当刀架抬起之后，压力油转入液压缸左腔，活塞向右 移动，通过连接板带动齿轮移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过齿端离合器使刀 架转过 60。活塞的行程应等于齿轮 5 节圆周长的 1/6，并由限位开关控制。c.刀架压 紧。刀架转位之后，压力油进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。杠体的底盘 上精确地安装着六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙， 实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时由于缸体与 压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。d. 转位液压缸复位。刀架压紧之后，压力油进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于 此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。 如果定位和压紧动作正常，推杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结 束，可以继续进行切削加工。 转位刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机马氏机构 官网和鼠盘定位，也可使用其他转位和定位机构。 数控车床 12 个刀位的液压回转刀架结构。刀架的夹紧和转位均由液压油缸驱动。 接到转位信号后，液压缸的右腔进油将中心轴和刀盘左移，使端面齿盘与轴分离，然后， 液压马达驱动凸轮旋转，凸轮每转一周拨过一个柱销，使刀盘转过一个工位。同时，固 定在中心轴尾端的 12 面选位凸轮压合相应的计数开关一次；当刀盘转到新予选的工位 时，液压马达刹车，然后液压缸前腔进油，将中心轴和刀盘拉紧，使两端面齿盘啮合夹 紧。此时，中心轴尾部平面压下开关发出转位结束信号。该刀架可以向正反两个方向旋 转，并可自动选择最近的回转路线，以缩短辅助时间。 电动回转刀架，当转塔刀架接到转位指令后，电动机通过齿轮带动行星轮的系杆旋 转，再通过轴带动套转动，套沿圆周方向均布 3 个夹紧轮，此时夹紧轮沿着下定位齿盘 上的凸轮槽移动，当夹紧轮进入槽中的凹部时，将使下齿盘向右移动，从而使上、下定 位齿盘脱离啮合，完成转塔打开工作。接着套带着夹紧轮继续旋转，推动与转塔头连在 一起的套同步转动，进行分度转位工作，当达到预定位置时，电磁铁动作，将预定位杆 向左推出，使预定位销金土转塔的预定位套中，当预定位销到位后，接近开关发出信号 使电动机停止转动，并立即进行反转，即使夹紧套带动夹紧轮反向转动，从而将下定位 齿盘向左移动，上下齿盘啮合（精定位），靠下齿盘凸轮槽中的凸起部分夹紧转塔。该 转塔刀架的特点是靠移动下端齿盘来完成打开动作，整个过程转塔不抬起。 22该转塔根据相应的逻辑电路自动选择回转方向，进行双向自动分度旋转。 3、带刀库的自动换刀系统 由于回转刀架、转塔头式换刀装置容纳的刀具数量不能太多，满足不了复杂零件的加工需要。具有钻、镗、铣功能的数控铣镗床和加工中心，为了使工件能在一次安装中 实现工序高度集中，加工完尽可能多的工作表面，一般采用刀库式自动换刀装置。带刀 库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，是多工序数控机床上应用最广泛的换刀 系统。整个换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准 的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式收入刀库，换刀时先在刀库中进 行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具 装入主轴，把旧刀具放回刀库。在、存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主 轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装在机床以外。常见的刀库形式有三种：a.盘 形刀库。b.链式刀库。c.格子箱刀库。 带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件时有可能 充分增强它的刚度，因而能够满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀 具（可以多达 100 把以上），因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了 机床的适应性和加工效率。