镗铣加工中心换刀机械手部件设计（含全套CAD图纸）.doc

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1、本科毕业设计（论文）题 目 镗铣加工中心换刀机械手部件的设计 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09机械设计制造及其自动化4班 姓 名 学 号 指导教师 系 主 任 学院院长 二O 一三 年 五 月 二十一 日浙 江 理 工 大 学机械与自动控制学院毕业设计诚信声明我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日摘 要机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手虽然目前还

2、不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。在机械加工中，大部分零件都要进行多种工序加工。在一般数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占整个工作时间的30%左右，其余的大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置。为充分发挥机床的作用，数控中心均配有自动换刀装置。本课题重点在于镗铣加工中心换刀机械手的结构设计。目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量

3、，品质还是性能方面都不能完全满足工业发展的需要。本课题重点解决的问题：换刀机械手部件的结构设计，对关键零件进行校核以及尺寸的优化选取。主要设计内容有：（1）设计镗铣加工中心换刀机械手部件的结构，传动系统以及驱动系统，使其能够满足快速，平稳，准确换刀的功能。（2）完成重要零件的设计，主要包括齿轮的设计，轴的设计，手指的设计。使用Pro/E对所有换刀机械手零件进行三维建模，并建立总装模型。（3）用AutoCAD画出换刀机械手重要零部件的二维图纸。关键词：镗铣加工中心；结构设计；换刀机械手；伸缩回转式单臂双爪机械手。Abstract The robot is a new device develop

4、ed in the mechanization and automation of the production process. Although the robot is not as staffing flexibility, but it has repeated the work and labor, I do not know fatigue, not afraid of danger, the the snatch weight of force than manual force, Therefore, the robot has been subject to many se

5、ctors, and increasingly has been applied more widely. In machining, most of the parts should be carried out a wide range of machining processes. Whole process in general CNC machine tools for cutting real time accounted for only about 30% of the entire working time, most of the rest of the time is s

6、pent on installation, adjustment tool, loading and unloading, handling parts and check processing accuracy auxiliary work on Automatic tool changer CNC machining center in one clamping of the workpiece to achieve multi-channel processing indispensable device. In order to give full play to the role o

7、f the machine tool, CNC centers are equipped with automatic tool changer. The focus of this project is boring and milling machining center blade structural design of the robot. Industrial robot is mainly used for machining, casting, heat treatment, regardless of the quantity, quality or performance

8、are not fully meet the needs of industrial development. Focused on solving the problem of the subject: A tool of the structural design of the robot components, select the check key parts and size optimization.The main design elements:(1) Design milling centers gripper parts of the structure, the tra

9、nsmission system and drive system to enable it to meet the fast, smooth and accurate tool.(2) the completion of the important parts of the design, including the choice of gear design, the design of the shaft bearing. Pro / E 3D modeling, and all parts of gripper assembly model.(3) AutoCAD to draw th

10、e gripper important parts of the two-dimensional drawings.Keywords: boring and milling machining center; structural design; gripper; retractable rotary arm claw robot.目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1选题的背景和意义11.2国内外研究现状和发展趋势11.2.1机械手简介11.2.2 机械手的分类31.2.3工业机械手研究趋势61.3 换刀机械手研究意义71.4 设计的内容和思路7第2章 镗铣加工中心换刀机械手总体设

11、计82.1 换刀机械手的工作原理分析82.2 机械手的平稳性102.3 机械手的运动特性112.4 换刀机械手方案的确定12第3章 换刀机械手的总体方案设计123.1手爪部分设计123.2 机械手手臂的设计133.3 机械手传动方式的选择143.3.1机械手转过180度的传动机构选择143.3.2 主轴以及机械手上下伸缩的传动机构设计163.4 换刀机械手驱动机构的选择18第4章 换刀机械手的结构设计及尺寸确定194.1 手指结构设计及计算194.1.1 手指夹紧力的计算194.1.2 手指部分的相关校核214.2手臂的弯曲变形234.3 轴与机械手配合部分的直径的选取254.4 机械手转过1

12、80度的驱动机构设计264.5 设计参数29第5章 总结与展望30参考文献31致 谢33第1章 绪论1.1选题的背景和意义 机械制造业是一个国家最基础的行业，为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要指标之一。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而

