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畢業(yè)論文（設(shè)計）
題目名稱： 數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手三維設(shè)計
所 在 學 院 ：
機械工程學院
專業(yè)（ 班級）：
學 生 姓 名 ：
指 導 教 師 ：
評 閱 人 ：
院 長 ：
數(shù)控鏜銑床加工中心換刀機械手三維設(shè)計
總計：畢業(yè)論文：
摘 要
在本文中研究并設(shè)計了一種數(shù)控臥式鏜銑床加工中心自動換刀機械手，讓其在設(shè)定好的程序指令下，配合刀庫和鏜銑床完成整個加工工序的自動換刀過程。該機構(gòu)由液壓馬達通過滾珠絲杠進行豎直方向的定位，使用液壓回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手架的回轉(zhuǎn)，通過直線油缸驅(qū)動手部結(jié)構(gòu)配合刀庫的運動實現(xiàn)對新刀的裝卡和對舊刀卸載、入庫。在完成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時進行了液壓系統(tǒng)的原理設(shè)計和對液壓油缸的設(shè)計計算，并制定了液壓閥電磁鐵通斷情況表，實現(xiàn)了機、電、液一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用 SolidWorks 軟件對所有結(jié)構(gòu)進行了三維的繪制和裝配?？偨Y(jié)全文，本論文的工作包括如下幾個方面：
1、通過參閱有關(guān)文獻確定換刀機械手的組成與配置。
2、通過設(shè)計計算和參考文獻利用 SolidWorks 軟件確定換刀機械手的升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸及相互位置關(guān)系。
3、設(shè)計自動換刀機械手上的滑座伸縮機構(gòu)并繪制及裝配三維實體模型。
4、設(shè)計自動換刀機械手的手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)借助 SolidWorks 軟件在裝配中確定具體結(jié)構(gòu)和尺寸。
5、設(shè)計裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)，并且繪制以及裝配裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)的三維實體模型。
6、設(shè)計自動換刀機械手的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：加工中心； 機械手；自動換刀裝置；雙臂機械手。
Abstract
In 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 Program
instructions 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 錄
第一章 緒論 . - 1 -
1.1 設(shè)計背景................................................................................................................. - 1 -
1.2 系統(tǒng)簡要介紹......................................................................................................... - 1 -
1.2.1 刀庫類型：.................................................................................................. - 1 -
1.2.2 換刀機械手：.............................................................................................. - 1 -
1.2.3 用途：.......................................................................................................... - 1 -
1.2.4 規(guī)格參數(shù)...................................................................................................... - 2 -
1.2.5 手架的運動參數(shù)：...................................................................................... - 2 -
第二章 換刀機械手的總體方案設(shè)計 3
2.1 設(shè)計任務(wù) 3
2.2 設(shè)計思路 3
2.2.1 設(shè)計步驟 3
2.3 主要設(shè)計內(nèi)容 3
2.4 總體方案確定 3
2.4.1 自動換刀機械手的組成與配置的確定 3
圖 2.2 自動換刀過程示意圖 6
第三章 機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
3.1 換刀機械手的升降機構(gòu)的設(shè)計 7
3.1.2 加工中心常見的刀庫 7
3.1.2 鏈式刀庫的構(gòu)成 8
3.1.2 刀庫的準停與回零 9
3.1.3 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)的確定 10
3.2 換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計 11
3.2.1 刀具交換裝置 11
3.2.2 自動換位換刀裝置 12
3.2.3 本次設(shè)計的自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu) 16
3.3 裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu) 16
3.3.1 手爪 16
3.3.2 裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu) 17
3.4 自動換刀機械手液壓系統(tǒng) 19