带刀库的自动换刀装置换刀形式很多，以下介绍几种典型换 刀装置。 4、直接在刀库与主轴（或刀架）之间换刀的自动换刀装置 这种换刀装置只具备一个刀库，刀库中储存着加工过程中需使用的各种刀具，利用机床本身与刀库的运动实现换刀过程。自动换刀数控立式车床，刀库固定在横梁的右端， 它可作回转以及上下方向的插刀和拔刀运动。机床自动换刀过程如下：a.刀架快速右移， 使其上的装刀孔轴线与刀库上空刀座的轴线重合，然后刀架滑枕向下移动，把用过的刀 具插入空刀座。b.刀库下降，将通过的刀具从刀架中拔出。c.刀库回转，将下一工步所 需使用的新刀具轴线对准刀架上的装刀孔轴线。d.刀库上升，将新刀具插入刀架装刀孔， 接着由刀架中自动夹紧装置将其夹紧在刀架上。e.刀架带着换上的新刀具离开刀库，快 速移向加工位置。 这种刀库的驱动是由伺服电动机经齿轮、蜗杆和蜗轮转动刀库进行的。为了消除齿 侧间隙而采用双片齿轮。蜗杆、蜗杆采用单头双导程蜗杆（左齿面导程为 9.2363mm）消 除蜗杆蜗轮啮合间隙，压盖和轴承套之间螺纹联接。转动套就可使蜗杆轴向移动以调整间隙，螺母用于在调整后锁紧，刀库的最大转角为 180，在控制系统中有自动判别功 能，决定刀库正反转，以使转角最小；或者采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。 刀库及转位机构装在一个箱体内，用滚动导轨支承在立柱顶部，用油缸驱动箱体的 前移和后退。 5、用机械手在刀库与主轴之间换刀的自动换刀装置 这是目前用得最普遍的一种自动换刀装置，其布局机构多种多样。四排链式刀库分置于机床的左侧，由装在刀库与主轴直接的单臂往复交叉双机械手进行换刀。换刀过程： a.开始换刀前状态，主轴正在用刀具进行加工，装刀机械手已抓住下一工步需用的刀具， 机械手架处于最高位置，为换刀作好了准备。b.上一工步结束，机床立柱后退，主轴箱 上升，使主轴处于换刀位置。接着下一工步开始，其第一个指令是换刀，机械手架回转 180转向主轴。c.卸刀机械手前伸，抓住主轴上已用过的刀具。d.机械手架由滑座带 动，沿刀具轴线前移，将刀具从主轴上拔出。e.卸刀机械手缩回原位。f.装刀机械手前 伸，使刀具对准主轴。g.机械手架后移，将刀具插入主轴。h.装刀机械手缩回原位。i. 机械手架回转 180，使装刀、卸刀机械手转向刀库。j.机械手架由横梁带动下降，找 第二排刀套链，卸刀机械手将刀具插回刀套中。k.刀套链转动，把在下一个工步需用的 刀具送到换刀位置；机械手架下降，找第三排刀链，由装刀机械手将刀具取出。l.刀套 链反转，把刀套送到换刀位置，同时机械手架上升至最高位置，为再下面一个工步的换 刀作好准备。 6、用机械手和转塔配合刀库进行换刀的自动换刀装置 这种自动换刀装置实际是转塔式换刀装置和刀库式换刀装置的结合。转塔上有两个刀具主轴。当用一个刀具主轴上的刀具进行加工时，可由机械手将下一工步需用的刀具 换至不工作的主轴上，待上一工步加工完毕后，转塔回转 180，即完成了换刀工作。 因此，所需换刀时间很短。 从以上几种自动换刀装置可以看出，刀库的驱动方式一般采用液压和电气两种方式。 小型刀库可直接由蜗杆蜗轮传动，大型刀库还需采用链条传动。 采用蜗杆蜗轮传动时，可以使伺服电动机工作在最佳状态下（不采用伺服电动机的 低速段工作）。有时为了机构上的原因，还在蜗杆蜗轮后再加一对齿轮。在圆盘式刀库 上，为了提高刀库的转位分度精度，一般采用单头双导程蜗杆，以便在使用中随时调整 蜗杆蜗轮的传动空隙，实现准确的转位分度，保证刀库工作的可靠性。 刀库的刀套运动线速度影响选刀效率，但是过快的线速度又影响刀库工作的可靠性， 一般推荐采用 v=2230m/min。 3.2.3 本次设计的自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构本次设计的自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构，是由滑座、活塞杆、 转柱、回转油缸、滚柱组（滚柱按十字交叉位置放置）、预紧螺钉、定位螺钉、定位块 和 V 形导轨等组成。 滑座伸缩：当油管分别向滑座上的油缸两腔通压力油时，驱动滑座（因活塞杆固定 在横梁上）使滑座在十字交叉放置的滚柱和 V 形滚动导轨上往复运动，滑座就带动手架 来完成拔、插刀运动。其行程位置的检测由安装在横梁上的行程开关完成。在活塞杆上 的活塞两端加工成圆锥形，配合油缸端部起节流缓冲作用。 