毕业设计（论文）-三轴立式加工中心自动换刀装置设计(1).pdf

诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名：年月日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目：三轴立式加工中心自动换刀装置设计 系部：机械工程系专业： 机械设计制造及其自动化学号：112011142 学生：白颜龙指导教师（含职称）：梁雅琴(副教授） 1课题意义及目标 我国制造加工中心的技术起步较晚，对自动换刀装置研究也较少。迄今为止, 我国制造的加工中心上配置的自动换刀机械手装置大多都依赖进口，价格昂贵。自动 换刀装置的主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产成 本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。 2主要任务 该课题要求学生分析自动换刀装置各部分的功能、基本换刀动作及其设计要求； 确定待换刀具与主轴处于某种方位关系时自动换刀装置的运动功能；由空间方位关系 得到待换刀具在刀库与主轴之间实现交换的最简捷的运动路线 1）毕业设计论文一份；2）自动换刀装置结构装配图；3）主要零件图； 3主要参考资料 1 向金林.TH7130 立式加工中心自动换刀系统的设计.装备制造技术，2006 2 陈芳，李继中.盘式刀库加工中心自动换刀系统控制.机械设计与制造，2007 3 曹秋霞，马国亮.小型立式加工中心圆盘式刀库的设计.机电产品开发与创 新，2005 4进度安排 设计各阶段名称起止日期 1完成自动换刀装置工作原理设计3 月 3 日3 月 23 日 2 进行自动换刀装置结构设计3 月 24 日4 月 13 日 3绘制结构装配图及零件图4 月 14 日5 月 4 日 4完成毕业设计等相关记录 5 月 5 日6 月 1 日 5 完成毕业论文及答辩工作6 月 2 日6 月 22 日 审核人审核人：2014 年12月27日 I 三轴立式加工中心自动换刀装置设计三轴立式加工中心自动换刀装置设计 摘要：自动换刀装置中，机械手扮演着很重要的角色。它需要将刀库上的刀具和主 轴上使用过的刀具调换位置。机械手的使用，主要是为了使加工中心拥有更高的工作 效率，从而使整个生产线的工作效率得到提高；从另一方面来讲，自动换刀装置的使 用提高了加工中心的安全性能，减小了因为人工换刀而使工作人员受伤的可能性。本 次课程设计的方案是利用机械手的旋转、升降和机械手的自锁运动来实现换到的动 作。机械手的旋转运动主要是用来完成刀具的交换动作，动力是由步进电动机提供， 通过两个相互啮合的齿轮来传动，通过控制步进电动机的每秒脉冲数，就可以准确的 控制其位置。其次，拔刀，插刀是由升降运动来完成，是由齿轮齿条的啮合把旋转运 动转化为直线运动来实现的，同样控制步进电机的每秒脉冲数和实现对三相中的任意 一相一直保持通电以实现抱闸。 关键词：关键词：机械手，加工中心，刀具，弹簧 Three axis vertical machining center automatic tool change device structure design Abstract：In the automatic tool changer, the manipulator is playing an important role.It needs to change the position of the cutter on the knife base and the cutter used in the spindle.The use of robot, mainly in order to make the machining center has a higher working efficiency, so that the entire production line work efficiency is improved;On the other hand, the use of automatic tool changer improves the safety performance of the machining center, and reduces the possibility of injury to the staff because of the manual tool change.This course design scheme is to realize the action by using the rotation of the manipulator, the lifting and the lock movement of the manipulator.The rotary motion of the manipulator is mainly used to complete the exchange tool motion, power is by step into motor, by two meshed gears to drive, through the control of stepper motor per second pulse number, you can