卧式加工中心换刀机械手设计说明书

11 前言1.1 机械手发展历史与现状随着经济的不断发展，客户的需求日益多样化，人们对制造企业的生产模式提出了更高的要求，大批量的生产方式将逐渐被模块化、柔性化的生产方式所取代。因此，企业对制造装备提出了更高的要求，柔性化的数控加工设备将成为装备制造业发展的主流。因此，将卧式加工中心的机械手设计作为毕业设计题目，迎合了装备制造业发展趋势。卧式加工中心的换刀机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它用来把刀库上的刀具送到主轴上，同时把主轴上已用过的刀具返回刀库。据不完全统计，全世界的工业机器人中大约有近一半的工业机器人用于各种形式的加工中心的自动换刀领域。目前用得最广泛的是模仿人的手臂功能的多关节机器人，其手臂灵活性最大，可以使换刀卡爪的空间位置和姿势调至任意状态，满足换刀需求。我国的机械手起步于 20 世纪 70 年代初期，经过 30 多年发展，大致经历了3 个阶段：70 年代萌芽期、80 年代的开发期和 90 年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今，我国正在从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。不仅如此，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件。国际上，目前机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。例如，德国的CLOOS、REIS、KUKA 公司；瑞典的 ABB 公司；奥地利的 IGM 公司；意大利的 CAMAU 公司；日系有 OTC、Panasonic、FANUC 公司在机器人方面都做的比较好。从机器人技术发展趋势看，自动换刀机器人和其它工业机器人一样，正在不断向智能化和多样化方向发展。1.2 设计目的及意义1.2.1 设计目的本次设计主要为卧式加工中心设计其用于换刀的机械手部分，目的是为了使加工中心能够更快的工作，使加工中心能够得到更加充分的利用，以实现其价值所在。再者，使用了机械手，有效的减少了由于人工换刀带来的2生产效率低，并且容易出事故的弊端。1.2.2 设计意义伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危害生命安全。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识，因此设计机械手有着很大的意义：（1）能够部分地代替人工操作，减轻人力劳动；（2）能够按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸，改善劳动条件，大大的避免了人身事故；（3）能够显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。32 设计内容本次设计参照设计项目要求及技术指标确定机械手结构设计和驱动装置所要选用等技术参数，确定结构方案，绘制部件装配图及主要零件图纸。设计的主要内容有机械手臂和机械手的驱动系统的设计。该机械手的手臂伸缩运动拟采用回转液压缸联合齿轮齿条传动，能较好地解决机械手在运动过程中的动力问题，具有传动平稳，机械效率高等优点。由于机械手的存在，使得在现代化的企业中可以很好的实现自动化和减少人工费用,同时可以解决在生产过程中，作业者劳动强度大的难题并能满足加工中人工无法达到的精度要求。由于采用齿轮传动使得机械手可以传递较大的动力，并且由于内部轴及外部外筒在作用使其可以承受较大的扭矩和足够的应力变化。并且机械手有几个方向上的自由度，可以进行多方位工作。其驱动系统的回转与直线运动拟采用液压缸来实现，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。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。设计的具体内容如下：（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）对设计中所设计到的液压缸通过计算确定某个部分结构的具体尺寸，并对活塞杆的强度、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。经过以上设计内容，可达到设计的目的和要求，使机械手做到 开始（缩手）-伸手抓住刀具并夹紧-直线伸出拔出刀具-手臂同时缩回-逆时针旋转180-手臂同时伸出-直线回程插入刀具-松手同时缩回-复位的全部换刀动作，并保证换刀过程中的可靠性、安全性以及稳定性。43 设计方案3.1 机械手换刀运动流程本次机械手换刀运动流程拟采用以下方式：开始（缩手）-伸手抓住刀具并夹紧-直线伸出拔出刀具-手臂同时缩回-逆时针旋转 180-手臂同时伸出-直线回程插入刀具-松手同时缩回-复位。如下图所示：3.2 刀具的交换装置加工中心和其他数控机床的区别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，同时把主轴上已用过的刀具5返回刀库上的任务。下面介绍机械手各部分组成结构的方案选择。3.2.1 机械手的种类选择常见的机械手种类有:（1）单臂单爪回转式机械手：如下图 1 所示： 图 1. 单臂单爪回转式机械手这种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，适用于刀库换刀位置与刀座的轴线平行的场合。但是换所花费的时间长。（2）单臂双爪回转式机械手：如下图 2 所示：6图 2. 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪各有所分工，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。（3）双臂回转式机械手（俗称扁担式）：如下图 3.1 所示：图 3.1 双臂回转式机械手这种机械手两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180之后又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。