卧式加工中心换刀机械手设计.doc

卧式加工中心换刀机械手设计 摘要机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具它担负着把刀库上的刀具送到主轴上再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务 设计思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀机械手的转动有回转液压缸运来实现其动力则由驱动系统实现 加工中心的自动换刀装置通常是由刀库和机械手组成它是加工中心的象征又是加工中心成败的关键环节因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速可靠性高的自动换刀装置以求在激烈的竞争中取得好效益自动换刀装置是加工中心的核心内容各厂家都在保密极少公开有关资料尤其机械手部分更是如此这种机械手的拔刀插刀动作大都由油缸动作来完成根据结构要求可以采用油缸动活塞固定或活塞动油缸固定的结构形式整个机械手由机械臂伸缩机构机械爪开合机构回转机构及装卸刀具直线运动机构组成SummaryThe machine hand changes the knife automatically to exchanges the main tool that knife have in the device it carry to have the knife the knife on the sends to the principal axis last useses again the principal axis the top already over of the knife has to return the knife the mission on the Designing the way of thinking is to uses the action of the machine hand realizes centrally to process to change the knife the machine turns to move the turn-over liquid presses the urn carries realize its motive is then from drive the system realizes Process the central changing the knife the device automatically usually constitute with the machine from the knife it is a key to process the central symbol again is process the center success or failure linkTherefore each process the center manufactory house to all obtain the performance in descend strongly research to manufacture action quickly dependable highly automatically change the knife device in order to in the vigorous competition change the knife automatically the device is to process the central core contents each factory house is all at keep secret minimum amount public relevant data particularly the cent of machine hand is also suchThis kind of machine pulls out the knife and put the knife acts mostly from oil an action to completeRequest according to the construction can adopt the oil urn move the piston fixsOr the piston moves oil a fixed construction formWhole machine hand from flexible organization in machine arm the machine claw opens to match the organization turning round the organization and packing to unload the knife have the straight line the sport the organization constitutes引言 