毕业设计（论文）加工中心机械换刀手结构设计 .doc

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1、本科毕业设计（论文）加工中心机械换刀手结构设计摘 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。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低生产效率和容易出事故的弊端。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。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

2、如此。本次设计思路是利用机械手的运动来实现加工中心的换刀。机械手的运动由三种运动组成即：旋转、升降和手爪的自锁。机械手的旋转运动主要负责交换刀具，其驱动装置由两相互啮合的齿轮传动来实现，动力则由步进电机驱动提供，控制步进电机的每秒脉冲数，就可以准确的控制其位置。机械手的升降运动主要负责拔刀、插刀，其驱动装置由齿轮齿条啮合把旋转运动变为直线运动，同样控制步进电机的每秒脉冲数和实现对三相中的任意一相一直保持通电以实现抱闸。其手爪自锁主要利用电磁感应来实现，顶杆后面用弹簧连接用于在断电后能自由返回到原来的位置。关键词：机械手；加工中心；电磁感应；刀具Abstract The machine hand

3、 is the main tool in the install of automatic tool change,which shoulder carrying the knife onto the principal axis,then,put the have been used knife of the principal axis return to the tool. Purpose of the machine hand is in oder to making the central machining work more quickly and be used more fu

4、lly.In other hand,using machine hand can improve the low produce efficiency and reducing the accident. The automatc tool change install of the central machining ,is usually composing of the machine hand and tool,which is the symbol of the central machining . So the central machining maker study the

5、automatic tool change on the quickly move and good reliability .Vigorously, in oder to gain huge benefit in the intense competition market.The automatic tool change is the core content to the central machining, so allthe maker are all keeping secret and do not open,especially the machine hand.In my

6、graduation design,the main thinking is using the machine hand to complete exchanging the knife.movement of the machine hand is make up by three kind movement.The whirling of the machine hand is in charge of exchanging the knife。Two mutual mesh gear drive offer power to the equipment and control the

7、pulse of the stepping motor。The lifting movement is in charge of the machine hand pulling and Inserting the knife。Rack and pinion drive can achieve the movement。stepping motor can achieve brake。 The paw lock knife is using the electromagnetic induction to complete.Spring is in charge of using mandre

8、l call in if the coil out of power and return to the former position。Key word：machine hand ；central machining；electromagnetic induction ；tool目 录第一章 绪论11.1 加工中心概述11.2 本次设计方法及要求3第二章 机械手结构设计42.1自动换刀系统介绍42.2 机械手种类简介52.3 手爪的选择82.4 刀具的夹持及刀柄9第三章 机械手的运动装置113.1机械手的旋转运动设计113.1.1旋转运动驱动装置设计113.1.2 步进电机的选择113.1.

9、3 齿轮的设计133.1.4轴的设计193.1.5滚动轴承的选择213.2 机械手的升降运动243.2.1 升降运动驱动装置设计243.2.2 步进电机的选择243.2.3齿轮及齿条设计263.2.4滚动轴承的选择283.2.5轴的设计293.3机械手手爪锁刀运动设计303.3.1机械手外形及锁刀装置设计303.3.2弹簧设计313.3.3 通电线圈的选择33总结34致谢35参考文献36第一章 绪论1.1 加工中心概述加工中心是技术含量最高的机电一体化高新技术产品。它综合了微电子、计算机、信息、自动控制、精密测试、机床制造等方面的技术及相关配套的最新成就，集数控铣床、数控镗床、数控钻床等众多数

10、控机床于一体。增加了刀具自动换刀装置和刀库，以满足加工需要，主要体现在铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹、车螺纹车内槽等工序的加工，构成了以工件为中心的多工序复合加工。其中自动换刀系统是整个加工中心的核心。加工中心是从数控铣床发展而来的。与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。 加工中心能实现三轴或三轴以上的联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外，还具有各种加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、加工过程图形显示、人机对话、故障自动

11、诊断、离线编程等功能。 加工中心从外观上可分为立式、卧式和复合加工中心等。立式加工中心的主轴垂直于工作台，主要适用于加工板材类、壳体类工件，也可用于模具加工。卧式加工中心的主轴轴线与工作台台面平行，它的工作台大多为由伺服电动机控制的数控回转台，在工件一次装夹中，通过工作台旋转可实现多个加工面的加工，适用于箱体类工件加工。复合加工中心主要是指在一台加工中心上有立、卧两个主轴或主轴可90改变角度，因而可在工件一次装夹中实现五个面的加工 。立式加工中心的机械结构主要包括： （1）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

