數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀機(jī)械手裝置設(shè)計(jì)【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(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)概述 1 1.2 國內(nèi)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的研究 1 1.3自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的應(yīng)用 2 2 總體方案設(shè)計(jì) 3 2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù) 3 2.2 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工程概述 3 2.3 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)方案論述 4 2.4 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)原理 5 2.5 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì) 6 2.6 本章小結(jié) 7 3 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 8 3.1手爪夾持器種類 8 3.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 9 3.3 夾持裝置液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.3.1 初步確系統(tǒng)壓力 10 3.3.2液壓缸計(jì)算 10 3.3.3 活塞桿的計(jì)算校核 12 3.3.4 液壓缸工作行程的確定 13 4 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)大臂部結(jié)構(gòu) 14 4.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 14 4.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 4.3 大臂電機(jī)及減速器選型 15 4.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 16 4.5承載能力的計(jì)算 20 4.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 20 4.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 20 5小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 5.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 25 5.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 26 5.3 結(jié)構(gòu)分析 27 5.4計(jì)算分析 27 5.5 腕部設(shè)計(jì) 28 5.5.1 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 28 5.5.2 手腕俯仰驅(qū)動(dòng)計(jì)算 38 5.5.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 39 5.6 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 41 5.7 小臂電機(jī)及減速器選型 41 5.7.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 42 5.7.2.幾何參數(shù)的計(jì)算 42 5.8 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 43 5.8.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 44 5.8.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 44 5.9 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 45 5.10 軸的受力分析及計(jì)算 46 5.11 軸承的壽命校核 47 6 機(jī)身設(shè)計(jì) 49 6.1 步進(jìn)電機(jī)選擇 49 6.1.1 計(jì)算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 49 6.1.2 確定各軸傳動(dòng)比 51 6.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 51 6.2 齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 54 6.2.1 高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 54 6.2.2 低速級(jí)齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算 58 6.3 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 61 6.3.1 輸入軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 61 6.3.2 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 64 6.3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 66 6.4 軸承的校核 69 6.4.1 輸入軸上軸承壽命計(jì)算 69 6.4.2 中間軸上軸承壽命計(jì)算 70 6.4.3 輸出軸上軸承壽命計(jì)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(jié)與展望 74 致 謝 75 參 考 文 獻(xiàn) 76 1 緒論 1.1 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)概述? 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)是由集控制器、傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它模仿人的操作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、重復(fù)編程、能夠完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。它能在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)改善勞動(dòng)條件，促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著促進(jìn)作用。自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的使用情況，標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的高低。自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)并不是簡單的代替人的體力的勞動(dòng)，而是將人的智慧體現(xiàn)在機(jī)器上。是機(jī)械人具有人的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有具有高精度、高強(qiáng)度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應(yīng)比較差的環(huán)境，我們可以說自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)是工具進(jìn)化的產(chǎn)物。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工、自動(dòng)換刀、流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。但是大多數(shù)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的專用型比較強(qiáng)，莫臺(tái)機(jī)器上的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在不改造的情況下，很難在其他機(jī)器上使用。由于自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)能很大程度上提高生產(chǎn)效率，簡化機(jī)械加工的程序，所以它在機(jī)械加工中得到廣泛的應(yīng)用。 1.2 國內(nèi)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的研究 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時(shí)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時(shí)候自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時(shí)已達(dá)到了一萬八千五百億日元?？梢娮詣?dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。 在國際方面，各個(gè)國家已經(jīng)意識(shí)到自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的重要性。所以自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對(duì)于2002年增長了百分之10。此后自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達(dá)90000多臺(tái)。平均年增長為7%。 國際自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展方向: 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)涉及到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。包括：計(jì)算機(jī)、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機(jī)械等等。自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展離不開上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個(gè)學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動(dòng)化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在應(yīng)用得范圍越來越廣泛；技術(shù)也越來越得到調(diào)高，功能更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在很對(duì)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的研究都往小型化發(fā)展。