accurately control the position.Secondly, his sword, the knife is accomplished by the lifting movement, is by the meshing of the gear rack to rotational motion into linear motion to achieve, the same control step into motor per second pulse number and implementation of arbitrary phase a phase has been kept energized to realize brake. Keywords: Manipulator;Machining center;The cutting tool;spring II 目录 1绪论.1 1.1加工中心的基本概述1 1.2本次设计方法要求2 2加工中心自动换刀装置设计.3 2.1自动换刀装置的形式3 2.1.1自动换刀装置的功用及要求.3 2.1.2自动换刀装置的类型.4 2.1.3换刀机械手的类型.5 2.1.4换刀机械手的动作顺序.6 2.2机械手的旋转运动设计6 2.2.1旋转运动驱动装置设计.6 2.2.2步进电机的选择.7 2.2.3齿轮的设计.9 2.2.4轴的设计.15 2.2.5滚动轴承的选择.17 2.3机械手的升降运动设计18 2.3.1升降运动驱动装置设计.18 2.3.2步进电机的选择.18 2.3.3齿轮及齿条设计.20 2.3.4滚动轴承的选择.22 2.3.5轴的设计.22 2.4机械手手爪锁刀运动设计23 2.4.1 机械手外形及锁刀装置设计23 2.4.2弹簧设计.24 3机械手结构的设计.26 3.1手爪口的结构设计26 3.1.1 刀具结构尺寸.26 III 3.1.2手爪口尺寸计算.27 3.2活动销的设计29 3.2.1 活动销行程计算.29 3.2.2 设计活动销尺寸.31 3.2.3 活动销弹簧的设计.32 3.3换刀机械手手臂的结构与尺寸34 4 总结.36 参考文献.37 致谢.38 太原工业学院毕业设计 1 1绪论1绪论 1.1加工中心的基本概述加工中心的基本概述 加工中心是结合电子、自动控制等各方面比较前沿的高科技研发出来的，主 要体现在加工中心数控机床的应用。 其特点是在工业生中对自动换刀装置和刀库 的研究有了重大突破， 在加工过程中可以对需要多道加工工序的工件进行一次性 加工成型。自动换刀系统是整个加工中心的最重要核心。 加工中心是由数控铣床经过不断改进而来的。 与数控铣床的最根本区别在于 加工中心具有自动交换加工刀具的功能，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可 一次装夹不同的加工刀具，实现多种加工功能。 加工中心可以通过多轴协调联动来加工具有复杂表面的零件， 而且还带有插 补，刀具补偿等功能。 根据对各种被加工零件进行加工的要求不同可以将加工中心分为主轴垂直 于工作台的卧式加工中心， 主轴平行于工作台面的立式加工中心和同时具有卧式 立式两种功能的复合式加工中心。 立式加工中心的机械结构主要由三部分组成： （1）主轴组件主轴作为加工中心最核心的部分，包括了电机，传动系 统，主轴组件三部分。其中，主轴组件及主轴轴承的刚度、精度等方面的要求是 非常高的。 （2）立柱在满足主轴 Z 向运动的同时也对主轴箱起支撑作用，所以 对主轴的强度、韧性方面要求是很高的。在机床工作的过程中由于要对各种结构 问题以及突发情况的适应，所以才有了侧面导轨型和正面导轨型两种形式。 （3）工作台由于在实际生产中的加工需要，我们将工作台分为自动分 度工作台和数控回转工作台。 立式加工中心具有相对简单的结构，安置方便，性价比高，不过在加工要求方面 也有它自己的缺点。为了增强立柱的抗扭刚度一般都采用一些比较特殊的肋板截面框 架。 立式加工中心通过十字滑台来完成 X、Y 面内的零件加工同时结合 Z 方向的运动 完成立体式加工。图 1-1 所示为立式加工中心的几种布局结构，主轴箱沿立柱导轨上 太原工业学院毕业设计 2 下移动实现 Z 坐标移动。 图1-1立式加工中心布局 1.2本次设计方法要求本次设计方法要求 该毕业设计主要是对三轴立式加工中心自动换刀装的结构进行设计。在对复杂零 件的加工过程中需要在一个程序段中用到多种刀具，这个时候机械手就担任一个非常 重要的角色。主要是将刀库和主轴上的刀具进行交换。 设计此换刀系统的目的是为了使加工中心能有更高的工作效率；此外，由于使用 了机械手，降低了人工换刀带来的不安全因素。 本次研究的课题的基本思路是对机械手的运动装置和结构进行设计。 本次设计的工作内容要求包括装配图(图 1-1）、 零件图及 10000 以上字论文且论 文内容必须要实现机械手的旋转，升降，锁刀三个动作。加工中心的主要的技术参数 要求： 刀库容量：24 把刀 刀柄型号：40 号刀柄 刀具最大直径： 120 刀具重量：11 换刀时间：7s 选刀方式：顺序换刀 太原工业学院毕业设计 3 图 1-1整体示意图 太原工业学院毕业设计 4 2加工中心自动换刀装置设计2加工中心自动换刀装置设计 2.1自动换刀装置的形式自动换刀装置的形式 2.1.1自动换刀装置的功用及要求自动换刀装置的功用及要求 带有自动换刀装置（ATCAutomatic Tool Change）的数控机床称为加工中心。 