數控立式升降臺銑床自動換刀機械手裝置設計【含CAD圖紙和文檔】

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Firstly, the base design robot arm, the arm and the robot structure, then select the appropriate transmission mode, drive mode, built robot platform structure; CNC vertical milling machine automatic tool changer design is mechatronic products, ATC CNC vertical milling machine automatic tool changer design into a leading research. Used in different areas, the development of its multi-agency convergence desired combination also led to the development of these disciplines. In this paper, the structural design of the CNC vertical milling machine designed automatic tool changer and complete drawings and part drawings assembly drawing. CNC vertical milling machine for the automatic tool changer model design requirements are analyzed to estimate the motor load, full set was required torque and power. CNC vertical milling machine complete the automatic tool changer design program design, general design, structural design, kinematics analysis, inspection, analysis CNC vertical milling machine automatic tool changer design model, design and production of CNC vertical lift key components milling machine automatic tool changer design models doing it strength, assembly drawing and part drawing. Keywords: arm, structural design, CNC vertical milling machine automatic tool changer design, motor 目 錄 1 緒論 1 1.1 自動換刀裝置設計概述 1 1.2 國內自動換刀裝置設計的研究 1 1.3自動換刀裝置設計的應用 2 2 總體方案設計 3 2.1 技術參考數據 3 2.2 自動換刀裝置設計工程概述 3 2.3 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計方案論述 4 2.4 自動換刀裝置設計機械傳動原理 5 2.5 自動換刀裝置設計總體方案設計 6 2.6 本章小結 7 3 手爪夾持器結構設計與校核 8 3.1手爪夾持器種類 8 3.2夾持器設計計算 9 3.3 夾持裝置液壓缸設計計算 10 3.3.1 初步確系統(tǒng)壓力 10 3.3.2液壓缸計算 10 3.3.3 活塞桿的計算校核 12 3.3.4 液壓缸工作行程的確定 13 4 自動換刀裝置設計大臂部結構 14 4.1 大臂部結構設計的基本要求 14 4.2 大臂部結構設計 15 4.3 大臂電機及減速器選型 15 4.4 減速器參數的計算 16 4.5承載能力的計算 20 4.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 20 4.5.2 柔輪疲勞強度的計算 20 5小臂結構設計 25 5.1 手指的相關設計與計算 25 5.2 手爪結構設計與校核 26 5.3 結構分析 27 5.4計算分析 27 5.5 腕部設計 28 5.5.1 手腕偏轉驅動計算 28 5.5.2 手腕俯仰驅動計算 38 5.5.3 電動機的選擇 39 5.6 小臂部結構設計 41 5.7 小臂電機及減速器選型 41 5.7.1.傳動結構形式的選擇 42 5.7.2.幾何參數的計算 42 5.8 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 43 5.8.1柔輪齒面的接觸強度的計算 44 5.8.2柔輪疲勞強度的計算 44 5.9 軸結構尺寸設計 45 5.10 軸的受力分析及計算 46 5.11 軸承的壽命校核 47 6 機身設計 49 6.1 步進電機選擇 49 6.1.1 計算輸出軸的轉矩 49 6.1.2 確定各軸傳動比 51 6.1.3 傳動裝置的運動和動力參數 51 6.2 齒輪設計與計算 54 6.2.1 高速級齒輪設計與計算 54 6.2.2 低速級齒輪設計與計算 58 6.3 軸的設計與計算 61 6.3.1 輸入軸的設計與計算 61 6.3.2 中間軸的設計與計算 64 6.3.3 輸出軸的設計與計算 66 6.4 軸承的校核 69 6.4.1 輸入軸上軸承壽命計算 69 6.4.2 中間軸上軸承壽命計算 70 6.4.3 輸出軸上軸承壽命計算 71 6.5 鍵的選擇和校核 72 6.5.1 鍵的選擇 72 6.5.2 鍵的校核 73 總結與展望 74 致 謝 75 參 考 文 獻 76 1 緒論 1.1 自動換刀裝置設計概述? 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計是由集控制器、傳感器和伺服驅動系統(tǒng)為一體的機電一體化產品，它模仿人的操作，可實現(xiàn)自動控制、重復編程、能夠完成各種復雜的動作。它能在提高生產效率的同時，提高產品質量，對改善勞動條件，促進產品的更新?lián)Q代起著促進作用。自動換刀裝置設計的使用情況，標志著一個國家工業(yè)自動化水平的高低。自動換刀裝置設計并不是簡單的代替人的體力的勞動，而是將人的智慧體現(xiàn)在機器上。是機械人具有人的快速反應和分析判斷能力，又有具有高精度、高強度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應比較差的環(huán)境，我們可以說自動換刀裝置設計是工具進化的產物。