自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)將會(huì)更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個(gè)十分重要的作用。自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)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(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的應(yīng)用 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)是在計(jì)算機(jī)、繼汽車之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長。到了二十世紀(jì)九十年代，自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)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(dá)到百分之二十。在亞洲自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)需求量更多，年增長率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機(jī)械加工、裝配、檢測(cè)和倉庫堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 技術(shù)參考數(shù)據(jù) 根據(jù)機(jī)床操作和工藝流程，分析和設(shè)計(jì)能滿足的數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)。主要完成如下設(shè)計(jì)任務(wù)： 1. 依據(jù)工作流程及刀具應(yīng)用等知識(shí)，利用本科所學(xué)《控制工程基礎(chǔ)》、《先進(jìn)制造技術(shù)》等課程所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，查閱圖書館關(guān)于FMS柔性制造系統(tǒng)中自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工作和設(shè)計(jì)原理，擬定和設(shè)計(jì)能滿足同步所用多把刀具的換刀機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（含傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選用，圖紙的繪制符合國家標(biāo)準(zhǔn)）. 2. 所設(shè)計(jì)方案能檢測(cè)和出工藝師手上刀具編碼和刀具型號(hào)，當(dāng)換刀時(shí)，及時(shí)把信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換，刀庫系統(tǒng)中能存儲(chǔ)不少于10把以上不同型號(hào)刀具。選定數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)方案，繪制換自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工作原理圖及二維工程圖。（含傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械零件的2D圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與繪制，3D零件及部件的設(shè)計(jì)與繪制、裝配、運(yùn)動(dòng)仿真以及動(dòng)力學(xué)分析）。 3. 按要求撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的圖紙工作量。 2.2 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工程概述 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工程是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。人們將已有學(xué)科分支中的知識(shí)有效地組合起來用以解決綜合性的工程問題的技術(shù)稱之為“系統(tǒng)工程學(xué)”。以自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)工程學(xué)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)將其作為一個(gè)系統(tǒng)來研究、開發(fā)和運(yùn)用，從自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的整體出發(fā)來研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)外部環(huán)境的相互關(guān)系的一種綜合性的設(shè)計(jì)方法。 從系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來看，將一部復(fù)雜的機(jī)器看成是一個(gè)系統(tǒng)，它由若干個(gè)子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機(jī)地聯(lián)系在一起，是一個(gè)不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個(gè)整體的特定功能。因此，在設(shè)計(jì)一部較復(fù)雜的機(jī)器時(shí)，從機(jī)器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性： （1） 整體性 由若干個(gè)不同性能的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)總的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有作為一個(gè)整體的特定功能。 （2） 相關(guān)性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機(jī)聯(lián)系、有機(jī)作用，具有某種相互關(guān)聯(lián)的特性。 （3） 目的性 每個(gè)系統(tǒng)都應(yīng)有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。 （4） 環(huán)境適應(yīng)性 任何一個(gè)系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應(yīng)外部環(huán)境的變化。 因此，在進(jìn)行自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視組成自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)部件、零件的設(shè)計(jì)，更應(yīng)該按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的功能要求，將組成自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良適于工作需要的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)品。在比較復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)中大致包括如下:操作機(jī)，它是完成自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工作任務(wù)的主體，包括機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人——機(jī)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(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備［14］。 工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)能有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進(jìn)行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設(shè)備）、輔助生產(chǎn)設(shè)備、控制裝置和工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)等一起形成了各種不同形式地工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)技術(shù)綜合體地工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)領(lǐng)域引用自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)亦是如此。 2.3 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)方案論述 （一） 確定負(fù)載 目前，國內(nèi)外使用的工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)中，負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器的重量、關(guān)節(jié)工件或作業(yè)對(duì)象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設(shè)計(jì)給的設(shè)計(jì)參數(shù)可初估本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載。 （二） 驅(qū)動(dòng)方式 由于伺服電機(jī)具有控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) （三）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)和鋼帶傳動(dòng)等，由于齒輪傳動(dòng)具有效率高，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且大學(xué)學(xué)習(xí)掌握的比較扎實(shí)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。 （四）工作范圍 工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的工作范圍是根據(jù)工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)作業(yè)過程中操作范圍和運(yùn)動(dòng)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(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇 （五） 運(yùn)動(dòng)速度 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s或（°）/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時(shí)間的長短，各動(dòng)作之間順序是依序進(jìn)行還是同時(shí)進(jìn)行等。應(yīng)試做各動(dòng)作時(shí)間的分配方案表，進(jìn)行比較，分配動(dòng)作時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作的要求外，還應(yīng)考慮慣性和行程的大小，驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位方式和精度等要求。 2.4 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)原理 該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析： 該數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的本體結(jié)構(gòu)組成如圖： 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)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(dòng)部件、軸承，步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)座作用是支撐部件，支承和轉(zhuǎn)動(dòng)大臂部件,承受數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。 數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng) 手臂分為大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齒輪傳動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。小臂部件：包括小臂、傳動(dòng)軸、同步傳動(dòng)帶等，在小臂一端固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。手腕部件：包括手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等。 2.5 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì) 工業(yè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。 (1) 直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 (2) 圓柱坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(b)。這種自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 (3) 球坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(c)。這種自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 (4) 關(guān)節(jié)型自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)本體尺寸，其工作空間比較大。此種自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)。 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 (a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型 圖2-1 四種自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)坐標(biāo)形式 根據(jù)任務(wù)書要求和具體實(shí)際我們選擇的是(d) 關(guān)節(jié)型。 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)5KG，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度,要求設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)為六個(gè)自由度，其中腰部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。在本論文中，要求設(shè)計(jì)大小臂結(jié)構(gòu)，所以，需要對(duì)實(shí)現(xiàn)大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.6 本章小結(jié) 本章主要完成對(duì)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案后，就要針對(duì)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 3 手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)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(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。 4.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，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(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設(shè)計(jì)。 a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A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(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時(shí)，一個(gè)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。可用開閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉(zhuǎn)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(guān) c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小 作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)氣壓自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。 d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)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(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)，根據(jù)工件的形狀，松開時(shí)，用單作用式氣壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 氣壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，氣壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。 3.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)，通常取1.2~2； -----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)在換刀工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選?。? -----被抓持工件的重量 20； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ； 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力； ----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： （3-8） 式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 而氣壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)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(nèi)徑為40mm 3.3 夾持裝置液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3.2 按負(fù)載選擇工作壓力[1] 負(fù)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(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機(jī)械類型 機(jī) 床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 小型工程機(jī)械 建筑機(jī)械 氣鑿巖機(jī) 氣機(jī) 大中型挖掘機(jī) 重型機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī)械 磨床 組合 機(jī)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(shè)計(jì)壓力P1=1MPa 3.3.2液壓缸計(jì)算 估算要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小為300N，考慮到液壓缸未加載時(shí)實(shí)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(jī)械爪的質(zhì)量。在研究液壓缸的性能和確定液壓缸的缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率β： 由《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》表3.4： 表3.4 液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率 阻性負(fù)載（靜負(fù)載） 慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度v 運(yùn)動(dòng)的速度v=50mm/s，取β=0.60，所以實(shí)際的液壓缸缸負(fù)載的大小為：F=F0/β=500N （2） 液壓缸內(nèi)徑的確定 表3.5 液壓缸內(nèi)徑確定公式 項(xiàng)目 計(jì)算公式 缸 徑 雙作用液壓缸 推力 拉力 表1 液壓缸內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)值D=40mm；本來可以取32的，考慮不可預(yù)測(cè)的超載等因素，故在這取的略微大一些。 