它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工。加工中心区别于其他数 控机床的地方就在于它具备自动换刀装置。在提高机床加工效率，加工精度等方面有 了很大的提高，加工中心在现代工业生产中扮演了一个很重要的角色。 在设计加工中心自动换刀装置的同时必须要达到的效果：机床换刀时间相对较 短，可以提高工作效率； 换刀结束后再次定位的精度得到了提高； 在刀库中选 刀，换刀动作简单； 刀库容量足够，占地面积小，使机床外观完整； 刀具维修， 护理方便。 2.1.2自动换刀装置的类型自动换刀装置的类型 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的配置空间格局， 加工工艺 和刀库容量。其基本类型见表 2-1。 太原工业学院毕业设计 5 表 2-1自动换刀装置的类型、特点及适用范围 类型特点 适用范 围 刀库式 换刀主要是由 刀库和主轴或者刀 库和刀塔换刀 对于换刀装置由于需要动的 部分很少，所以稳定。但是对刀库 来说刀库本装夹刀具就多，而且还 需要经常动，所以效果不好。 用 于 切 削加工时间长， 换刀次数少的 情况。运动部件 少，对使用重型 刀具的重型机 床较为有利 主要的换刀动 作是由机械手完成 的 刀库一般是安装在立柱或者 主轴箱上，相对于刀库进行换刀运 动，机械手的换刀运动要方便很 多。 由 于 机 械手的局限性， 适用与精度较 高，刀库容量较 大的机床 通过机械手 和运输装置的相互 协调换刀 从换刀灵活性和适应性方面 来讲，该换刀方式有非常好的效 果。 适 于 刀 库容量较少或 一般精度的机 床 有刀库的转塔式换刀装置 在开始加工零件前需要将 刀具按工艺加工顺序放入刀库中 适 用 于 工 艺范围比较大 的加工中心 有成套刀库系统的可自动 更换刀库的装置 刀库储存器、刀库更换装 置组成。扩大了工艺范围，提高了 利用率和自动化程度 适用于自 动化程度非常 高的系统中 本次课程设计决定用机械手和刀库之间的相互协调运动来实现刀库和主轴之间 的换刀动作。 太原工业学院毕业设计 6 2.1.3换刀机械手的类型换刀机械手的类型 自动换刀装置由刀库、换刀机械手、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器等五 个部分组成。根据不同的加工需要研究出的机械手也呈现多样化的形式： 1.单臂单爪回转式机械手 该机械手手臂上只有一个锁刀爪可以在 360内自由旋转，但是换刀时间长。如 图 2-1a 所示。 2.单臂双爪回转式机械手 该机械手手臂两端各有一个锁刀爪为的是在同一时间将主轴和刀库上的刀具调 换，大大减少了换刀所需时间，如图 2-1b 所示。 图 2-1机械手的形式 3.双臂回转式机械手 该机械手有两条分开的手臂且两条手臂上各有一个锁刀爪，可以转动 180在同 一时刻完成换刀， 时间上进一步缩短。 图 2-1c 右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库 及主轴上，两臂可伸缩。 4.双机械手 太原工业学院毕业设计 7 该机械手同样有两条手臂但区别于前三种的地方在于它可以伸缩，通过两个单臂 机械手相互配合来完成换刀动作。图 2-1d 所示。 5.双臂往复交叉式机械手 该机械手通过在导轨上的直线移动和回转运动实现刀库和主轴的换刀动作。如图 2-1e 所示。 6.双臂端面夹紧式机械手 该机械手与前面几种的区别在于夹紧部位的不同如图 2-1f 所示。 最常用的一种换 刀机械手形式，动作简单。 2.1.4换刀机械手的动作顺序换刀机械手的动作顺序 在多种多样的自动换刀装置中，我选择一种最常见，适用范围最广的双臂回 转式换刀机械手。它的动作过程如下： （1）抓刀机械手经过 90的回转，将刀库和主轴上的刀具锁住。 （2）拔刀锁住刀具之后就要将两个道具同时拔出。 （3）换刀再经过 180的回转将刀库和主轴上的刀具调换位置。 （4）插刀将调换过来的刀具分别插入刀库和主轴，主轴夹紧刀具。 （5）复位转动手臂，回到原始位置。 图 2-2机械手动作过程 太原工业学院毕业设计 8 2.2机械手的旋转运动设计机械手的旋转运动设计 2.2.1旋转运动驱动装置设计旋转运动驱动装置设计 通过联轴器将轴 2 固定在电动机旋转轴上， 再通过轴肩和键将齿轮 2 和轴 2 固定， 通过弹性挡圈将齿轮 1 和轴 1 固定，然后再将机械手固定在轴 1 上，只要电机通电就 可以通过齿轮 1 和齿轮 2 的啮合实现旋转运动。驱动装置见图 2-3 所示： 图 2-3旋转运动示意图 太原工业学院毕业设计 9 2.2.2步进电机的选择步进电机的选择 为了计算的方便，我们可以将问题简化，将机械手和齿轮的组成部分看做一个整 体。因为电机旋转的力还不足以使机械手和齿轮发生形变，故我们可以通过刚体的定 轴转动求机械手的加速度。 我把机械手转动的模型转化成刚体的转动的模型 （图 2-4） ： 图 2-4旋转运动模型 我们经常通过每分钟转过的圈数 n（简称转速）来恒量刚体转动的快慢，其单位 是 r/min,与 n 间有关系式 30 n 。设：n=30r/min.1s 的加速时间，代入数值 30 n =3.14*30/30=3.14(rad/s)。 