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毕业设计（论文）任务书年12月25日学 生姓 名专业一体化班级联系方式指 导教 师职称高工工作单位盐城纺织职业技术学院联系方式：电话及E-mail设计（论文）题目：XK1600加工中心的自动换刀机械手的设计任务、目的与要求： 此次设计的是小型立式加工中心的自动换刀机械手。首先，对机械手的类型进行比较和分析，得到将要设计的类型；再着重进行整体的设计，其中包括手部的设计、液压传动系统的设计、花键轴等的设计。参考资料：机械设计与设计基础数控机床原理机械制图机械制造技术等书 进度安排：自 2011年12月 19日起至2012年5月20日止，共计20周。具体安排如下：1、调研、搜集资料，论文提纲或设计方案确定 2011年12月19日2011年12月30日2、完成论文初稿或初步设计，通过第二次检查 2011年12月30日2012年2月20日3、修改并完善毕业设计（论文），通过第三次检查，定稿、装订 2012年4月20日4、通过毕业设计（论文）审核，准备答辩 2012年5月10日5、其他 教研室审核系审核 XK1600加工中心的自动换刀机械手的设计李慧民班 级专 业所 在 系指导老师完成时间 毕业论文开题报告书 学年机电系 专业学 号姓 名专 业企业导师学校导师开题日期填表日期 年 12月25 日毕业论文题目XK1600加工中心的自动换刀机械手的设计毕业设计（论文）的内容和要求 本次设计的题目是小型立式加工中心的自动换刀机械手。首先针对所要设计的机械手类型进行总体的设计，进而设计其构成部件。在设计机械手时，在满足刚度、精度等要求下，完成其它（如轴承、花键轴、液压传动机构等）所有零件的设计。该课题属于机械设计部分，在工艺性能上要求高，在设计上要求严格。引言或绪言应简要说明本次论文的目的、意义、范围、研究设想、方法、选题依据等。论文的正文一般要阐述有关本次设计方案的论证，设计方法手段与结果，计算方法，编程原理，数据处理，设计说明与依据，加工整理和图表，形成的论点和导出的结论等。论文内容必须实事求是，准确完备、专业的有关紧扣轴类零件加工工艺及夹具设计的要求。设计中的用语、图纸绘制，表格、插图应规范准确，符合标准。毕业设计(论文)的结论应当准确、完整、明确精炼。但也可在结论或讨论中提出建议、设想和尚待解决问题等课题的研究思路和方法、工作方案理论研究与实践研讨相结合的研究思路，以行动研究为主的应用性研究策略。分为起始阶段，分析阶段，实践阶段，结题阶段。以课例主题为课题，以课本为基础，再查阅相关资料，完成毕业设计分析。首先应该完成该课题的机械设计工作，下一步就是根据图纸进行CAD工作了。CAD技术对工业界的影响有目共睹，它极大促进了产品质量、生产效益的提高和设计制造成本的降低，从一定角度来说，它甚至使生产和设计变得生动，大大减少了人们的重复和烦琐的简单劳动，使人能最大限度地运用自己的头脑来 完成设计和生产工作，设计的生产为了一种创造艺术品的过程。当前能进行 CAD工作的软件有很多，这里选用Auto CAD。Auto CAD是当今世界上比较先进的、高度集成的、面向制造业的CAD/CAE/CAM 的比较通用的软件。其他通过上网查阅资料、图书馆查询及指导老师的指导了解在论文设计过程中还要注意和涉及到设计的方法，参数的选定及研究所选课题的意义等内容。参考文献1 徐灏. 机械零件设计手册 北京:机械工业出版社,1992.12 吴宗泽. 机械设计课程设计手册 北京:高等教育出版社,1999.63 梁正强. 机械零件设计计算实例 北京:中国铁道出版社,1983.124 李铁成. 机械力学与设计基础 北京:高等教育出版社,2008.75 刘激文. 材料力学、(第四版) 北京:机械工业出版社,2004.16 董霞 孙振强. 液压与气压传动技术 上海:同济大学出版社,2009.57 李允文. 工业机械手设计 北京:机械工业出版社,19968 熊幸明. 工厂电气控制技术 清华大学出版社,2005.109 天津大学工业机械手设计基础编写组. 工业机械手设计基础 天津:天津科技出版社,198010 邓建新,赵军. 数控刀具材料造用手册 北京:机械工业出版社,2005.511 刘力. 机械制图 北京: 高等教育出版社,2000.812 陈远龄. 机床电气自动控制(修订本) 重庆:重庆大学出版社,1995.8目录摘要.3Abstract .4第一章 绪论.51.1 数控技术的基本概念.51.1.1 我国数控技术的发展概况.51.1.2 数控机床的组成及特点.51.2 数控技术的产生与发展.61.3 数控技术的发展趋势.61.4 加工中心的概况.71.4.1 加工中心的发展史.71.4.2 加工中心的优点.71.4.3 加工中心的发展方向.81.4.4 自动换刀装置的简介.8第二章 机械手部的设计.132.1 机械手手臂和手爪的设计.132.1.1 手爪口的计算.132.1.2 手爪锁的设计与计算.152.2 弹簧的选择与设计.172.3 手爪的整体尺寸的设计.18第三章 液压传动系统的设计.193.1 液压传动的概述.193.2 液压缸的设计.203.2.1 液压缸的载荷组成及计算.203.2.2 升降缸的设计.213.2.3 油缸壁厚的设计.233.2.4 