12、轴承多采用高精度，高刚度，高速滚动轴承。立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。 （2）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。 （3）工作台 立式加工中心可采用自动分度工作台，数控回转工作台。 立式加工中心的主轴是垂直设置的，立式加工中心刀库容量一般较大，有的刀库可存放几百

13、把刀具，部分立式加工中心的结构较卧式加工中心复杂，占地面积大，价格也较高，立式加工中心较适用于加工零件的顶部和四周侧面、箱体、盘类之类的零件，特别对箱体零件上的一些孔系和顶部平面及顶面的其他工序，容易得到保证，适合于批量加工。它和一般的数控压力机机床相比具有如下优点： （1） 减少机床台数, 便于管理，对于多工序的零件只要一台数控压力机机床就能完成全部加工，并可以减少半成品的库存量； （2） 由于工件只要一次装夹，因此减少了由于多次安装造成的定位误差，可以依靠数控压力机机床精度来保证加工质量； （3） 工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率； （4）由于零件在一台机床上一次装夹就能完成多道工序

14、加工，所以大大减少了专用工夹具的数量，进一步缩短了生产准备时间。 (图1-1）1.2 本次设计方法及要求 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低生产效率和容易出事故的弊端。 本次设计研究的基本思路是根据实际要求完成机械手的结构设计及完成机械手运动所需要的驱动装置。 本次设计的工作内容要求包括2张0号装

15、配图(图1-1）、6张3号零件图及15000字论文，并且设计内容能完成机械手旋转、升降、锁刀运动。加工中心的主要的技术参数要求： 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： 7s 选刀方式： 顺序换刀 （图1-2）第二章 机械手结构设计2.1自动换刀系统介绍加工中心区别于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

16、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

17、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

18、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。2.2 机械手种类简介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

19、间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。 图2-1 单臂单爪回转式机械手单臂双爪回转式机械手 图2-2 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工，一个卡爪只执行从轴上取下“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3.2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2-3所示。图2-3 双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采

20、用了可伸缩的臂，如图2-4所示：图2-4 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2-5所示：图2-5 双机械手 双臂往复交叉式机械手图2-6 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。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

21、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2-7所示：图2-7 双臂端面夹紧式机械手2.3 手爪的选择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。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。4、电磁感应式锁

22、刀机械手。手爪的结构简单，锁刀驱动装置简，而且能满足工作要求。（注：本人自己设计） 故选择自己设计的第四种方案。2.4 刀具的夹持及刀柄 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： (1)柄式夹持（轴向夹持）。 (2)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,锥度为7：24。图1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

23、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2-8刀柄的型式表2-1 日本BT标准刀柄的尺寸：柄部型号锥 体螺 纹 孔凸 缘D1LRl1l2l3d1gd2tbBT4044.4565.419307017M161922.516.1BT4557.1582.81.211387021M20232919.3BT5069.85101.81.513459025M242735.325.7 表2-2 刀柄参数表柄部型号凸 缘参考尺寸L1WD2D3TYY1VdD4BT40210.125363251.61.616.61075.679BT45260.126880303.23.

24、221.21295.215BT50310.2085100353.23.223.215119.019第三章 机械手的运动装置3.1机械手的旋转运动设计3.1.1旋转运动驱动装置设计旋转轴2通过联轴器连接在步进电机上，轴上通过键和轴肩来固定齿轮，轴头部分用滚动轴承进行支撑，轴承支撑与机床通过螺钉连接，齿轮2和齿轮1相互啮合。齿轮1通过弹性挡圈固定在轴1上，轴头通过螺栓连接机械手，一旦电机通电并控制其转速就能带动轴2旋转，就能实现机械手的旋转运动。驱动装置见图3-1所示： 图3-1 3.1.2 步进电机的选择步进电机的转轴旋转需要一定的力，在这种力的作用下，机械手及齿轮的大小和形状都没有发生改变，那