角速度对时间的一阶导数就是绕定轴转动刚体的角加速度，以符号表 示,=3.14(r/ 2 s)。 根据牛顿第二定律： dt d JTT L ，其中 T（电机的电磁转矩）， L T（负载转矩） ， 其单位都是MN ，J（转动惯量），（角速度）。 2 MJ ,（旋转系统半径）。我们可以分开来求机械手、轴、齿轮的转动惯量 太原工业学院毕业设计 10 J.齿轮 4 的质量 m=2.664kg，所以 4 J=2.6640.04125 2 =0.005;齿轮 3 的质量 m=0.726kg， 3 J=0.7260.04125 2 =0.001;轴 1 的质量 m=0.6kg，所以 1 J=0.00006;轴 2 的质量 m=0.62kg， 2 J=0.0007。设：m=25.5kg，J=1.79，所以 总 J=1.796。实际传动 比为 i=1,所以根据： dt d JTT L （2.1） J i T T （2.2） 将以上数值代入（2-2），有 T=12.1MN 。根据 T=12.1NM 查阅相关书籍有： （见表 2-2）： 表 2-2 步进电机参数表 电机型号步距角相数电压（v）电流 A 110BYG35020.6/1.2380-3504.0 相电感 mH惯量启动频率 Hz空载频率转矩 30 12 3 /cmkg 16003000016 2.2.3齿轮的设计齿轮的设计 在实际生产中根据两齿轮在设备中所处位置不同，可分为两轴相互平行的齿轮， 两周相互垂直的齿轮和两轴相互交错的齿轮。 传统的齿轮制造多数都用渐开线制造，因为其操作方便，安装简单。 齿形标准：（摘自 JB-100-60，JB304-62） 齿轮传动在现实生活中只要和机械有关，几乎随处可见。生产中齿轮的圆周速度 甚至可以达到 200m/s. 齿轮传动的主要特点： 工作效率高自工业革命以后齿轮传动在生产生活中应用越来越广泛工作效 率最高可达 99%。 太原工业学院毕业设计 11 结构紧凑生产中用齿轮组传动比用其它方式传动要好许多。 工作稳定设计制造与工业需求非常吻合，寿命可达一二十年之多，其它传动 方式相比于齿轮传动方式差了许多。 传动比稳定正是因为这一特点才使齿轮传动得到了广泛应用。 根据对工作环境的需求高低不同，齿轮传动可以分为开式、半开式和闭式齿轮传 动： 开式：无防尘外壳，齿轮完全暴露，只适用于低速传动。 半开式：有简单的防尘罩，并不是完全防尘。 闭式：像汽车，航空等加工精度都是非常高的，所以必须要完全防尘。以保证齿 轮使用寿命。 设计原则： 在设计齿轮传动时必须要保证在一个工作周期内不至失效。现代工业主要从齿根 弯曲疲劳强度和保证齿面接触疲劳强度两方面进行设计。 为了保证齿轮传动组的使用寿命我们应该主要在抗磨损能力，抗点蚀能力，抗胶 合能力及抗塑性变形方面多下功夫。所以，在设计的同时必须要达到齿面要有足够硬 度，齿面要有足够韧性。 失效形式： 1）轮齿折断：当弯曲应力超过弯曲疲劳极限，轮齿重复受载后，齿根处就会产 生疲劳裂纹，并逐渐扩展，致使轮齿折断。这种折断称为疲劳折断。轮齿受到短时意 外的严重过载或冲击载荷作用也易造成突然折断。这种折断称为过载折断。增大齿根 处过渡圆角半径，提高齿面加工精度，可以降低应力集中。在齿根处施以喷丸、辗压 等冷作强化处理方法，都可以提高轮齿的抗折断能力。 2）齿面疲劳点蚀：轮齿工作时，当齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时， 在载荷的多次重复作用下，齿面的表层会产生细微的疲劳裂纹，裂纹的蔓延、扩展， 造成许多微粒从工作表面上脱落下来，在表面出现许多月牙形的浅坑，这使齿轮不能 正常工作而失效。这种失效称为齿面疲劳点蚀。疲劳点蚀一般出现在齿根表面靠近节 线处。齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关。齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。提高 齿面硬度和减少齿面粗糙度，采用粘度大的润滑油都有助于提高齿面接触疲劳强度， 防止点蚀的发生。 太原工业学院毕业设计 12 图2-5 齿面疲劳点蚀 3）齿面胶合：当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压力很大而速度很 高时，由于发热大，瞬时温度高，相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相 对滑动，粘接的地方被撕裂。这种胶合称为热胶合。低速重载的齿轮，油膜遭破 坏也发生胶合现象。这时齿面温度无明显增高，这种胶合称为冷胶合。为防止产 生胶合现象， 低速传动选用粘度大的润滑油， 高速传动选用含抗胶合剂的润滑油。 此外，适当提高表面硬度及降低表面粗糙度也都是有效的方法。 图2-6 齿面胶合 4）齿面磨损：在载荷作用下，齿面会产生磨损，使齿侧间隙增大，齿根厚度减 小，从而产生冲击和噪声。对于开式齿轮传动，齿面磨损是它不可避免的失效形式。 采用闭式传动，保持润滑油的清洁，提高齿面硬度，减小齿面粗糙度，均可有效地减 少齿面磨损。 太原工业学院毕业设计 13 图2-7 齿面磨损 5）齿面塑性变形：在重载作用下，当齿面硬度不够时，会产生一定的塑性变形。 