隨著自動化技術的發(fā)展，自動換刀裝置設計已經廣泛的應用在機械加工、自動換刀、流水線上生產及裝配、上下料等。但是大多數自動換刀裝置設計的專用型比較強，莫臺機器上的自動換刀裝置設計在不改造的情況下，很難在其他機器上使用。由于自動換刀裝置設計能很大程度上提高生產效率，簡化機械加工的程序，所以它在機械加工中得到廣泛的應用。 1.2 國內自動換刀裝置設計的研究 自動換刀裝置設計在日本應用的歷史非常悠久。在七十年代時自動換刀裝置設計首先得到應用，然后經過十年的發(fā)展，在八十年代的時候自動換刀裝置設計已經得到普及。相應的他們工業(yè)年產值也得到了快速提高。1980年達到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時已達到了一萬八千五百億日元?？梢娮詣訐Q刀裝置設計在提高生產效益方面的重要性。 在國際方面，各個國家已經意識到自動換刀裝置設計的重要性。所以自動換刀裝置設計的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對于2002年增長了百分之10。此后自動換刀裝置設計的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達90000多臺。平均年增長為7%。 國際自動換刀裝置設計的發(fā)展方向: 自動換刀裝置設計涉及到非常多學科的知識和領域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網絡、控制、機械等等。自動換刀裝置設計的發(fā)展離不開上述學科的發(fā)展。正是由于各個學科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學技術的進步，自動換刀裝置設計在應用得范圍越來越廣泛；技術也越來越得到調高，功能更加強大?，F(xiàn)在很對自動換刀裝置設計的研究都往小型化發(fā)展。自動換刀裝置設計將會更多的進入到人們的日常生活中去。總體的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化、更加智能化。 自動換刀裝置設計的廣泛應用，對提升產品的質量與產能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本，起著一個十分重要的作用。自動換刀裝置設計的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。 1.3自動換刀裝置設計的應用 自動換刀裝置設計產業(yè)是在計算機、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術產業(yè)。現(xiàn)代，自動換刀裝置設計產業(yè)市場前景發(fā)展很好。從二十世紀起，世界自動換刀裝置設計產業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀九十年代，自動換刀裝置設計產品發(fā)展快速增長，年增長率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達到百分之二十。在亞洲自動換刀裝置設計需求量更多，年增長率高達百分之四十三。經歷40多年的發(fā)展，自動換刀裝置設計應用到很多領域中去了。自動換刀裝置設計在制造業(yè)中應用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機械加工、裝配、檢測和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，自動換刀裝置設計替代了人工作業(yè)，并使得生產效益大大提高。 2 總體方案設計 2.1 技術參考數據 根據機床操作和工藝流程，分析和設計能滿足的數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計。主要完成如下設計任務： 1. 依據工作流程及刀具應用等知識，利用本科所學《控制工程基礎》、《先進制造技術》等課程所學基礎知識，查閱圖書館關于FMS柔性制造系統(tǒng)中自動換刀裝置設計工作和設計原理，擬定和設計能滿足同步所用多把刀具的換刀機械系統(tǒng)的設計。（含傳動系統(tǒng)的設計與計算、強度的設計與計算、標準件的設計、計算與選用，圖紙的繪制符合國家標準）. 2. 所設計方案能檢測和出工藝師手上刀具編碼和刀具型號，當換刀時，及時把信號接收和轉換，刀庫系統(tǒng)中能存儲不少于10把以上不同型號刀具。選定數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計機械傳動方案，繪制換自動換刀裝置設計工作原理圖及二維工程圖。（含傳動系統(tǒng)的機械零件的2D圖紙設計與繪制，3D零件及部件的設計與繪制、裝配、運動仿真以及動力學分析）。 3. 按要求撰寫畢業(yè)設計說明書，并完成畢業(yè)設計要求的圖紙工作量。 2.2 自動換刀裝置設計工程概述 自動換刀裝置設計工程是一門跨學科的綜合性技術，它涉及到力學、機構學、機械設計、氣動液壓技術、傳感技術、計算機技術和自動控制技術等學科領域。人們將已有學科分支中的知識有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術稱之為“系統(tǒng)工程學”。以自動換刀裝置設計設計為例，系統(tǒng)工程學認為，應當將其作為一個系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運用，從自動換刀裝置設計的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內部各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關系的一種綜合性的設計方法。 從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設計一部較復雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應具有如下特性： （1） 整體性 由若干個不同性能的子系統(tǒng)構成的一個總的機械系統(tǒng)應具有作為一個整體的特定功能。 （2） 相關性 系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關聯(lián)的特性。 （3） 目的性 每個系統(tǒng)都應有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結構、系統(tǒng)內各子系統(tǒng)的組合方式決定于系統(tǒng)的目的和功能。 （4） 環(huán)境適應性 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應外部環(huán)境的變化。 