另外，这种机械手在设计中有的还采用了可伸缩的臂，如下图 3.2 所示：7图 3.2 可伸缩双臂回转式机械手这种带有可伸缩臂的机械手，在刀库中刀具排列较紧密的情况下，可以有效的避免机械手碰撞刀具的危险，使用也比较广泛。（4）双机械手：如下图 4 所示：图 4. 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。其中一个机械手用来拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手则从刀库取出“新刀”插入机床主轴上。（5）双臂往复交叉式机械手：如下图 5 所示：8图 5.双臂往复交叉式机械手这种机械手的两臂可往复运动，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”归回刀库的运动，装刀手执行从刀库取出“新刀”装入主轴的运动。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交换刀具工作。（6）双臂端面夹紧式机械手：如下图 6 所示：图 6.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。结论：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中的刀具，换刀时间较短。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。综上所述，本次设计采用可伸缩式的双臂回转机械手。3.2.2 机械手爪形式的选择常见的手爪形式有：（1）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。9（2）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。（3）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。结论：机械手的手爪在抓住刀具后，必须有锁刀功能，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。综上所述，本次机设计将选择机械锁刀手爪弹簧销式手爪。3.2.3 刀具夹持方式的选择在刀具自动交换装置上，机械手夹持刀具的方法大体上可以分为以下两类：（1）柄式夹持（轴向夹持） 。（2）法兰式夹持：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。结论：根据给定技术要求，本次设计将采用柄式夹持方式，刀柄型号为BT40。3.3 机械手的驱动装置这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压油缸来完成。根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；或者活塞动，油缸固定的结构形式。整个机械手由机械臂伸缩机构，机械手爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线运动机构组成（见自动换刀机械手的驱动装置和驱动装置外形图） 。3.3.1 机械手臂伸缩运动机构的选择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 40，齿轮 43 以及齿条 42 和 48 组成（见自动换刀机械手图） 。当压力油通过支架 6（见驱动外形图）和贯穿花键轴 50 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40 转动，轴上的齿轮 43 便带动齿条 42 和 48 作直线运动，使两只机械臂同时伸出，通过齿条 42 及 48 上的挡块 36 压向调整螺钉 35 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。3.3.2 机械手爪开合运动机构的选择机械臂手爪由固定手爪 14 与活动手爪 18 共同组成，用来夹持刀柄。活动10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，其一端的阶梯面与活动手爪 18 的端部的阶梯面相靠，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 的阶梯面从活动手爪 18 端部的阶梯面滑开。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 42（或 48）上的挡块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。由于手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 能在此同时从自锁状态下松开，在机床床身立柱上设有固定杆 52，在机械臂的一侧有挡块装置。挡块 13、锥孔盘 4 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 52 相碰时，锥孔盘 4 处于与钢球 5 接触位置，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 18 处于锁死状态。当机械手轴向向右移动后，固定杆 52 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 10、压缩弹簧销 11 向右移动。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 同时离开固定杆 52，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 连同锥孔盘 4、轴 9 和端盖 10又向左移动至锥孔盘 4 与支架 12 端面压紧的位置。这时机械手爪上的弹簧顶杆3 又自由伸出，将活动手爪 18 锁死，以保证机械手将刀具拔出后，能将刀具可靠地夹紧（详情见机械手图） 。