本次设计的题目是加工中心的自动换刀装置中的核心部件-机械手的设计机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具它担负着把刀库上的刀具送到主轴上再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务设计此机械手的目的是为了使加工中心能够更快的的工作使加工中心能够得到更加充分的利用以实现其的价值所在再者由于使用了机械手减少由于人工换刀带来的生产效率低并且容易出事故的弊端本次设计的内容主要有回转液压缸装置和机械运动的驱动系统对于其中动作的实现则由电气控制来实现由于本人能力及学识有限在设计中存在有很多缺陷望老师们能多加指导加工中心的总体布局盘式刀库的卧式加工中心卧式加工中心的主轴是水平设置的卧式加工中心刀库容量一般较大有的刀库可存放几百把刀具卧式加工中心的结构较立式加工中心复杂占地面积大价格也较高卧式加工中心较适用于加工箱体之类的零件特别对箱体零件上的一些孔和孔系以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体容易得到保证适合于批量加工卧式加工中心的功能较立式加工中心多在立式加工中心上加工不了的工件在卧式加工中心上一般都能加工21 技术条件我们所设计的加工中心的主要的技术参数有 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 5s 选刀方式 任选22 总体布局我们设计的加工中心的总体布局如图11所示图11 卧式加工中心的总体布局23 卧式加工中心的机械结构主轴组件 对加工中心主轴组件的基本要求是具有足够的刚度精度传递足够的功率和转矩以及高速运转和适应自动换刀的条件主轴轴承多采用高精度高刚度高速滚动轴承卧式加工中心的主轴组件按进给功能分有镗轴进给滑枕进给及非进给主轴等类型大多数采用非进给型主轴立柱 立柱有侧面导轨型与正面导轨型侧面导轨型立柱便于机床的总体设计制造成本也较低并抑易于与非数控卧式镗铣床建立模块化系列关系但这类立柱在机床工作时受力状况较差且热变形的对称性差因而对机床加工精度影响较大正面导轨型立柱多采用门式结构有较好的热对称结构和受力条件多数加工中心采用这种立柱形式工作台 卧式加工中心可采用自动分度工作台数控回转工作台 换刀机械手的设计31 刀具的交换装置com 自动换刀装置加工中心区别于NC镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能即自动换刀ATC机能机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具它担负着把刀库上的刀具送到主轴上再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务加工中心的自动换刀形式可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式两类无机械手换刀方式适用于采用40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用量型刀具的重型机床这种换刀方式没有机械手因而结构简单另外刀库回转是在工步与工步之间即非切削时进行的因此虽然刀库设置在立柱顶面却免去了刀库回转时的震动对加工精度的影响无机械手换刀方式中刀库可以是圆盘型直线排列式也可以是格子箱式等无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度为保证转位准确就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙为此可采用双导程蜗杆蜗轮副或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式或采用插销定位反靠定位等方法来准确定位圆盘型刀库可设在立柱顶上立柱主轴箱的侧面也可设在横梁一端或设在主轴箱上由主轴箱和刀库配合运动完成自动换刀动作直线排列式刀库可设在工作台上方也可设在工作台的一端或两端由主轴箱或工作台配合运动完成自动换刀动作格子箱式刀库可设在双工作台的中间换刀时小直径刀具可轴向取刀大直径刀具可径向取刀加工中心的自动换刀装置通常是由刀库和机械手组成它是加工中心的象征又是加工中心成败的关键环节因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速可靠性高的自动换刀装置以求在激烈的竞争中取得好效益自动换刀装置是加工中心的核心内容各厂家都在保密极少公开有关资料尤其机械手部分更是如此无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度为保证转位准确就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙为此可采用双导程蜗杆蜗轮副或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式或采用插销定位反靠定位等方法来准确定位采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛这是因为机械手换刀有很大的灵活性而且可以减少换刀时间图见零号图自动换刀机械手换刀动作如表31所示表31 