25、么机械手和齿轮组成的整体，我们可以看成刚体，围绕电机轴做旋转运动。所以我们可以通过刚体的定轴转动来求机械手由静止到运动这段过程中的加速度。我把机械手转动的数学模型转化成刚体的转动的数学模型（图3-2）： 图3-2工程上常用每分钟转过的圈数n（简称转速）来描述刚体转动的快慢，其单位是r/min,显然角速度与n间的关系是 。这里我们要求机械手n=30r/min.加速时间为1s，代入数值=3.14*30/30=3.14(rad/s)。角速度对时间的一阶导数就是绕定轴转动刚体的角加速度，以符号表示,=3.14(r/)。根据旋转运动系统的牛顿第二定律：，其中T为电动机的电磁转矩，为负载转矩，其单位都是，

26、J为旋转系统的转动惯量，为旋转机械的角速度。,为旋转系统半径。旋转系统由机械手、轴、齿轮组成，可以分开来求各旋转部件的转动惯量J.齿轮4的质量m=2.664kg，所以=2.6640.04125=0.005;齿轮3的质量m=0.726kg，=0.7260.04125=0.001;轴1的质量m=0.6kg，所以=0.00006;轴2的质量m=0.62kg，=0.0007。当机械手夹持刀具后。我们可以理想的认为刀具的质量平均分配到机械手上，m=25.5kg，J=1.79，所以=1.796。实际传动比为i=1,所以根据： （3-1） T= （3-2） 将数据代入式3-2可以求出T=12.1。根据求出的

27、折算到电机的负载转矩可以查相关的书籍查出步进电机的型号（见表3-1）： 表3-1步进电机参数表 电机型号 步距角 相数 电压（v） 电流A110BYG3502 0.6/1.2 3 80-350 4.0 相电感mH 惯量 启动频率Hz 空载频率 转矩 30 12 1600 30000 16 3.1.3 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

28、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-100-60，JB304-62）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200m/s。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

29、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

30、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

31、，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 、失效形式1、轮齿折断：当弯曲应力超过弯曲疲劳极限，轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐渐扩展，致使轮齿折断。这种折断称为疲劳折断。轮齿受到短时意外的严重过载或冲击载荷作用也易造成突然折断。这种折断称为过载折断。增大齿根处过渡圆角半径，提高齿面加工精度，可以降低应力集中。在齿根处施以喷丸、辗压等冷作强化处理方法，都可以提高轮齿的抗折断能力。 2、齿面疲劳点蚀：轮齿工作时，当齿面接触应力超过材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面的表层会产生细

32、微的疲劳裂纹，裂纹的蔓延、扩展，造成许多微粒从工作表面上脱落下来，在表面出现许多月牙形的浅坑，这使齿轮不能正常工作而失效。这种失效称为齿面疲劳点蚀。疲劳点蚀一般出现在齿根表面靠近节线处。齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关。齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。提高齿面硬度和减少齿面粗糙度，采用粘度大的润滑油都有助于提高齿面接触疲劳强度，防止点蚀的发生。 图3-3齿面疲劳点蚀 3、齿面胶合：当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压力很大而速度很高时，由于发热大，瞬时温度高，相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相对滑动，粘接的地方被撕裂。这种胶合称为热胶合。低速重载的齿轮，油膜遭破坏也发生胶合现象。这时齿面

33、温度无明显增高，这种胶合称为冷胶合。为防止产生胶合现象，低速传动选用粘度大的润滑油，高速传动选用含抗胶合剂的润滑油。此外，适当提高表面硬度及降低表面粗糙度也都是有效的方法。 图3-4齿面胶合 4、齿面磨损：在载荷作用下，齿面会产生磨损，使齿侧间隙增大，齿根厚度减小，从而产生冲击和噪声。对于开式齿轮传动，齿面磨损是它不可避免的失效形式。采用闭式传动，保持润滑油的清洁，提高齿面硬度，减小齿面粗糙度，均可有效地减少齿面磨损。 图3-5齿面磨损 5、齿面塑性变形：在重载作用下，当齿面硬度不够时，会产生一定的塑性变形。在从动轮2齿面节线处出现凸棱，主动轮1齿面节线处出现凹沟，从而破坏齿廓形状，影响齿轮正