因此，在進行自動換刀裝置設計設計時，不僅要重視組成自動換刀裝置設計系統(tǒng)的各個部件、零件的設計，更應該按照系統(tǒng)工程學的觀點，根據自動換刀裝置設計的功能要求，將組成自動換刀裝置設計系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設計出性能優(yōu)良適于工作需要的自動換刀裝置設計產品。在比較復雜的工業(yè)自動換刀裝置設計系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成自動換刀裝置設計工作任務的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機構等。驅動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅動器，驅動單元，伺服驅動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人——機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設備的輸入/輸出通訊接口，內部和外部傳感器以及其他通用或專用的外圍設備［14］。 工業(yè)自動換刀裝置設計的特點在于它在功能上的通用性和重新調整的柔性，因而工業(yè)自動換刀裝置設計能有效地應用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設備（如數控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產設備）、輔助生產設備、控制裝置和工業(yè)自動換刀裝置設計等一起形成了各種不同形式地工業(yè)自動換刀裝置設計技術綜合體地工業(yè)自動換刀裝置設計系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產部門，如建筑、采礦、交通運輸等生產領域引用自動換刀裝置設計系統(tǒng)亦是如此。 2.3 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計方案論述 （一） 確定負載 目前，國內外使用的工業(yè)自動換刀裝置設計中，負載能力的范圍很大，最小的額定負載在5N以下，最大可達9000N。負載大小的確定主要是考慮沿自動換刀裝置設計各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括自動換刀裝置設計末端執(zhí)行器的重量、關節(jié)工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產生的慣性力等。由本次設計給的設計參數可初估本次設計屬于小負載。 （二） 驅動方式 由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴格的中、小型自動換刀裝置設計等特點，故本次設計采用了伺服電機驅動 （三）傳動系統(tǒng)設計 自動換刀裝置設計傳動裝置中應盡可能做到結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高自動換刀裝置設計的運動和位置控制精度。在自動換刀裝置設計中常采用的機械傳動機構有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準確，結構緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學學習掌握的比較扎實，故本次設計選用齒輪傳動。 （四）工作范圍 工業(yè)自動換刀裝置設計的工作范圍是根據工業(yè)自動換刀裝置設計作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響自動換刀裝置設計的機械結構坐標形式、自由度數和操作機各手臂關節(jié)軸線的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇 （五） 運動速度 自動換刀裝置設計操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅動和控制方式、定位方式和精度等要求。 2.4 自動換刀裝置設計機械傳動原理 該方案結構設計與分析： 該數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計的本體結構組成如圖： 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計本體組成 各部件組成和功能描述如下： 底座部件： 底座部件包括底座、齒輪傳動部件、軸承，步進電機等。機座作用是支撐部件，支承和轉動大臂部件,承受數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計的全部重量和工作載荷，所以機座應有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計工作時的穩(wěn)定運行。 數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計的手臂通常由驅動手臂運動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等）與驅動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動 手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動部件，驅動電機。小臂部件：包括小臂、傳動軸、同步傳動帶等，在小臂一端固定驅動手腕運動的步進電機。手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。 2.5 自動換刀裝置設計總體方案設計 工業(yè)自動換刀裝置設計的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下[3]。 (1) 直角坐標自動換刀裝置設計結構 直角坐標自動換刀裝置設計的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標自動換刀裝置設計有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標自動換刀裝置設計的運動空間相對自動換刀裝置設計的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標自動換刀裝置設計的結構尺寸要比其他類型的自動換刀裝置設計的結構尺寸大得多。 直角坐標自動換刀裝置設計的工作空間為一空間長方體。