手架回转：当油管分别通压力油到回转油缸的两腔时，推动动片连同转轴一起转动， 通过平键使转柱和手架（两者用螺栓联接）回转。其回转角度的检测由行程开关发信， 并用定位螺钉和定位块来定位。 3.3 装、卸刀手手臂和手部结构3.3.1 手爪机械手的手爪在抓住刀具后，必须具有锁刀功能，以防止在换刀过程中掉刀或刀具 被甩出。当机械手松刀时，刀库的夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。对于单 臂双爪式机械手的手爪，大多采用机械锁刀方式，有些大型加工中心，还采用机械加液 压锁刀方式。 目前加工中心上用得较多的一种，手臂的两端各有一个手爪，刀具被由弹簧推着活 动销（类似于人手的母指）顶靠在固定手爪中。锁紧销被弹簧顶起，使活的销被锁住， 不能后退，这就保证了机械手手在换刀过程中手爪中的刀具不会被甩出。当手柄处于抓 刀位置时，锁紧销被设置在主轴伸出端或刀库上的撞块压下，活动销就可以活动，使得 机械手可以抓住（或放开）主轴或刀库刀套中的刀具。手爪上握刀的圆弧部分有一个锥 销，机械手抓刀时，该锥销插入刀柄的键槽中。 此外，钳形杠杆机械手也用得较为普遍，锁销在弹簧，其大直径外圈顶着退销，杠 杆手爪就不能摆动、张开，手中的刀具就不会被甩出。等抓刀或还刀时，锁销被装在刀 库或主轴端处的撞块压回，止退销和杠杆手爪就能够摆动、张开，刀具就能被装入或取出。钳形手和杠杆手均为直线运动抓刀。 3.3.2 装、卸刀手手臂和手部结构图 3.3 自动换刀机械手装、卸刀手手臂和手部结构示意图装刀手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸完全相同，只是几个主要零件形 状相反，故此处只介绍卸刀手结构和动作原理。 卸刀手手臂伸缩运动机构由手架、手臂油缸、手指座和活塞杆等组成。活塞杆一端 固定在手架上，当压力油从油孔分别进到油缸的两腔时，推动油缸的缸体在燕尾形导轨 上往复运动，其行程位置由装在手架上的行程开关进行检测，采用油缸端部锥面节流缓 冲，端盖和活塞端面相碰定位。 装刀手和卸刀手手臂移动导轨的方向相交成 45角，其交点即是装刀手、卸刀手前 伸移到终点时手指的夹紧中心。 图 3.4 挡块与手部结构配合动作示意图卸刀手手部由手指座、刀具定向键、固定手指、顶销、卡销、弹簧、活动手指、挡 块（A 型）和销轴等组成。它属于弹簧夹持式手部，手指分为固定指和活动指，并属于 一支点回转型手指。在手臂伸出抓刀时，活动指应能自由张开，抓住刀后，特别是在运 刀过程中活动指应夹紧并锁住，因此手指内有自锁机构。在镗铣床主轴套筒的端面和滑 座悬伸支架上均设有使手指松开的导板（共 4 块，分 A 型和 B 型两种），刀具在手指中 不允许有转动，以免刀柄的键槽错位，故在固定手指上装有定位键。 卸刀时，卸刀手手臂前伸，当卡销碰到挡块（A 型）的 a 面时，使卡销缩回；碰到 b 面顶销可自由运动，手指碰上刀柄便能自动张开插入梯形槽中；当碰到 c 面时，卡销 被弹簧弹出，锁紧活动指，将刀柄抓牢，以后进行拔刀等动作。 如装刀完毕（即滑座缩回，作插刀运动，将刀具的刀柄插入机床主轴孔内），使卡 销被挡块（B 型）的 b面压入，顶销能自由活动，手臂油缸缩回时，手指就从刀柄的梯 形槽中自动滑脱，当卡销移到挡块的 a面时，弹簧将卡销弹出将活动指锁住。 3.4 自动换刀机械手液压系统图 3.5 液压系统原理图自动换刀机械手液压系统如图所示，采用双联叶片泵供油，它具有功率损失小，油 箱的升温小，泵的寿命高，成本低等优点。 双联叶片泵的工作是用溢流阀（YF-B20B）、卸荷阀(X4F-B20B)、单向阀(DIF-L20H1) 三个阀联合控制。泵起动后两个泵的输出油分别进入它们的管道，小泵 1 的输出油经过 过滤器后进入溢流阀，大泵 2 的输出油进入卸荷阀，但此时电磁铁 15DT 不通电，管道 通过电液滑阀（24DY-B20H）、单向阀(DF-B20K3)和油箱相通，管路中压力很低，溢流阀 和卸荷阀都关闭。 在装、卸刀手手臂伸缩或滑座伸缩或手架回转等单独运动时，各油缸所需油液流量 较小，由高压小流量油泵 1 供油，管路内油压上升到溢流阀所确定的压力，由于卸荷阀 的压力调得比溢流阀的压力低 5 公斤力/厘米 2，卸荷阀被打开，单向阀（DIF-L20H1）被溢流阀的油压锁住，大泵 2 的输出油通过卸荷阀流经冷却器回到油箱。 当手架快速升降时，由于小泵 1 的流量不够，使系统压力下降，卸荷阀关闭，大泵2 的输出油推开单向阀(DIF-L20H1)和泵 1 的输出油一起进入系统，保证了手架的快速 升降运动。 两位四通电液滑阀(24DY-B20H)起开关作用，当电磁铁 15DT 通电时，系统处于等待 工作的状态。 在手架升降支路系统装有缓冲阀。