第四章 相關(guān)設(shè)計計算 21
4.1 手部設(shè)計計算 21
4.2 臂部設(shè)計要求 21
4.2.1 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 21
4.2.2 臂部運動速度要高，慣性要小 22
4.2.3 手臂動作應靈活 23
4.2.4 位置精度要高 23
4.2.5 手臂的設(shè)計計算 23
4.3 伸縮液壓缸的設(shè)計計算 24
4.3.1 作水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力 24
計算數(shù)據(jù) 27
4.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算 32
計算數(shù)據(jù) 34
第五章 三維裝配效果圖 37
第六章 環(huán)保性、經(jīng)濟性、安全性分析 40
6.1 油液泄漏污染 40
6.2 振動與噪聲 40
參考文獻 41
結(jié)束語 42
第一章 緒論
1.1 設(shè)計背景
隨著時代的發(fā)展，對機械加工的加工精度和加工效率要求越來越高，而普通機床的加工精度有限，加工效率也比較低，因此加工中心越來越多的在機械加工行業(yè)被使用。
加工中心(Machining Center)，是一種包含機械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)的被用來加工復雜形狀工件的高效率自動化機床。加工中心區(qū)別于數(shù)控機床最主要的特征是備有刀 庫，具有自動換刀功能，對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。工件裝夾 后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序自動選擇、更換刀具，自動對刀、自動改變主軸轉(zhuǎn)速、進給量等，可連續(xù)完成鉆、鏜、銑、鉸、攻絲等多種工序。因而大大減少了工件裝夾時間，測量和機床調(diào)整等輔助工序時間，對加工形狀比較復雜，精度要求較 高，品種更換頻繁的零件具有良好的經(jīng)濟效果。
加工中心的換刀方式主要有兩種：
1、無機械手式：這種方式必須將用過的刀具送回刀庫，之后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不能同時進行，因此換刀時間較長。
2、機械手換刀：這種方式應用的最為廣泛，因為機械手換刀有較大的靈活性，可以減少換刀時間。
由此可見自動換刀機械手在加工中心中有著十分重要的地位。在實際應用中加工中心換刀機械手有著多種形式，各自的特點也各不相同。本文對換刀機械手進行系統(tǒng)的研究，并系統(tǒng)的設(shè)計一種針對數(shù)控臥式鏜銑床加工中心的換刀機械手。
1.2 系統(tǒng)簡要介紹
設(shè)計課題：數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀裝置。
1.2.1 刀庫類型：鏈式刀庫。
1.2.2 換刀機械手：雙臂單爪交叉式機械手。
1.2.3 用途：在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床（簡稱主機）實現(xiàn)所有加工工序的自動裝、卸刀。
- 6 -
1.2.4 規(guī)格參數(shù)
抓 重：20 公斤。自由度數(shù)：4 個。
坐標形式：圓柱坐標。
手指夾持刀柄的直徑：Φ100 毫米。驅(qū)動方式：液壓。
1.2.5 手架運動參數(shù)：
拔、插刀行程（即滑座伸縮 Z）：155 毫米（最大 180 毫米）。
升降行程（即找刀排 Y）：3x420 毫(刀排間垂直方向距離為 420 毫米，共四排)?；剞D(zhuǎn)角度（φ）：180°。
裝、卸刀手手臂伸縮行程（X）：195 毫米。手指夾持刀柄的直徑：?100 毫米。
位置檢測與定位方式：
滑座伸縮、手架回轉(zhuǎn)和裝、卸刀手手臂伸縮運動采用行程開關(guān)進行位置檢測，由擋塊定位。手架升降運動采用無觸點行程開關(guān)進行位置檢測，并控制三位四通閥適時“關(guān)閉”來定位。
控制方式：數(shù)字控制
第二章 換刀機械手的總體方案設(shè)計
2.1 設(shè)計任務(wù)
本次設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計一種數(shù)控臥式鏜銑床自動換刀機械手，使其在設(shè)定好的指令下，和刀庫以及鏜銑床——主機一起，完成整個加工工序的自動裝、卸刀過程。
2.2 設(shè)計思路
2.2.1 設(shè)計步驟
1、確定換刀機械手的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成。
2、通過設(shè)計計算和參考文獻確定換刀機械手的升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸及相互位置關(guān)系。
3、設(shè)計自動換刀機械手的滑座伸縮機構(gòu)。
4、設(shè)計設(shè)計自動換刀機械手的手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)。
5、設(shè)計裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)。
6、設(shè)計自動換刀機械手的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
7、完成換刀機械手的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。
2.3 主要設(shè)計內(nèi)容
1、換刀機械手的升降機構(gòu)的設(shè)計；
2、滑座伸縮機構(gòu)的設(shè)計；
3、 裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
4、自動換刀機械手的液壓系統(tǒng)的設(shè)計；
5、機械手的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計.
2.4 總體方案確定
2.4.1 自動換刀機械手的組成與配置的確定
機械手在自動換刀數(shù)控機床中的形式有多種多樣，常見的機械手形式有以下幾種。
1、單臂單爪回轉(zhuǎn)機械手
這種機械手的手臂在進行自動換刀過程中可以回轉(zhuǎn)不同的角度，而且不論在刀庫上或是在主軸上，均靠其僅有的一個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時間較長。