13、应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.2国内外研究现状和发展趋势1.2.1机械手简介 人类在面对对人体健康有害的各种射线、高温和低

14、压、高压和低压，进行深水考察，以及操作有毒性的和爆炸性的物质时，都必须利用各种远距离操作设备。远距离操作设备与普通设备的主要区别，在于能够通过适当的生物屏蔽把操作人员与危险源隔开进行操作。作为这种屏蔽的有各种防护屏、屏蔽箱、热室和其它箱室的壁，有时亦可采用加大距离的办法。 机械手就是这样一种远距离操作设备1。 机械手是由操作人员或程序装置远距离操纵的一种装置。它包括供模仿人手的移动和关节动作功能用的操作机构。机械手通常是由安装在危险区内的从动臂、安装在危险区外的主动臂和穿墙（防护屏）的连接臂组成。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它

15、的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越

16、来越广泛地得到了应用自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置, 主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。 图1-1加工中心换刀机械手11.2.2 机械手的分类 目前，机械手尚无通用的分类方法。它们可按不同的特点分，例如，根据从动臂对于主动臂动作的模仿程度，主动臂上力的再现，用途，从动臂与主动臂的连接形式，操作方法，外形等分类。实践中所采用的机械手可分为四类：1）剑式机械手；2）机械传动和密封磁力机械传动机械手；3）电动机械传动、液压和气动机械手；4）特殊机械手1。 第一类机械手一般不能完全模仿操作人员的手关节的动作。但是，由于其结构简单、价格便宜，因而获得广泛

17、应用，是通用的机械手。 第二类机械手能完全模仿操作人员的手关节的动作（有七个和七个以上的动作）。它比第一类机械手较为复杂。由于其操作方便、价格不太高，所以也得了广泛应用。磁力机械传动机械手比机械传动机械手略微复杂，而且昂贵，但能保证箱室的完全密封。 第三类机械手比第二类机械手更加复杂而且昂贵。这类机械手的某些类型得了广泛应用，尤其是用于操作间与箱室之间要求高度密封，进行远距离操作和主动臂作用于从动臂的力按比例反射操作的地方。这一类的非模拟机械手有杠杆或控制装置和普通（非随动的）电传动装置，简化了结构，降低了价格。 第四类机械手装有控制装置，这类机械手的抓举能力很大，可用于完成预先给定的工序。

18、其中换刀机械手也有各种分类：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间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。如图1所示：图1单臂单爪回转式机械手单臂双爪回转式机械手图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，如图2所示。 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

19、为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图3所示。图3双臂回转式机械手这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂如图4所示：图4双臂回转式机械手 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上，如图5所示。图5双机械手双臂往复交叉式机械手图6双臂往复交叉式机械手1.2.3工业机械手研究趋势 目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量，品质还是性能方面都不能完全满足工业发展的需要。 在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械

20、手的同时，相应的发展通用机械手。在自动换刀装置的研究上还要解决一些关键技术问题：如优良运动曲线选择、机构运行可靠性、换刀复合凸轮的设计，凸轮的精密加工等。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做相应的变更。如位置发生少许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉。目前，已经取得一定成绩。1.3 换刀机械手研究意义 随着科学与技术的发展, 机械手的应用领域也不断扩大。目前, 机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等

21、服务业领域中。如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业。而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺。 换刀机械手的结构设计和研究是数控加工中心研究的基础。因此，对具有理想结构和传动方式的换刀机械手进行抓取机理、操作理论、运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。1.4

22、 设计的内容和思路 设计思路：镗铣加工中心中的换刀机械手要起到的作用简单来说就是抓刀换刀的作用，具体的一整个流程是：机械手向前伸展，到达合适位置，抓刀，然后拔刀，再旋转180，然后插刀，缩回。 设计内容：那么要完成这一系列的功能就需要以下装置：液压缸1,2（动力装置，通过齿轮齿条带动机械手的伸缩和抓放），齿轮齿条1,2（传动装置），机械手爪（抓刀，拔刀，插刀，松刀），液压缸3（动力装置，通过大主轴带动机械手和液压缸1,2的机械手部分上下平移运动以实现拔刀和插刀的功能），大主轴（传动装置，起到上下平移和绕轴心旋转这2个关键的传动作用），液压缸4（动力装置，通过齿轮齿条带动大主轴绕轴心的旋转，实现