当手架升降运动有快速转换成慢速时，由于其惯 性在回油路内引起很高的冲击压力，高压油液经单向阀（a 或 b）和溢流阀 c 流回油箱， 以缓和油液压力的波动，使手架由快速平滑地变换到慢速。缓冲阀处的溢流阀 c 的调定 压力应比系统工作压力高 30左右。 第四章 相关设计计算4.1 手部设计计算手指在工件上的夹紧力，对于手部的设计十分重要。为了保证机械手能够夹紧工件， 需要对其所受的力，方向以及作用点的分布进行详细准确的分析。夹紧力需要克服由于 工件重力而产生的静载荷和工件在运动由于运动形式的改变而收到的动载荷，来确保工 件被夹紧的可靠性。 手指对工件的夹紧力可按下面公式计算： FN = K1K2K3G 式中：K1安全系数，通常取 1.2-2.0，这里选取为 1.5； K2工况系数，主要与惯性力有关。K2可以近似按下式估算： K=1+a ； 2g其中： a 运载工件时重力方向的最大上升加速度； g重力加速度，一般近似取 9.8 K3方位系数 G被抓取工件所受重力 选取K1=1.5a0.2K2=1+g =1+9.8=1.02K3=0.5根据上述分析与之前的参数计算可得 FN = K1K2K3G = 1.51.020.5209.8=149.94N综上所述，可见夹紧力需要大于 149.94N，即可保证工件能够完全被夹紧。 4.2 臂部设计要求臂部设计需要满足下列几个基本要求 4.2.1 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬伸梁式。显然伸缩臂杆的悬伸长度越长，其刚度越差。而且其刚度随着杆的伸 缩不断变化。对于机械手的运动性能、位置精度和负载能力等影响很大，为提高刚度， 除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意一下几个方面。 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部和机身通常既受弯曲，也受扭转，应该选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。 提高支撑刚度和合理选择支撑距离 臂杆或机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且与支撑件的刚度和支撑间的距离有很大关系。 要提高支撑刚度，除了从支座的结构形式底板的刚度。以及支座与底板飞连接刚度 等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度 合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时应结合具体受力情况，设法使各种用力引起的变形相互抵消。 注意简化结构 在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙， 从而提高刚度。 提高配合精度 水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内经配合精度，以提高手 臂前伸时的刚度。 4.2.2 臂部运动速度要高，惯性要小机械手的臂部运动速度是机械手较为重要的参数之一。在其工作时会产生一定的载 荷作用或是冲击作用。为了尽量避免或者减少冲击，这就需要系统启动的加速度和系统 终止运动前的加速度（此处加速度为负值）不能太大，以此来避免冲击。如果机械手在 系统运动停止的瞬间，若加速度很大，则系统所受的惯性力会增大，从而产生较剧烈的 冲击。也可以通过增加系统的阻尼来使得系统减小冲击。为了达到减少转动惯量的目的，则可以采取下列措施；1、减少手臂部件的质量，使用承载能力较高的合金材料。2、尽量减少手臂运动部件的尺寸和大小。3、减少回转半径4、在机械手的驱动系统中装置一个能对系统进行缓冲的装置4.2.3 手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式 的机械手，其传动件、导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减 少对升降支撑轴线的偏心力矩，要特别防止“卡死”现象。为此，必须计算使之满足不 自锁条件。偏重力矩的计算步骤： 计算零件重量，可分解为规则的形体进行计算； 计算零件重心位置，并求出重心至回转轴线的距离； 求重心位置并计算偏重力臂。i1G总=Gx + G爪 + G腕 + G臂 + = nGi= Gxx+G爪爪+G腕腕+G臂臂+Gx+G爪+G腕+G臂+=Gin Gii42计算偏重力矩：i=1 n i=14.2.4 位置精度要高nM偏 = G总 = Giii=1一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制， 故精度差，在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好 装载最后的运动环节以减少或消除传动啮合的间隙。