34、常啮合。适当提高齿面硬度，可防止或减轻齿面的塑性变。 图3-6 齿面塑性变形 四 选定齿轮1、2类型、精度等级、材料及齿数 1) 选择齿轮材料和确定许用应力齿轮1：45钢，调质处理，齿面硬度197286HBS；齿轮2：45钢，正火处理，齿面硬度156217HBS。 根据设计的传动比为1和具体要求，所以两齿轮模数和齿数一样，但厚度不一样，主要是为了机械手的上升运动而专门设计的。但是齿轮1比较薄，弯曲强度不如齿轮2高，所以齿轮1的齿面硬度比齿轮2高30HBS。 2）计算大小齿轮接触应力循环次数N试加工中的换刀次数而定 3）确定有关系数：由机械设计教材查询接触强度计算的寿命系数图，得=1.05；（允

35、许有一定点腐）按较高可靠度使用取接触强度计算的最小安全系数=1.25;取工作硬化系数=1.0；润滑系数=0.92； 4）计算许用接触应力【】： 按齿面强度185HBS，由所选材料及热处理方式查齿面接触疲劳极限应力图，得=307MPa。 计算齿轮的许用接触应力： =246MPa； 5）确定小齿轮传递的转矩T： T= 12.1 ； 6）初取有关系数 因为齿轮参数尚未确定，载荷系数K无法准确确定，需要预选。初选K=1.1；取齿宽系数=0.4；由齿轮副材料查弹性系数表得弹性系数=188.9；传动比i=1；节点区域系数=2.5.7）按齿面接触强度确定分度圆直径： 79mm;8) 确定模数和齿数 齿数：取

36、=53模数：m=1.49，取标准模数m=1.5准确的分度圆直径=1.553=79.5mm 齿轮齿顶圆直径：=m（z+2）=82.5mm 齿轮基圆直径：=m（z-2.5）=75.75mm 齿轮圆周速度：v=0.24m/s 9)确定载荷系数K，验算齿面接触疲劳强度： 确定载荷系数K，步进电机驱动，载荷平稳，由使用系数表=1.0，按7级精度可以查出=1.05;齿宽：b=0.479.5=31.8mm;查齿向载荷系数=1.07; 查直齿轮齿间载荷分配系数表，得=1.05; 所以载荷系数K=1.17 验算齿轮弯曲强度根据齿数查得齿形系数=2.35;由应力修正系数图查得=1.68;按齿面硬度值及所选材料、热

37、处理方式查齿根弯曲疲劳极限应力图=210MPa;查弯曲强度计算的寿命系数=1.0;由于m=1.55，则大小齿轮弯曲疲劳计算的尺寸系数：=1.0;取实验齿轮的应力修正系数=2;弯曲疲劳强度计算的最小安全系数：=1.4.查表可以知道弯曲疲劳极限=210250MPa。 计算齿根弯曲应力 = 28MP ，安全。3.1.4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有轴、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

38、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： （1）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

39、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，

40、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

41、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1.轴的结构设计：轴1主要用于机械手的旋转运动，为了便于安装定位和达到使用的要求，在轴的结构设计中设计了轴头、轴颈、轴环、轴肩、轴头上的一段螺纹和轴颈上的键槽。轴肩主要用于定位角接触球轴承和机械手在轴上的位置，轴头的螺纹用来固定机械手。1）选择轴的材料 选用45钢，调质处理；由机械设计手册查得当毛坯直径100mm，硬度为170-217HBS，强度极限=600MPa，=35MPa。 2）估算该

42、轴的轴径根据轴1的受力情况只受扭矩，我就按该轴的扭转强度条件计算。对于实心圆轴，其强度条件为： （3-3） 其中T为轴传递的扭矩，单位Nmm;为轴的许用扭转剪应力；为该轴的抗截面模量，单位mm,对于圆截面轴=0.2d;p为轴传递的功率;n=30r/min为轴的转速。由上式得轴径d（mm）的计算公式： (3-4) 其中A=,为材料与受载情况决定的系数，对与45钢来说查表可以查出A为118-107.将数据代入式3-4可以求出轴径d11.5mm，为了满足加工使用要求，所以将该轴的最小轴径取17mm11.5mm。将d=17mm和其他物理量代入式3-3 12.3MPa，满足使用要求。 2. 轴2的强度计

43、算 在传递运动中轴1与轴2是受一样的扭矩。代入数据可以求出轴径d=11.5mm，所以将轴2的最小轴径取为12mm11.5mm，满足使用要求。3.1.5滚动轴承的选择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