23、换刀的功能），齿轮齿条3（传动装置）。第2章 镗铣加工中心换刀机械手总体设计本换刀机械手主要包括抓刀松刀控制装置、伸缩手爪的传动装置、拔刀插刀的动力传动装置、旋转换刀的传动装置这四个方面的设计。制定总体方案，就是在深入调查和分析的基础上，提出所设计的工艺设备方法、运动和布局、传动和结构的性能等方面的方案。这个总体方案是部件和零件的设计依据，对整个设备设计的影响很大，是至关重要的一步。因此，在拟定总体方案过程中，必须综合地考虑对设备的各项要求，使所定方案技术先进、经济效益高。图2-1 总设计图 2.1 换刀机械手的工作原理分析 整体结构设计布局如图2-1所示。本设计中，换刀机械手部件的最大长度为

24、1400mm，最大高度为1200mm，厚度为175mm。传动机构。工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，转动灵活，定位精度高。主要传动部件：大主轴：采用45钢；传动齿轮：采用40Cr，齿数为22，模数为6，采用7级精度；带齿条的传动轴：采用45钢；扇形齿轮和传动齿条轴：齿数为21，模数为2；液压缸。运动实现方式:该换刀机械手通过液压缸-带齿条的传动杆-齿轮-大主轴-连接块，实现机械手在水平方向的180转动，从而完成换刀的运动。机械手的另外一个运动是通过液压缸-大主轴-连接块，带动机械手臂的上下移动，实现机械手的拔刀和插刀的运动。而机械手的伸缩和抓刀松刀则是通过液压缸-活塞杆-扇形齿轮-齿条轴

25、的传动来完成的。2.2 机械手的平稳性工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响因图 2.1 惯性曲线2素，设计合理结构，以满足要求。1、影响平稳性以定位精度的因素（1）、惯性力的影响机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大的惯性冲击力，以至使工件滑动、部件松动、零件破裂。定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接影响定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动归路变化，同时，在保证刚度的前提下，减轻机械手运动件的重量。（2）、结构刚度的影响零件结构刚度性差，配合间隙大及整机固有频率低时，受较小惯性冲击，就发生振动。不但降低定位

26、精度，而且降低机械手寿命。应选择合理结构，提高机械手固有频率及承受惯性载荷的能力。 （3）、定位方法的影响常用的定位方法中，电气开关的定位精度最低，伺服定位较高，机械挡块的定位最高。（4）、控制系统的影响电控系统的误差，阀类泄漏，检测元件失灵，挡块偏移等会降低定位失灵。（5）、驱动源的影响液压、气压、电压及油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器等稳定液压、气压、电压，用加热器和冷却器控制油温。2.3 机械手的运动特性深入分析机械手的运动特点，有利于根据工作条件选择适宜的运动特点。下面为我们所选工业机械手所具有的运动规律，在减速较大时的情形。图 2.23 运动特性曲线按上图的运动，机

27、械手的速度变化呈等加速或不等加速运动，其减速过程亦分为等减速运行和不等减速运行，在呈等加速运行，而不等减速运行时，由于速度行程短，故有利于提高机械手的工作速度。特点：速度变化基本上连续，运动中不会产生冲击，可以满足高速、平稳和定位精度高的要求。2.4 换刀机械手方案的确定由于与机械、电力传动相比，液压传动具有体积小、质量轻、功率大运动平稳的特点，并且因为液压元件有自我润滑作用，使用寿命长，所以本人在机械手的手臂伸缩运动及手指夹紧运动以及传动机构都采用液压的驱动方式。并且由于两手伸缩回转式单臂双爪机械手的两手可伸缩，缩回后回转，可避免与刀库中其他刀具干涉，所以本人把现有的一种单臂单爪的机械手改进