油缸长度的设计.233.2.5 油口直径的计算.233.2.6 缸底厚度计算（缸底有油孔）.243.3 液压回转缸的设计.253.3.1 回转缸内径的计算. .253.3.2 回转缸壁厚的计算.273.3.3 缸盖连接螺钉的计算.273.3.4 动片输出轴连接螺钉的计算.28第四章 花键轴的设计.304.1 花键轴的计算.304.1.1 轴的材料选择.304.1.2 轴径的初步计算.304.1.3 花键轴的校核.314.2 轴承的选择.324.2.1 升降缸中轴承的选择.324.2.2 对于回转缸的轴承选择.334.3 法兰连接的选择.344.4 升降缸中（液压缸及活塞杆工作）密封元件.34设计总结.35致谢.36参考文献.37摘要加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。刀库换刀，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，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人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 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。关键词：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手AbstractMachining center in the increasingly wide use of the processing , which is currently used by large processing center blade. And the automatic blade changer devices is an important component of machining center. Its function is good or bad, on the whole processing machining center functions. Automatic blade devices can be divided into five basic forms . Namely to Tower, 180 turnaround-type, rotation planting one-, two-and the main axis of rotation axis direct .Exchange cutlery in the tools storehouse, according to the availability of process machinery blade in hand, into a mechanical hand blade and non-blade two mechanical hands .In a mechanical hand exchange cutlery，those will be completed using a mechanical hand, the cutlery out from the main axis.At the same time, another mechanical hand take cutlery from tools storehouse, and then the two exchange locations. The whole process is completed. If the mechanical hand blade do not join in the process, cutlery storage direction with the main axis parallel. when cutlery arrive at the location which the the main axis can reach, the main axis of the knife blade box to the location above. Z axis movement will be used to complete the processing by cutlery inserted in the space required by department, and then for cutlery knife to be transferred to the standby database location. Z axis movement will return to remove the cutlery from tools storehouse and inserted into the main axis.Keyword: machining center automatic blade changer devices tools storehouse manipulator 姓 名班 级实践单位（基地）实践活动时间实践课题指导教师姓名工作单位学历专业专业技术职务社会实践报告（由学生填写）：学生（签名）年 月 日评语实践情况出勤情况实践态度实践能力实践效果实践单位意见指导教师意见实践单位（章） 年 月 日成绩指导教师毕业生回校答辩期间应提交的材料实习1、 实习周记与实习总结报告2、 社会实践考核表记载每天所做的工作及收获、体会。