在从动轮2齿面节线处出现凸棱，主动轮1齿面节线处出现凹沟，从而破坏齿廓形状， 影响齿轮正常啮合。适当提高齿面硬度，可防止或减轻齿面的塑性变。 图2-8 齿面塑性变形 选定齿轮 1、2 类型、精度等级、材料及齿数 1) 选择齿轮材料和确定许用应力 齿轮 1：45 钢，调质处理，齿面硬度 197-286HBS； 齿轮 2：45 钢，正火处理，齿面硬度 156-217HBS。 设：传动比=1，所以两齿轮的最基本参数模数和齿数必须一样，但是，为了实现 机械手的升降运动两齿轮厚度必须要按设计尺寸来。 2）计算大小齿轮接触应力循环次数 N 试加工中的换刀次数而定 3）确定有关系数： 由机械设计教材查询接触强度计算的寿命系数zn图， 得 1n Z =1.05；（允许有一定点腐） 太原工业学院毕业设计 14 根据接触强度计算要求取 minH S=1.25; 取工作硬化系数 w Z =1.0；润滑系数 i Z=0.92； 4）计算许用接触应力 H ： 设： 齿面强度=185HBS， 再依据材料和热处理方式以及 minH Z图， 有 1HLim =307MPa。 计算齿轮的许用接触应力： MPa SH HLim H 246 min 1 1 ； 5）确定小齿轮传递的转矩 T： mmN N P T1 .129550000 1 1 ； 6）初取相关系数由于齿轮各方面参数不确定，所以初步选定 K=1.1； 取齿宽系数 a =0.4； 由齿轮副材料查弹性系数表得弹性系数zE=188.9； 传动比 i=1； 节点区域系数5 . 2 H Z. 7）按齿面接触强度确定分度圆直径： 3 2 1 1 1 2 H HE d ZZT i i K d79mm; 8）确定模数和齿数 齿数：取53 21 zz 模数：49 . 1 m 1 z d ，取标准模数 m=1.5 准确的分度圆直径 21 dd =1.553=79.5mm 齿轮齿顶圆直径：mm 5 . 822d 2a1 zmda 太原工业学院毕业设计 15 齿轮基圆直径：mmzmdb b 75.755 . 2d 21 齿轮圆周速度：sm nd v24 . 0 60000 607814 . 3 60000 11 9)确定载荷系数 K，验算齿面接触疲劳强度： 根据各参数求出载荷系数 K，因机电平稳运行且0 . 1 A K，7IT则 05 . 1 V K; 齿宽：mmdb a 8 . 315 .794 . 0; 查齿向载荷系数07 . 1 K; 查直齿轮齿间载荷分配系数表，得05 . 1 K; 所以载荷系数17 . 1 KKKKK VA 验算齿轮弯曲强度 根据齿数查得齿形系数35. 2 1Fa Y; 由应力修正系数图查得68 . 1 1Sa Y; 根据齿面硬度，材料，热处理方式，有 1limF =210MPa; 查弯曲强度计算的寿命系数 1N Y=1.0; 由于 m=1.55，则大小齿轮弯曲疲劳计算的尺寸系数： 1X Y=1.0; 取实验齿轮的应力修正系数 ST Y=2; 弯曲疲劳强度计算的最小安全系数： minF S=1.4. 查表可以知道弯曲疲劳极限 FE =210-250MPa。 计算齿根弯曲应力 Z YYT bm K SalFal F 1 2 111 1 2 = 28MP1 F ，安全。 太原工业学院毕业设计 16 2.2.4轴的设计轴的设计 轴是组成机械机构的一个重要中枢，只要有转动就必定有轴的使用。通过轴，轴 承，轴套等组成一个被称作轴系的系统。 轴设计的主要问题： 轴的强度，稳定性，刚度必须达到要求，所以在材料，结构等方面有硬性的高标 准要求。设计轴的主要步骤如下： （1）根据机械传动总体布局拟定轴上零件的位置； （2）选择轴的材料； （3）初步估计轴的直径； （4）进行轴的结构设计； （5）进行轴的强度、刚度、振动计算； （6）校核键、轴承、联轴器等的强度或寿命； （7）绘出轴系的装配图、零件图等。 轴在生产中起到一个非常关键的作用，只要涉及到回转类运动，基本上都会有轴 的参与，故此，形成一个轴系统。 涉及轴类零件应考虑的因素： 在设计轴类零件的过程中主要从承受弯矩和承受扭矩两方面出发，这两方面取决 于轴的材料，空间结构以及强度和刚度。 轴的材料的选择： 轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为 实现这些要求而采用的热处理方式， 同时考虑制造工艺问题加以选用， 力求经济合理。 轴的常用材料是 35、45、50 优质碳素钢，对于受载较小或不太重要的轴，也可 以用 A3、A5 等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些 特殊要求的轴，可采用合金钢。 根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化 处理（如喷丸、辊压、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等 性能。 轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；对 太原工业学院毕业设计 17 于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性， 直径大的轴还可以制成空心的， 并且带有焊接的或者锻造的凸缘。 对于形状复杂的轴， 可采用铸造。 