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西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
專業(yè)班級(jí) 08級(jí)機(jī)電（2）班
學(xué) 號(hào) 08102080213
學(xué)生姓名 侯飛龍
指導(dǎo)教師 姚慧
設(shè)計(jì)所在單位 西安文理學(xué)院
2012年 2月
目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的及意義 1
1.2 加工中心換刀機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 研究的主要內(nèi)容 2
第2章 總體方案設(shè)計(jì)與論證 3
2.1 加工中心換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 3
2.2 初步設(shè)計(jì)方案 3
2.2.1 旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu) 3
2.2.2 主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3
2.3 方案的確定 4
2.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析 4
2.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 4
2.4.2 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn) 5
2.4.3 加工中心換刀機(jī)械手的組成 5
2.5 本章小結(jié) 6
第3章 構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算 7
3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 7
3.1.1 手指夾緊力的計(jì)算 7
3.1.2 手指部分的相關(guān)校核 8
3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì) 10
3.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 10
3.2.2 材料的選擇 12
3.3 手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計(jì) 12
3.3.1 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 12
3.4 主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.4.1 主架架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì) 14
3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 16
3.4.3 單級(jí)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核 17
3.5 主架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì) 23
3.5.1 主架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 23
3.5.2 材料的選擇 24
3.5.3 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核 24
3.6 本章小結(jié) 25
第4章 控制部分的設(shè)計(jì) 26
4.1 液壓缸的流量、流速及壓力 26
4.2 確定液壓泵的流量、壓力及液壓泵的型號(hào) 26
4.3 各液壓缸緩沖裝置的設(shè)計(jì) 28
4.4 液壓系統(tǒng)回路 28
4.5 旋轉(zhuǎn)軸控制線路 29
4.6 技術(shù)難點(diǎn) 29
4.7 本章小結(jié) 30
結(jié)束語(yǔ) 30
致 謝 31
參考文獻(xiàn) 32
西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第33頁(yè)
第1章 緒論
1.1 加工中心換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的及意義
本設(shè)計(jì)主要是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，為加工中心換刀機(jī)械手的研究提供幾種新的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)論證分析，選擇其中一種比較理想可行的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠換刀的目的。在滿足加工中心換刀機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，本設(shè)計(jì)也在一定程度上簡(jiǎn)化了換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以方便加工中心換刀機(jī)械手的加工制造過(guò)程。
1.2 加工中心換刀機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)，隨著世界制造業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移，我國(guó)對(duì)機(jī)床的需求量大增。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的開發(fā)水平也有了很大進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的品種和質(zhì)量均比以往有所提高，部分機(jī)床制造主導(dǎo)廠還開發(fā)出具有相當(dāng)水平的數(shù)控設(shè)備。但是，通過(guò)有關(guān)部門給出的資料，只要作進(jìn)一步的分析與了解，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在消費(fèi)量的臺(tái)數(shù)中雖占有一半（55%）以上，但它們多是些技術(shù)水平較低、價(jià)格相對(duì)便宜的普通產(chǎn)品，如數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床和線切數(shù)機(jī)床等，高、中檔數(shù)控產(chǎn)品則較少，而且這些產(chǎn)品的核心技術(shù)或功能部件，如加工中心換刀機(jī)械手、全功能的數(shù)控伺服系統(tǒng)，高速電主軸，數(shù)控刀架乃至高速安全防護(hù)裝置等，還多是由中外合資企業(yè)提供或是從國(guó)外進(jìn)口的。這也說(shuō)明由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有一定距離，部分高性能、高速、高精度的數(shù)控機(jī)床仍需要依靠海外進(jìn)口。
功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會(huì)配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。而換刀機(jī)械手則是加工中心穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。沒(méi)有換刀機(jī)械手，就不可能有集中工序進(jìn)行加工的加工中心。有資料顯示，刀庫(kù)和機(jī)械手的故障率約占整機(jī)故障率的25%。所以說(shuō)，換刀機(jī)械手的性能、質(zhì)量直接影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的性能、質(zhì)量和品種的發(fā)展。
加工中心是備有刀庫(kù)，并能自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件進(jìn)行多工序加工的一種功能較全的數(shù)字控制機(jī)床，也是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，是判斷企業(yè)技術(shù)能力和工藝水平標(biāo)志的一個(gè)方面。加工中心中實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)和機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置，它的功能是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動(dòng)交換。自動(dòng)換刀裝置可幫助數(shù)控機(jī)床節(jié)省輔助時(shí)間，并滿足在一次安裝中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀庫(kù)和換刀機(jī)構(gòu)組成。作為自動(dòng)換刀裝置，它需要滿足換刀迅速、時(shí)間短，重復(fù)定位精度高，刀具儲(chǔ)存量足夠，所占空間位置小，工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。
