【正文】 手架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，手架旋轉(zhuǎn)軸上開有很長的鍵槽，并通過滑鍵與圓錐齒輪相聯(lián)接。這樣就使得手架的多次旋轉(zhuǎn)運動與拔刀和插刀運動互不干擾，并且可以使加工中 心換刀機械手的整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但圖 所示的機構(gòu)由于采用了凸輪機構(gòu)，為保證準確換刀，就需要精確的計算出凸輪的旋轉(zhuǎn)速度和凸輪的輪廓曲線，同時還要精確的控制電動機 M 的起、停時間。尤為重要的是：本設(shè)計中凸輪與從動件之間為點接觸，并且凸輪需要承受工件、手指、手臂及手架旋轉(zhuǎn)軸等的整體重量，這會使凸輪極容易磨損，從而大大縮短它的使用壽命。故選用圖 所示機構(gòu)會比較理想 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 一些。 通過以上分析，本設(shè)計最終選定由圖 所示的手臂伸縮和手指夾緊機構(gòu)和圖 中所示的手架伸縮和手架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成加工中心換刀機械手進行具體的 設(shè)計。 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析 設(shè)計參數(shù) 手架伸縮液壓缸最大行程： 110mm； 手臂伸縮液壓缸最大行程： 60mm； 手指夾緊液壓缸最大行程： 10mm； 夾持工件質(zhì)量： 8kg； 換刀過程手架旋轉(zhuǎn)角度： 180176。 ； 換刀機械手復(fù)位角度： 75176。 ； 自由度分析及各自由度的實現(xiàn) 分析自由度的坐標形式有：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式以及關(guān)節(jié)坐標式等等 [6]，本設(shè)計中采用直角坐標式對 加 工中心換刀機械手的自由度進行分析，如圖 所示。分析過程如下： (1) 手指夾緊運動 (Y )：由手指夾緊液壓缸控制實現(xiàn)，通過活塞桿推動或拉動手指部分的連桿機構(gòu)實現(xiàn)手指的夾緊或松開。 (2) 手臂伸縮運動 (Y )：由伸縮式液壓缸控制實現(xiàn)。 (3) 手架伸縮運動 (Z )：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運動，能實現(xiàn)換刀機械手的拔刀和插刀動作。 (4) 手架旋轉(zhuǎn)運動 (Z? )：由電動機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)，通過控制電動機的啟停時間即可實現(xiàn)手架旋轉(zhuǎn) 75176。到達工作位置、手架旋轉(zhuǎn) 180176。完成主軸刀具和刀庫刀具互換運動、手架反向旋轉(zhuǎn) 75176。復(fù)位三種運動。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 圖 自由度分析 加工中心換刀機械手的組成 加工中心換刀機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、檢測機構(gòu)組成 [6]，各部分特點如下： 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是完成各種動作的部件總稱，它由抓取部分（手部）、腕部、臂部和手架等運動部件所組成。 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；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。本設(shè)計采用夾持式手部，即由手爪和傳力機構(gòu)組成，它的主要功能是在換刀過程中完成抓住工件、握持工件和釋放工件的動作。 手腕部分：用于連接手指部分和手臂部分的部件。 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)計中手臂的主要作用是帶動手指去抓取物件。 手架部分：用于承受手部以及手臂部分的總體重量，在本設(shè)計中它還用于通過旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)加工中 心主軸刀具和刀庫刀具的互換運動。 驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是用來為各個部件的運動提供動力，是實現(xiàn)一切運動的動力源，有氣動、液動、電動和機械式四種形式。 本設(shè)計中的各個運動主要是直線往復(fù)運動。