写于实训（实习）日记中。将实习日记进行整理，总结实习期间的表现、过程、获取的知识，形成的能力。社会实践考核表由企业导师填写、签名、请单位加盖公章。论文1、 学生毕业设计（论文）选题表2、 毕业设计（论文）任务书3、 开题报告书4、 毕业设计（论文）过程检查情况记录表5、 论文（设计资料）指导教师需写出意见。由学生和指导教师共同填写。由学生填写，指导教师审阅。由指导教师填写，学生保管。打印论文、图纸、磁盘。就业1、就业协议 4 目录摘要.3Abstract .4第一章 绪论.51.1 数控技术的基本概念.51.1.1 我国数控技术的发展概况.51.1.2 数控机床的组成及特点.51.2 数控技术的产生与发展.61.3 数控技术的发展趋势.61.4 加工中心的概况.71.4.1 加工中心的发展史.71.4.2 加工中心的优点.71.4.3 加工中心的发展方向.81.4.4 自动换刀装置的简介.8第二章 机械手部的设计.132.1 机械手手臂和手爪的设计.132.1.1 手爪口的计算.132.1.2 手爪锁的设计与计算.152.2 弹簧的选择与设计.172.3 手爪的整体尺寸的设计.18第三章 液压传动系统的设计.193.1 液压传动的概述.193.2 液压缸的设计.203.2.1 液压缸的载荷组成及计算.203.2.2 升降缸的设计.213.2.3 油缸壁厚的设计.233.2.4 油缸长度的设计.233.2.5 油口直径的计算.233.2.6 缸底厚度计算（缸底有油孔）.243.3 液压回转缸的设计.253.3.1 回转缸内径的计算. .253.3.2 回转缸壁厚的计算.273.3.3 缸盖连接螺钉的计算.273.3.4 动片输出轴连接螺钉的计算.28第四章 花键轴的设计.304.1 花键轴的计算.304.1.1 轴的材料选择.304.1.2 轴径的初步计算.304.1.3 花键轴的校核.314.2 轴承的选择.324.2.1 升降缸中轴承的选择.324.2.2 对于回转缸的轴承选择.334.3 法兰连接的选择.344.4 升降缸中（液压缸及活塞杆工作）密封元件.34设计总结.35致谢.36参考文献.37摘要加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。刀库换刀，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，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人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 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。关键词：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手AbstractMachining center in the increasingly wide use of the processing , which is currently used by large processing center blade. And the automatic blade changer devices is an important component of machining center. Its function is good or bad, on the whole processing machining center functions. Automatic blade devices can be divided into five basic forms . Namely to Tower, 180 turnaround-type, rotation planting one-, two-and the main axis of rotation axis direct .Exchange cutlery in the tools storehouse, according to the availability of process machinery blade in hand, into a mechanical hand blade and non-blade two mechanical hands .In a mechanical hand exchange cutlery，those will be completed using a mechanical hand, the cutlery out from the main axis.At the same time, another mechanical hand take cutlery from tools storehouse, and then the two exchange