轴的结构决定于受载情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴 的毛坯、制造和装配工艺及安装、运输等条件。轴的结构应是尽量减小应力集中，受 力合理，有良好工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。对于要求刚度大的轴， 还应在结构上考虑减小轴的变形。 零件与轴的固定或联接方式，随零件的作用而异。一般情况下，为了保证零件在轴上 具有固定的工作位置，需从轴向和周向加以固定。 轴的设计： 1）轴的结构设计： 在设计轴 1 的过程中对轴肩等方面都进行了特别设计，目的就是为了达到定位等 方面的要求，从而达到机械手旋转的目的。 选择轴的材料选用 45 钢，调质处理； 在机械设计手册查寻相关数据 D100mm，硬度为 170-217HBS，强度极限 b=600MPa， =35MPa。 估算该轴的轴径 由于轴 1 除了扭矩外不受其它力，所以只考虑其扭转强度。对于实心圆轴， 其强度条件为： 3 3 2 . 0 109550 d n p W T T （2.3） 式中T（扭矩）单位 Nmm; （许用扭转剪应力）； T W（抗截面模量）单位 mm 3, 圆截面轴 T W=0.2d 3;p（功率）;n=30r/min 为轴的转速。由上式得轴径 d（mm）的计 算公式： 33 3 2 . 0 95500000 n p A n p d (2.4) 式中 A(材料与受载情况决定的系数)= 3 /9550000， 查表得 A （45 钢） =118-107. 太原工业学院毕业设计 18 根据以上数据可以求出 D11.5，为了方便加工取 d=17mm 代入（2.3） 3 3 2 . 0 109550 d n p W T T 12.3MPa ，满足使用要求。 2）轴 2 的强度计算 在机构中轴1与轴2所处环境相同，同样的方法求出 D=11.5，故取 D=12.满足使用 要求。 2.2.5滚动轴承的选择滚动轴承的选择 对于滚动轴承来说，由于其摩擦小，消耗低等优点，现代工业中对于滚动轴承的 应用还是挺广泛的。 轴承的分类： 由于在使用轴承的过程中对轴承影响最大的载荷力，所以在这可以将轴承分为： 向心轴承、向心推力轴承、推力轴承。 轴承的选用原则： 在选择轴承的过程中首先应分析在所处环境中对轴承的使用影响最大的因素是 那些因素。例如，现实生活中我们应该先考虑其类型，载荷，转速等性能。在这我们 有必要了解一下：对于承载较大，变形较小的情况，应选用滚子轴承；对于中等载荷 的情况应选用球轴承；对于纯轴向载荷的情况，应选用推力轴承；对于纯径向载荷， 应在深沟球轴承、圆滚柱子轴承、滚针轴承中选择。 此外，还需要注意的是对于轴承的选择应全方位考虑它的设计要求。 轴承的主要失效形式： 轴承的主要失效形式分为接触疲劳失效，磨损失效，断裂失效等。在众多失效形 式中最常见的就是磨损失效。在工业生产中各种不良操作行为都有可能导致轴承失 效。例如，装配误差过大、温度过高等都有可能导致失效。 轴承的选择： 结合轴向和径向两方面受力情况选择角接触轴承是最好的选择，对于角接触轴承 承受载荷能力的高低取决于接触角的大小。 接触角越大， 承受轴向载荷的能力越高。 在旋转运动中，轴承同时受到径向力和轴向力，所以选择角接触球轴承，轴径为 太原工业学院毕业设计 19 12mm，查机械设计制图手册可以查出轴承的型号为 7001C，基本额定载荷 r C=5.42KN, r C0=2.65KN，极限转速为 18000r/min。轴 1 和轴 2 所处环境相同，根据 轴 1 中段轴径为 25mm， 查手册可以查出轴承的型号为 7005C, r C=11.5KN, r C0=7.45KN, 极限转速为 12000r/min。轴头的轴径为 17mm，可以查出型 7003C， r C=6.60KN， r C0=3.85KN，极限转速为 16000r/min。 2.3机械手的升降运动设计机械手的升降运动设计 2.3.1升降运动驱动装置设计升降运动驱动装置设计 为了机构的长久性使用，在不影响大齿轮1运动的情况下，用一个箱体封住大齿 轮1，箱体的左侧是齿条，齿条和左方的齿轮3相互啮合，齿轮3和齿轮4啮合，齿轮4 通过联轴器连接电机。通过电机带动就可以实现机械手的升降运动，如图2-9 图2-9升降运动示意图 2.3.2步进电机的选择步进电机的选择 如图2-10所示为机械手升降运动的传动方式。 太原工业学院毕业设计 20 图 2-10升降运动模型 所有机构运动时间包括机械手的下降、拔刀、插刀、上升时间的总和。根据最初 设上升时间为 1s，下降距离为 90mm，故可以求出速度 0.09m/s。 大齿轮的圆周长 L=r2=23.140.047=0.29516m，故可以推算出大齿轮的转速 v大 =0.09/0.29516=0.3r/s=18r/min。根据传动比可以求出小齿轮的速度v小=18 45/17=48r/min,电机的转速也为 48r/min。 根据公式： c Z L i RG T （2.5） 式中 Z G：重力，R：滚筒的半径，为了方便计算，我们将大齿轮看作滚筒， c ： 提升的传动效率。 将数值代入式 2-5 得 L T= 95 . 0 95. 095. 095. 06 . 2 8 . 9047 . 0 5 . 56 =11.6MN 。