机械手的换刀动作机械手的种类 加工中心换刀机械手的种类繁多可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手在加工中心的自动换刀系统中是机械手具体执行刀具的自动更换对其要求是迅速可靠准确协调由于加工中心机床的刀库和主轴其相对位置距离不同相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同它们由各种形式的机械手来完成常见的机械手有单臂单爪回转式机械手机械手摆动的轴线与刀具主轴平行机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀换刀具的所花费的时间长用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合如图所示 图31 单臂单爪回转式机械手单臂双爪回转式机械手图32 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪两个卡爪有所分工一个卡爪只执行从主轴上取下旧刀送回刀库的任务另一个卡爪则执行由刀库取出新刀送到主轴的任务其换刀时间较上述单爪回转式机械手要短如图32所示双臂回转式机械手俗称扁担式这种机械手的两臂各有一个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具在回转180之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴是目前加工中心机床上最为常用的一种形式换刀时间要比前两种都短如图33-a 所示图33-a 双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂如图33-b 所示图33-b 双臂回转式机械手双机械手这种机械手相当与两个单臂单爪机械手相互配合起来进行自动换刀其中一个机械手执行拔旧刀归回刀库另一个机械手执行从刀库取新刀插入机床主轴上如图34所示图34 双机械手双臂往复交叉式机械手图35 双臂往复交叉式机械手这种机械手两臂可往复运动并交叉成一定角度两个手臂分别称作装刀手和卸刀手卸刀手完成往主轴上取下旧刀归回刀库装刀机械手执行从刀库取出新刀装入主轴整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转以实现刀库与主轴之间的运送刀具工作如图35所示双臂端面夹紧式机械手这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面如图36所示图36 双臂端面夹紧式机械手由于双臂回转式机械手的动作比较简单而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库集中的刀具换刀时间较短我们本次设计所要求的换刀时间为5秒故我们选用双臂回转式机械手如果我们采用不能伸缩的机械手由于机械手回转时其手部回转半径较大如刀库中刀具排得较密可能碰撞刀具且用这种类型的机械手直接在刀库与主轴之间换刀只宜采用顺序换刀或刀具编码式任意选刀不然换刀时间将增加故我们采用可伸缩式的双臂回转机械手com 手爪的选择1单臂双爪式机械手的手爪 这种机械手的手爪大都采用机械锁刀方式有些大型加工中心亦有采用机械加液压锁刀方式以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出较普通采用的机械锁刀方式手爪弹簧销式手爪如图A-A放大图它是目前加工中心上用较多的一种手臂的两端个有一个手爪刀具被弹簧2推着的活动销4类似于人的手指顶靠在固定爪5中锁紧销3被弹簧1顶起使活动销4被锁住不能后退这就是保证了机械手在换刀过程中手爪中的刀具不会被甩出当手臂处于抓刀位置时锁紧销2被设置在主轴伸出端或刀库上的撞块压下活动销4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 此外钳形手的杠杆手用得也较普遍 锁销2在弹簧作用下其大直径外圆顶着止退销3杠杆手爪6就不能摆动张开手爪中的刀具就不会被甩出当抓刀或还刀时锁销2被装在刀库或主轴端处的撞块压回止退销3和杠杆手爪6就能摆动张开刀具就能装入或取出 钳型手和杠杆手均为直线运动抓手机械手的手爪在抓住刀具后还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双臂回转式机械手的手爪大都采用机械锁刀方式有些大型加工中心亦有采用机械液压锁刀方式以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出手爪的形式有机械锁刀手爪弹簧销式手爪使用这种形式的抓持机构手爪不需要设置专门的传递装置因而结构简单使用广泛但在机械手有旋转运动时为避免刀具甩脱手爪就必须有自锁夹持机构其结构较复杂钳形杠杆机械手这种机械手手爪的张合需要动力传递装置传动较复杂但手爪的结构可较简单使用也较普遍虎钳形指在手爪中设有定位销使刀具在手爪中定位用这种形式的夹持机构时刀具需经特殊补充加工不能使用标准刀具所以使用者较少我们在这里采用第一种手爪com 