2、單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手
44
這種機械手換刀時間相對于上述單爪回轉(zhuǎn)機械手用時要少，因為其手臂上有兩個卡爪，其中一個卡爪從主軸上取下“舊刀”送回刀庫，另一個卡爪從刀庫取出“新刀”送回主軸。
經(jīng)過參考上述機械手的設(shè)計方案，最終確定了本次設(shè)計自動換刀機械手的總體結(jié)構(gòu)： 自動換刀機械手由升降絲桿 1、滑座 2、橫梁 3、油馬達 4、
裝刀手 5、手架 6、卸刀手 7 組成并與刀庫 8（由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上均有 15 個刀套，總共有 60 個刀套）組成自動換刀裝置，其配置如圖所示。
換刀過程：
圖 2.1 換刀機械手配置示意圖
如圖所示，設(shè)正在進行第五工序，主機的主軸上正用 T05 號刀進行切削過程，第六工序需要用 T09 號刀，第七工序需要用 T46 號刀，P05 是裝 T05 號刀的刀套，已經(jīng)停在換刀位置上，裝刀手已經(jīng)抓取了 T09 號刀，開始自動換刀前的狀態(tài)如圖 a。
第五工序最后的程序是：使主機立柱到最后位置(Z 軸原點)，主軸箱升到最高位置（Y 軸原點），將主軸定向，并使自動換刀控制部分作好換刀的準備。
第六工序開始的第一個指令是選刀的指令 Z46，控制部分得到選刀指令后開始自動換刀循環(huán)過程，其循環(huán)分三個階段。第一階段完成向主軸上換刀的過程，包括十個動作
（需要時間約 8 秒）：
1、手架轉(zhuǎn)向主軸，如圖 b。
2、卸刀手向前伸，抓取主軸上的 T05 號刀，如圖 c。
3、主軸箱拉刀機構(gòu)松開，主軸孔吹氣。
4、滑座前伸拔刀，如圖 d。
5、卸刀手縮回，如圖 e。
6、裝刀手向前伸，如圖 f。
7、滑座向后退，將 T09 號刀安裝到主軸孔，如圖 g。
8、主軸箱拉刀機構(gòu)拉緊，停止吹氣。
9、裝刀手縮回，如圖 h。
10、手架轉(zhuǎn)向刀庫，如圖 i。
手架轉(zhuǎn)向刀庫后。機床即開始第六工序的加工。同時自動換刀循環(huán)過程進入第二階段，將 T05 號刀送回刀庫。此過程包括五個動作：
1、橫梁下降到第二排刀鏈處，如圖 j。
2、滑座前伸。
3、卸刀手前伸。
4、滑座后退，將 T05 號刀安裝到 P05 刀套中。
5、卸刀手后退。
然后轉(zhuǎn)入第三階段。使自動換刀裝置變換為下一次換刀的換刀前狀態(tài)，此過程包括六個動作：
1、刀套鏈沿順時針方向轉(zhuǎn)動，將 T46 號刀移動到換刀位置，橫梁下降到第三排刀套鏈處，如圖 k。
2、裝刀手前伸，抓取 T46 號刀。
3、滑座前伸拔刀。
4、裝刀手后退。
5、滑座后退。
6、橫梁上升至最高位置，刀鏈反向轉(zhuǎn)動，將 P09 刀套移動到換刀位置，如圖 l。如此，就結(jié)束了整個自動換刀循環(huán)過程。
圖 2.2 自動換刀過程示意圖
第三章 機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 換刀機械手的升降機構(gòu)的設(shè)計
3.1.2 加工中心常見的刀庫
按照刀具的數(shù)目可分為單刀架和多刀架。按驅(qū)動刀架轉(zhuǎn)位的動力可分為手動轉(zhuǎn)位刀架和自動（電動和液動）轉(zhuǎn)位刀架。
自動換刀裝置的刀庫和換刀機械手的驅(qū)動都是采用電氣或液壓自動實現(xiàn)的。當前主要在加工中心和車削中心上用到自動換刀裝置，但數(shù)控磨床上的自動更換砂輪，電加工機床上的自動更換電極，以及數(shù)控沖床上的自動更換模具等也日漸增多。
在數(shù)控車床的自動換刀裝置中主要采用回轉(zhuǎn)刀盤。在刀盤上安裝有 8~12 把刀。部分數(shù)控車床采用兩個刀盤，實行四坐標控制方法。一小部分數(shù)控車床已經(jīng)具有了刀庫形式的自動換刀裝置。一個刀架上的回轉(zhuǎn)盤，刀具與主軸中心平行安裝，回轉(zhuǎn)刀盤不僅僅有回轉(zhuǎn)運動還有縱向進給運動和橫向進給運動。刀盤中心線相對于主軸中心線傾斜的回轉(zhuǎn)刀盤，在刀盤上安裝有 6~8 個刀位，在每個刀位上可安裝兩把刀具，分別用來加工外圓和內(nèi)孔。安裝有兩個刀盤的數(shù)控車床，刀盤 1 的回轉(zhuǎn)中心與主軸中心線平線，是用來
加工外圓的；刀盤 2 的回轉(zhuǎn)中心線與主軸中心線垂直，是用來加工內(nèi)表面的。在安裝有刀庫的數(shù)控車床中，其刀庫可以是回轉(zhuǎn)式的也可以是鏈式的，通過機械手進行交換。如圖：
圖 3.1 數(shù)控車床的自動換刀裝置
加工中心有立式、臥式和龍門式等幾種，因而其刀庫和換刀裝置也是各式各樣的。加工中心中刀庫的類型有盤形刀庫、鏈式刀庫、格子箱式刀庫和直線刀庫等。
3.1.2 鏈式刀庫的構(gòu)成
目前鏈式刀庫在所有刀庫中是用得最多的一種形式，它是由一個主動鏈輪帶動裝有刀套的鏈條來進行刀具的移動。主動鏈輪是由直流（交流）伺服電動機通過蝸桿、蝸輪等減速裝置驅(qū)動的（根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要有時還需要加一對齒輪副）。不僅在鏈式刀庫中有這樣的傳動方式，而且也采用在其他形式的刀庫傳動中。導向輪一般都會被做成光輪， 并且在圓周表面做硬化處理。在左側(cè)同時起張緊輪作用的兩個導向輪，在其輪座上必須帶有導向槽（或?qū)蜴I），防治松開螺釘時出現(xiàn)輪座位置歪扭的情況，導致張緊調(diào)節(jié)無法正常完成。
由于刀具的重量和為了保證刀庫工作的平穩(wěn)性，推薦以下形式的鏈條供選擇： 1、SK04 型鏈條（帶導向輪的）；
2、HP 型鏈條（一種套筒式鏈條，其輥子本身就是刀套）。
上述鏈條中，應先確定好刀柄號和拉釘種類、刀套間距、定位安裝位置和刀套導標牌位置，再予以采用。
鏈式刀庫的結(jié)構(gòu)形式有很多。SK 型懸掛式鏈條組成的鏈式刀庫只能是刀套“外轉(zhuǎn)型“，所以如果刀庫為方形時，就無法充分利用其中間空間。HP 型套筒式鏈條組成的鏈式刀庫在刀套”內(nèi)轉(zhuǎn)“時，刀套之間不會發(fā)生干涉，所以刀庫空間的利用率比懸掛式的刀庫空間的利用率高。
3.1.2 刀庫的準停與回零
如果換刀機械手抓刀不準，就會在換刀時容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象，刀套不能準確地停在換刀位置上就會導致這種情況的發(fā)生。因此影響換刀動作可靠性的重要因素之一就是刀套的準停問題。為了確保刀套準停 在換刀位置上，需要采取如下措施。
1、定位盤準停由液壓缸推動的定位銷插入定位盤的定位槽內(nèi)，以實現(xiàn)刀套的準停。 為了保證刀套的準停精度和刀套定位的剛性，鏈式刀庫的換刀位置一般設(shè)在主動鏈輪上， 或者盡可能設(shè)置在靠近主動鏈輪的刀套處。定位盤上的每個定位槽（或定位孔）都對應 一個相應的刀套，而且定位槽（或定位孔）的節(jié)距要一致。