locations. The whole process is completed. If the mechanical hand blade do not join in the process, cutlery storage direction with the main axis parallel. when cutlery arrive at the location which the the main axis can reach, the main axis of the knife blade box to the location above. Z axis movement will be used to complete the processing by cutlery inserted in the space required by department, and then for cutlery knife to be transferred to the standby database location. Z axis movement will return to remove the cutlery from tools storehouse and inserted into the main axis.Keyword: machining center automatic blade changer devices tools storehouse manipulator第一章 绪论1.1 数控技术的基本概念1.1.1 我国数控技术的发展概况回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个阶段叫做NC阶段，经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自1970年开始小型计算机开始用于数控系统就进入了第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统。从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.1.2 数控机床的组成及特点1.1.2.1 数控机床的组成以一台三坐标数控铣床为例，它是由X、Y、Z三个坐标来实现刀具和工件间的相对运动的立式数控铣床。它包括信息输入、运算控制(数控装置)、伺服驱动及检测反馈、机床本体、机电接口等部分。1.1.2.2 数控机床的特点数控机床上一种新型的自动化机床，它具有广泛的通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产线的基本单元。数控机床在如下一些零件的加工中，更能显示出它的优越性，它们是：小批量而又轮番生产的零件；几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工零件；切削余量大的零件；必须严格控制公差(即公差带范围很小)的零件；工艺设计会经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需全部检测的零件，等等。1.1.2.3 数控机床的分类（一） 按运动控制的特点分类点位控制数控机床这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工， 只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位， 而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如数控钻床、数控镗床、数控冲床等。直线控制数控机床直线控制的数控机床是指控制机床工作台或刀具以要求的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工。如数控车床、某些数控镗铣床和加工中心等.轮廓控制的数控机床可以加工斜线、曲线、曲面的数控机床。如数控车床、数控铣床、加工中心等。（二） 按伺服系统的类型分类 开环控制的数控机床该类机床没有位置检测反馈装置。数控装置发出的指令信号流向是单向的，精度主要决定于驱动元件和电机的性能。 闭环控制的数控机床该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直到差值为零停止运动。1.2 数控技术的产生与发展随着计算机技术的发展，小型计算机应用于数控机床中，由此组成的数控系统称为计算机数控(CNC)。80年代末，我国还在一定范围内探索实施CIM，且取得了一些有益的经验和教益。90年代我国加强了自主知识产权数控系统的研制工作，而且取得了一定成效，如在五轴联动数控系统、高精度车床数控系统、数字仿形系统、中低档数控系统等方面都取得了较好的成果。实际上从20世纪末期直到今天，在生产中使用的数控系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的系统，而第六代开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向，将在现代制造业中发挥越来越重要的作用。