直角坐標自動換刀裝置設計主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標自動換刀裝置設計有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 (2) 圓柱坐標自動換刀裝置設計結構 圓柱坐標自動換刀裝置設計的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種自動換刀裝置設計構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 (3) 球坐標自動換刀裝置設計結構 球坐標自動換刀裝置設計的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種自動換刀裝置設計結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 (4) 關節(jié)型自動換刀裝置設計結構 關節(jié)型自動換刀裝置設計的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關節(jié)型自動換刀裝置設計動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對自動換刀裝置設計本體尺寸，其工作空間比較大。此種自動換刀裝置設計在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的自動換刀裝置設計。 自動換刀裝置設計結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 (a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關節(jié)型 圖2-1 四種自動換刀裝置設計坐標形式 根據任務書要求和具體實際我們選擇的是(d) 關節(jié)型。 具體到本設計，因為設計要求搬運的加工工件的質量達5KG，同時考慮到數控機床布局的具體形式及對自動換刀裝置設計的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該自動換刀裝置設計手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度,要求設計的自動換刀裝置設計為六個自由度，其中腰部有一個旋轉自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉自由度，手腕的俯仰、旋轉自由度。在本論文中，要求設計大小臂結構，所以，需要對實現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉自由度的機構進行詳細設計。 2.6 本章小結 本章主要完成對自動換刀裝置設計系統(tǒng)設計,通過多種方案的選擇來確定最終要確定的方案. 確定了自動換刀裝置設計的總體設計方案后，就要針對自動換刀裝置設計的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個部分進行詳細設計。 3 手爪夾持器結構設計與校核 3.1手爪夾持器種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。 a．有適當的夾緊力 手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關 c．力求結構簡單，重量輕，體積小 作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個氣壓自動換刀裝置設計的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 d．手指應有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊氣壓自動換刀裝置設計，根據工件的形狀，松開時，用單作用式氣壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。 氣壓缸右腔停止進油時，氣壓缸右腔進油時松開工件。 3.2夾持器設計計算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數，通常取1.2~2； -----為動載系數，主要考慮慣性力的影響可按估算，為自動換刀裝置設計在換刀工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數，查表選取； -----被抓持工件的重量 20； 帶入數據，計算得： ； 理論驅動力的計算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅動力； ----為夾緊力至回轉支點的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數據，計算得 計算驅動力計算公式為： （3-8） 式中，-----為計算驅動力； ---安全系數，此處選1.2； ---工作條件系數，此處選1.1； 而氣壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （3-9） 式中，---為柱塞缸工作油壓； ----為柱塞截面積；選取缸內徑為40mm 3.3 夾持裝置液壓缸設計計算 3.3.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3.2 按負載選擇工作壓力[1] 負載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3.3 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機械類型 機 床 農業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 氣鑿巖機 氣機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由表3.2和表3.3可知，初選液壓缸的設計壓力P1=1MPa 3.3.2液壓缸計算 估算要驅動的負載大小為300N，考慮到液壓缸未加載時實際所能輸出的力，受液壓缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前液壓缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機械爪的質量。在研究液壓缸的性能和確定液壓缸的缸徑時，常用到負載率β： 由《液壓與氣壓傳動技術》表3.4： 表3.4 液壓缸的運動狀態(tài)與負載率 阻性負載（靜負載） 慣性負載的運動速度v 運動的速度v=50mm/s，取β=0.60，所以實際的液壓缸缸負載的大小為：F=F0/β=500N （2） 液壓缸內徑的確定 表3.5 液壓缸內徑確定公式 項目 計算公式 缸 徑 雙作用液壓缸 推力 拉力 表1 液壓缸內徑系列GB/T2348-1980mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 按GB/T2348-1980，取標準值D=40mm；本來可以取32的，考慮不可預測的超載等因素，故在這取的略微大一些。 