這種準停方式的優(yōu)點為：
①能有效地消除傳動鏈反向間隙的影響。
②保護傳動鏈，使其免受換刀撞擊力。
③可不用制動自鎖裝置驅(qū)動電動機。
2、鏈式刀庫要選用節(jié)距精度較高的套筒輥子鏈和鏈輪，而且在把刀套裝在鏈條上時。要用專用夾具來定位，以保證刀套間距一致。
3、鏈式刀庫的鏈條要有導向輪，沿導向槽移動，這樣就能防止鏈條在運動中的抖動現(xiàn)象，保證刀庫工作的可靠性、回零開關(guān)的工作可靠性以及高的重復精度。
4、采用對鏈輪傳動進行補償方式 在鏈輪軸上裝編碼器，對鏈輪傳動進行補償實現(xiàn)準停。
5、采用單頭雙導程蝸桿傳動方式 它通過調(diào)節(jié)蝸桿的軸向位置，把傳動間隙調(diào)到理想程度。在這種傳動方式中，如果還加用定位銷準停方式，就容易出現(xiàn)“過定位”現(xiàn)象。
6、采用使刀套單方向運行和單方向定位方式
這是消除反向間隙影響的一個“笨方法”，使用該方法時，刀庫單向運行方向必須與機械手抓刀方向相反，否則機械手抓刀時會使刀套“挪位“。這種運行方式雖然能夠消除傳動間隙的影響。卻增加了選刀時間。因此這種方式一般只用于容量刀庫或順序選
刀的刀庫上，應盡量少用。
7、為了準確地回到零點，在零點前設(shè)置減速行程開關(guān)，其回零減速撞塊尺寸按下式計算。
V ( Tq+30+T )+40V T
Ldw > q 2
s
60000
1 s
該不等式計算后，Ldw 取整數(shù)就是減速撞塊的有效工作長度。Lda 為由減速行程開關(guān)釋放點到零點的距離，約等于電動機轉(zhuǎn)動半圈的移動量。
3.1.3 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)的確定
圖 3.2 升降機構(gòu)的示意圖
這個自動換刀機械手的升降機構(gòu)是由油馬達 1、滾珠絲杠 2、螺旋副間隙調(diào)整墊 3、導向柱、減速齒輪 5、和無觸點行程開關(guān) 6 等組成。當接受使手架上升或下降（找刀排） 指令后，壓力油進到油馬達 1 中，油馬達帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使手架帶著裝、卸刀手升降。因刀庫有四排刀排，手架可上下移動 3x420 毫米的距離，當手架上下運動接近所選刀排位置時，其上的懸臂感應塊使安裝在刀排相應位置的無觸點行程開關(guān)發(fā)信，控制手架升降油路的調(diào)速閥作用使手架減速，當?shù)竭_所選刀排要求準確定位時，裝在減速齒輪
上的感應塊使無觸點行程開關(guān)（12XK 或 20XK）發(fā)信，切斷手架升降油路，油馬達停止轉(zhuǎn)動，手架即停在所規(guī)定的位置上。滾珠絲桿和螺母間隙，可用修磨調(diào)整墊來達到。導向柱除起導向作用外，并使?jié)L珠絲桿在傳動中免受彎曲力矩的作用，使手架升降運動平穩(wěn)可靠。
3.2 換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計
3.2.1 刀具交換裝置
數(shù)控機床的自動換刀裝置中，實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換方式通常分為由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換和采用機械手交換刀具兩類。刀具的交換方式和其具體結(jié)構(gòu)對機床的生產(chǎn)率和工作可靠性有著直接的影響。
1、利用刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)刀具交換的裝置
此裝置在換刀是必須首先將用過的刀具送回刀庫，然后再從刀庫中取出新刀具，這兩個動作不可能同時進行，因此換刀時間較長。數(shù)控立式鏜銑床就是采用這類刀具交換方式的實例。該機床的盤式刀庫的結(jié)構(gòu)極為簡單，換刀過程卻較為復雜。它的選刀和換刀由三個坐標軸的數(shù)控定位系統(tǒng)來完成，因而每交換一次刀具，工作臺和主軸箱就必須沿著三個坐標軸作兩次來回的運動，因而增加了換刀時間。另外由于刀庫置于工作臺上， 減少了工作臺的有效使用面積。
2、刀庫——機械手的刀具交換裝置
采用機械手進行刀具交換的方式應用得最為廣泛，這是因為機械手有很大的靈活性， 而且可以減少換刀時間。在各種類型的機械手中，雙臂機械手集中地體現(xiàn)了以上的優(yōu)點。在刀庫遠離機床主軸的換刀裝置中，除了機械手以外，還帶有中間搬運裝置。
雙臂機械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)，他們分別是鉤手、抱手、伸縮手和叉手。這幾種機械手能夠完成抓刀、拔刀、回轉(zhuǎn)、插刀以及返回等全部動作。為了防止刀具掉落，各機械手的活的爪都必須帶有自鎖結(jié)構(gòu)。由于雙臂回轉(zhuǎn)機械手的動作比較簡單，而且能夠同時抓起和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀時間可以進一步縮短。
雙刀庫機械手換刀裝置，其特點是用兩個刀庫和兩個單臂機械手進行工作，因而機械手的工作行程大為縮短，有效地節(jié)省了換刀時間。還由于刀庫分設(shè)兩處使布局較為合理。
根據(jù)各類機床的需要，自動換刀數(shù)控機床所使用的刀具的刀柄有圓柱形和圓錐形兩
種。為了使機械手能可靠地抓取刀具，刀柄必須有合理的夾持部分，而且應當盡可能使刀柄標準化。V 形槽夾持結(jié)果適用于各種機械手。這是由于機械手抓的形狀和 V 形槽能很好地吻合，使刀具能保持準確的軸向和徑向位置，從而提高了裝刀的重復精度。凸緣夾持結(jié)構(gòu)適用于鉗式機械手裝夾，這是由于凸緣的兩邊可以同時伸進鉗口，使用輔助機械手能夠方便地將刀具從一個機械手傳遞給另一個機械手。
3.2.2 自動換位換刀裝置
數(shù)控車床上使用的轉(zhuǎn)位刀架是一種最簡單的自動換刀裝置。根據(jù)不同加工對象，可以設(shè)計成四方刀架和六角刀架等多種形式。轉(zhuǎn)位刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。
轉(zhuǎn)位刀架在結(jié)構(gòu)上應具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖的位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀尖位置不進行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每一次轉(zhuǎn)位之后，具有盡可能高的重復定位精度（一般為 0.001~0.005mm）。