1.3 数控技术的发展趋势为了在越来越激烈的全球巿场竞争中立于不败之地，各工业发达国家均投入巨资对现代制造技术进行研究开发，并相继提出了多种全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等，其目标不外乎提高制造的效率和精度，以及增加加工的适应性和降低生产成本。数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其功能的强弱和性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性变革。40数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展高速、高精度已成为高档数控机床的主要特点，速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具，智能化控制是提高数控加工效率的有效手段。高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备、轨道交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。1.4 加工中心的概况1.4.1 加工中心的发展史加工中心的发展已有50年历史，自从1952年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。所谓加工中心，普遍上指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。现代加工中心的内容包括：它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。1.4.2 加工中心的优点加工中心的优点很多，主要有以下几点： 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。而且，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。 缩短加工准备时间 减少次品率 减少刀具费用 最少的直接劳务费 最少的间接劳务费 设备利用率高 1.4.3 加工中心的发展方向总的来说，加工中心是向高速化、进一步提高精度和愈发完善的方向发展。1. 高速化加工中心的高速化，是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。2. 进一步提高精度加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而运动精度主要以坐标定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。1.4.4 自动换刀装置的简介1.4.4.1 自动交换刀具的由来自动交换刀具系统（Automatic Tool Changer简称ATC）系统是由刀库、机械手及相应的控制系统组成。具有钻、镗、铣功能的数控、铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装于工作台上。为了使工序能够高度集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加自动交换刀具系统（含刀库、机械手及其控制）便形成了加工中心（MC）。初期曾采用转塔头式的换刀方式，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑；但变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以制造难度也比转塔刀架低。1.4.4.2 自动换刀的形式（一）无机械手的换刀方式加工中心有采用无机械手换刀的方式，如图1-1。它的刀库在立柱的正前方上部，刀库中刀具的存放方向与主轴方向一致。换刀时主轴箱带着主轴在立柱导轨上上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置，随即主轴内夹刀机构松开，主轴刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具转到与主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插入主轴中刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少，而且刀具尺寸也较小。这种刀库旋转是在工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合。（二）机械手的换刀方式这是加工中心普遍采用的一种方式。它的种类很多，可分为单臂单手式机械手、回转式单臂双手机械手、双手式机械手、多手式机械手四类。 单臂单手式机械手包括机械手只作往复直线运动的机械手和只作往复摆动的机械手。前者用于刀具主轴与刀库刀座的轴线平行的场合。它的特点是机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需两个弹簧卡销卡住刀柄。