由于電動機輸出的是旋轉(zhuǎn)運動，若采用電動機傳動，則必須加入齒輪、齒條等機械機構(gòu)，將電動機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運動，而液壓缸或氣缸一般都是直線往復(fù)運動的，可直接帶動負載作直線往復(fù)運動，使得結(jié)構(gòu)簡單。同時，由于液壓驅(qū)動的抗沖擊能力比電氣驅(qū)動的抗沖擊能力要強，而且 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 10頁 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力（力矩）的條件下，與其他驅(qū)動方式相比，液壓驅(qū) 動系統(tǒng)還具有體積小、慣性小、工作平穩(wěn)可靠以及可實現(xiàn)較高位置精度的特點 [5]。故本設(shè)計中的驅(qū)動方式以液壓驅(qū)動為主，用液壓驅(qū)動方式來實現(xiàn)手指夾緊、手臂伸縮和手架伸縮的動作。 對于手架的旋轉(zhuǎn)運動，由于手架旋轉(zhuǎn)軸要實現(xiàn)：旋轉(zhuǎn) 75176。 到工作位置，旋轉(zhuǎn) 180176。交換主軸刀具和刀庫刀具和反向旋轉(zhuǎn) 75176。 實現(xiàn)手架復(fù)位三種運動，如采用液壓缸和行程開關(guān)來控制，要分別實現(xiàn)這三種旋轉(zhuǎn)運動會比較困難，而若采用電動機驅(qū)動，則只需控制好電動機的起、停時間就可實現(xiàn)預(yù)期的運動。所以，本設(shè)計中的手架旋轉(zhuǎn)運動由電動機帶動單級圓錐齒輪來實現(xiàn)。 控制 系統(tǒng) 此系統(tǒng)是用來控制驅(qū)動機構(gòu)工作，從而實現(xiàn)按預(yù)定程序進行工作的機構(gòu)。它通過位置檢測的反饋來檢測各部分機構(gòu)工作的位置精度，從而保證能準確地實現(xiàn)加工中心換刀機械手的換刀動作。控制系統(tǒng)包括程序控制部分和行程反饋部分。 檢測機構(gòu) 檢測是為了進行比較和判斷提供依據(jù)，位置檢測是通過將位置變化反饋給輸入變量從而達到一定的定位精度和位置精度。本設(shè)計中伸縮和升降機構(gòu)采用壓力繼電器進行位置控制。 本章小結(jié) 本章主要是介紹了一些目前常用加工中心換刀機械手的主要換刀形式，如 兩手伸縮回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手、剪式手爪回轉(zhuǎn) 式單臂雙爪機械手、兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙爪機械手等等 ，也給出了三種手臂伸縮與手指夾緊機構(gòu)和兩種 手架旋轉(zhuǎn)軸與手架伸縮機構(gòu)的設(shè)計方案，并通過論證分析，確定了最終的設(shè)計方案。同時，本章對加工中心換刀機械手的組成及各自由度運動的實現(xiàn)也進行了較為具體的介紹。 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 11頁 第 3 章 換刀機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定 前一章對機械手的整體結(jié)構(gòu)進行了方案論證，并確定了技工中心換刀機械手的基本結(jié)構(gòu)及工作范圍，本章將在上一章的基礎(chǔ)上對機械手的各部分結(jié)構(gòu)進行具體的設(shè)計 。 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 手指夾緊力的計算 根據(jù)文 獻 [5， ]，手指夾緊力的計算過程如下： 手指對工件夾緊力： GKKKN 321? () 式中： 1K —— 安全系數(shù)，本設(shè)計中取 1K =； 2K —— 動載系數(shù)，本設(shè)計中取 2K =； 3K —— 方位系數(shù)， fK / ?? ，本設(shè)計中 ~?f ， ??60? ， 則 ~)03~(60s i ???K ，本設(shè)計 3K =； G —— 被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為 8kg； 將上述各值代入式 ()，得： ?????N = 對手指結(jié)構(gòu)進行受力分析如 圖 所示， 由： PPP ?? ?? sinsin 21 21 PP? 可得： )sin2/(1 ?PP ? () 又由： 0sin/1 ??? ?cPNb )sin(11 ?? ??? PP () 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 12頁 圖 手指受力分析 得： cNbP /s i n)s i n2/()s i n ( ???? ?? 即： )]s i n (/[s i ns i n2 ???? ?? cbNP () 在本設(shè)計 ，， ?????? 