1、四方轉(zhuǎn)位刀架
一般經(jīng)濟型數(shù)控車床采用的螺旋升降式四方自動刀架，適用于軸類零件的加工。其換刀過程：a.刀架抬起。當數(shù)控裝置發(fā)生換刀指令后，電動機正傳，并經(jīng)聯(lián)軸套、軸， 由滑鍵（或花鍵）帶動蝸桿、蝸輪、軸、軸套轉(zhuǎn)動。軸套的外圓上有兩處凸起，可在套筒內(nèi)孔中的螺旋槽內(nèi)滑動，從而舉起刀架及上端齒盤，使齒盤與下端齒盤分開，完成刀架拾起動作。b.刀架轉(zhuǎn)位。刀架抬起后，軸套仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時帶動刀架轉(zhuǎn)過 90°（如不到位，刀架還可以繼續(xù)轉(zhuǎn)位 180°、270°、360°）并由微動開關(guān)發(fā)出信號給數(shù)控裝置。c.刀架壓緊。刀架轉(zhuǎn)位后，由微動開關(guān)發(fā)出的信號使電動機發(fā)轉(zhuǎn)，使刀架定住而不隨軸套回轉(zhuǎn)，于是刀架向下位移，上下端齒盤合攏壓緊。蝸桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動則產(chǎn)生軸向位移， 壓縮彈簧，套筒的外圓曲面壓縮開關(guān)使電動機停止旋轉(zhuǎn)，從而完成一次轉(zhuǎn)位。
2、六角轉(zhuǎn)位刀架
數(shù)控車床的六角轉(zhuǎn)位刀架，適用于盤類零件的加工。在加工軸類零件時，可以換用四方轉(zhuǎn)位刀架。由于兩者底部安裝尺寸相同，更換刀架十分方便。
六角轉(zhuǎn)位刀架的全部動作由液壓系統(tǒng)通過電磁換向閥和順序閥進行控制。其動作分為四個步驟：a.刀架抬起。當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，壓力油進入壓緊液壓缸的下腔，活塞上升，刀架體抬起，使定位活動插銷與固定插銷脫開。同時，活塞下端的端齒離合
器與空套齒輪結(jié)合。b.刀架轉(zhuǎn)位。當?shù)都芴鹬螅瑝毫τ娃D(zhuǎn)入液壓缸左腔，活塞向右 移動，通過連接板帶動齒輪移動，使空套齒輪作逆時針方向轉(zhuǎn)動，通過齒端離合器使刀 架轉(zhuǎn)過 60°?；钊男谐虘扔邶X輪 5 節(jié)圓周長的 1/6，并由限位開關(guān)控制。c.刀架壓緊。刀架轉(zhuǎn)位之后，壓力油進入壓緊液壓缸的上腔，活塞帶動刀架體下降。杠體的底盤 上精確地安裝著六個帶斜楔的圓柱固定插銷，利用活動插銷消除定位銷與孔之間的間隙， 實現(xiàn)反靠定位。刀架體下降時，定位活動插銷與另一個固定插銷卡緊，同時由于缸體與 壓盤的錐面接觸，刀架在新的位置定位并壓緊。這時，端齒離合器與空套齒輪脫開。d. 轉(zhuǎn)位液壓缸復位。刀架壓緊之后，壓力油進入轉(zhuǎn)位油缸右腔，活塞帶動齒條復位，由于 此時端齒離合器已脫開，齒條帶動齒輪在軸上空轉(zhuǎn)。
如果定位和壓緊動作正常，推桿與相應的接觸頭接觸，發(fā)出信號表示換刀過程已結(jié)束，可以繼續(xù)進行切削加工。
轉(zhuǎn)位刀架除了采用液壓缸驅(qū)動轉(zhuǎn)位和定位銷定位外，還可以采用電動機—馬氏機構(gòu)官網(wǎng)和鼠盤定位，也可使用其他轉(zhuǎn)位和定位機構(gòu)。
數(shù)控車床 12 個刀位的液壓回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)。刀架的夾緊和轉(zhuǎn)位均由液壓油缸驅(qū)動。接到轉(zhuǎn)位信號后，液壓缸的右腔進油將中心軸和刀盤左移，使端面齒盤與軸分離，然后， 液壓馬達驅(qū)動凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪每轉(zhuǎn)一周撥過一個柱銷，使刀盤轉(zhuǎn)過一個工位。同時，固定在中心軸尾端的 12 面選位凸輪壓合相應的計數(shù)開關(guān)一次；當?shù)侗P轉(zhuǎn)到新予選的工位時，液壓馬達剎車，然后液壓缸前腔進油，將中心軸和刀盤拉緊，使兩端面齒盤嚙合夾緊。此時，中心軸尾部平面壓下開關(guān)發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束信號。該刀架可以向正反兩個方向旋轉(zhuǎn)，并可自動選擇最近的回轉(zhuǎn)路線，以縮短輔助時間。
電動回轉(zhuǎn)刀架，當轉(zhuǎn)塔刀架接到轉(zhuǎn)位指令后，電動機通過齒輪帶動行星輪的系桿旋轉(zhuǎn)，再通過軸帶動套轉(zhuǎn)動，套沿圓周方向均布 3 個夾緊輪，此時夾緊輪沿著下定位齒盤上的凸輪槽移動，當夾緊輪進入槽中的凹部時，將使下齒盤向右移動，從而使上、下定位齒盤脫離嚙合，完成轉(zhuǎn)塔打開工作。接著套帶著夾緊輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，推動與轉(zhuǎn)塔頭連在一起的套同步轉(zhuǎn)動，進行分度轉(zhuǎn)位工作，當達到預定位置時，電磁鐵動作，將預定位桿向左推出，使預定位銷金土轉(zhuǎn)塔的預定位套中，當預定位銷到位后，接近開關(guān)發(fā)出信號使電動機停止轉(zhuǎn)動，并立即進行反轉(zhuǎn)，即使夾緊套帶動夾緊輪反向轉(zhuǎn)動，從而將下定位齒盤向左移動，上下齒盤嚙合（精定位），靠下齒盤凸輪槽中的凸起部分夾緊轉(zhuǎn)塔。該轉(zhuǎn)塔刀架的特點是靠移動下端齒盤來完成打開動作，整個過程轉(zhuǎn)塔不抬起。
該轉(zhuǎn)塔根據(jù)相應的邏輯電路自動選擇回轉(zhuǎn)方向，進行雙向自動分度旋轉(zhuǎn)。
3、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)
由于回轉(zhuǎn)刀架、轉(zhuǎn)塔頭式換刀裝置容納的刀具數(shù)量不能太多，滿足不了復雜零件的加工需要。具有鉆、鏜、銑功能的數(shù)控銑鏜床和加工中心，為了使工件能在一次安裝中實現(xiàn)工序高度集中，加工完盡可能多的工作表面，一般采用刀庫式自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)由刀庫和刀具交換機構(gòu)組成，是多工序數(shù)控機床上應用最廣泛的換刀系統(tǒng)。整個換刀過程較為復雜，首先把加工過程中需要使用的全部刀具分別安裝在標準的刀柄上，在機外進行尺寸預調(diào)整之后，按一定的方式收入刀庫，換刀時先在刀庫中進行選刀，并由刀具交換裝置從刀庫和主軸上取出刀具。在進行刀具交換之后，將新刀具裝入主軸，把舊刀具放回刀庫。在、存放刀具的刀庫具有較大的容量，它既可安裝在主軸箱的側(cè)面或上方，也可作為單獨部件安裝在機床以外。常見的刀庫形式有三種：a.盤形刀庫。b.鏈式刀庫。c.格子箱刀庫。
帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床主軸箱內(nèi)只有一個主軸，設(shè)計主軸部件時有可能充分增強它的剛度，因而能夠滿足精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數(shù)量很大的刀具（可以多達 100 把以上），因而能夠進行復雜零件的多工序加工，這樣就明顯提高了機床的適應性和加工效率。帶刀庫的自動換刀裝置換刀形式很多，以下介紹幾種典型換刀裝置。
4、直接在刀庫與主軸（或刀架）之間換刀的自動換刀裝置
這種換刀裝置只具備一個刀庫，刀庫中儲存著加工過程中需使用的各種刀具，利用機床本身與刀庫的運動實現(xiàn)換刀過程。自動換刀數(shù)控立式車床，刀庫固定在橫梁的右端， 它可作回轉(zhuǎn)以及上下方向的插刀和拔刀運動。機床自動換刀過程如下：a.刀架快速右移， 使其上的裝刀孔軸線與刀庫上空刀座的軸線重合，然后刀架滑枕向下移動，把用過的刀具插入空刀座。b.刀庫下降，將通過的刀具從刀架中拔出。c.刀庫回轉(zhuǎn)，將下一工步所需使用的新刀具軸線對準刀架上的裝刀孔軸線。d.刀庫上升，將新刀具插入刀架裝刀孔， 接著由刀架中自動夾緊裝置將其夾緊在刀架上。e.刀架帶著換上的新刀具離開刀庫，快速移向加工位置。
這種刀庫的驅(qū)動是由伺服電動機經(jīng)齒輪、蝸桿和蝸輪轉(zhuǎn)動刀庫進行的。為了消除齒側(cè)間隙而采用雙片齒輪。蝸桿、蝸桿采用單頭雙導程蝸桿（左齒面導程為 9.2363mm）消除蝸桿蝸輪嚙合間隙，壓蓋和軸承套之間螺紋聯(lián)接。轉(zhuǎn)動套就可使蝸桿軸向移動以調(diào)整
間隙，螺母用于在調(diào)整后鎖緊，刀庫的最大轉(zhuǎn)角為 180°，在控制系統(tǒng)中有自動判別功能，決定刀庫正反轉(zhuǎn)，以使轉(zhuǎn)角最?。换蛘卟捎貌邃N定位、反靠定位等方法來準確定位。
刀庫及轉(zhuǎn)位機構(gòu)裝在一個箱體內(nèi)，用滾動導軌支承在立柱頂部，用油缸驅(qū)動箱體的前移和后退。
5、用機械手在刀庫與主軸之間換刀的自動換刀裝置
這是目前用得最普遍的一種自動換刀裝置，其布局機構(gòu)多種多樣。四排鏈式刀庫分置于機床的左側(cè)，由裝在刀庫與主軸直接的單臂往復交叉雙機械手進行換刀。換刀過程： a.開始換刀前狀態(tài)，主軸正在用刀具進行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用的刀具， 機械手架處于最高位置，為換刀作好了準備。b.上一工步結(jié)束，機床立柱后退，主軸箱上升，使主軸處于換刀位置。接著下一工步開始，其第一個指令是換刀，機械手架回轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)向主軸。c.卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的刀具。d.機械手架由滑座帶動，沿刀具軸線前移，將刀具從主軸上拔出。e.卸刀機械手縮回原位。f.裝刀機械手前伸，使刀具對準主軸。g.機械手架后移，將刀具插入主軸。h.裝刀機械手縮回原位。i. 機械手架回轉(zhuǎn) 180°，使裝刀、卸刀機械手轉(zhuǎn)向刀庫。j.機械手架由橫梁帶動下降，找第二排刀套鏈，卸刀機械手將刀具插回刀套中。k.刀套鏈轉(zhuǎn)動，把在下一個工步需用的刀具送到換刀位置；機械手架下降，找第三排刀鏈，由裝刀機械手將刀具取出。l.刀套鏈反轉(zhuǎn)，把刀套送到換刀位置，同時機械手架上升至最高位置，為再下面一個工步的換刀作好準備。
6、用機械手和轉(zhuǎn)塔配合刀庫進行換刀的自動換刀裝置
這種自動換刀裝置實際是轉(zhuǎn)塔式換刀裝置和刀庫式換刀裝置的結(jié)合。轉(zhuǎn)塔上有兩個刀具主軸。當用一個刀具主軸上的刀具進行加工時，可由機械手將下一工步需用的刀具換至不工作的主軸上，待上一工步加工完畢后，轉(zhuǎn)塔回轉(zhuǎn) 180°，即完成了換刀工作。因此，所需換刀時間很短。
從以上幾種自動換刀裝置可以看出，刀庫的驅(qū)動方式一般采用液壓和電氣兩種方式。小型刀庫可直接由蝸桿蝸輪傳動，大型刀庫還需采用鏈條傳動。
采用蝸桿蝸輪傳動時，可以使伺服電動機工作在最佳狀態(tài)下（不采用伺服電動機的低速段工作）。有時為了機構(gòu)上的原因，還在蝸桿蝸輪后再加一對齒輪。在圓盤式刀庫上，為了提高刀庫的轉(zhuǎn)位分度精度，一般采用單頭雙導程蝸桿，以便在使用中隨時調(diào)整蝸桿蝸輪的傳動空隙，實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫工作的可靠性。
刀庫的刀套運動線速度影響選刀效率，但是過快的線速度又影響刀庫工作的可靠性， 一般推薦采用 v=22~30m/min。
3.2.3 本次設(shè)計的自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)
本次設(shè)計的自動換刀機械手的滑座伸縮和手架回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，是由滑座、活塞桿、轉(zhuǎn)柱、回轉(zhuǎn)油缸、滾柱組（滾柱按十字交叉位置放置）、預緊螺釘、定位螺釘、定位塊和 V 形導軌等組成。
滑座伸縮：當油管分別向滑座上的油缸兩腔通壓力油時，驅(qū)動滑座（因活塞桿固定在橫梁上）使滑座在十字交叉放置的滾柱和 V 形滾動導軌上往復運動，滑座就帶動手架來完成拔、插刀運動。其行程位置的檢測由安裝在橫梁上的行程開關(guān)完成。在活塞桿上的活塞兩端加工成圓錐形，配合油缸端部起節(jié)流緩沖作用。
手架回轉(zhuǎn)：當油管分別通壓力油到回轉(zhuǎn)油缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動， 通過平鍵使轉(zhuǎn)柱和手架（兩者用螺栓聯(lián)接）回轉(zhuǎn)。其回轉(zhuǎn)角度的檢測由行程開關(guān)發(fā)信， 并用定位螺釘和定位塊來定位。
3.3 裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)
3.3.1 手爪
機械手的手爪在抓住刀具后，必須具有鎖刀功能，以防止在換刀過程中掉刀或刀具被甩出。當機械手松刀時，刀庫的夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。對于單臂雙爪式機械手的手爪，大多采用機械鎖刀方式，有些大型加工中心，還采用機械加液壓鎖刀方式。
