【正文】 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。這也說明 由于技術(shù)發(fā)展的不平衡，在多種條件制約下，目前我國數(shù)控機(jī)床的整件技術(shù)水平與國際先進(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。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。沒有 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。所以說， 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。加工中心中實(shí)現(xiàn)刀庫和機(jī)床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為自動換刀裝置，它的功能是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換。它由存放刀具的刀庫和換刀機(jī)構(gòu)組成。 換刀裝置中刀具的交換形式及它們的具體結(jié)構(gòu)對機(jī)床的工作效率和工作可靠性有著直接影響。無機(jī)械手換刀方式一般是采用把刀庫放在主軸箱可以運(yùn)動到的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸上的裝刀方向一致。目前，加工中心 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 2 頁 的自動換刀裝置大都采用有機(jī)械手換刀方式，因為有機(jī)械手換刀裝置在刀庫的配置、與主軸的相對位置及刀具數(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，換刀時間比較短，應(yīng)用廣泛。 加工中心換刀機(jī)械手作為數(shù)控機(jī)床的一個重要的功能部件，它在國內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域中已受到廣泛的重視。 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作，給機(jī)床主軸與彈簧夾頭提供相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對加工中心換刀機(jī)械手的需求量會越來越大。設(shè)計得主要內(nèi)容如下： 根據(jù)目前常用的加工中心換刀機(jī)械手的換刀方式，對 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 提出幾種新的方案，并 通過對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。 對 加工中心換刀機(jī)械手的手指夾緊力進(jìn)行分析與計算，并對其關(guān)鍵部位進(jìn)行校核，以保證換刀的可靠性。 對設(shè)計中所涉及到的液壓缸通過計算確定其個部 分結(jié)構(gòu)的具體尺寸，并對個活塞桿的強(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、可靠的完成換刀過程。 設(shè)計出加工中心換刀機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分，完善設(shè)計內(nèi)容。 初 步設(shè)計方案 旋轉(zhuǎn)臂與夾緊機(jī)構(gòu) 由于與機(jī)械、電力傳動相比，液壓傳動具有體積小、質(zhì)量輕、功率大運(yùn)動平穩(wěn)的特點(diǎn)，并且因為液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長，所以在以下幾種設(shè)計方案中， 旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及夾緊機(jī)構(gòu)夾緊運(yùn)動都采用液壓的驅(qū)動方式。 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 Ⅰ 在此方案中， 加工中心換刀機(jī)械手 兩個手指的運(yùn)動由一個液壓缸單獨(dú)控制，這使得它運(yùn)動的靈活性很強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 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)動作，并發(fā)出手指夾緊指令，手手指開始夾緊。 主架回轉(zhuǎn)與臂部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 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 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 4 頁 作， 其結(jié)構(gòu)如圖 所示。在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 75176。當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)和手指夾緊動作完成后，準(zhǔn)備拔刀，此時，支撐液壓缸開始運(yùn)動，整個擺臂上升，拔刀動作開始，擺臂運(yùn)動到指定位置時，支撐液壓缸停止工作。 后停止，開始插刀動作過程。 此種機(jī)構(gòu)如果設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆啓C(jī)構(gòu)便 可是從動件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。 圖 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，就需要精確的計算出錐齒輪輪的旋轉(zhuǎn)速度和錐齒輪的輪廓曲線，同時還要精確的控制電動機(jī) M 的起、停時間。 通過以上分析，本設(shè)計選由圖 所示的夾緊機(jī)構(gòu)和圖 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。 ； 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 5 頁 換刀機(jī)械手復(fù)位角度： 75176。分析過程如下： (1) 手指夾緊運(yùn)動 (Y )：由手指夾緊液壓缸控制實(shí)現(xiàn)，通過活塞桿推動或拉動手指部分的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或松開。 (3) 主架上下伸縮運(yùn)動 (Z )：由手架伸縮液壓缸控制它的伸縮運(yùn)動，能實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)械手的拔刀和插刀動作。到達(dá)工作位置、主架旋轉(zhuǎn) 180176。復(fù)位三種運(yùn)動。 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。 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。 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)計中它還用于通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)加工中心主軸刀具和刀庫刀具的互換運(yùn)動。 本設(shè)計中的各個運(yùn)動主要是直線、 旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動。