而后者，如果是机械手摆动轴线与刀具主轴平行，它主要用于刀库换刀位置的刀座的轴线与主轴轴线相平行的场合。如果是机械手摆动轴线与刀具主轴垂直，它用于刀库换刀位置的刀座和轴线相垂直的场合。总之，这种单臂单手式机械手结构简单。在转塔头带刀库的换刀系统中，不与主轴的换刀时间重合，故可用这类机械手。它也可在刀库与主轴头上的换刀机械手之间传递刀具。但是，这类机械手换刀动作均需顺序进行，时间不能重合，从而换刀时间较长。 图1-1 无机械手的换刀顺序 回转式单臂双手式机械手包括两手部成180和两手部不成180两种。两手部成180的又可分为固定式双手、可伸缩式双手和剪式双手三类。这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。 双手式机械手可分为机械化只作往复直线运动的机械手和有回转运动的机械手两大类。前者包括双手平行式和双手交叉式，这种机械手适用于容量较大的、距主轴较远的，特别是分置式的刀库的换刀。机械手有回转运动的，在主轴处换刀时转角为180，可用于刀库距主轴较远者；在主轴处换刀时转角为90，适用于刀库距主轴较近者；在主轴处换刀时转角(按弹簧锁轮结构取。2.1.2 手爪锁的设计与计算当刀柄被手爪抓住（即刀具轴线与手爪口中心点重合）时，弹簧锁轮在弹簧的作用下把刀柄锁紧，使刀具不会从手爪口中脱落，其形式如图2-4所示，图2-4 刀具与销的配合图 1弹簧；2活动销；3刀具；4长销； 手爪在抓刀时，随传动轴逆时针旋转，主轴及刀库附近的凸台压下长销4，活动销（即弹簧锁轮）被解锁。手爪欲抓住刀柄，使手爪口中心与刀具中心线重合，达到图示位置，刀柄反作用力活动销使其压缩弹簧1向左运动至极限位置后手柄已进入手爪口，此时活动销向右运动至手爪口中心与刀具中心轴线完全重合，回到初始状态，刀柄被锁住，抓刀结束，可以进行拔刀动作，而在抓刀时，整个机械手旋转角度较小，故刀柄压活动销受力简化等效如图2-5所示。图2-5 结构形式图系统发出换刀指令后，机械手由原始位置转过以实现抓刀动作，而两手爪上的长销4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2在弹簧的作用下移动顶住刀具。机械手拔刀时，长销4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，这样机械手在回转时，刀具不会甩出。当机械手上升插刀时，长销又被挡块压下，松开刀具，机械手便可反转复位。设计手爪口端点到手爪中心轴线垂直距离为7mm，抓刀初始位置时，最小，最大，抓刀过程中，（与手爪中心轴的夹角）逐渐减小，逐渐增大，逐渐减小至、三点一线时最大，最小，之后逐渐增大至活动销还原至初始位置被锁紧销锁住为抓刀完毕，不应过大，过大就会偏小，就会偏大，过小无法压缩弹簧使活动销移动，过大也会阻碍刀柄进入手爪口，不应过小，过小就会偏大，就会偏小，锁轮便无法紧固刀柄，刀柄容易脱落。即取,锁轮轮子的直径（即活动销直径），则有： 活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为：， 则活动销的行程a： 活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径，根据机械设计手册选取长销直径。则行程槽长：（取），卡销材料为35钢，热处理硬度，表面氧化处理的A型圆柱销（GB119-86）卡销直径选8mm (由机械设计课程设计手册第二版，吴宗泽主编)根据配合原理，则行程槽宽。我们可以设活动销主体宽，高，长，活动销尾部到锁轮轮子中心距。2.2 弹簧的选择与设计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。因为该设计中弹簧受到的压力不大，选择材料为类碳素弹簧钢丝，普通圆柱螺旋弹簧钢丝，初选直径。弹簧中径（GB/1358-78）查表30.2-4的许用应力，切面模量。又根据弹簧材料直径,由表30.2-4得，弹簧钢丝的抗拉强度。那么旋绕比 ,曲度系数由机械零件设计计算实例得，所以得出弹簧能够承载的最大载荷 （式2-1）校核弹簧截面材料的直径 （式2-2）故初选合理。2.3 手爪的整体尺寸设计1. 首先考虑手爪部件的主要尺寸，设计如下：手爪总长82mm ，活动销中心到联接螺钉中心的距离为89mm.手爪总的内道宽分别为：, 。2. 从螺钉到机械手手臂中心的距离为87mm，宽度为95mm，厚度为16mm.因此机械手的总长度为（65+89+87）2=482mm。根据设计要求选定机械手臂的材料为45钢，弯曲许用应力,在工作过程中，主要受横向弯曲应力，最大正应力发生在弯矩最大的截面上，且离中心轴最远处。 设刀具及手爪之重为10kg，由前面可知承受重力到机械手臂中心的距离为241mm，因此: 因此设计达到要求且合理。第三章 液压传动系统的设计3.1 液压传动的概述液压传动系统设计与主机的设计是紧密联系的，两者往往同时进行，相互协调。主机对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据。系统的设计除了应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便及工作可靠等要求。因此设计开始，首先必须搞清楚下列问题：1. 