除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和 安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设 置防装置等。这些要求往往是要相互制约，设计时应全面分析各方面要求，综合考虑。4.2.5 手臂的设计计算通常先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸在进行校核计算，修正设计。如此反复多次，绘出最终的结构。4.3 伸缩液压缸的设计计算4.3.1 作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所需要克服的摩擦力、回油背压及惯性等几个方面的阻力，来确 定所需要的驱动力。液压缸活塞杆的驱动力的计算：F=F摩 + F密 + F回 + F惯式中：F摩摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。F密密封装置处的摩擦阻力；F回 液压缸回油腔低压油所造成的阻力； F惯启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。计算如下：、的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况估算。 MA= 0G总L= aFbG总LFb =a Y = 0G + Fb =Fa得：Fa = G总（L+a）aF摩 = Fa 摩 + Fb 摩 = Fa + FbF摩 = G总（2L+a） a式中：G总参与运动的零部件所受的总重力；L手臂与运动的零部件的总重量的重心导向支撑前端的距离。a导向支撑的长度； 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面： = (4 ) =（1.27-1.57）2摩擦系数，对于摩擦且无润滑时；对于钢对青铜：取= 0.10.15对于钢对铸铁：取=0.180.3 若采用 V 形导轨作导向支撑，则：F摩 = G总 = sin /2为 V 形对称支撑面的夹角当 = 90时， = 1.41 = 120时， = 1.15、密的计算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下：1、“O”形密封圈 当液压缸工作压力小于 10MPa。活塞杆直径为液压缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为：F封 1 + F封 2 = 0.03F式中：F为驱动力；F封 3=pdlP工作压力；p 10MPa，=0.050.023；d伸缩油管的直径； l密封油管的有效长度。为了保证“O”形密封能够装入密封沟槽，并与配合件碰触后起到严格的密封作用00000-K=0.080.14l d02K K22、“Y”形密封圈：F密 = pdl式中： 摩擦系数， = 0.06 0.08p密封处的工作压力d密封处的直径 l沿轴向的密封长度（相当于唇部的宽度）。（3）“V”形密封圈F密 =5dl式中： = 0.1 0.13F密 = F封 1 + F封 2 + F封 3. 、回的计算： 一般背压阻力较小，可按F回 = 0.05p. 惯的计算F惯 =G总vgtG总参与运动的零部件所受的总重力；g 重力加速度，取 9.81m/s2;v由静止加速到常速的变化量；t启动过程的时间，一般取 0.010.5s，轻载低速的运动部件取较小值，重载高速的运动部件取较大值。计算数据图 4.1 三维质量分析 通过 peo/e 三维分析出组件的体积为：4.28 107mm3 = 4.28 102m3。从而计算出质量为：4.28 102 7.8 103 = 338.4kg除去多余部分质量约为 280kg，所以：G总 = 280 9.8 = 2744NF摩 = G总 = sin /2 = 120时， = 1.15钢对铸铁：取=0.180.3 因而：F摩 = 2744 1.15 0.25 = 788.9N F密 = F封 1 + F封 2 = 0.03FF回 = 0.05p G总v2744 5F惯 = 6993N gt9.81 0.2F = F摩 + F密 + F回 + F惯 = 788.9 + 0.03F + 0.05P + 6993 8200N 1、手臂做升降运动的液压缸驱动力： F = F惯 + F摩 + F密 + F回 G式中：F摩摩擦阻力；F摩 = 2F1f取 f=0.16G零部件及工件所受总重力。