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(qiáng)，而且在產(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(shí)現(xiàn)較高位置精度的特點(diǎn)。 對于手架的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于手架旋轉(zhuǎn)軸要實(shí)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn) 75176。交換主軸刀具和刀庫刀具和反向旋轉(zhuǎn) 75176。所以，本設(shè)計中的手架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由電動機(jī)帶動單級圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)。同時， 本章對加工中心換刀機(jī)械手的組成及各自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)也進(jìn)行了較為具體的介紹。 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(xiàn) [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 ???K ，本設(shè)計 3K =； G —— 被抓持工件的重量，取工件質(zhì)量為 7kg； 將上述各值代入式 ()，得： ?????N = 對手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖 所示， 由： PPP ?? ?? s ins in 21 21 PP? 可得： )sin2/(1 ?PP ? () 又由： 0s in/1 ??? ?cPNb )sin(11 ?? ??? PP () 得： cNbP /s in)s in2/()s in ( ???? ?? 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 8 頁 即： )]s in (/[s ins in2 ???? ?? cbNP () 在本設(shè)計 ， ?????? 302160 ??? b =50mm， c =13mm； 將 各值代入式 ()，得 )]3021s i n(13/[ 330s i n21s i n2 ????????P =2 50 (13 ) = 考慮到運(yùn)動過程中的能量損失，取 ? =，則手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動力為： ?/PP ?實(shí) =本設(shè)計中取 實(shí)P =500N； 由式 ()可得： )21s in2/(5001 ??P = 由式 ()可得 ： ?1P = ?51sin = ?1P = ?51cos = 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 = N 因 實(shí)慣 PF ? ， 所以手指夾緊液壓缸的實(shí)際驅(qū)動力取 實(shí)P =500N，安全。 軸Ⅱ校核 ?? ? AP /1? )108/( 62 ????? = MPa )10813/(?? ????? APij? = MPa ∵ ][?? ?? ， ][ ijij ?? ? ∴軸Ⅱ安全。 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 )(6/6/ ????? bBHbHBHW 故危險截面 C 處的拉應(yīng)力為： CCCC APWM // 1????? )() 1 1 2/( 69 ?? ???? =+ =； ∵ ][?? ?C ∴安全。 因為本設(shè)計中 Dd/ =，所以 d = 32=，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 d =8mm。 活塞桿的導(dǎo)向長度 DH )~(? =~12mm。對于手指夾緊液壓缸，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)度問題是次要的，一般不需要進(jìn)行驗算，所以， 此手指夾緊液壓缸的缸筒壁厚由結(jié)構(gòu)需要決定。 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。 手臂旋轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計 手臂伸縮液壓缸各尺寸數(shù)據(jù)的確定 由于受到刀庫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)計中采用了伸縮式液壓缸，即用手指夾緊液壓缸來代替手臂伸縮液壓缸的活塞和活塞桿部分。 手臂伸縮液壓缸活塞桿的最大行程 L 取 60mm, 由式 ()可得手臂伸縮液壓缸 的最大儲油量為： 4/6463 2 ???V == 估算手臂伸縮液壓缸負(fù)載： 兩機(jī)械手手指的質(zhì)量： 1m = 2= kg； 上擋板的質(zhì)量： 2m = kg； 下?lián)醢宓馁|(zhì)量： 3m = kg； 后擋板的質(zhì)量： 4m =； 側(cè)擋板的質(zhì)量： 5m = 2=； 手指與活塞桿之間連接件的質(zhì)量： 6m =； 夾持工件的質(zhì)量： 7m =8kg； 取 654321 mmmmmmm ?????? =+++++= 取鋼與鋁合金之間的滑動摩擦力 ? =， 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13頁 則： mgF ??1 = = 設(shè)活塞達(dá)到穩(wěn)定速度過程中的加速度為： ? =20m/s2， 則： ?mF ?慣 = 20= 手臂伸縮液壓缸負(fù)載： 慣FFF ?? 1 =+= 考慮到手臂在伸縮運(yùn)動過程中的能量損失，取 ? =，則手臂伸縮液壓缸的實(shí)際驅(qū)動力為： ?/FF ?? =在手架旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時， 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 F? =200N； 根據(jù)： 4/4/)( 212022 ?? DPDDPF ???? 得： )4//(]4/)([ 220221 ?? DDDPFP ???? () 式中： F? —— 手臂伸縮液壓缸的實(shí)際驅(qū)動力； 1P —— 液壓缸的工作壓力，由計算結(jié)果確定； 2P —— 液壓缸回油腔背壓力，根據(jù)文獻(xiàn) [9，表 2— 2]，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 =； D —— 手臂伸縮液壓缸內(nèi)徑； 0D —— 手指夾緊液壓缸外徑； 將各值代入式 ()，可得： 1P =[200+ （ 632－ 452） π /4]/（ 632 π /4） =（ 200+） /= 西安文 理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14頁 主架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 主架架旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 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： 1m = 2=； 上擋板的質(zhì)量： 2m =； 下?lián)醢宓馁|(zhì)量： 3m =； 后擋板的質(zhì)量： 4m =； 側(cè)擋板的質(zhì)量： 5m = 2=； 手指與活塞桿之間連接間的質(zhì)量： 6m =； 夾持工件的質(zhì)量： 7m =7kg； 手指夾緊液壓缸前端蓋質(zhì)量： 8m =； 手指夾