概况：用途、主要结构、技术参数及性能、作业环境、工艺流程、总体布局；2. 液压系统应完成那些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；3. 液压驱动机构的运动形式，运动速度；4. 各动作机构的载荷大小及其性质；5. 对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；6. 自动化程度、操作控制方式的要求；7. 对防火、防爆、周围介质、环境温度、风沙与尘埃、外界冲击振动、安全可靠性的要求；8. 对效率、成本等方面的要求。设计液压系统的出发点，可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合。为此，液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，往往随着系统的繁简，借鉴的多寡，设计人员经验的不同而做法上呈现出差异来，下图这种设计的基本内容和一般流程。这里除了最末一项外全都是属于性能设计的范围。这些步骤相互关联，彼此影响，因此常需要穿插进行，交叉展开。最末一项属于结构设计内容，则须要仔细查阅产品样本、手册和资料，选定元件的结构和配置的型式，才能布局绘图。图3-1液压传动系统的一般设计流程3.2 液压缸的设计3.2.1 液压缸的载荷组成及计算设机械手抓刀重约20Kg，作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。 （式3-1） （1）常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力，切削力，挤压力等，而该设计中只有重力，（2）导轨摩擦载荷 （的取值参考机械设计手册表37.5-2） （3）惯性载荷 一般机械取，所以， 除外载荷外，作用于活塞杆上的载荷还包括液压密封处的摩擦阻力，一般估算： （式3-2）液压缸的机械效率，一般取 ； 则： 液压缸不同负载时的工作压力表3-1如下：载荷工作压力表3-1 液压缸不同载荷时的工作压力表故取工作压力.3.2.2 升降缸的设计图3-2(a)活塞杆受压状态，图3-2(b)为受拉状态 图3-29(a)图3-2(b)活塞杆受压时，活塞杆受拉时，式中无杆腔活塞有效作用面积；有杆腔活塞有效作用面积； 液压缸工作腔压力；液压缸回油压力；一般液压缸在受力状态下工作，其活塞面积为： （式3-3） 运用和关系令，其值是由下表选择。如表3-2所示：工作压力 MPa5.05.0：7.07.0d/D0.5：0.550.62：0.700.7表3-2 按工作压力选取d/D所以可以得出活塞的直径： （式3-4） 所以，（与的值是在机械设计手册表37.5-5和37.5-3选取的）， 根据所计算出的结果表3-2中选择标准的尺寸。表3-3 活塞杆和液压缸直径所以选择，。活塞杆直径的强度在高压系统中要进行校核： 活塞杆材料的许用应力，初选材料为20钢，则许用应力为80MPa。又根据设计需要（轴承的配合，螺钉的安装等），此活塞杆为空心杆。令空心杆内径，空心杆外径。由于 （式3-5） 空心杆直径； 空心杆内径； 空心杆外径， 抗扭矩截面系数；所以有空心杆壁厚。 则设计符合要求。3.2.3 油缸壁厚的设计对于低压系统或当时，油缸的壁厚有： （式3-6） 缸筒试压力，当时，当时， 缸筒材料的许用应力，20钢，=100Mpa,所以， ，根据结构需要取。3.2.4 油缸长度的设计液压缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径20倍。即，设计任务书上给定了伸缩单行程为100m，即取L=135mm。3.2.5 油口直径的计算液压缸的油口直径根据活塞最高运动速度和油口最高液流速度而定， （式3-7）因为，其中，( ) ； 式中 无杆腔活塞有效作用面积； 有杆腔活塞有效作用面积； 活塞直径 （）； 活塞杆直径 （）；由行程L初定换刀过程所用时间为1秒,则平均速度为0.135m/s。令无肛腔进油速，则有杆腔进油速度。所以，液流速度大小等于有杆腔进油速, 即.故。3.2.6 缸底厚度计算（缸底有油孔）因为考虑到缸底有油孔，所以计算公式有：图3-3 液压缸缸底 （式3-8） 式中 缸底厚度； 液压缸内径； 试验压力； 缸底材料许用应力；选取材料为20无缝钢管， 。3.3 液压回转缸的设计3.3.1 回转缸内径的计算作用在动片上的载荷力矩有以下关系：， （式3-9）式中工作阻力矩（） 所有回转缸密封处的摩擦阻力矩（）， ， ，； 参与回转运动的零部件，在启动时产生的惯性力矩（）； （式3-10）齿轮回转时，在启动运动过程中的角加速度（）；角速度变化量（），；启动过程时间，一般为令； 参与回转运动零部件，对回转轴的转动惯量（）；参与回转运动的刀柄对重心转动惯量（）；刀柄与机械手的总重量（）；刀柄与机械手的重心到回转轴的距离（）由理论力学得公式，则 （式3-11） 的取值参考下表：系统类型背压力MPa回油路上有节流阀的调速阀0.20.5回油路中射有背压阀的系统0.51.5采用辅助油泵的闭式回路11.5 表3-4 执行元件背压力故取0.6MPa 。 