換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。加工中心的自動(dòng)換刀形式可分為無(wú)機(jī)械手換刀方式和有機(jī)械手換刀方式兩大類。無(wú)機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫(kù)放在主軸箱可以運(yùn)動(dòng)到的位置，同時(shí)，刀庫(kù)中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。無(wú)機(jī)械手換刀方式是由刀庫(kù)和機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具的交換的，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但換刀時(shí)間要長(zhǎng)。目前，加工中心的自動(dòng)換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因?yàn)橛袡C(jī)械手換刀裝置在刀庫(kù)的配置、與主軸的相對(duì)位置及刀具數(shù)量確定上都比較靈活，機(jī)械手?jǐn)?shù)量和換刀形式比較隨意，換刀時(shí)間比較短，應(yīng)用廣泛。換刀機(jī)械手的形式有單臂式、雙臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等，而常用雙臂式機(jī)械手的手爪結(jié)構(gòu)形式又分為鉤手、抱手、伸縮手和叉手等。
加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要的功能部件，它在國(guó)內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。目前，在國(guó)外BT40的換刀時(shí)間已達(dá)到0.9秒，BT50的換刀時(shí)間也達(dá)到了1.5秒左右，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了立、臥兩用凸輪式換刀機(jī)械手和用于五軸聯(lián)動(dòng)的換刀機(jī)械手的研究。
加工中心換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動(dòng)作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。機(jī)械手應(yīng)具備足夠的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還應(yīng)使機(jī)械手具備結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小的特點(diǎn)，以適應(yīng)不同類型機(jī)床的換刀空間。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的需求量會(huì)越來(lái)越大。
1.3 研究的主要內(nèi)容
加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定的換刀。設(shè)計(jì)得主要內(nèi)容如下：
1、根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對(duì)手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)、手架旋轉(zhuǎn)與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出幾種新的方案，并通過(guò)對(duì)所提出方案的論證分析，選擇一種較為理想的方案進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。
2、對(duì)所選設(shè)計(jì)方案中換刀機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。
3、對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計(jì)算，并對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。
4、確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
5、對(duì)設(shè)計(jì)中所涉及到的液壓缸通過(guò)計(jì)算確定其個(gè)部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對(duì)個(gè)活塞桿的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠穩(wěn)定、可靠的完成換刀過(guò)程。
6、對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的齒輪、軸等重要零部件通過(guò)計(jì)算確定尺寸后，要進(jìn)行安全校核。
7、設(shè)計(jì)出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)與論證
2.1 加工中心換刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)加工中心換刀機(jī)械手，使其實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮、手架伸縮以及手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并設(shè)計(jì)出它的傳動(dòng)控制部分，以保證加工中心換刀機(jī)械手能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速、可靠的完成換刀過(guò)程。
2.2 初步設(shè)計(jì)方案
2.2.1 旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu)
由于與機(jī)械、電力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因?yàn)橐簤涸凶晕覞?rùn)滑作用，使用壽命長(zhǎng)，所以在以下幾種設(shè)計(jì)方案中，旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及夾緊機(jī)構(gòu)夾緊運(yùn)動(dòng)都采用液壓的驅(qū)動(dòng)方式。并且由于旋轉(zhuǎn)臂的兩臂可旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后回轉(zhuǎn)，可避免與刀庫(kù)中其他刀具干涉，所以，以設(shè)計(jì)方案中的換刀機(jī)械手都兩手旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)式單臂機(jī)械手夾緊機(jī)構(gòu)。
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Ⅰ
在此方案中，加工中心換刀機(jī)械手兩個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動(dòng)的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)
工作原理：當(dāng)手架旋轉(zhuǎn)75°到指定位置后，發(fā)出手臂伸出指令，手臂伸縮液壓缸1工作，當(dāng)液壓缸的進(jìn)油腔油壓力升高，壓力繼電器開關(guān)動(dòng)作，并發(fā)出手指夾緊指令，手手指開始夾緊。
手架在插刀動(dòng)作結(jié)束后，發(fā)出手指松開指令，此時(shí)手指夾緊液壓缸1反行程運(yùn)動(dòng)，手指松開。
2.2.2 主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
此方案的主要特點(diǎn)是采用圓錐齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加工中心換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。