3.3.3 机械手驱动系统中回转运动机构的选择回转机构用来实现刀具的交换动作，由驱动外形图可见它由手臂 14、回转座 58 等组成。手臂 14 与花键轴 50 固定连接，花键轴与两个花键套筒 30 相连，后者则由固定在机床立柱上的回转座 58 上的两个滚动轴承支撑。齿轮 38 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88 和上端盖 95、下端盖 83、定片 78 间均用螺钉联接，并将它们作为一体通过上端盖固定在立柱上。转轴 73 支承在上、下端盖上，与动片 76 固定联接，其伸出端与和花键轴上的齿轮相啮合的齿轮 70 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 70 带动齿轮 38 回转，这样，由花键轴 50 带动手臂 14 转动，转动 180的极限位置可由两个螺钉 33 限定，同时由两个螺钉 31 分别压下微动开关 32 及 37 发出到位信号，以进行下一个动作。3.3.4 机械手驱动系统中直线运动机构的选择11回转头 15 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，从而带动回转头和机械手臂向左或向右运动。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，都设有挡块和调整螺钉，由微动开关作用发出到位信号。4 设计计算4.1 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：k 1安全系数，通常取 1.22，在此我们取 k1=1.8；k2动载系数，主要考虑惯性力的影响，可按 k21a/g 估算；a 为机械手在搬运过程中的加速度，单位为 m/s2,a9.8m/s 2,g 为重力加速度，所以这里 k2=1；k3方位系数，根据机械工程手册 （第 10 卷）表 56.2-3 选取k3=0.91.1，在此我们取 k3=1.0;G被夹持工件的重量，单位 kg，取 G=11kg。则我们设计的机械手手指的夹紧力为：N1.811.011 = 19.8（kgf）4.2 齿轮的设计计算4.2.1 齿轮传动的特点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。其传动特点如下：效率高。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率最高。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，寿命可长达十几年，这也是其它机械传动无法比拟的。这对在车辆及矿井内工作的机器尤为重要。12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。4.2.2 齿轮的设计过程整个回转头回转 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 70，齿轮 38 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 70 带动齿轮 38 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：38/70=Z2/（ Z1+Z2）式中： 38 -回转头的回转角度70-回转缸动片的转角Z1-齿轮 38 的齿数Z2-齿轮 70 的齿数由于在这里 38=180， 70=280，即：180/280= Z2/（ Z1+Z2）解得：两齿轮的齿数比 = Z2/Z1=1.8(1) 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用直齿圆柱齿轮传动。2）换刀机械手换刀时速度较高，在此选用 6 级精度（GB10095-88 ） 。3）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 40HBS。4）选小齿轮齿数为 Z1=24,大齿轮齿数 Z2=Z1=1.824=43.2,取 Z2=43。(2) 按齿面接触强度设计由设计公式（10-9a）进行计算，即：d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3 1)确定公式内各计算式数值试选载荷系数 Kt=1.3；计算小齿轮传递的转矩：T1=95.5105P1/n1=95.510530/ 1460 =1.962105（N.mm）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：Z E =189.8MPa1/2；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 13=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=6014601（2830015 ）=6.30710 9N2=4.147109/3.2=1.296109由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 KHN1 =0.91;K HN2=0.94；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= KHN1Hlim1/S=0.91600=546（Mpa）H2= KHN2Hlim2/S=0.94550=517（Mpa）2)计算试算小齿轮分度圆直径 d1t,代入 H中较小的值:d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3=2.32(1.31.962105/1)(4.7+1)/4.7(109.8/517)21/3 =80.445(mm)计算圆周速度 v:v=d1tn1/601000=80.4451460/601000=6.15(m/s)计算齿宽 b:b=dd1t=180.445=80.445(mm)计算齿宽与齿高之比 b/h:模数: m t=d1t/ Z1=80.445/24=3.352齿高: h=2.25mt=2.253.352=7.54(mm)故: b/h=80.445/7.54=10.67计算载荷系数:根据 v=6.15m/s,6 级精度 ,由图 10-8 查得动载荷系数：K V=1.02;直齿轮 ,假设 KAFt/b100N/mm.