查《氣傳動與控制手冊》根據桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。 活塞桿直徑d=0.45D=18mm 取d=18（標準直徑） 表2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 3） 液壓缸缸體厚度計算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當液壓缸的工作壓力較高和缸體內經較大時，必須進行強度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號鋼作為缸體的材料。 式中，——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強度。 注：1.額定壓力Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=1MPa 2.最高允許壓力Pmax Pmax1.5Pn=1.251=1.25MPa 液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa 安全系數n按《氣傳動與控制手冊》P243表2—10，取n=5。 則許用應力[]==120MPa = =0.2083mm 則液壓缸缸體外徑為50mm。 3.缸筒結構設計 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構成密封的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸蓋及缸底密切相關[6]。因此，在設計缸筒結構時，應根據實際情況，選用結構便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內外徑應根據標準進行圓整。 3.3.3 活塞桿的計算校核 2.活塞桿強度計算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數取5，即活塞桿的強度適中） 3．活塞桿的結構設計 活塞桿的外端頭部與負載的拖動油馬達機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產中偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據負載的具體情況，選擇適當的活塞桿端部結構。 4.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。 3.3.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度可以根據執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。液壓缸活塞行程參數優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。 表4-4（a）液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）[6] 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根據設計要求知快速接近工件，行程根據任務書要求，根據表3-8，可選取液壓缸的工作行程為100mm. 4 自動換刀裝置設計大臂部結構 4.1 大臂部結構設計的基本要求 臂部部件是數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動它們做空間運動。臂部運動的目的:把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關節(jié)，則臂部自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部設計基本要求: （1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉，應選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工 字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計常采用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結構緊湊、外形整齊。 （2)臂部運動速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 為減少轉動慣量，應采取以下措施: (a) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料; (b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉半徑 (d) 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置 (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。 (4)位置精度要高。 一般來說，直角和圓柱坐標系數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計位置精度高;關節(jié)式數控立式升降臺銑床自動換刀裝置設計的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設定位裝置和檢測機構，能較好的控制位置精度。 本文采用鋁合金材料設計成薄壁件，一方面保證機械臂的剛度，另一方面可減小機械臂的重量，減小基座關節(jié)電機的載荷，并且提高了機械臂的動態(tài)響應。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設計。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示： 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200×200 200×200~500×500 ＞500×500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~3.5 4~6 — 3~5 6~8 — 表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結構設計的特點，在特種鑄造方法中，應根據每種不同的鑄造方法及其特點進行相應的鑄件結構設計。