圖2.2 錐齒輪機(jī)構(gòu)
工作原理：當(dāng)加工中心發(fā)出換刀信號(hào)后，電動(dòng)機(jī)M啟動(dòng)，通過(guò)單級(jí)圓錐齒輪帶動(dòng)手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)75°到達(dá)工作位置后，電動(dòng)機(jī)M停止工作，并發(fā)出手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊信號(hào)。當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊動(dòng)作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時(shí)，支撐液壓缸開始運(yùn)動(dòng)，整個(gè)擺臂上升，拔刀動(dòng)作開始，擺臂運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，支撐液壓缸停止工作。
電動(dòng)機(jī)開始工作，擺臂架旋轉(zhuǎn)180°后停止，開始插刀動(dòng)作過(guò)程。手架恢復(fù)到初始位置，等待下一次換到指令。
此種機(jī)構(gòu)如果設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆啓C(jī)構(gòu)便可是從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。
2.3 方案的確定
圖2.1所示的加工中心換刀機(jī)械手手臂伸縮和手指夾緊機(jī)構(gòu)中，手臂伸縮和手指夾緊運(yùn)動(dòng)都分別由單獨(dú)的液壓缸進(jìn)行控制，這使得它們的靈活性都很好。
圖2.2所示的機(jī)構(gòu)由于采用了錐齒輪機(jī)構(gòu)，為保證準(zhǔn)確換刀，就需要精確的計(jì)算出錐齒輪輪的旋轉(zhuǎn)速度和錐齒輪的輪廓曲線，同時(shí)還要精確的控制電動(dòng)機(jī)M的起、停時(shí)間。故選用此機(jī)構(gòu)會(huì)比較理想一些。
通過(guò)以上分析，本設(shè)計(jì)選由圖2.1所示的夾緊機(jī)構(gòu)和圖2.2中所示的主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成加工中心換刀機(jī)械手進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。
2.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析
2.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
主架上下伸縮液壓缸最大行程： 110mm；
手臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸最大行程： 60mm；
手指夾緊液壓缸最大行程： 10mm；
夾持工件質(zhì)量： 8kg；
換刀過(guò)程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180°；
換刀機(jī)械手復(fù)位角度： -75°；
2.4.2 自由度分析及各自由度的實(shí)現(xiàn)
分析自由度的坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式以及關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等等，本設(shè)計(jì)中采用直角坐標(biāo)式對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的自由度進(jìn)行分析，如圖2.3所示。分析過(guò)程如下：
(1) 手指夾緊運(yùn)動(dòng)()：由手指夾緊液壓缸控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)活塞桿推動(dòng)或拉動(dòng)手指部分的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或松開。
(2) 手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)()：由伸縮式液壓缸控制實(shí)現(xiàn)。
(3) 主架上下伸縮運(yùn)動(dòng)()：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動(dòng)作。
(4) 主架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)()：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單級(jí)圓錐齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的啟停時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn)75°到達(dá)工作位置、主架旋轉(zhuǎn)180°完成主軸刀具和刀庫(kù)刀具互換運(yùn)動(dòng)、手架反向旋轉(zhuǎn)75°復(fù)位三種運(yùn)動(dòng)。
2.4.3 加工中心換刀機(jī)械手的組成
加工中心換刀機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，各部分特點(diǎn)如下：
1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成各種動(dòng)作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、臂部和主架等運(yùn)動(dòng)部件所組成。
手指部分：即直接與工件接觸部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型，手爪多為兩指，也有多指；根據(jù)需要分為內(nèi)抓式或外抓式；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。本設(shè)計(jì)采用夾持式手部，即由手爪和傳力機(jī)構(gòu)組成，它的主要功能是在換刀過(guò)程中完成抓住工件、握持工件和釋放工件的動(dòng)作。
手臂部分：手臂是支撐被抓物體以及手指部分的重要部件，起調(diào)整和改變工件方位的作用。本設(shè)計(jì)中手臂的主要作用是帶動(dòng)手指去抓取物件。
主架部分：用于承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設(shè)計(jì)中它還用于通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫(kù)刀具的互換運(yùn)動(dòng)。
2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來(lái)為各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。
本設(shè)計(jì)中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)主要是直線、旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，若采用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，則必須加入齒輪、齒條等機(jī)械機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，可直接帶動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于液壓驅(qū)動(dòng)的抗沖擊能力比電氣驅(qū)動(dòng)的抗沖擊能力要強(qiáng)，而且在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力（力矩）的條件下，與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還具有體積小、慣性小、工作平穩(wěn)可靠以及可實(shí)現(xiàn)較高位置精度的特點(diǎn)。故本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)方式以液壓驅(qū)動(dòng)為主，用液壓驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和手架伸縮的動(dòng)作。