通过具体分析 知道系统J=0.005,所以T =9+0.000548=11.8MN 。根据以上数据查询相关资料得 出电机型号：（见表 2-3） 太原工业学院毕业设计 21 表 2-3 步进电机参数表 电机型号步距角相数电压（v）电流 A 110BYG35010.6/1.2380-3503.5 相电感 mH惯量启动频率 Hz空载频率转矩 5 9 3 /cmkg 16003000012 2.3.3齿轮及齿条设计齿轮及齿条设计 1.选定齿轮 3、4 和齿条类型、精度等级、材料及齿数 1)选择齿轮材料确定许用应力 齿轮 3：MnB40钢，调质处理，齿面硬度 241-286HBS, 1limH =730MPa，最大弯 曲疲劳度 FE =600MPa； 齿轮 4:MnB40,表面淬火，接触疲劳极限 4limH =1130MPa， 4FE =690MPa； 由于设计要求，我们设： H S =1.1, F S =1.25；由于齿条所承受载荷较大，故材料 设定为 20CrMnTi，经过淬火处理后其硬度为 56-62HRC,最大接触疲劳度 1500MPa，最 大弯曲疲劳度 850MPa。根据上述可以求出齿轮 3、4 的许用接触应力： MPa SH H H 6641 . 1730 3lim 3 MPa H 10271 . 11130 4 可以求出齿轮 3、4 的许用弯曲应力： MPa SF FE F 48025. 1600 3 3 MPa F 55225 . 1 690 4 2）按齿面接触强度设计 mmN N P T 9 . 111055 . 9 3 6 1 由于齿轮各相关参数不确定，所以初步决定K =1.1,若加工中 IT =8，则K =1.0, 太原工业学院毕业设计 22 齿宽系数 4 . 0 a ， 查弹性系数表 118 E Z ,传动比6 . 2i， 节点区域系数 5 . 2 H Z .确定 齿轮 3 的分度圆直径： 3 2 1 3 1 2 H HE d ZZT d i i K 35 3)确定齿数、模数、齿宽和中心距 取 17 3 Z ， 2 . 44176 . 2 4 Z ，取整数 45； 模数 z d m 3 3 2 mmdb a 6 .13344 . 0 3 实际 mmZ34172 3 mmZ90452 4 所以 3 d=34mm 4 d=90mm; 中心距mm dd a62 2 43 4）验算齿轮弯曲强度 通过查齿轮齿形系数表可知道 05 . 3 3 Fal Y ， 4 . 2 4 Fal Y 通过查外齿轮齿根修正系数表可得 53 . 1 3 Sal Y ， 68 . 1 4 Sal Y 则可以验算设计的齿轮的弯曲强度是否满足使用要求： Z YYT bm K SalFal F 3 2 331 3 2 =100MP 7 式中：7 为量棒直径 （单位：mm） 量棒与刀柄槽相对位置如图 3-2 所示： 图 3-2手爪口尺寸计算 根据刀柄结构尺寸和上图所示计算两测量棒中心距： 6 D7=107.257=100.25 mm 故： 65 D7D OA1.375 2 mm 太原工业学院毕业设计 30 OA OP2.75 cos60 mm 7 CP2.750.75 2 mm 由图可知： CP PB sin60 APOA tg60 故y2 AB6.49mm 所以 54 DD xy23 2 tg60 mm 在设计过程中刀柄的结构形式必须与手爪口的结构形式相匹配。如图 3-3 所示： 图 3-3手爪口结构形式 3.2活动销的设计活动销的设计 3.2.1 活动销行程计算活动销行程计算 当刀具的刀柄部分被换刀机械手手爪夹持住 （刀具轴线与手爪口中心点重合） 时， 活动销在弹簧的作用下把刀具顶住，锁紧销在另外一根弹簧作用下把活动销锁住，从 而也把刀具锁紧了，防止在旋转过程中刀具被甩出去。其结构形式如图所示。系统发 出换刀指令后，机械手由原始位置转过90以实现抓刀动作，而两手爪上的长销 6 分 别被主轴前端面和刀库上的挡块压下，使轴向开有长槽的活动销 5 在弹簧的作用下移 太原工业学院毕业设计 31 动顶住刀具。机械手拔刀时，长销 6 与挡块脱离接触，锁紧销 2 被弹簧 3 弹起，使活 动销 4 顶住刀具不能后退，这样机械手在回转180时，刀具不会甩出。当机械手上升 插刀时，两长销又被挡块压下，锁紧销从活动销孔中退出，松开刀具，机械手便可反 转复位。 图 3-4：1、3弹簧2锁紧销 4活动销5刀具6长销 机械手抓刀瞬时动态图： 依上图机械手抓刀瞬时动态图可以知道机械手换刀过程中受力，但是当机械手旋 转时就可以将合力 合 F 平衡掉而我们必须注意到的地方就是值的大小。值的大小决 定了刀具是否能安全换刀。过大过小都会影响换刀。 太原工业学院毕业设计 32 图 3-5手爪抓刀动作图 故取=25，假定活动销滚轮直径为 1 d14mm 则有： 51 13 Dd O O748.7555.75 22 mm 活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为： 1413 O OO Osin2555.75 sin2523.56 mm； 3413 O OO Ocos2555.75cos2550.51 mm。 由上面的计算结论可得活动销的行程a: 1334 aO OO O55.7550.515.24mm 3.2.2 设计活动销尺寸设计活动销尺寸 由 机械设计手册 查得d6mm，30 mml的圆柱销 （GB119-86） ， 材料：35钢， 热处理硬度 2838HRC。 