本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。 4.2 大臂部結構設計 大臂殼體采用鑄鋁，方形結構，質量輕，強度大。 4.3 大臂電機及減速器選型 假設小臂及腕部繞第二關節(jié)軸的重量： M2=2Kg， M3=4Kg J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942 =0.16kg.m2 大臂速度為10r/min ，則旋轉開始時的轉矩可表示如下： 式中：T - 旋轉開始時轉矩 N.m J – 轉動慣量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 使自動換刀裝置設計大臂從到所需的時間為：則： (3.4) 若考慮繞自動換刀裝置設計手臂的各部分重心軸的轉動慣量及摩擦力矩，則旋轉開始時的啟動轉矩可假定為10N.m，取安全系數為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉矩為： (3.5)選擇諧波減速器： ⑴型號：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉矩：20N.m 減速比：i1=120 設諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應輸出力矩為： (3.6) 選擇BF反應式步進電機 型號：55BF003 靜轉矩：0.686N.m 步距角：1.5° 4.4 減速器參數的計算 剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調質），硬度為250HBS 剛輪材料為45鋼（調質），硬度為220HBS。 1.齒數的確定 柔輪齒數： 剛輪齒數： 已知模數：，則 柔輪分度圓直徑： 鋼輪分度圓直徑： 柔輪齒圈處的厚度： 重載時，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計算值增加20%，即 柔輪筒體壁厚： 為了提高柔輪的剛度，取 輪齒寬度： 輪轂凸緣長度：取 柔輪筒體長度： 輪齒過渡圓角半徑： 為了減少應力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 2.嚙合參數的計算 由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數可按考慮到構件柔度的計算公式，即按如下公式進行計算。 考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為： （扭轉彈性模數G=80GPa） 其中： W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m 為了消除在的情況下進入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側隙大于由于齒輪扭轉減小的側隙后，還應保證存在有側隙值。 其中： 徑向變形系數： 則： 徑向變形系數： 柔輪的變位系數： 剛輪的變位系數： 驗算相對嚙入深度： 如果計算得到的，為了繼續(xù)進行計算，可取2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動力，應適當增加值重新計算，使。 柔輪齒根圓直徑： 其中（齒頂高系數，徑向間隙系數） 柔輪齒頂圓直徑： 其中（查表得） 相對嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數之和應符合兩個不等式驗算公式。 即： 剛輪齒頂圓直徑： 剛輪齒根圓直徑： 選取插齒刀齒數，插齒刀變位系數（中等磨損程度的插齒刀），插齒刀原始齒形壓力角，則 剛輪和插齒刀的制造嚙合角： 查漸開線函數表和三角函數表得 則剛輪和插齒刀的制造中心距： 插齒刀的齒頂圓直徑： 剛輪齒根圓直徑： 驗算剛輪齒根圓和柔輪齒頂圓的徑向間隙： 即： 可見沿波發(fā)生器長軸,在剛輪齒根圓與柔輪齒頂圓之間存在徑向間隙。 3.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 滾珠直徑： 柔輪齒圈處的內徑： 則： 軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無滾道的 軸承內環(huán)厚度： 內環(huán)滾道深度： 式中的是考慮到外環(huán)無滾道而內環(huán)滾道加深量。 軸承內外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬 軸承外環(huán)外徑： 軸承內環(huán)內徑： 為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。 則凸輪圓弧半徑： 其中ｅ是偏心距： （—剛輪分度圓直徑，—柔輪分度圓直徑） 則凸輪圓弧半徑： 凸輪長半軸： 凸輪短半軸： 4.5承載能力的計算 4.5.1 柔輪齒面的接觸強度的計算 根據諧波傳動傳動比大的特點，其柔輪和剛輪的齒數較多，齒形很接近于直線。故實際諧波齒輪傳動的載荷能力主要應由柔輪齒側工作表面的最大接觸應力所限制。因此，諧波齒輪傳動的柔輪齒側面應滿足如下接觸強度條件： 接觸強度計算公式： —輸出轉矩 —柔輪節(jié)圓半徑 —柔輪輪齒寬 —剛輪壓力角 —接觸系數（0.4~0.9） 對于一般雙波傳動，輪齒寬許用接觸應力 則： 所以滿足齒面的接觸強度要求。 4.5.2 柔輪疲勞強度的計算 柔輪材料采用 調制硬度229~269。 計算柔輪在反復彈性變形狀態(tài)下工作時所產生的交變應力幅和平均應力為 截面處正應力： 切應力： 由扭矩產生的剪切應力： 其中： 則： 驗算安全系數： 疲勞極限應力： 應力安全系數： 其中，抗拉屈服極限： 剪切應力集中系數： 則滿足疲勞強度條件。 軸的計算校核 畫軸的受力分析圖，軸的受力分析分析圖如圖所示： 已知：作用在剛輪上的 圓周力 徑向力 法相力 1) 求垂直面的支撐反力： 2) 水平面的支撐反力： 4） F在支撐點產生的反力： 外力F作用方向與傳動的布置有關，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計算 5） 繪垂直面的彎矩圖： 5) 繪水平面的彎矩圖： 6) F產生的彎矩圖： a-a截面F力產生的彎矩為： 7) 求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把與直接相加 MA=+MAF= +41.1=70.1 N.m M'A=+MAF= +41.1=62.57 N.m 8) 求軸傳遞的轉矩： N.mm 9) 求危險截面的當量轉矩 如圖所示，a-a截面最危險，其當量轉矩為： 如認為軸的扭切應力是脈動循環(huán)應變力，取折合系數a=0.6，帶入上式可得： 10） 計算危險截面處軸的直徑 軸的材料選用45鋼，調質處理，由表14-1查得δB=650Mp,由表 14-3查得[δ-1b]=60Mpa,則： 考慮到鍵槽對軸的消弱，將d值加大5%，故： d=22.8*1.05=24mm<32mm 滿足條件 因a-a處剖面左側彎矩大，同時作用有轉矩 ，且有鍵槽，故a-a左側為危險截面 其彎曲截面系數為： 抗扭截面系數為： 彎曲應力為： 扭切應力為： 按彎扭合成強度進行校核計算，對于單向轉動的轉軸，轉矩按脈動循環(huán)處理，故取折合系數a=0.6則當量應力為： 由表查得45鋼調質處理抗拉強度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強度滿足要求。 