刀具的夹持在刀具自动交换装置上机械手抓刀具的方法大体上可以分为下列两类柄式夹持轴向夹持发兰式夹持这种夹持方式在刀具夹头的前端有供机械手用的发兰盘采用发兰式夹持当应用中间搬运装置时可以很方便地从一个机械手将刀具夹头过渡到另一个辅助机械手上去刀具夹头采用带洼形的法兰盘夹持刀夹在这里我们采用第一种夹持方式刀柄型号为BT40图37所示为标准刀具夹头的锥柄柄部由图可见刀柄圆柱部分的V形槽是供机械手夹持之用带V形槽圆柱右端按所装刀具例如钻头铣刀铰刀及镗杆等不同根据标准可设计成不同形式图37 刀柄的型式表3-1为日本BT标准刀柄的尺寸表3-1 日本BT标准刀柄的尺寸柄部型号锥 体螺 纹 孔凸 缘D1Lrl1l2l3d1gd2tbBT40444565419307017M1619225161BT4557158281211387021M202329193BT50698510181513459025M2427353257柄部型号凸 缘参考尺寸L1WD2D3TYY1VdD4BT402101253632516161661075679BT452601268803032322121295215BT5031020851003532322321511901932 机械手的驱动装置这种机械手的拔刀插刀动作大都由油缸动作来完成根据结构要求可以采用油缸动活塞固定或活塞动油缸固定的结构形式整个机械手由机械臂伸缩机构机械爪开合机构回转机构及装卸刀具直线运动机构组成图见自动换刀机械手的驱动装置和驱动装置外形com 手臂的伸缩运动回转头的两端对称分布着两个机械臂可以同时伸出抓刀机械臂伸缩机构由回转液压缸1见驱动外形图输出轴47齿轮44以及齿条39和45组成见自动换刀机械手图当压力油通过支架28和贯穿花键轴30的通孔见换刀机械手驱动装置图进入回转液压缸1时推动输出轴47转动轴上的齿轮44便带动齿条39和44作直线运动使两只机械臂同时伸出通过齿条39及44上的挡块52压向调整螺钉53来限制终点位置同时由左视图中的微动开关30发出信号以进行下一个动作当回转液压缸改变油路时机械臂便缩回com 手爪的开合见自动换刀机械手图机械臂的头部带有固定手爪14与活动手爪18用来夹持刀柄之用活动手爪18可绕小轴15转动其一端由弹簧杆19作用支靠在小轴20上当弹簧顶杆3未碰到挡块13而自由伸出时挡杆22在弹簧作用下其一端的斜面与活动手爪18的端部斜面台阶相靠从而将活动手爪18锁死当挡块13左移将弹簧顶杆3压入时顶杆3的一端迫使杠杆21顺时针转动这样杠杆21的一端将挡杆22的斜面自活动手爪18的端部斜面滑开因此当活动手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回时刀柄表面可使活动手爪18压缩弹簧而稍微张开这样机械爪即可将刀柄抱住或退出与此同时齿条44或39上的挡杆压于调整螺钉而限位同时微动行程开关动作发出下一动作的信号由于机械爪伸向刀柄拔刀或插刀后收回都是当机械手处于轴向向左移动后的位置上进行的为了使机械手的活动手爪18在这时能从自锁状态下松开在机床床身立柱上设有固定杆35在机械臂的一侧有挡块装置挡块13锥孔盘4在端面上周向均匀分布有4个锥孔和轴9固定相连轴9装于支架12内其右端又与一端盖10用螺纹固定当挡块13未与固定杆35相碰时锥孔盘4处于与钢球5相对位置弹簧销11顶着端盖10使锥孔盘4紧靠于支架12的端面上此时机械臂的弹簧顶杆3自由伸出活动手爪1处8于锁死状态当机械手轴向向右移动后固定杆35迫使挡块13转动由于此时锥孔盘4端面上的锥孔与钢球5错开这样锥孔盘4即连同挡块13轴9端盖11压缩弹簧销11向左移动挡块13即将机械臂上的弹簧顶杆3压入将活动手爪18自锁紧状态下松开当机械爪伸出抓住刀柄后机械手轴向向左伸出此时挡块13亦同时离开固定杆35借弹簧1的作用将挡块13拉回原来的锥孔盘4上锥孔与钢球5相对的原始位置由弹簧销11的作用使挡块13又向右移动至锥孔盘4与支架12端面压紧的位置这时机械臂上的弹簧顶杆3又自由伸出将活动手爪18锁死保证机械手将刀具拔出后机械手能将刀具可靠地夹紧com 回转运动见驱动装置图回转机械用来实现刀具的交换动作由图驱动外形装置图可见它由手臂14回转座51组成的手臂14与花键轴50固定连接花键轴与两个花键套筒49相连后者则由固定在机床立柱上回转座51上的两个滚动轴承支撑齿轮41通过花键轴套筒安装在花键轴的右端回转液压缸的结构见第三张图回转缸壳体79和上端盖86下端盖74定片93间均用螺钉联接并将它们作为一体通过上端盖与固定在立柱上转轴2支承在上下端盖上与动片90固定联接其伸出端通过花键轴部分与中间座的齿轮联接向手臂传递运动当液压缸通入高压油而使转轴转动时通过传动齿轮99带动齿轮41回转这样由花键轴50带动手臂14转动其转角两相对180的极限位置可由螺钉67及53限定同时由螺钉65及68压下微动开关69及52发出到位信号以进行下一个动作com 