28、为两手伸缩回转式单臂双爪机械手，这样既保留了它原有的灵巧优势，又大大增加了效率。第3章 换刀机械手的总体方案设计3.1手爪部分设计 手爪部分的结构我选择了双指的结构，这样选择的原因是双指具有结构简单，安装拆卸方便，抓刀稳定快速等特点。结构如图3-1所示。 图3-1双指结构示意图如图3-1所示，当机械手伸出的时候，液压缸推动活塞往前带运动，通过扇形齿轮的传动，齿条轴和手指一起往前运动，销钉顶住的挡块往前滑动，当滑到套座的锥形区域时，机械手指开始夹紧，完成抓刀。3.2 机械手手臂的设计机械手工作中运动速度较高，在结构位置应保证运动平稳，这样可以提高机械手运动的平稳性，可以提高机械手适用的可靠性，并

29、提高使用寿命。一、 臂部要防止偏重通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、腕部和手部结构时，尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。一但偏重，将会产生附加的弯矩，引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中，偏重对回转轴附加有动压力，其方向不断变化，特别是高速及速度突然变化时更加明显，这些都将引起机械手的振动，严重的会造成卡死。预防的措施：1、 减轻腕部、手部的重量，并尽量减少偏心载荷。可采用铝合金制造腕部和手部。2、 合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。3、 某些机械手结构上无法避免偏重，则应加强导向支撑，尽量减轻偏重对运动的影响。二、 加强臂部刚度提高臂部刚度是减少手部颤

30、动的关键，有利于提高定位精度，故常采用导向形式来加强定位。三、 改进缓冲装置和提高配合精度机械手的缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。机械冲击，它是在臂部运动中与定位装置相碰撞而产生的。它可用缓冲装置来消除。四、采取的措施：1、 提高部件的配合精度，减少间隙，有利于运动平稳，特别是高速运动的机械手更需要保证加工精度和提高配合。2、 机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用必须采用防松措施。 综合以上所述，我在设计机械手手臂的时候采用了完全中心对称的机构，并且通过外壳的固定来保证机械手手臂的水平，结构如图2-3所示。为了适应不同型号的刀柄，两边的刀爪是可以拆卸调换的。 图3-2手臂结构示意图

31、3.3 机械手传动方式的选择3.3.1机械手转过180度的传动机构选择 在现代机械工业中应用较广泛的主要有：带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动这四种传动方式。它们分别具有以下特点： 一、带传动：1、结构简单，可以传动的中心距较大，传动中不产生震动。2、 滑动系数大，传递功率较小。3、 传动平稳、价格低廉、缓冲吸震。 图3-3 皮带传动示意图4 二、链传动：1、 能够保证准确的平均速比。2、 可以作中心距较大的两轮轴间传递动力和运动。3、 链条容易磨损，磨损后的链条节距增大，链条易脱落。4、 链条传动的速度较低，传动时有噪音。 三、齿轮传动：1、 效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最

32、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。2、 结构紧凑 在相同的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。3、 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。4、 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。5、 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。1、蜗杆2、涡轮 图3-4 涡轮蜗杆传动示意图5 四、蜗杆传动：1、 涡轮副传动的结

33、构紧凑，涡轮箱的外形尺寸较小。2、 涡轮副传动平稳，无噪音。3、 涡轮副传动是滑动摩擦，在传动中摩擦损害较大，因此传动效率较低。采用自锁传动时，效率约为50%。考虑到效率，工作可靠，结构紧凑等方面，我选择了齿轮齿条传动作为我的动力传动方案。如图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，所以我设计的齿轮采用渐开线齿形。 图3-5传动齿轮齿条结构示意图3.3.2 主轴以及机械手上下伸缩的传动机构设计 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

34、组成体，称为轴系。组成轴系的主要零件-轴、轴承、联轴器等称为轴系零件。轴的设计主要包括：轴的材料选择、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。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

35、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

36、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，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

37、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、轴的设计过程 我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上下移动，又可在交换刀具时带动回转头转动，考虑到机械手在转动180度的时候，上方的液压缸不能跟着主轴一起转动，所以必须设计一个装置能让主轴转动时保持上方的液压缸不

38、转动，而上方液压缸带动主轴上下伸缩运动时也不会和转动装置发生干涉。经过查资料，我设计了以下结构来保证这一要求，如图3-6所示。 图3-6手伸缩传动结构示意图3.4 换刀机械手驱动机构的选择驱动机构是用来为各个部件的运动提供动力，是实现一切运动的动力源，有气动、液动、电动和机械式四种形式。本设计中的各个运动主要是直线往复运动。由于电动机输出的是旋转运动，若采用电动机传动，则必须加入齿轮、齿条等机械机构，将电动机输出的旋转运动转变为直线往复运动，而液压缸或气缸一般都是直线往复运动的，可直接带动负载作直线往复运动，使得结构简单。同时，由于液压驱动的抗冲击能力比电气驱动的抗冲击能力要强，而且在产生相同