5小臂結構設計 5.1 手指的相關設計與計算 設計手部時除了要滿足抓取要求外，還應滿足以下幾點要求： （1）、手指握力的大小要適宜 確定手指的握力（即夾緊力）時，應考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落，但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。 （2）、應保證工件能順利地進入或脫開手指 開合式手指應具有足夠大的張開角度來適應較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。 （3）、應具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕 因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求自動換刀裝置設計具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結構要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉軸線上，使手腕的扭轉力矩最小。 （4）、動作迅速、靈活、準確，通用自動換刀裝置設計還要求更換手部方便 根據用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。 經過分析和比較此設計采用夾持式手部。手部是自動換刀裝置設計直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件，因此手部的結構和尺寸應依據作業(yè)任務要求來設計，從而形成了多種的結構型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。 一 、夾持式手部 夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應性，故應用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。 二 、結構 夾持式手部是有驅動裝置、傳動機構和手指（或手爪）等組成。驅動裝置多半用活塞缸。傳動機構常用連桿機構、滑槽機構、齒輪齒條機構等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結構形狀取決于工件的形狀。手部結構按模仿人手手指的動作，可分為回轉型、移動型等形式。經分析和比較此設計選擇移動式的齒輪齒條手部。 5.2 手爪結構設計與校核 手爪種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。 a．有適當的夾緊力 手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關 c．力求結構簡單，重量輕，體積小 作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個液壓自動換刀裝置設計的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 d．手指應有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊液壓自動換刀裝置設計，根據工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。 液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。 5.3 結構分析 自動換刀裝置設計的手部是最重要的執(zhí)行機構，是用來握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，本課題采用夾持類手部。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。本課題選用夾鉗式，它是工業(yè)機器人最常見的一種手部。手部傳動機構可分回轉型、平動型和平移型?；剞D型的特點是當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型的特點是手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。和回轉型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。平移型的特點是當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖5-1所示的是靠導槽保持手指作平移運動。 圖5-1 手部裝配圖 5.4計算分析 因工件運動速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計算 機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉運動的組合，所以伴隨有速度和加速度.工件有了加速度，其視在重量就變化。設自動換刀裝置設計手部縱向中心線上所加的驅動力為P，P＝油缸有效截面積×使用的氣壓×η.作用在一個指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運動方向）.設手指以摩擦力μQ，工件重量為G=mg.夾起工件要計算的是單個手指所必須的力Q. 如圖2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必須成立. 得 代入數據，得 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇油缸工作壓力P=0.81MPa, 根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm 則活塞桿內徑為: D=630.5=31.5mm，選取d=32mm 為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。 手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最 大夾持半徑計算如下： 自動換刀裝置設計的夾持半徑從20-30mm。