直线运动回转头14的向左或向右拔刀或插刀的直线运动是由液压缸来实现液压缸座系固定于机床立柱上活塞杆端部有联接件与花键轴相连当活塞杆因液压缸进入高压油而向左或向右运动时通过联接件即可带动花键轴作直线运动从而带动回转头及机械手臂作向左或向右运动在液压缸两端设有缓冲装置可防止活塞与液压缸端面的撞击当活塞在左右两极限位置时都设有可调挡块由微动开关作用发出到位信号需要提醒的是既要保证不漏油又要保证机械手动作灵活过紧的密封往往影响机械手的正常动作这种液压缸活塞驱动的机械手每个动作结束之前均需设置缓冲机构以保证机械手的工作平稳可靠缓冲结构可以是小孔节流可以外接节流阀或是缓冲阀等为了使机械手工作平稳可靠除了要设有缓冲机构外还要考虑尽可能减小机械手的惯量圆柱体围绕旋转中心的运动惯量可由下式确定J J0WR298 com2 式中 J0圆柱体绕其自身中心的惯量Nms2W圆柱体的重量NR旋转半径 m 由上式可见惯量与物体重量成正比与旋转半径的平方成正比因此要尽可能采用密度小质量请的材料制造有关的零件要尽可能的减小机械手的回转半径由于液压驱动的机械手需要采用严格的密封因此还需要缓冲机构33 设计计算com 手指夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下式计算Nk1k2k3G kgf式中k1安全系数通常取122我们取k1 18 k2动载系数主要考虑惯性力的影响可按k21ag估算a为机械手在搬运过程中的加速度单位为ms2a98ms2g为重力加速度所以这里k2 1k3方位系数按机械工程手册第10卷表562-3选取k3 0911我们取k3 10G被夹持工件的重量单位kg这里G 11kg则我们设计的机械手手指的夹紧力为N1811011 kgf 198 kgfcom 齿轮的设计齿轮传动按照两齿轮轴在机构中相对位置的不同分为两轴相互平行两轴相交和两轴交错即不平行也不相交三类用与平行轴传动的有直齿斜齿圆柱齿轮直齿斜齿内齿轮直齿斜齿缘这些齿轮有称为平面齿轮用与相交轴传动的有两轴线垂直相交和两轴线相交但不垂直的直齿圆弧齿延伸外摆线齿锥齿轮用与交错轴传动的有螺旋齿轮蜗轮蜗杆和轴线偏置的锥齿轮双曲线齿轮这些齿轮又称空间齿轮齿轮齿形曲线主要采用渐开线其它还有摆线圆弧线等由于渐开线齿形容易制造便于安装所以大多数齿轮采用渐开线齿形齿形标准摘自JB-100-60JB304-62齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一形式很多应用广泛传递的功率近十万千瓦圆周速度可达200ms齿轮传动按照两齿轮轴在机构中相对位置的不同一 齿轮传动主要特点效率高 在常用的机械传动中以齿轮传动的效率为最高如一级圆柱齿轮的效率可达99这对大功率传动十分重要因为即使效率只提高1也有很大的经济效益结构紧凑 在相同的使用条件下齿轮传动所需的空间尺寸一般较小工作可靠寿命长 设计制造正确合理使用维护良好的齿轮工作十分可靠寿命可长达一二十年这也是其它机械传动所不能比拟的这对车辆及矿井内工作的机器尤为重要传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求齿轮传动获得广泛应用也就是由于这一特点但是齿轮传动的制造及安装精度要求高价格较贵且不宜用于传动距离大的场合齿轮传动可做成开式半开式及闭式如在农业机械建筑机械以及简易的机械设备中有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳齿轮完全暴露在外边这叫开式齿轮传动这种传动外界杂物极易侵入而且润滑不良因此工作条件不好轮齿也极易磨损故只宜用于低速传动当齿轮传动装有简易的防护罩有时还把大齿轮部分地浸入油池中则称为半开式齿轮传动它的工作条件虽有改善但仍不能做到防止外界杂物侵入润滑条件也不算最好而汽车机床航空发动机等所用的齿轮传动都是装在精确加工而且封闭严密的箱体机匣内这称为闭式齿轮传动齿轮箱它与开式或半开式相比润滑及防护等条件最好多用于重要的场合二 设计原则所设计的齿轮传动在具体的工作情况下必须具有足够的相应的工作能力以保证在整个工作寿命期间不致失效目前设计一般使用的齿轮传动时通常按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算设计齿轮传动时应使齿面具有较高的抗磨损抗点蚀抗胶合及抗塑性变形的能力而齿根要有较高的抗折断的能力因此对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬齿芯要韧常用的齿轮材料有钢铸铁和一些非金属材料三 设计步骤整个回转头回转180换刀的运动是由回转液压缸8驱动回转液压缸的输出轴上安装有齿轮99齿轮41装在套筒上回转液压缸固定在立柱上当回转液压缸动片转动时齿轮99带动齿轮41转动其转角的极限位置可由螺钉限定同时有微动行程开关发出到位信号其运动的计算公式为4199 Z2Z1Z2式中41 -回转头的回转角度 99-回转缸动片的转角 Z1-齿轮41的齿数 Z2-齿轮99的齿数由于在这里44 18099 280即180280 Z2Z1Z2解得两齿轮的齿数比 Z2Z1 