39、驱动力（力矩）的条件下，与其他驱动方式相比，液压驱动系统还具有体积小、惯性小、工作平稳可靠以及可实现较高位置精度的特点5。故本设计中的驱动方式都为液压驱动，用液压驱动方式来实现手指夹紧、手臂伸缩和主轴转动和上下伸缩的动作。第4章 换刀机械手的结构设计及尺寸确定4.1 手指结构设计及计算4.1.1 手指夹紧力的计算根据文献5，56.42-56.92，手指夹紧力的计算过程如下：手指对工件的夹紧力： (4.1)式中：安全系数，本设计中取=1.5；动载系数，本设计中取=1.5；方位系数，本设计中，则，本设计=1.45；被抓持工件的重量，取工件质量为8kg；将上述各值代入式(4.1)，得：=255.78

40、N对手指结构进行受力分析如图4-1所示，由：可得： (4.2)又由： (4.3)图4-1 手指受力分析得：即： (4.4)在本设计=50mm，=13mm；将各值代入式(4.4)，得=2500.50.358255.78/(130.777)=453.27N考虑到运动过程中的能量损失，取=0.9，则手指夹紧液压缸的实际驱动力为：=453.27/0.95=477.12N本设计中取=500N；由式(4.2)可得：=697.61N由式(4.3)可得：=697.61=542.14N=697.61=439.02N对手指夹紧力的校核过程如下：在手架旋转过程中手指所受的惯性力为： (4.5)式中：工件质量；工件到

41、旋转轴线的距离，这里取mm；手架旋转轴的转速，初取rad/s；则由式(4.5)可得：=94.75N因， 所以手指夹紧液压缸的实际驱动力取=500N，安全。4.1.2 手指部分的相关校核根据文献8，72-94，对手指部分重要部位的校核过程如下：轴和手指的材料都选用45号钢，它们的许用剪应力=70MPa、许用挤压应力 =140MPa、许用拉应力=300MPa；1、手指强度校核A截面的抗弯截面模量公式如下： (4.6)式中：形心轴惯性矩；截面图形的形心位置；A部分截面处的图形形状如图4.2所示，部分处的形心位置为： (4.7) 式中：=8.66mm，=20mm，=10mm，将各值代入式(4.7)可得

42、=13.85mm其截面面积为： =2017.3210(17.328.66)/2=(364.486.6)/2=129.9mm2部分处的形心位置为：=5mm其截面面积为：=2611.34=294.84mm2A处截面的形心位置为：=(13.85129.9+294.845)/(129.9+294.84)=(1799.12+1474.2)/424.74=7.7mm = 8.663(102+41020+202)/36(20+10)+(13.855)2129.9=781.76+10174.09=10955.85mm4=11.34326/12+(7.75)2294.84=3159.59+2149.38=530

43、8.97 mm4=10955.85+5308.97=16264.82 mm4将各值代入式(4.6)得：16264.82/7.7=2112.31mm3A截面处的弯矩：=2.26Nm故危险截面A处的拉应力为：MPa 安全。 图4-2 A处截面图形形状 图4-3 C处截面图形形状危险截面C处的弯矩=8.536Nm，其截面图形形状如图3.3所示，抗弯截面模量为：故危险截面C处的拉应力为：=4.04+1.03 =5.07MPa； 安全。4.2手臂的弯曲变形手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和刀具的干涉，造成机器的损坏。手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为680mm，宽460mm，高20mm的长方体来计算，G=mg=7.81068462=487968N=487.968KN488KN刀具的重量F=106=60KN手臂材料的抗拉强度 =460MPa 屈服强度 =235MPa 图4-4手臂的受力可以简化为图4-4所示如上图所示，可简化为悬臂梁来处理，则任意横截面上的弯矩为： M=-60(l-x) =-60（205-x） （4.8）得挠曲线方程刀具重力所造成的弯曲： （4.9） 刀臂自重所造成的弯曲： （4.10）其中=3012=1822500