F惯、F密、F回的计算与上同。2、确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算： 当油进入无杆腔时：当油进入有杆腔时：F = F1 = pD2 4液压缸的有效面积；F = F2 = p（D2d2） 4F故有：S = Fp1D =4Fp= 1.13p（无杆腔）式中：1pD =4F 1+ d21（有杆腔）F驱动力；p1液压缸的工作压力；d活塞缸直径；D液压缸内径； 液压缸的机械效率，在工程机械中如果用耐油橡胶可取 = 0.95选择合适的液压缸工作压力是必要的。选高了能够减小液压缸内径以及液压缸执行 机构的尺寸，使机械手的手臂结构较为紧凑，同时却需要选用价格较高的高压油泵和阀， 并且促使密封复杂化。而相对的，选低了可以用价格较低的泵和阀，但是液压缸及其执 行机构的结构庞大，自重增加。一般取 28MPa，下表列举了几组数据供选择，可供选 择液压缸工作压力时参考。表 4.1 液压缸的工作压力作 用 在 活 塞 杆 上的外力 F（kN）液压缸 的 工 作 压力（MPa）作 用 在 活 塞 上 的外力 F(kN)液压缸 的 工作压 力（MPa）505.07.0通过计算所选择的液压缸内径，应尽可能使标准值，液压缸内径系列如表所示。表 4.2 液压缸内径系列20253240*50*5563*（65）70（75）80*（85）90*（95）100*（105）110125*（130）140*160*180200*2503、液压缸壁厚计算 液压缸壁厚计算，在实际应用中有下列三种公式；中等壁厚： 16 D3.2 时 =p1D（2.3 p1）+ C 式中：p1液压缸内工作压力；强度系数； C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值； D液压缸内径。 薄壁：即 D 16 时Dp1 =2厚壁，即当 D 3.2 时D + 0.4 p1 =(2 1.3 p1) 1 式中： b材料抗拉强度； b =n n安全系数，n = 3.55； 一般常用缸体材料的许用应力； 锻钢 = 110120 MPa 铸铁 = 60 MPa 无缝钢管 = 10011 MPa 表 4.3 标准液压缸外径mm液压缸内径 40 50 63 80 90 100 110 123 140 150 160 180 200 20 钢p1160 MPa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 钢p115d 时，一般需进行稳定性校核。FkF nk不等式中 Fk临界力。可按材料力学相关公式计算nk = 2 4 大柔度杆的临界力Fk当 = l 时，临界力F 为：i1kFk =2E2 J 式中：活塞杆计算柔度；l活塞杆的计算长度，液压缸和活塞杆端部的支撑情况不同，活塞杆用来计算的计算长度则不同。 i活塞杆横截面积的惯性半径。 i= J = d F4J活塞杆截面积的惯性半径。 4J= d 64E弹性模量，E = 210GPa； 长度折算系数； 11 特定柔度值， = Ep，p是比例极限。 中柔度杆Fk：当2 1时，临界压力Fk为：式中F活塞杆截面积；Fk = F(a b) a、b常数，与材料的性质相关。 2特定的柔度值，2 =短压杆： 2时，不校核压杆稳定性。计算数据缸径计算： a s ，为屈服极限。 bs D =4Fp = 1.13p= 1.138200= 2.35 （无杆腔） F110.952.0103p D = 4F 1+ d2= 4 8200 3.1421030.95+ 222= 22.12 （有杆腔） 由于满足要求只需要很小的缸径，所以按照标准化的要求取缸径为 40mm。液压缸壁厚计算：D40=60D + 0.4 p1= 0.667 3.2 60 + 0.8 =(2 1.3 p1) 1 = 20 (60 2.6 1) = 0.583 圆整到标准外径为 50mm。活塞杆直径的计算： d 4F= 482003.14110= 9.74 圆整到标准直径为 22mm。因为 lD= 250 = 11.36 15因此不用进行压杆稳定计算。224.3.2 手臂回转液压缸的设计计算1、手臂回转时所需的驱动力矩 驱动手臂回转的力矩M驱，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各种密封装置处的摩擦阻力矩M封相平衡。M驱 = M惯 + M回+ M封式中：M封密封装置处的摩擦力矩 M封 = M封 +
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