目前加工中心上用得較多的一種，手臂的兩端各有一個手爪，刀具被由彈簧推著活動銷（類似于人手的母指）頂靠在固定手爪中。鎖緊銷被彈簧頂起，使活的銷被鎖住， 不能后退，這就保證了機械手手在換刀過程中手爪中的刀具不會被甩出。當手柄處于抓刀位置時，鎖緊銷被設(shè)置在主軸伸出端或刀庫上的撞塊壓下，活動銷就可以活動，使得機械手可以抓?。ɑ蚍砰_）主軸或刀庫刀套中的刀具。手爪上握刀的圓弧部分有一個錐銷，機械手抓刀時，該錐銷插入刀柄的鍵槽中。
此外，鉗形杠桿機械手也用得較為普遍，鎖銷在彈簧，其大直徑外圈頂著退銷，杠桿手爪就不能擺動、張開，手中的刀具就不會被甩出。等抓刀或還刀時，鎖銷被裝在刀庫或主軸端處的撞塊壓回，止退銷和杠桿手爪就能夠擺動、張開，刀具就能被裝入或取
出。鉗形手和杠桿手均為直線運動抓刀。
3.3.2 裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)
圖 3.3 自動換刀機械手裝、卸刀手手臂和手部結(jié)構(gòu)示意圖
裝刀手和卸刀手對稱配置在手架上，其結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同，只是幾個主要零件形狀相反，故此處只介紹卸刀手結(jié)構(gòu)和動作原理。
卸刀手手臂伸縮運動機構(gòu)由手架、手臂油缸、手指座和活塞桿等組成?；钊麠U一端固定在手架上，當壓力油從油孔分別進到油缸的兩腔時，推動油缸的缸體在燕尾形導軌上往復運動，其行程位置由裝在手架上的行程開關(guān)進行檢測，采用油缸端部錐面節(jié)流緩沖，端蓋和活塞端面相碰定位。
裝刀手和卸刀手手臂移動導軌的方向相交成 45°角，其交點即是裝刀手、卸刀手前伸移到終點時手指的夾緊中心。
圖 3.4 擋塊與手部結(jié)構(gòu)配合動作示意圖
卸刀手手部由手指座、刀具定向鍵、固定手指、頂銷、卡銷、彈簧、活動手指、擋塊（A 型）和銷軸等組成。它屬于彈簧夾持式手部，手指分為固定指和活動指，并屬于一支點回轉(zhuǎn)型手指。在手臂伸出抓刀時，活動指應能自由張開，抓住刀后，特別是在運刀過程中活動指應夾緊并鎖住，因此手指內(nèi)有自鎖機構(gòu)。在鏜銑床主軸套筒的端面和滑座懸伸支架上均設(shè)有使手指松開的導板（共 4 塊，分 A 型和 B 型兩種），刀具在手指中不允許有轉(zhuǎn)動，以免刀柄的鍵槽錯位，故在固定手指上裝有定位鍵。
卸刀時，卸刀手手臂前伸，當卡銷碰到擋塊（A 型）的 a 面時，使卡銷縮回；碰到b 面頂銷可自由運動，手指碰上刀柄便能自動張開插入梯形槽中；當碰到 c 面時，卡銷被彈簧彈出，鎖緊活動指，將刀柄抓牢，以后進行拔刀等動作。
如裝刀完畢（即滑座縮回，作插刀運動，將刀具的刀柄插入機床主軸孔內(nèi)），使卡銷被擋塊（B 型）的 b＇面壓入，頂銷能自由活動，手臂油缸縮回時，手指就從刀柄的梯形槽中自動滑脫，當卡銷移到擋塊的 a＇面時，彈簧將卡銷彈出將活動指鎖住。
3.4 自動換刀機械手液壓系統(tǒng)
圖 3.5 液壓系統(tǒng)原理圖
自動換刀機械手液壓系統(tǒng)如圖所示，采用雙聯(lián)葉片泵供油，它具有功率損失小，油箱的升溫小，泵的壽命高，成本低等優(yōu)點。
雙聯(lián)葉片泵的工作是用溢流閥（YF-B20B）、卸荷閥(X4F-B20B)、單向閥(DIF-L20H1) 三個閥聯(lián)合控制。泵起動后兩個泵的輸出油分別進入它們的管道，小泵 1 的輸出油經(jīng)過過濾器后進入溢流閥，大泵 2 的輸出油進入卸荷閥，但此時電磁鐵 15DT 不通電，管道通過電液滑閥（24DY-B20H）、單向閥(DF-B20K3)和油箱相通，管路中壓力很低，溢流閥和卸荷閥都關(guān)閉。
在裝、卸刀手手臂伸縮或滑座伸縮或手架回轉(zhuǎn)等單獨運動時，各油缸所需油液流量較小，由高壓小流量油泵 1 供油，管路內(nèi)油壓上升到溢流閥所確定的壓力，由于卸荷閥的壓力調(diào)得比溢流閥的壓力低 5 公斤力/厘米 2，卸荷閥被打開，單向閥（DIF-L20H1）
被溢流閥的油壓鎖住，大泵 2 的輸出油通過卸荷閥流經(jīng)冷卻器回到油箱。
當手架快速升降時，由于小泵 1 的流量不夠，使系統(tǒng)壓力下降，卸荷閥關(guān)閉，大泵
2 的輸出油推開單向閥(DIF-L20H1)和泵 1 的輸出油一起進入系統(tǒng)，保證了手架的快速升降運動。
兩位四通電液滑閥(24DY-B20H)起開關(guān)作用，當電磁鐵 15DT 通電時，系統(tǒng)處于等待工作的狀態(tài)。
在手架升降支路系統(tǒng)裝有緩沖閥。當手架升降運動有快速轉(zhuǎn)換成慢速時，由于其慣性在回油路內(nèi)引起很高的沖擊壓力，高壓油液經(jīng)單向閥（a 或 b）和溢流閥 c 流回油箱， 以緩和油液壓力的波動，使手架由快速平滑地變換到慢速。緩沖閥處的溢流閥 c 的調(diào)定壓力應比系統(tǒng)工作壓力高 30％左右。
第四章 相關(guān)設(shè)計計算
4.1 手部設(shè)計計算
手指在工件上的夾緊力，對于手部的設(shè)計十分重要。為了保證機械手能夠夾緊工件， 需要對其所受的力，方向以及作用點的分布進行詳細準確的分析。夾緊力需要克服由于工件重力而產(chǎn)生的靜載荷和工件在運動由于運動形式的改變而收到的動載荷，來確保工件被夾緊的可靠性。
手指對工件的夾緊力可按下面公式計算：
FN = K1K2K3G
式中：K1——安全系數(shù)，通常取 1.2-2.0，這里選取為 1.5；
K2——工況系數(shù)，主要與慣性力有關(guān)。K2可以近似按下式估算：
K
=1+a ；
2 g
其中： a ——運載工件時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——方位系數(shù)
G——被抓取工件所受重力
選取K1=1.5
K =1+a =1+0.2=1.02
2 g 9.8
根據(jù)上述分析與之前的參數(shù)計算可得
K3=0.5
FN = K1K2K3G = 1.5×1.02×0.5×20×9.8=149.94N
綜上所述，可見夾緊力需要大于 149.94N，即可保證工件能夠完全被夾緊。
4.2 臂部設(shè)計要求
臂部設(shè)計需要滿足下列幾個基本要求
4.2.1 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕
對于機械手臂或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較
多采用懸伸梁式。顯然伸縮臂桿的懸伸長度越長，其剛度越差。而且其剛度隨著桿的伸縮不斷變化。對于機械手的運動性能、位置精度和負載能力等影響很大，為提高剛度， 除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意一下幾個方面。
根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸
臂部和機身通常既受彎曲，也受扭轉(zhuǎn)，應該選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。提高支撐剛度和合理選擇支撐距離
臂桿或機身的變形量不僅與本身剛度有關(guān)，而且與支撐件的剛度和支撐間的距離有很大關(guān)系。
要提高支撐剛度，除了從支座的結(jié)構(gòu)形式底板的剛度。以及支座與底板飛連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度
合理布置作用力的位置和方向
在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各種用力引起的變形相互抵消。注意簡化結(jié)構(gòu)
在設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補償環(huán)節(jié)，以減少重要部件的間隙， 從而提高剛度。
提高配合精度
水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導向桿承受部分或者大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸體內(nèi)經(jīng)配合精度，以提高手臂前伸時的剛度。
4.2.2 臂部運動速度要高，慣性要小
機械手的臂部運動速度是機械手較為重要的參數(shù)之一。在其工作時會產(chǎn)生一定的載荷作用或是沖擊作用。為了盡量避免或者減少沖擊，這就需要系統(tǒng)啟動的加速度和系統(tǒng)終止運動前的加速度（此處加速度為負值）不能太大，以此來避免沖擊。如果機械手在系統(tǒng)運動停止的瞬間，若加速度很大，則系統(tǒng)所受的慣性力會增大，從而產(chǎn)生較劇烈的沖擊。也可以通過增加系統(tǒng)的阻尼來使得系統(tǒng)減小沖擊。
為了達到減少轉(zhuǎn)動慣量的目的，則可以采取下列措施；
1、減少手臂部件的質(zhì)量，使用承載能力較高的合金材料。
2、盡量減少手臂運動部件的尺寸和大小。
3、減少回轉(zhuǎn)半徑
4、在機械手的驅(qū)動系統(tǒng)中裝置一個能對系統(tǒng)進行緩沖的裝置
4.2.3 手臂動作應靈活
為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置應合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，要特別防止“卡死”現(xiàn)象。為此，必須計算使之滿足不自鎖條件。
偏重力矩的計算步驟：
計算零件重量，可分解為規(guī)則的形體進行計算；
計算零件重心位置，并求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離ρ； 求重心位置并計算偏重力臂ρ。
G總=Gx + G爪
+ G腕
+ G臂
+ ? = ∑n Gi
i?1
ρ Gxρx+G爪ρ爪+G腕ρ腕+G臂ρ臂+?
=
Gx+G爪+G腕+G臂+?
=
∑
n i=1
∑n
Giρi Gi
計算偏重力矩：
i=1
4.2.4 位置精度要高
n
M偏 = G總ρ = ∑ Giρi
i=1
一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置最難控制， 故精度差，在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測機構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝載最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動嚙合的間隙。
除此之外，要求機械手通用性好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設(shè)置防裝置等。
這些要求往往是要相互制約，設(shè)計時應全面分析各方面要求，綜合考慮。
4.2.5 手臂的設(shè)計計算
通常先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要
尺寸在進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復多次，繪出最終的結(jié)構(gòu)。
4.3 伸縮液壓缸的設(shè)計計算
4.3.1 作水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力
根據(jù)液壓缸運動時所需要克服的摩擦力、回油背壓及慣性等幾個方面的阻力，來確定所需要的驅(qū)動力。
液壓缸活塞桿的驅(qū)動力的計算：
F=F摩 + F密 + F回 + F慣
式中：F摩——摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面間的摩擦阻力。若是導向裝置， 則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。
F密——密封裝置處的摩擦阻力；
F回— —液壓缸回油腔低壓油所造成的阻力；
F慣——啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。計算如下：
??、的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況估算。
∑ MA= 0
G總L= aFb
G總L
Fb = a
∑ Y = 0
G + Fb =Fa
得：Fa
= G 總
（L+a）
a
′ ′
F摩 = Fa 摩 + Fb 摩 = μ Fa + μ Fb
′
F = G
（ 2L+a）
摩 μ 總 a
式中：G總——參與運動的零部件所受的總重力；
L——手臂與運動的零部件的總重量的重心導向支撐前端的距離。a——導向支撐的長度；
′
μ ——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面形狀有關(guān)。
對于圓柱面：
′
μ = (4 ? π) × μ=（1.27-1.57）μ
π 2
μ——摩擦系數(shù)，對于摩擦且無潤滑時； 對于鋼對青銅：取μ= 0.1—0.15
對于鋼對鑄鐵：取μ=0.18—0.3
若采用 V 形導軌作導向支撐，則：
′
F摩 = μ G總
μ
′
μ =
sin θ/2
θ為 V 形對稱支撐面的夾角
′
當θ = 90°時，μ = 1.41μ
′
θ = 120°時，μ = 1.15μ
??、??密的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，其計算公式如下：
1、“O”形密封圈 當液壓缸工作壓力小于 10MPa?；钊麠U直徑為液壓缸直徑的一半，活塞與活塞桿