對(duì)于手架的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于手架旋轉(zhuǎn)軸要實(shí)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)75°到工作位置，旋轉(zhuǎn)180°交換主軸刀具和刀庫(kù)刀具和反向旋轉(zhuǎn)75°實(shí)現(xiàn)手架復(fù)位三種運(yùn)動(dòng)，如采用液壓缸和行程開關(guān)來(lái)控制，要分別實(shí)現(xiàn)這三種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)比較困難，而若采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則只需控制好電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。所以，本設(shè)計(jì)中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單級(jí)圓錐齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.5 本章小結(jié)
本章主要是設(shè)計(jì)加工中心換刀機(jī)械手的主要換刀形式，也給出了三種手臂伸縮與手指夾緊機(jī)構(gòu)和兩種手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)論證分析，確定了最終的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，本章對(duì)加工中心換刀機(jī)械手的組成及各自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)也進(jìn)行了較為具體的介紹。
第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算
前一章對(duì)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案論證，并確定了技工中心換刀機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作范圍，本章將在上一章的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械手的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。
3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1.1 手指夾緊力的計(jì)算
根據(jù)文獻(xiàn)[5，56.42-56.92]，手指夾緊力的計(jì)算過(guò)程如下：
手指對(duì)工件夾緊力：
(3.1)
式中：
——安全系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取=1.5；
——?jiǎng)虞d系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取=1.5；
——方位系數(shù)，，本設(shè)計(jì)中，，
則，本設(shè)計(jì)=1.45；
——被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為7kg；
將上述各值代入式(3.1)，得：
=223.81N
對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖3.1所示，由：
可得：
(3.2)
又由：
(3.3)
得：
即：
(3.4)
在本設(shè)計(jì)=50mm，=13mm；
將各值代入式(3.4)，得
=2×50×0.5×0.358×223.81/(13×0.777)
=400.22N
考慮到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量損失，取=0.9，則手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為：
=400.22/0.95=421.28N
本設(shè)計(jì)中取=500N；
由式(3.2)可得：
=697.61N
由式(3.3)可得：
=697.61=542.14N
=697.61=439.02N
對(duì)手指夾緊力的校核過(guò)程如下：
在手架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中手指所受的慣性力為：
(3.5)
式中：
——工件質(zhì)量；
——工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取mm；
——手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取rad/s；
則由式(3.5)可得：
=82.91 N
因， 所以手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力取=500N，安全。
3.1.2 手指部分的相關(guān)校核
根據(jù)文獻(xiàn)[8，72-94]，對(duì)手指部分重要部位的校核過(guò)程如下：
軸和手指的材料都選用45號(hào)鋼，它們的許用剪應(yīng)力=70MPa、許用擠壓應(yīng)力 =140MPa、許用拉應(yīng)力=300MPa；
1、軸Ⅰ校核
=5.59 MPa
=3.79 MPa
∵， ∴軸Ⅰ安全。
2、軸Ⅱ校核
=13.88 MPa
=6.71 MPa
∵， ∴軸Ⅱ安全。
3、手指強(qiáng)度校核
A截面的抗彎截面模量公式如下：
(3.6)
式中：
——形心軸慣性矩；
——截面圖形的形心位置；
(3.7)
式中：=8.66mm，=20mm，=10mm，
將各值代入式(3.7)可得
=13.85mm
其截面面積為：
=[20×17.32－10×(17.32－8.66)]/2=(364.4－86.6)/2=129.9mm2
=5mm
其截面面積為：
=26×11.34=294.84mm2
A處截面的形心位置為：
=(13.85×129.9+294.84×5)/(129.9+294.84)
=(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm
= 8.663×(102+4×10×20+202)/[36×(20+10)]+(13.85－5)2×129.9
=781.76+10174.09=10955.85mm4
=11.343×26/12+(7.7－5)2×294.84
=3159.59+2149.38=5308.97 mm4
=10955.85+5308.97=16264.82 mm4
將各值代入式(3.6)得：
16264.82/7.7=2112.31mm3
A截面處的彎矩：
=2.26Nm
故危險(xiǎn)截面A處的拉應(yīng)力為：
MPa
∵ ∴安全。
危險(xiǎn)截面C處的彎矩=8.536Nm，其截面圖形形狀如圖3.3所示，抗彎截面模量為：
故危險(xiǎn)截面C處的拉應(yīng)力為：
=4.04+1.03 =5.07MPa；
∵ ∴安全。
3.2 手指夾緊液壓缸設(shè)計(jì)
3.2.1 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定
根據(jù)文獻(xiàn)[9，5-12]，由：
(3.8)
得：
(3.9)
式中：
——液壓缸的工作壓力，本設(shè)計(jì)中初取=1.5MPa；
——液壓缸回油腔背壓力，對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),=0.2~0.5MPa，在本設(shè)計(jì)中初取估算值=0.5MPa；
——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，因在工作壓力<2MPa時(shí)，=0.2~0.3，本設(shè)計(jì)中取=0.2；
——工作循環(huán)中的最大外負(fù)載，本設(shè)計(jì)中=500N；
——液壓缸密封處的摩擦力，=×(1/-1)；
——密封處的機(jī)械效率，一般=0.9~0.97，本設(shè)計(jì)中取=0.9；
將各值代入式(3.9)，可得：=26.33mm；
為便于采取標(biāo)準(zhǔn)的密封件，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，將內(nèi)徑D進(jìn)行圓整，取=32mm。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中=0.2，所以=0.2×32=6.4mm，同樣為便于采取標(biāo)準(zhǔn)密封件，根據(jù)活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑d進(jìn)行圓整，取=8mm。
手指夾緊液壓缸的最大儲(chǔ)油量為：
(3.10)
式中為活塞桿的最大行程，這里取=10mm，則有：=8042.48=8.04L
活塞的寬度=19.2~32mm，為減少手指夾緊液壓缸的整體重量，取=20mm。
活塞桿的導(dǎo)向長(zhǎng)度=4.8~12mm。