18选定齿轮类型精度等级材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动换刀机械手换刀时速度较高我们选用6级精度GB10095-883材料选择由表10-1选择小齿轮材料为40Cr调质硬度为280HBS大齿轮材料为45钢 调质 硬度为240HBS二者材料硬度差为40HBS4选小齿轮齿数为Z1 24大齿轮齿数Z2 Z1 1824 432取Z2 43按齿面接触强度设计由设计公式10-9a进行计算即d1t232 KtT1d 1 ZEH 2 13 1 确定公式内各计算式数值试选载荷系数Kt 13计算小齿轮传递的转矩T1 955105P1n1 95510530 1460Nmm 1962105Nmm由表10-7选取齿宽系数d1由表10-6查的材料的弹性影响系数ZE 1898MPa12由图10-21d按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1 600MPa大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2 550MPa 由式10-13计算应力循环次数N1 60n1jLh 60146012830015 6307109N2 414710932 1296109由图10-19查得接触疲劳寿命系数KHN1 091K HN2 094计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1安全系数S 1由式 10-12 得H1 KHN1Hlim1S 091600MPa 546MPH2 KHN2Hlim2S 094550Mpa 517Mpa2 计算试算小齿轮分度圆直径d1t代入H中较小的值d1t232 KtT1d 1 ZEH 2 13 232 1319621051 471 47 1098517 2 13 80445mm计算圆周速度vv d1tn1601000 804451460601000ms 615ms计算齿宽bb dd1t 180445 80445计算齿宽与齿高之比bh模数 mt d1t Z1 8044524 3352齿高 h 225mt 2253352mm 754mmbh 80445754 1067计算载荷系数根据v 615ms6级精度由图10-8查得动载荷系数KV 102直齿轮 假设KAFtb100NH KF 12由表10-4查得使用系数KA 1由表10-4查的7级精度小齿轮相对支承非对称分布时KH 112018 106d2 d202310-3b将数据代入后得KH 112018 10612 1202310-380445 175由bh 1067 KH 175查图10-13得KF 135故载荷系数K KAKVKHKH 110212175 2142按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径由式10-10a得d1 d1t KKt 23 80445 214213 23 95011 Z1 950124 395m 2KT1d Z12 YFaYSaF 131 确定公式内的各计算数值由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1 500MPa大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2 380MPa由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数KFN1 085KFN2 088计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S 14由式10-12得F1 KFN1FE1 08550014MPa 30357Mpa F2 KFN2FE2 08838014MPa 23886MPa计算载荷系数K KAKVKFKF 110212135 1944查取齿形系数由表10-5 查得YFa1 265YFa2 2226查取应力校正系数由表10-5查得YSa1 158YSa2 1764计算大小齿轮的YFaYSaF并加以比较YFa1YSa1F1 26515830357 001379YFa2YSa2F2 2226176423886 001644大齿轮的数值大2设计计算 m21944994810512420164413 2792对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径即模数与齿数的乘积有关可取由弯曲强度算得的模数2792并就近圆整为标准值m 3按接触强度算得的分度圆直径d1 9501算出小齿轮齿数z1 d1m 95013 32大齿轮齿数z2 z1 1832 576取z2 58这样设计出的齿轮传动既满足了齿面接触疲劳强度又满足了齿根弯曲疲劳强度并做到结构紧凑避免浪费几何尺寸计算计算分度圆直径d1 z1m 323 96 d2 z2m 583 1742计算中心距a d1d2 2 961742 1343计算齿轮宽度 b dd1 196 96验算 Ft 2T1d1 2196510596N 40875NKAFtb 14087596N 4258 N100 