由表 10-3 查得：K H=KF=1.2;由表 10-4 查得使用系数：K A=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=1.12+0.18(1+0.6d2)d2+0.2310-3b代入数据得:KH=1.12+0.18(1+0.612)12+0.2310-380.445=1.75由 b/h=10.67, KH=1.75,查图 10-13 得 KF=1.35;故载荷系数：K=KAKVKHKH=11.021.21.75=2.142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(K/Kt)2/3=80.445(2.142/1.3)2/3=95.01(mm)计算模数 m:14m=d1/ Z1=95.01/24=3.95(mm) (3) 按齿根弯曲强度设计由式（10-5 ）得弯曲强度计算的设计公式为:m(2KT1/d Z12)(YFaYSa/F)1/31)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：K FN1=0.85;KFN2=0.88计算弯曲疲劳许用应力:取弯曲疲劳安全系数：S=1.4由式（10-12 ）得:F1= KFN1/FE1=0.85500/1.4=303.57(Mpa)F2= KFN2/FE2=0.88380/1.4=238.86(MPa)计算载荷系数:K=KAKVKFKF=11.021.21.35=1.944查取齿形系数:由表 10-5 查得： Y Fa1=2.65;YFa2=2.226查取应力校正系数由表 10-5 查得： Y Sa1 =1.58;YSa2=1.764计算大、小齿轮的 YFaYSa/F,并加以比较:YFa1YSa1/F1 =2.651.58/303.57=0.01379YFa2YSa2/F2=2.2261.764/238.86=0.01644故大齿轮的数值大。2)设计计算 :m（21.9449.94810 5）/124 20.16441/3=2.792(mm)对比计算结果，按齿面接触疲劳强度计算的模数大于按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 2.792 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=95.01mm,算出：小齿轮齿数： z1= d1/m=95.01/3=32大齿轮齿数： z2=z1=1.832=57.6 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。15(4) 几何尺寸计算计算分度圆直径:d1=z1m=323=96(mm)d2=z2m=583=174(mm)计算中心距: a= (d 1+d2)/2=（96+174）/2=134(mm)计算齿轮宽度: b=dd1=196=96(mm)(5) 验算 Ft =2T1/d1=21.965105/96=4087.5(N)KAFt/b=14087.5/96=42.58( N/mm) 100 (N/mm), 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，其设计过程与此类似，由于受篇幅的限制，在此就不再叙述其设计步骤。4.3 轴的设计计算4.3.1 轴的种类轴按其受载情况分为转轴、心轴和传动轴，其中转轴既支承传动机件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用；心轴只用来支承旋转件而不传递动力，即只承受弯矩作用；传动轴主要用于传递动力，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其震动稳定性问题。4.3.2 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继而加以选用，力求合理经济。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，材料可采用合金钢。4.3.3 轴的设计过程本次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，因此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 38 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 70 带动齿轮 38 转动，这样，花键轴即可带16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=1460r/min(1) 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26.1-1 查得材料机械性能数据为： b=750MPas=550MPa-1=350MPa-1=200MPa根据表 26.3-1 公式初步计算轴径，由于材料为 40Cr，由表 26.3-2 选取A=100，则得：dmin=A(P/n)1/3=100(30/1460) 1/3=27.3(mm)故我们选用花键轴的尺寸为：Ddb=65mm56mm10mm(2) 轴的结构设计，如下图 7-a)所示：(3) 轴上受力分析，如下图 7-b)所示：轴传递的转矩为：T1=9.55106P/n=9.5510630/1460 =1.962105 (Nmm)齿轮的圆周力为：Ft=2T1/d1=21.962105/96 =4088 (N)齿轮的径向力为：Fr= Fttg=4088tg20=1488 (N)17图 7(4) 求支反力在水平面上的支反力（图 7-c）：由 MA=0,得 ：RBZa Fr(a+b)=0则： RBZ=Fr(a+b)/a=1488(280+80)/280=1913.14(N)由 Z=0,得：RAZ= Fr RBZ=14881913= 425(N)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 7-e）：由 MA=0,得：RBya Ft(a+b)=018则： RBy=Ft(a+b)/a=4088(280+80)/280=5256(N)由 Y=0 得：RAy= Ft RBy=40885256=1168(N)数值为负表示方向与图示方向相反。