由于本設(shè)計(jì)中手指夾緊液壓缸的缸體內(nèi)徑較小，并且活塞的行程也不大，為方便它的加工制造，在這里將活塞和活塞桿設(shè)計(jì)成一體的形式。對(duì)于手指夾緊液壓缸，因其為低壓系統(tǒng)，而在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸缸筒的壁厚常由結(jié)構(gòu)工藝上的要求決定，強(qiáng)度問(wèn)題是次要的，一般不需要進(jìn)行驗(yàn)算，所以，此手指夾緊液壓缸的缸筒壁厚由結(jié)構(gòu)需要決定。
3.2.2 材料的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[5，87-92]，對(duì)手指夾緊液壓缸各元件的材料選取如下：
活塞桿材料采用實(shí)心的45號(hào)鋼，并進(jìn)行表面淬火處理，以提高活塞桿硬度；由于活塞與活塞桿是一體的，所以活塞的材料也為45號(hào)鋼，但為了增加它的耐磨性，需在活塞的表面覆蓋一層耐磨材料，常用耐磨材料有青銅、黃銅、尼龍等等。
一般情況下，壓力較低的液壓缸的缸筒材料多采用鑄鐵，但在本設(shè)計(jì)中，為了減輕結(jié)構(gòu)的整體重量，將選用鋁合金作為手指夾緊液壓缸缸筒的材料。
缸蓋的材料選用HT200鑄件。
3.3 手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計(jì)
3.3.1 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定
由于受到刀庫(kù)刀具和主軸刀具之間距離的限制，為保證兩側(cè)手臂的伸縮范圍都能達(dá)到60mm，本設(shè)計(jì)中采用了伸縮式液壓缸，即用手指夾緊液壓缸來(lái)代替手臂伸縮液壓缸的活塞和活塞桿部分。
為方便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封件，結(jié)合手指夾緊液壓缸的相關(guān)計(jì)算，并根據(jù)文獻(xiàn)[9，5-12]，中的活塞桿直徑系列和液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，取手指夾緊液壓缸的缸體外徑為=45mm,手臂伸縮液壓缸內(nèi)徑=63mm。
手臂伸縮液壓缸活塞桿的最大行程取60mm, 由式(3.10)可得手臂伸縮液壓缸的最大儲(chǔ)油量為：
=374069.44mm2=374.07L
估算手臂伸縮液壓缸負(fù)載：
兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： =0.325×2=0.65 kg；
上擋板的質(zhì)量： =0.137 kg；
下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137 kg；
后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；
側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg×2=0.052kg；
手指與活塞桿之間連接件的質(zhì)量：=0.147kg；
夾持工件的質(zhì)量： =8kg；
取
=0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147=1.144kg
取鋼與鋁合金之間的滑動(dòng)摩擦力=0.47，
則：
=0.47×1.144×9.8=5.25N
設(shè)活塞達(dá)到穩(wěn)定速度過(guò)程中的加速度為：=20m/s2，
則：
=1.144×20=22.88N
手臂伸縮液壓缸負(fù)載：
=5.25+22.88=28.13N
考慮到手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量損失，取=0.9，則手臂伸縮液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為：
=28.13/0.9=31.26N
在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，手臂伸縮液壓缸受到的慣性力較大，為保證手臂伸縮液壓缸的安全，這里取=200N；
根據(jù)：
得：
(3.16)
式中：
——手臂伸縮液壓缸的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力；
——液壓缸的工作壓力，由計(jì)算結(jié)果確定；
——液壓缸回油腔背壓力，根據(jù)文獻(xiàn)[9，表2—2]，對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，=0.2~0.5MPa，在本設(shè)計(jì)中初取估算值=0.5MPa；
——手臂伸縮液壓缸內(nèi)徑；
——手指夾緊液壓缸外徑；
將各值代入式(3.16)，可得：
=[200+0.5×（632－452）×π/4]/（632×π/4）
=（200+763.41）/3117.25=0.31MPa
3.4 主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.4.1 主架架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)
1、估算手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載
兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： =0.325kg×2=0.65kg；
上擋板的質(zhì)量： =0.137kg；
下?lián)醢宓馁|(zhì)量： =0.137kg；
后擋板的質(zhì)量： =0.021kg；
側(cè)擋板的質(zhì)量： =0.026kg×2=0.052kg；
手指與活塞桿之間連接間的質(zhì)量：=0.147kg；
夾持工件的質(zhì)量： =7kg；
手指夾緊液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.491kg；
手指夾緊液壓缸后端蓋質(zhì)量： =0.362kg；
手指夾緊液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.184kg；
手臂伸縮液壓缸前端蓋質(zhì)量： =0.589kg；
手臂伸縮液壓缸缸筒質(zhì)量： =0.427kg；
上套件質(zhì)量： =0.609kg；
上套件質(zhì)量： =1.08kg；
當(dāng)儲(chǔ)油量最大時(shí)油液的質(zhì)量：
主架旋轉(zhuǎn)軸所承受的總質(zhì)量為：
=(0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147+8+0.491+0.362+0.184
+0.589)×2+0.427+0.609+1.08+0.35=22.96kg；
手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為：
=23.96×9.8 =204.81N
2、主架架旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度的校核
初取手架旋轉(zhuǎn)軸的軸徑=30mm；
手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為：=23.96kg；
手架旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量為：=1.43kg；
取手架旋轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力距等于手架旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的慣性力距，則根據(jù)文獻(xiàn)[11，78-106]有：
(3.24)
式中：
——手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——手架旋轉(zhuǎn)軸對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的角加速度，這里初取手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速=1m/s,則其角速度=2πrad/s，設(shè)手架旋轉(zhuǎn)軸從靜止開始到達(dá)到穩(wěn)定速度所需的時(shí)間為Δ=0.1s,則：=Δ/Δ=(2πrad/s)/(0.1s)=20πrad/s2；
機(jī)械手夾緊力的校核：
(3.25)
取手架回轉(zhuǎn)的角速度， =300mm，
則由式(3.25)得：
=8kg×300mm×=94.75N
因小于機(jī)械手手指的夾緊力，所以機(jī)械手的手架旋轉(zhuǎn)軸工作正常。
由于手臂回轉(zhuǎn)部件的回轉(zhuǎn)軸線與其重心軸線重合，所以可?。?