N合适另外机械手臂的伸出和缩回是通过齿轮齿条传动进行的其设计过程与此相似由于受篇幅的限制这里就不再叙述设计步骤轴的设计轴是组成机械的一个常用的重要零件它支持着其他转动零件如齿轮蜗轮等零件回转并传递转矩它由轴系支持轴承则安放在箱体或机架上面轴承轴和轴上零件形成一个组成体称为轴系组成轴系的主要零件-轴轴承联轴器等称为轴系零件轴设计的主要问题轴的设计主要包括轴的材料选择结构设计轴的强度刚度和振动稳定性计算等设计轴的主要步骤如下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是组成机械的一个重要零件它支承着其他转动件回转并传递转矩同时它又通过轴承和机架联接所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动形成了一个以轴为基准的组合体轴系部件一 轴的总类轴按受载情况分为转轴心轴和传动轴其中转轴既支承传动机件又传递力即承受弯矩和扭矩两种作用心轴只起支承旋转件作用而不传递动力即只承受弯矩作用传动轴主要传递动力即主要承受扭矩作用按结构形状分为光轴阶梯轴实心轴空心轴等按几何轴线形状分为直轴曲轴钢丝软轴设计轴时应考虑多方面的因素和要求其中主要问题是轴的选材结构强度和刚度对于高速轴还应考虑震动稳定性问题二 轴的常用材料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354550优质碳素钢对于受载较小或不太重要的轴也可以用A3A5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三 轴的设计过程我们设计的驱动装置中所采用的轴主要作用是既可以在插刀拔刀时带动整个机械手左右移动又可在交换刀具时带动回转头转动由于这两个动作是分离的我们在这里采用花键轴该花键轴左端与回转头固定联接两个花键套筒通过轴承安装在机床立柱上的回转座内齿轮41通过花键套筒安装在花键轴的右端当回转缸通入压力油而使转轴转动时通过传动齿轮99带动齿轮41转动这样花键轴即可带动回转头转动又由于直线液压缸活塞杆端部有联接件与花键轴相连当活塞杆因油缸进入高压油而向左或向右运动时通过联接件即可带动花键轴作直线运动从而带动回转头及机械臂作向左或向右运动已知条件花键轴传递的功率为P 30KW轴的转速为n 1460rmin估算轴径选择轴的材料为40Cr经调质处理由机械设计手册第四卷表261-1查得材料机械性能数据为 b 750MPa s 550MPa -1 350MPa -1 200MPa根据表263-1公式初步计算轴径由于材料为40Cr由表263-2选取A 100则得 dmin A Pn 13 100 301460 13 273我们选用花键轴的尺寸为Ddb 655610轴的结构设计如图38-a 所示轴上受力分析如图38-b 所示轴传递的转矩为T1 955106Pn 955106301460 N 1962105 N齿轮的圆周力为Ft 2T1d1 2196210596 N 4088 N齿轮的径向力为Fr Fttg 4088tg20 N 1488 N图38求支反力在水平面上的支反力图38-c由 MA 0得RBZaFr ab 0则 RBZ Fr ab a 1488 28080 280N 191314N由 Z 0得RAZ FrRBZ 14881913 425N数值为负表示方向与图示方向相反在垂直面内的支反力图38-e由 MA 0得RByaFt ab 0则 RBy Ft ab a 4088 28080 280N 5256N由 Y 0得RAy FtRBy 40885256 1168N数值为负表示方向与图示方向相反作弯矩和扭矩图齿轮的作用力在水平平面的弯矩图如图38-d所示MDZ RAZ ab 425 28080 N 153000NMDZ RBZb 191380 N 153000N齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图如图38-f所示MDy RAy ab 1168 28080 N 420000NMDy RByb 525880 N 420000N齿轮作用力在D截面作出的最大合成弯矩为Md MDZ2MDy2 12 153000 2 420000 2 12 N 447000 N作出扭矩图如图28-g所示T1 1960000 N轴的强度校核确定危险截面根据轴的结构尺寸以及弯矩图扭矩图截面B处弯矩较大且具有轴承配合引起的应力集中截面D处弯矩最大且有齿轮配合与键槽引起的应力集中故属危险截面现对D截面进行强度校核安全系数的校核计算由于该轴转动弯矩引起对称循环的弯应力转矩引起的为脉动循环的剪应力弯曲应力副为 MDWW抗弯截面系数由公式W d4 Dd Dd 2zb32Dd4 Dd Dd 2zb32D 564 6256 6256 26103262 20029 MPa所以 MDW 44700020029 MPa 18091 MPa由于是对称循环弯曲应力故平均应力m 0根据公式263-2S -1 K m确定公式内的各计算数值-140Cr弯曲对称循环应力时的疲劳极限由表261-1查得-1 