回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩， 回转缸内径的计算：根据 （式3-12）式中 回转缸内径（）； 作用在动片的外载荷力矩； 回转液压缸的工作压力（）； 动片宽度（）； 输出轴与动片联接处的直径（）；初步设计时按选取。 为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷与动片的悬伸长度，选择动片宽度（即液压缸宽度）时，可选用 回转液压缸的内径（）；由于惯性力矩必须大于所有摩擦力矩才能使回转叶片动，即 所以由以上代数式子可以得到： ，代入上面的式子得，得出：；根据所选花键轴与之配合取，则，。3.3.2 回转缸壁厚的计算对于低压系统或当时，回转缸的壁厚有： （式3-13） 缸筒试压力，当时，当时， 缸筒材料的许用应力，20钢，=100Mpa；由于设计需要，虽其工作压力较小，为了满足稳定性，强度及结构的要求取。 3.3.3 缸盖连接螺钉计算当工作压力时应有，初取，。螺钉数目Z由公式得：（取）。式中 螺钉中心所在圆的直径；在这种联接中每个螺钉在危险剖面上所承受的拉力是工作载荷与剩余锁紧力之和，即： （式3-14）式中 工作载荷（）； 螺钉数目； 油缸内油液工作压力（）； 剩余锁紧力，岁于要求紧密的联接取因此，螺钉的强度条件有： （式3-15）式中 计算载荷，；这里只考虑静载荷； 许用拉应力，（）； 螺钉材料的屈服极限（）这里选择45钢，所以=3600；（参考工业机械手设计基础，李允文编） 安全系数，一般，取。则有 根据设计需要取 3.3.4 动片输出轴连接螺钉的计算动片是输出轴用螺钉联接的结构，联接螺钉一般对称安装，并用销钉定位。联接螺钉的作用：使动片与输出轴的配合面紧密接触不留间隙。当油腔通压油时，动片受油压作用产生一个合成液压力矩来克服输出轴上所受的载荷力矩，动片所受的力矩的平衡条件有： 式中 每个螺钉的预紧力（N）； 动片的宽度（m）； 回转液压缸的工作压力（）； 动片外径（m）； 动片与输出轴配合处直径（m）； 螺钉数目； 被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取。螺钉的强度条件为： （式3-16）因为，。所以有： 又螺钉的强度条件为 由已知条件可得： 故设计满足要求。第四章 花键轴的设计4.1 花键轴的计算4.1.1 轴的材料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。轴常用的材料是35、45、50优质碳素钢，最常用的是45钢。对于受载较小或不太重要的轴，也可用、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。根据设计要求由机械设计手册4分册轴的材料,如下表4-1和4-2所示:型号热处理毛坯直径硬度45调质200217.255表4-1 轴的材料机械性能许用弯曲应力65036027015560100220表4-2 轴的性能4.1.2 轴径的初步计算由于液压执行元件的最大工作压力与管路上的损失因素则,前面已经计算出液流速度,回转缸直径,则 , （式4-1） . （式4-2） ,根据机械零件设计计算实例得到轴径的初步计算公式: （式4-3）式中 材料的受载系数，选取轴为45钢，故取。 轴所传递的功率； 回转时的最大转速；为了满足花键与回转缸的配合，花键的规格选用： （为键数）对应为 618225 （为键宽）由于花键为外花键，则公差配合为： 4.1.3 花键轴的校核（1）许用弯曲应力的计算：由弯矩产生的弯曲应力应有以下关系式：，由材料力学可得到： （式4-4）式中 回转缸扭转时的当量弯矩（）； 花键轴截面抗扭系数，查机械设计手册得 又 （式4-5）式中 根据该换转缸性质而定的应力校正系数， 取； 回转时产生的扭矩；则有 因此 故设计满足要求！又由于花键轴在径向受到抗扭矩的作用且作用在花键最小截面上产生最大剪应力，即 （式4-6）式中 螺钉数目；螺钉宽度；则有： 所以 故设计合理！4.2 轴承的选择4.2.1 升降缸中轴承的选择由于升降缸主要用于换刀机械手执行拔刀、插刀动作.即实现直线往复运动,该运动所受的载荷较小,故选择角接触球轴承(GB/7292-94)首先对其使用寿命进行计算: (小时)查表机械零件设计计算实例18-3得寿命系数: 因为轴承转速低,应按额定静载荷和额定动载荷来进行计算,取较大值. （） 按额定静载荷计算选择有: （式4-7）由表,得,，按式子又由于该轴承只受到径向载荷作用，故，所以，(由前面液压缸的计算得） 则,由于，故取。所以根据和轴颈直径可选用7205C型号的角接触轴承()。（）按额定动载荷选择轴承的条件有： （式4-8） （式4-9） 式中 额定寿命，查表机械零件设计计算实例18-5； 计算动载荷 N； 当量动载荷； 额定动载荷； 转速； 寿命系数，球轴承，滚子轴承； 寿命系数，查表机械零件设计计算实例18-3，取=2.785； 性质系数，查表机械零件设计计算实例18-4，取=1.4； 温度系数，查表机械零件设计计算实例18-6，取=1； 转速系数，查表机械零件设计计算实例18-5，取=0.284；由于，由表18-1查得X=1，Y=0。代入式子 根据和轴颈直径可选用7205C型号的角接触轴承,因为,故设计满足要求。4.2.2 对于回