本設(shè)計(jì)中=15mm,取=250mm，
則：
=23.96×（0.252+3×0.0152）/12=0.126N
==1.43×0.0152/2=0.00016 N
將值代入式（3.24）可得：
=7.92 Nm
手架旋轉(zhuǎn)軸的輸出功率：
=7.92 Nmm ×2πrad/s =49.76w
手架旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度校核公式如下：
(3.26)
式中：
——手架旋轉(zhuǎn)軸的扭矩，此處 =7.92 Nm；
——手架旋轉(zhuǎn)軸的抗彎截面模量，對(duì)于實(shí)心軸有，所以此處==m3；
將值代入式(3.26)可得：
=7.92/=1.49MPa
因=20MPa, <，故所選軸安全。
3.4.2 手架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
1、電動(dòng)機(jī)類型的選擇
目前常用的加工中心換刀機(jī)械手，它的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)液壓缸用來(lái)實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn)75°到達(dá)工作位置，換刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程準(zhǔn)備開始。另一個(gè)液壓缸則是在拔刀過(guò)程結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn)180°的運(yùn)動(dòng)， 是主軸刀具與刀庫(kù)刀具互換位置。雖然這種結(jié)構(gòu)工作原理很簡(jiǎn)單，但由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)較多，它們之間以及它們和手架伸縮液壓缸的活塞桿之間的連接機(jī)構(gòu)卻比較復(fù)雜。而在本設(shè)計(jì)中，所以只需要用一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)手架在拔、插刀前后的多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于這個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它需要能實(shí)現(xiàn)手架的75°、180°和反向75°三種角度的旋轉(zhuǎn)。若采用液壓缸和行程開關(guān)進(jìn)行控制，則一般只能實(shí)現(xiàn)一種角度的旋轉(zhuǎn)。而如果采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，則只需控制好電動(dòng)機(jī)的起、停時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。所以本設(shè)計(jì)中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)單級(jí)圓錐齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。
TYV系列高精度微型特種減速電動(dòng)機(jī)采用高新技術(shù)，具有齒輪減速、蝸輪減速、直線往復(fù)等多種結(jié)構(gòu)，并可配有電子無(wú)級(jí)調(diào)速、阻尼制動(dòng)、電磁剎車等功能，適用于交流、直流多種電壓，是一種高效、節(jié)能、低噪音的微特減速電動(dòng)機(jī)，它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、減速比大、體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)中的手架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用TYV系列高精度微型特種減速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2、電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[13，8-13]，各傳動(dòng)副傳動(dòng)效率為：
彈性柱銷連軸器： =0.99；
圓錐滾子軸承： =0.99；
單級(jí)圓錐齒輪： =0.95；
總的傳動(dòng)效率為：
=0.99×0.99×0.99×0.95=0.90
取單級(jí)圓錐齒輪的傳動(dòng)比為=3；
所選電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足：
=3r/s=180r/min
=49.76/0.90=55.29w
=2.93Nmm
根據(jù)上述條件，查電機(jī)系列，取TYV4型齒輪減速電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如下：允許負(fù)載為=60w，輸出轉(zhuǎn)速為=150r/min，轉(zhuǎn)矩為=3.4Nmm。
3.4.3 單級(jí)圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核
根據(jù)文獻(xiàn)[13，8-13]，各軸轉(zhuǎn)速為：
=150r/min
==150r/min
==50r/min
各軸轉(zhuǎn)距為：
=3.4Nm
==0.99×3.4=3.37Nm
==0.90×3×3.4=9.18Nm
各軸的輸入功率為：
=/9550=3.41×50/9550=53.4w
==0.99×53.4=52.87w
==0.90×53.4=48.06w
手架旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際角速度=(5/3)πrad/s，因=41.47w
1200 N/時(shí)，取=0.93。
速度系數(shù)：
中點(diǎn)圓周速度為：
=π×32.3×150/60000=0.25m/s
因=0.25m/s和≥1200 N/，故可取=0.5；
工作硬化系數(shù)：
因大小齒輪均為硬齒面，故取=1；
接觸計(jì)算時(shí)的尺寸系數(shù)：一般取=1；
計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力：