350MPaK正应力有效集中系数由表263-6用插值法求得750700800750 K160165K得 K 1625尺寸系数由表263-11查得 068表面质量系数轴按磨削加工由表263-9查得 068代入公式得S 350106 162518091092068 1060 745剪应力副为m T12WTWT抗扭截面系数由公式W d4 Dd Dd 2zbD 564 6256 6256 26101662 36182 MPa所以 m T12WT 196000103236183 MPa 27 MPa由公式263-2S -1 K 确定公式内的各计算数值-140Cr弯曲对称循环应力时的疲劳极限由表261-1查得-1 200MPaK弯应力有效集中系数由表263-6用插值法求得750700800750 K245255K得 K 25尺寸系数由表263-11查得 068表面质量系数轴按磨削加工由表263-9查得 068平均应力折算系数由表263-13查得 029代入公式得S 200106 2527092068 10602927106 2032则 Sca SS S2 S212 7452032 74522032212 699由表263-4可知S 1325故SS则该轴是安全的com 轴承的设计滚动轴承是现代机器中应用广泛的部件之一它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的其优点主要有摩擦阻力小功率消耗少起动容易等一 轴承的分类如果仅按轴承用于承受的外载荷不同来分类时滚动轴承可以概括地分为向心轴承推力轴承和向心推力轴承主要承受径向载荷的轴承叫做向心轴承只能承受轴向载荷的轴承叫做推力轴承能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承叫做向心推力轴承二 轴承的选用原则轴承的选用包括类型尺寸精度游隙配合以及支承形式的选择首先是选择轴承的类型在选择时应考虑的主要因素有轴承的载荷转速和调心性能安装和拆卸等根据载荷的大小选用轴承类型时由于滚子轴承中的主要元件是线接触宜用于承受较大的载荷承载后的变形也较小而球轴承中则主要为点接触宜用于承受较轻的或中等的载荷故在载荷较小时应优先选用球轴承根据载荷的方向选择轴承时对于纯轴向载荷一般选用推力轴承对于纯径向载荷一般选用深沟球轴承圆柱滚子轴承或滚针轴承当同时承受径向载荷和轴向载荷而轴向载荷不大时可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承当轴向载荷较大时可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承在一般转速下转速的高低对类型的选择不会发生什么影响只有在转速较高时才会有比较显著的影响球轴承与滚子轴承相比较有较高的 极限转速故在高速时应优先选用球轴承轴承的极限转速是在一定载荷和一定润滑条件下滚动轴承所能允许的最高转速它与轴承类型尺寸精度游隙保持架的材料与结构润滑方式润滑剂的性质与用量载荷的大小与方向以及散热条件等因素有关此外轴承类型的选择还应该考虑轴承装置整体设计的要求如轴承的配置使用要求游动要求等三 轴承的设计过程根据以上原则我们在设计中花键套筒的支撑我们选用角接触球轴承它可以同时承受径向载荷和轴向载荷也可单独承受轴向载荷能在较高转速下正常工作由于一个轴承只能承受单向的轴向力因此一般成对使用且承受轴向载荷的能力与接触角有关接触角大的承受轴向载荷的能力也高成对安装的角接触球轴承是由两套相同系列的单列角接触球轴承选配组成作为一个支承整体按其外圈不同端面的组合分为背对背方式和面对面方式两种背对背方式是指一个支承上的两个轴承小口相对构成70000DB型面对面方式是指一个支承上的两个轴承大口相对构成70000DF型我们采用70000DF型在进行寿命计算时其基本额定动载荷和基本额定静载荷均应取双列轴承的数值如单列轴承的基本额定动载荷和基本额定静载荷分别为CrC0r则成对安装的轴承的基本额定动载荷为C i07Cr基本额定静载荷C0 iC0r其中I为支撑整体中单个轴承数极限转速为单个轴承的6080花键轴的D 62我们选用轴承型号为7214AC参数见下表轴承型号dDBar1minCrC0r极限转速rmin7214AC7012524351066925756700其中极限转速是采用油润滑的转速若采用脂润滑极限转速为4500 rmin轴承的安装如图39所示图39已知条件轴上齿轮受切向力 Ft 4088N齿轮受径向力 Fr 1488N齿轮的分度圆直径为 d 96齿轮转速为 n 1460rmin运动中无冲击轴承预期计算寿命为 Lh 15000h成对安装的7214AC轴承基本额定动载荷为C i07Cr 207692KN 1124KN基本额定静载荷为C iCr 2575KN 115KN求两轴承受到的径向载荷Fr1和Fr2将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面图39-b和水平面图39-3c两个平面力系其中图39-c的Ft是通过另加转矩而平移到的指向轴线由分析可知Fr1V Fr 28080 280 1488360280N 191314NFr2V Fr- Fr