302160 ??? b =50mm， c =13mm； 將各值代入式 ()，得 )]3021s i n (13/[ i n21s i n2 ????????P =2 50 (13 ) = 考慮到運動過程中的能量損失，取 ? =，則手指夾緊液壓缸的實際驅(qū)動力為： ?/PP ?實 =本設(shè)計中取 實P =500N； 由式 ()可得： )21sin2/(5001 ??P = 由式 ()可得： ?1P = ?51sin = ?1P = ?51cos = 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 13頁 對手指夾緊力的校核過程如下： 在手架旋轉(zhuǎn)過程中手指所受的慣性力為： 2?mRF ?慣 () 式中： m —— 工件質(zhì)量； R —— 工件到旋轉(zhuǎn)軸線的距離，這里取 300?R mm； ? —— 手架旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，初取 ?? 2? rad/s； 則由式 ()可得： 2)2( ????慣F = 因 實慣 PF ? ， 所以手指夾緊液壓缸的實際驅(qū)動力取 實P =500N，安全。 手指部分的相關(guān)校核 根據(jù)文獻 [8， 7294]， 對手指部分重要部位的校核過程如下： 軸和手指的材料都選用 45 號鋼，它們的許用剪應(yīng)力 ??? =70MPa、許用擠壓應(yīng)力 ][ij? =140MPa、 許用拉應(yīng)力 ][? =300MPa； 軸Ⅰ校核 ?? ?? AP /1? )1010/( 3 9 62 ????? = MPa )101013/(?? ?????? APij? = MPa ∵ ][?? ?? ， ][ ijij ?? ? ∴軸Ⅰ安全。 軸Ⅱ校核 ?? ? AP /1? )108/( 62 ????? = MPa )10813/(?? ????? APij? = MPa ∵ ][?? ?? ， ][ ijij ?? ? ∴軸Ⅱ安全。 手指強度校核 A 截面的抗彎截面模量公式如下： zIW y /? () 式中： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 14頁 yI —— 形心軸慣性矩； z —— 截面圖形的形心位置； A 部分 ② 截面處的圖形形狀如圖 所示，部分 ① 處的形心位置為： )](3/[)2(101 babahz ???? () 式中： h =， b =20mm， a =10mm， 將各值代入式 ()可得 2z = 其截面面積為： 1A =[20 － 10 (－ )]/2=(－ )/2=2 部分 ② 處的形心位置為： 2z =5mm 其截面面積為： cHA ?2 =26 = A 處截面的形心位置為： )/()( 212211 AAzAzAz ??? =( + 5)/(+) =(+)/= )](36/[)4( 22222222321211 babbaahAaI ????? = (102+4 10 20+202)/[36 (20+10)]+(－ 5)2 =+= 12/3112222 hbAaI ?? = 26/12+(－ 5)2 =+= mm4 21 IIIy ?? =+= mm4 將各值代入式 ()得： ?AW A 截面處的彎矩： AM = 故危險截面 A 處的拉應(yīng)力為： 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 15頁 1 2 6/???? WM AA? MPa ∵ ][?? ?A ∴安全。 圖 A處截面圖形形狀 圖 C處截面圖形形狀 危險截面 C 處的彎矩 CM =，其截面圖形形狀如圖 所示，抗彎截面模量為： 3222C 1 2 66/)(6/6/ ????? bBHbHBHW 故危險截面 C 處的拉應(yīng)力為： CCCC APWM // 1????? ) 2 4/( 3 9) 1 1 2/( 69 ?? ???? =+ =； ∵ ][?? ?C ∴安全。 手指夾緊液壓缸設(shè)計 手指夾緊液壓缸各部分尺寸的確定 根據(jù) 文獻 [9， 512]，由： 4/)(4/ 22212 ?? dDPFFPD f ???? () 得： 12221 /)()/()(4 PPdDPFFD f ???? ? () 式中： 1P —— 液壓缸的工作壓力，本設(shè)計中初取 1P =； 2P —— 液壓缸 回油腔背 壓力，對 于簡單 系統(tǒng)和 一 般輕載的 節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) , 2P =~，在本設(shè)計中初取估算值 2P =； 遼寧科技大學(xué)本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 第 16頁 Dd/ —— 活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，因在工作壓力 1P 2MPa 時， Dd/ =~，