活动销的行程槽应大于行程a加上长销直径d： 故行程槽长度： 0 11.24ladmm，取 0 18lmm 行程槽宽b应等于长销的直径： b6mm 但考虑到配合间隙，且它们配合的要求不高，所以取b6.5。 设计活动销前端与刀柄接触部分： 太原工业学院毕业设计 33 根据 40#刀具的刀柄结构，活动销前端滚轮的结构如图 3-6 所示： 图 3-6 活动销结构图 其尺寸初步设定： 图中 1销子参考 机械设计手册 选择销子直径为 8mm； 2活动销滚轮直 径 14mm，上面的高度为 5mm，下面的高度为 3mm； 3活动销厚度为 7mm 3.2.3 活动销弹簧的设计活动销弹簧的设计 1） 弹簧的功用、种类及材料 弹簧的主要功用是： 控制机械的运动，例如内燃机中的阀门弹簧、离合器中 的控制弹簧； 吸收振动和冲击能量，例如车辆中的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹 簧； 储蓄能量，例如钟表弹簧； 测量力的大小，例如测力器和弹簧秤中的弹簧 等。 弹簧的基本型式，按照受力的性质，弹簧主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹 簧和弯曲弹簧四种。按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、 盘簧等。 弹簧材料应具有高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性和良好的热处理性能。在选 择弹簧材料时，应考虑弹簧的使用条件、功用及其重要程度。所谓使用条件是指载荷 性质、大小及其循环特性，工作温度和周围介质情况等。钢是最常用的弹簧材料。受 力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。非金属弹簧材料主要是 橡胶，软木、空气也可以用作弹簧材料。 太原工业学院毕业设计 34 2） 活动销弹簧的设计计算 活动销弹簧如图 3-7 所示，根据其设计要求初选弹簧材料为 65Mn 类弹簧，它 的使用性能参考机械设计手册（GB123976）。直径定为 d=1.6 ，中径 D2=10 图 3-7活动销的弹簧 利用弹簧材料可以查出，许用切应力 B 0.3 ，G=81000MPa。材料 65Mn的 抗拉强度 Ba 1650MP ，故 =495MPa 计算弹簧的旋绕比 C： 2 D C=6.25 d 旋绕比又称弹簧指数，当其他条件相同时，C 值愈小，弹簧内、外侧的应力差愈 悬殊，材料的利用率也就愈低。所以在设计时一般规定C4，不同簧丝直径荐用的旋 绕比见表： 表 3-2不同簧丝直径的旋绕比 d/0.10.40.511.22.22.567161840 C7145125104104846 根据上面计算出来的 C 值与表对照，该值符合要求。 确定曲度系数： 4c-10.615 k=1.24 4c-4c 太原工业学院毕业设计 35 弹簧能承受的最大载荷： 33 6 n 2 d1.6 P495 1064.2N 8kD8 1.24 10 由胡克定律计算出 F弹=kx1.245.256.51N n P 故弹簧截面直径 d: n 6 Pk c64.2 1.246.25 d1.61.61.46mm1.6mm 495 10 根据计算结果可知，初选弹簧的直径1.6 合乎要求。 弹簧的外径 2 DDd101.611.6mm 由于弹簧是放在活动销的凹槽中，因此凹槽的宽度应不小于 11.6mm，可以取其值 为 12mm。 手爪中还有一根用在锁紧销处的弹簧，但是它受力很小，主要实现锁紧销的 升降进而控制刀具的夹紧和放松。因此这根弹簧的强度要求不是很高，参数可以比上 面的弹簧稍小一些，直径取 1.6mm，中径取 6mm。 3.3换刀机械手手臂的结构与尺寸换刀机械手手臂的结构与尺寸 换刀机械手的手臂宽度应大于 40 #刀柄的直径 D 5，假定它的宽度为 110 。手爪 部分的圆锥挡块要与刀具柄部的键槽相配合，以防止刀具在自身的重力作用下滑，因 此圆锥挡块的直径为 25.7 。那么手爪的主体厚度应该大于挡块的尺寸，厚度过大， 机械手自身的重量增加，不仅浪费了材料，而且也不美观。综合各方面因素取其厚度 b40。 设计换刀机械手的总体尺寸时要充分考虑数控机床的结构和刀库的相互位置（布 局形式），也不能忽略它的强度、外形美观及成本等因素。通过查阅一些书籍，并且 到工厂实地考察参观了某些数控机床机械手与刀库的位置关系，从而将手爪中心到手 臂旋转中心的距离为 300 mm，那么手臂与手爪联接处到旋转中心的距离为 120 mm。 手臂尺寸示意图如下： 太原工业学院毕业设计 36 根据设计的要求选择机械手材料为 45 钢， 弯曲许用应力 a 100 MP 手臂截面尺 寸如图 3-8 所示： 图 3-8手臂截面形状 手臂的截面为一矩形，故 3 22 6z bh Ibh0.11 0.018 12 W5.94 10 hh 66 22 手臂的弯矩应该是工件和刀具自身重量对旋转中心的力矩，假设刀具和手臂的重 量为 30kg。即： max M3000.390 N m 弯曲应力： max maxa 6 M90 15.2 MP W5.94 10 由计算出的结果可知手臂强度满足要求。 太原工业学