(5) 作弯矩和扭矩图齿轮的作用力在水平平面的弯矩图如上图 7-d 所示.MDZ=RAZ(a+b)=425(280+80) =153000(Nmm)MDZ=RBZb=191380 =153000(Nmm)齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图如上图 7-f 所示.MDy=RAy(a+b)=1168(280+80) =420000(Nmm)MDy=RByb=525880 N=420000(Nmm)齿轮作用力在 D 截面作出的最大合成弯矩为：Md=(MDZ2+MDy2)1/2=(153000) 2+(420000) 2 1/2 =447000 (Nmm)作出扭矩图，如上图 7-g 所示.T1=1960000 (Nmm)(6) 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，弯矩引起的为对称循环的弯应力，转矩引起的为脉动循环的剪应力。弯曲应力副为：=MD/WW抗弯截面系数，由公式：W=d4+(D d)(D+d)2zb/32D故: W=d 4+(D d)(D+d)2zb/32D=564+(62 56)(62+56)2610/3262=20029( Mpa)所以 =MD/W=447000/20029 =18.091 (Mpa)由于是对称循环弯曲应力，故平均应力 m=0，根据公式 26.3-2:S=-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 26.1-1 查得: -191=350MPaK 正应力有效集中系数，由表 26.3-6，用插值法求得：（750700）/（800750） =（ K1.60）/ （1.65K ）得： K=1.625 尺寸系数，由表 26.3-11，查得： =0.68表面质量系数，轴按磨削加工，由表 26.3-9 查得:=0.68代入公式得：S=350106/(1.62518.091/0.920.68)106+0 =7.45剪应力副为：m=T1/2WTWT抗扭截面系数，由公式：W=d4+(Dd)(D+d) 2zb/16D=564+(6256)(62+56) 2610/1662=36182 (MPa)所以 m=T1/2WT=196000103/236.183 =2.7 (Mpa)由公式 26.3-2，S=-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 26.1-1 查得: -1=200MPaK 弯应力有效集中系数，由表 26.3-6，用插值法求得：（750700）/（800750） =（K 2.45）/ （2.55K ）得： K=2.5 尺寸系数，由表 26.3-11，查得： =0.68表面质量系数，轴按磨削加工，由表 26.3-9 查得:=0.68 平均应力折算系数，由表 26.3-13，查得： =0.29代入公式得：S=200106/(2.52.7/0.920.68)106+0.292.7106=20.32则： Sca=SS/ S2+ S21/2=7.4520.32/ 7.452+20.3221/2=6.99由表 26.3-4 可知，S=1.32.5.故 SS，则该轴是安全的。204.4 轴承的设计计算4.4.1 轴承的种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。只能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。4.4.2 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、安装和拆卸等方面。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，因此当载荷较小时，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。4.4.3 轴承的设计过程按照以上原则，在本设计中，花键套筒的支撑选用角接触球轴承，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。并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面对面方式和背对背方式两种，面对面方式是指一个支承上的两个轴承大口相对，构成 70000/DF 型，背对背方式是指一个支承上的两个轴承小口相对，构成 70000/DB 型，我们采用面对面方式，即 70000/DF 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 Cr、C 0r，则成对安装的轴承的基本额定动载荷为 C=i0.7Cr ，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 60%80%。花键轴的 D=65mm，我们选用轴承型号为 7214AC,参数见下表：轴承型号 d D B a r1min Cr C0r 极限转速（r/min）21其中,极限转速是在采用油润滑情况下的转速，若采用脂润滑方式，则极限转速为 4500 r/min。轴承的安装如图 8 所示：图 8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=96mm，齿轮转速为 n=1460r/min，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=i0.7Cr= 20.769.2=112.4(KN)基本额定静载荷为：C=iCr=257.5KN=115(KN)(1) 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 8-b）和水平面（图 8-c）两个平面力系。