由公式：
==
=1500×0.93×0.5×1×1×1 ×1=697.5N
接觸計(jì)算安全系數(shù)：
因大小齒輪材料和硬度均相同，所以有：=697.5/420.74=1.66
接觸計(jì)算最小安全系數(shù)為=1.25，因=>，故安全。
2、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核
彎曲計(jì)算用單位齒寬上的載荷
= （3.28）
式中：
——中點(diǎn)分度圓上的圓周力，=208.67N；
——工況系數(shù)，=1；
——?jiǎng)虞d系數(shù)，=1；
——彎曲計(jì)算用的齒向載荷分布系數(shù)，取=1.2；
——彎曲計(jì)算用的端面載荷分布系數(shù)，對(duì)直齒圓錐齒輪，一般取1；
將各值代入式(3.28)可得：
=208.67×1.2×1×1×1/18=13.91N
變位系數(shù)、：
為提高彎曲疲勞強(qiáng)度，采用切向—高變位傳動(dòng)，因Σ=90°（軸交角），故由，可得：
小輪的變位系數(shù)=0.41，大輪的變位系數(shù)=-=-0.41 ，
根據(jù)=19/57=0.33 ，取=0.013，=-=-0.013；
計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)：
當(dāng)=0.41，=20時(shí)，=1.83，
當(dāng)=-0.41，=180時(shí)，=1.81；
齒形系數(shù)：
=1.15（圓柱） (3.29)
根據(jù)=0.41，=20，=-0.41，=180，
查得（圓柱）=2.26，（圓柱）=2.2；
根據(jù)=0.013，=-0.013，
查得=0.98，=1.02；
故由式(3.29)可得：
=1.15（圓柱）=1.15×2.26×0.98=2.55
=1.15（圓柱）=1.15×2.2×1.02=2.58
彎曲計(jì)算應(yīng)力：
(3.30)
——當(dāng)量圓柱齒輪彎曲計(jì)算用重合度系數(shù)，對(duì)一般圓錐齒輪=1；
——中點(diǎn)模數(shù)；
小齒輪彎曲計(jì)算應(yīng)力：
=13.91×2.55×1.83×1/1.7=38.18 N/
大齒輪彎曲計(jì)算應(yīng)力：
=38.18×2.58×1.81/（2.55×1.83）=38.21 N/
試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力：
由于大、小齒輪的材料及硬度都相同，并經(jīng)過(guò)滲碳淬火處理，可取==350 N/；
試驗(yàn)齒輪彎曲計(jì)算用的壽命系數(shù)：
按持久壽命計(jì)算，有：==1；
相對(duì)表面狀況系數(shù)：
因小齒輪均用20Cr，表面經(jīng)滲碳處理，齒面光潔度為，=6.3m 故取==1.01；
相對(duì)敏感系數(shù)：
因大、小齒輪均用20Cr，并經(jīng)滲碳淬火處理，
當(dāng) =600 N/，=1.83時(shí)，查得=0.99，
當(dāng) =600 N/，=1.81時(shí)，查得=0.98，
試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力集中系數(shù)：取=2.1；
彎曲計(jì)算用的尺寸系數(shù)：
因?yàn)榇?、小齒輪材料和熱處理方式都相同，=2，所以 ==1；
計(jì)算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力：
=350×2.1×1×0.99×1.015×1=727.65N/
=350×2.1×1×0.98×1.015×1=720.3N/
彎曲計(jì)算安全系數(shù)：
==727.65/38.18=19.06
==720.3/38.21=18.85
彎曲計(jì)算最小安全系數(shù)=2.0，因>，>故安全。
3.5 主架伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)
3.5.1 主架伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定
估算手架伸縮液壓缸負(fù)載如下：
軸承套筒質(zhì)量： =0.93kg；
兩軸承質(zhì)量： =0.4kg；
旋轉(zhuǎn)軸質(zhì)量： =1.43kg；
手架旋轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載為： =23.96kg；
上述結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為：
=0.93+0.4+1.43+23.96=26.72kg
設(shè)手架伸縮液壓缸的活塞桿在達(dá)到穩(wěn)定速度過(guò)程中的加速度，則手架伸縮液壓缸承受的負(fù)載為：
=785.57N
考慮到液壓缸密封處的摩擦力，取=0.95，則手架伸縮液壓缸實(shí)際的負(fù)載為：=826.92N；
液壓缸回油腔背壓力，由于此液壓缸在不工作時(shí)需保證它的負(fù)載能長(zhǎng)時(shí)間的保持在某一位置上，所以在本設(shè)計(jì)中初取估算值=1MPa，取=1.5MPa，因工作壓力<2MPa，取活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比=0.3。
將各值代入式(3.9)，可得：=43.8mm。
為便于采取標(biāo)準(zhǔn)的密封件，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，將內(nèi)徑D進(jìn)行圓整，取=50mm；又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中=0.3，所以=0.3×50=15mm，樣為便于采取標(biāo)準(zhǔn)密封件，根據(jù)活塞桿直徑系列，將活塞桿直徑d進(jìn)行圓整，取=16mm；活塞的寬度=30~50mm，這里取=40mm。
3.5.2 材料的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[5，87-92]，對(duì)手架伸縮液壓缸各元件的材料選取如下：
活塞桿材料采用實(shí)心的45號(hào)鋼，并進(jìn)行表面淬火處理，以提高活塞桿硬度；由于活塞與活塞桿是一體的，所以活塞的材料也為45號(hào)鋼，但為了增加它的耐磨性，需在活塞的表面覆蓋一層耐磨材料，常用耐磨材料有青銅、黃銅、尼龍等等；一般情況下，壓力較低的液壓缸的缸筒材料多采用鑄鐵，此處選用HT200 ；缸蓋的材料選用HT200鑄件。
3.5.3 手架伸縮液壓缸活塞桿的校核
1、活塞桿強(qiáng)度校核
活塞桿直徑=16mm；取液壓缸負(fù)載=850N；
則由式 (3.11)可得：
=1.90 mm
因本設(shè)計(jì)中=16mm，大于1.90mm，故強(qiáng)度可以保證。
2、活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
本設(shè)計(jì)中手架伸縮液壓缸的支承方式為一端固定、一端自由，所以取=0.25，=85，所以有：
=42.5
取手架伸縮液壓缸安裝長(zhǎng)度取=150mm；
由式(3.15)可得活塞桿橫斷面的最小回轉(zhuǎn)半徑：
=16/4=4 mm
故活塞桿細(xì)長(zhǎng)比為/ =150/4=37.5；
本設(shè)計(jì)中手架伸縮液壓缸活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比且=20~120，故手架伸縮液壓缸的活塞桿保持工作穩(wěn)定的臨界負(fù)載應(yīng)按公式(3.14)進(jìn)行驗(yàn)算有：
=
=394081.38/10.68=36899N
將上述各值代入式(3.12)可得：
/=36899/4=9224.75N
由于本設(shè)計(jì)中的手架伸縮液壓缸的活塞桿所承受的負(fù)載=850N12m/min）時(shí)，液壓缸將有較大的動(dòng)量，使得液壓缸在行程終點(diǎn)停止時(shí)，易產(chǎn)生很大的沖擊及噪音，這種沖擊不僅會(huì)引起液壓缸的損壞，而且還會(huì)引起各類閥及相關(guān)部件的損壞，具有很大的危險(xiǎn)性。為消除這種沖擊，可設(shè)置緩沖裝置。在本設(shè)計(jì)中，手指夾緊液壓缸的負(fù)載雖然不是很大，可是由于它的速度較高，為保證各類部件的安全，仍給它設(shè)置了緩沖裝置。但由于它的行程較短，不宜采用兩端緩沖裝置，否則會(huì)導(dǎo)致非緩沖行程過(guò)短，甚至沒(méi)有緩沖行程。所以，本設(shè)計(jì)中只在手指夾緊液壓缸的前端設(shè)置了緩沖裝置。而對(duì)于手臂伸縮液壓缸，因其所取的速度不是很大，故不需設(shè)置緩沖裝置。
對(duì)于手架伸縮液壓缸，由于它的行程較大，為縮短加工中心換刀機(jī)械手的整體換刀時(shí)間，本設(shè)計(jì)中將手架伸縮液壓缸的速度取得較大，同時(shí)由于它的負(fù)載也很大，所以在它的兩端都需要設(shè)置緩沖裝置。
4.4 液壓系統(tǒng)回路
本設(shè)計(jì)中液壓系統(tǒng)的控制主要由壓力繼電器、電磁換向閥以及流量控制閥等元件實(shí)現(xiàn)。
控制過(guò)程如下：
當(dāng)手臂伸出信號(hào)發(fā)出后，電磁鐵DT1動(dòng)作，兩側(cè)手臂同時(shí)伸出。當(dāng)手臂伸縮液壓缸的活塞桿及手指夾緊液壓缸的后端蓋運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置后，由于受到阻礙，便不再運(yùn)動(dòng)。a腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器1YJ動(dòng)作，同時(shí)，電磁鐵DT1斷電，電磁鐵DT3通電，開始手指夾緊動(dòng)作。同理，當(dāng)手指夾緊液壓缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置后便不再運(yùn)動(dòng)。d腔內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器2YJ動(dòng)作，電磁鐵DT5通電，手架伸縮液壓缸開始拔刀動(dòng)作。當(dāng)手架伸縮液壓缸運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的線圈KT2恰好延時(shí)結(jié)束，它所控制的常開延時(shí)閉觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，手架旋轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行刀庫(kù)刀具和主軸刀具的互換動(dòng)作。在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°后，發(fā)出插刀信號(hào)。電磁鐵DT6通電，手架伸縮液壓缸開始反行程運(yùn)動(dòng)。但運(yùn)動(dòng)到初始位置后，活塞不運(yùn)動(dòng)，油腔f內(nèi)油壓力升高，壓力繼電器3YJ動(dòng)作，控制電磁鐵DT4通電，手指夾緊液壓缸反行程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)刀設(shè)計(jì)位置后，油腔c內(nèi)油壓力升高，電磁鐵DT2通電，手臂伸縮液壓缸開始反行程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)回到初始位置后，換刀動(dòng)作結(jié)束，手架旋轉(zhuǎn)軸準(zhǔn)備復(fù)位。
4.5 旋轉(zhuǎn)軸控制線路
手指夾緊時(shí)間： =0.05s；
手臂伸出時(shí)間： =0.65s；
手指松開時(shí)間： =0.05s；
手臂縮回時(shí)間： =0.32s；
手架伸出時(shí)間: =0.37s；
手架縮回時(shí)間: =0.55s；
手架旋轉(zhuǎn)75°時(shí)間： =0.25s；
手架旋轉(zhuǎn)180°時(shí)間： =0.60s；
手架反向旋轉(zhuǎn)75°復(fù)位時(shí)間： =0.25s；
從加工中心發(fā)出換刀信號(hào)到換刀機(jī)械手復(fù)位動(dòng)作完成總需時(shí)間：
=3.06s
本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的控制則主要依靠于延時(shí)繼電器實(shí)現(xiàn)，其控制回路如圖4.3所示。
控制過(guò)程：當(dāng)換刀信號(hào)發(fā)出后，模擬開關(guān)S閉合，延時(shí)繼電器的線圈KT1、KT2、KT3、