其中图 8-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(280+80)/280=1488360/280=1913.14(N)Fr2V=Fr- Fr1V=14881913.14=425.14(N)Fr1H=Ft(280+80)/280=4088360/280=5256(N)7214AC 70 125 24 35.1 0.6 69.2 57.5 670022Fr2H=Ft- Fr1H=40885256= 1168(N)Fr1=(Fr12V+Fr12H)1/2=(1913.142+52562)1/2=5593.36(N)Fr2=(Fr22V+Fr22H)1/2=(425.142+11682)1/2=1242.97(N)(2) 求两轴承的计算轴向力 Fa1 和 Fa2对于 70000AC 型轴承，按机械设计 （第七版）表 13-7，轴承派生轴向力 Fd=0.68Fr则: Fd1=0.68Fr1=0.685593.36=3803.48(N)Fd2=0.68Fr2=0.681242.97=845.22(N)按式（13-11 ）得：Fa1=Fd2=845.22(N)Fa2=Fd1=3803.48(N)Fa1/C0=845.22/115000=0.0073Fa2/C0=3803.48=0.033(3) 求轴承当量动载荷 P1 和 P2：Fa1/Fr1=845.22/5593.36=0.150.68,则： P1=Fr1+0.92Fa1=5593.36+0.92845.22=6370.96(N)Fa2/Fr2=3803.48/1242.97=3.060.68,则： P2=0.67Fr2+1.41Fa2=0.671242.97+1.413803.48=6195.69(N)(4) 验算轴承寿命因为 P1P2，所以按轴承 1 的受力大小验算：Lh=106(C/P1)/60n=106(112.4103/6370.96)3/(601460)=62687.39hL h故所选轴承可满足寿命要求。另外，在回转液压缸中转轴的支承我们选用推力球轴承，型号为：51207，其基本尺寸为：dDT=35mm62mm18mm，基本额定载荷为：Ca=39.2KN，C 0a=78.2KN，极限转速脂润滑时为 2800r/min，油润滑时为4000r/min，回转液压缸中的转轴的支承我们选用滚针轴承，其设计及验算过程与角接触球轴承相似，这里就不再重复。4.5 弹簧的设计计算4.5.1 弹簧的分类按照所承受载荷的不同，弹簧可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等四种类型；而按照弹簧的形状不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、碟形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等。23弹簧材料的许用应力及 必须按照其负荷性质来确定。弹簧按载荷性质分为三类：类：受变负荷作用，次数在 106 次以上的弹簧；类：受变载荷作用，次数在 103105 次或冲击负荷的弹簧；类：受变载荷作用，次数在 103 次以下的弹簧。弹簧材料是根据弹簧丝直径 d 选择的，当 d8mm 时，用碳素弹簧钢丝组或a 组，当 d10mm 时，用 60Si2MnA.最大工作负荷 Pn，类弹簧按 =0.4b 计算。节距 P 是近似值，按表 9-7 计算出的自由高度应圆整至尺寸参数系列中的H0 推荐值。我们在机械手中所选用的弹簧有圆柱螺旋拉伸弹簧和圆柱螺旋压缩弹簧。普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：外径 D、中径 D2、内径 D1、节距 p、弹簧丝直径 d，如图 9 所示：图 9我们所选用的弹簧的规格如下：编号 弹簧丝直径d（mm）弹簧中径D2（mm）节距P（mm）1 0.5 3 2 1.2 8 3.0719 1.6 8 2.8223 0.7 4 1.5524其中，弹簧 1 为圆柱螺旋拉伸弹簧，弹簧 2、19、23 为圆柱螺旋压缩弹簧。4.5.2 弹簧的设计过程弹簧 19 的设计计算、校核步骤如下：原始条件：最大工作负荷：p n=11 kg最小工作负荷：p 1=0 kg工作行程： h=5 mm负荷种类： 类端部形式：端部并紧并磨平，支承圈为一圈制造精度：主要参数的制造精度为 2 级弹簧材料：碳素弹簧钢丝根据 pn，查表 9-11，得到弹簧的相关数据如下表所示：d D2 P Pn Fn pdl Q1.6 8.0 2.84 11.354 0.887 12.800 25.120 0.0039弹簧要求的刚度：p=(pn-p1)/h=(11-0)/6=1.83 (kg/mm)有效圈数：n=pd/p=12.800/1.83=6.99 取 n=7.0计算项目：弹簧实际刚度：p=p d/n=12.800/7.0=1.829（kg/mm）, 与要求高度相近.总圈数： n1=n+2=7.0+2=9.0自由高度： H0=nt+1.5d=7.02.82+1.51.6=22.14 (mm) , 圆整取标准值 22弹簧实际节距： p=(H0-1.5d)/n=(22-1.51.6)/7=2.8 (mm)工作极限负载下的变形： Fj=pj/p=12.741/1.829=6.97因取 j=1.25 ，根据表 9-2， =1.25 ，所以 j= 故:p j 等于同样规格弹簧的 类弹簧的最大工作负荷，从表 9-11 查得pj=12.741。最大工作负荷下的变形： Fn=pn/ p=11/1.829.=6.01 (mm)最小工作负荷下的变形： F1= p1/ p=0 (mm)最大工作负荷下高度： Hn=H0-Fn=22-8.87=13.13 (mm)25最小工作负荷下高度： H1=H0-F1=22-0=18 (mm)工作极限下高度： Hj=H0-Fj=22-6.97=15.03 (mm)展开长度： L=ln1=25.1209=226.08 (mm)细长比： b=H0/D2 =22/8=2.755.3故稳定。5 结 论在本次的卧式加工中心换刀机械手的设计过程中，主要完成了以下