查《氣傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。 活塞桿直徑d=0.45D=18mm 取d=18（標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當(dāng)液壓缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號(hào)鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號(hào)鋼作為缸體的材料。 式中，——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。當(dāng)液壓缸額定壓力Pn5.1 MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度：σb=600MPa 安全系數(shù)n按《氣傳動(dòng)與控制手冊(cè)》P243表2—10，取n=5。 則許用應(yīng)力[]==120MPa = =0.2083mm 則液壓缸缸體外徑為50mm。 3.缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。 3.3.3 活塞桿的計(jì)算校核 2.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算： <90mm （4-4） 式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中） 3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)油馬達(dá)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。 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(shí)，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(shè)計(jì)和維護(hù)，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(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)值。液壓缸活塞行程參數(shù)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(jù)設(shè)計(jì)要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務(wù)書要求，根據(jù)表3-8，可選取液壓缸的工作行程為100mm. 4 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)大臂部結(jié)構(gòu) 4.1 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部設(shè)計(jì)基本要求: （1）臂部應(yīng)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(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)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(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)常采用無縫鋼管作為導(dǎo)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(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 （2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)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(dòng)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施: (a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料; (b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 (3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 (4)位置精度要高。 一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)位置精度高;關(guān)節(jié)式數(shù)控立式升降臺(tái)銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。 本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。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(jì)（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。 4.3 大臂電機(jī)及減速器選型 假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)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(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T - 旋轉(zhuǎn)開始時(shí)轉(zhuǎn)矩 N.m J – 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2 - 角加速度rad/s2 使自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)大臂從到所需的時(shí)間為：則： (3.4) 若考慮繞自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3.5)選擇諧波減速器： ⑴型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m 減速比：i1=120 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3.6) 選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：55BF003 靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m 步距角：1.5° 4.4 減速器參數(shù)的計(jì)算 剛輪、柔輪均為鍛鋼，小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為250HBS 剛輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為220HBS。 1.齒數(shù)的確定 柔輪齒數(shù)： 剛輪齒數(shù)： 已知模數(shù)：，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(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)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(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 2.嚙合參數(shù)的計(jì)算 由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì)算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。 考慮到輪齒扭矩，使輪齒間隙減小的值為： （扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)G=80GPa） 其中： W0／m=0.89＋8×10-5×Zr＋2Cnmax／m 為了消除在的情況下進(jìn)入嚙合的齒頂干涉，則必須使最大側(cè)隙大于由于齒輪扭轉(zhuǎn)減小的側(cè)隙后，還應(yīng)保證存在有側(cè)隙值。 其中： 徑向變形系數(shù)： 則： 徑向變形系數(shù)： 柔輪的變位系數(shù)： 剛輪的變位系數(shù)： 驗(yàn)算相對(duì)嚙入深度： 如果計(jì)算得到的，為了繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，可取2。如果出現(xiàn)，為了傳遞動(dòng)力，應(yīng)適當(dāng)增加值重新計(jì)算，使。 柔輪齒根圓直徑： 其中（齒頂高系數(shù)，徑向間隙系數(shù)） 柔輪齒頂圓直徑： 其中（查表得） 相對(duì)嚙入深度和輪齒過渡曲線深度系數(shù)之和應(yīng)符合兩個(gè)不等式驗(yàn)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(shù)，插齒刀變位系數(shù)（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(shù)表和三角函數(shù)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(yàn)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(jì)算 滾珠直徑： 柔輪齒圈處的內(nèi)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(nèi)環(huán)厚度： 內(nèi)環(huán)滾道深度： 式中的是考慮到外環(huán)無滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。 軸承內(nèi)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(nèi)環(huán)內(nèi)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： （—?jiǎng)傒喎侄葓A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(jì)算 4.5.1 柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件： 接觸強(qiáng)度計(jì)算公式： —輸出轉(zhuǎn)矩 —柔輪節(jié)圓半徑 —柔輪輪齒寬 —?jiǎng)傒唹毫? —接觸系數(shù)（0.4~0.9） 對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力 則： 所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。 4.5.2 柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。 計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為 截面處正應(yīng)力： 切應(yīng)力： 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力： 其中： 則： 驗(yàn)算安全系數(shù)： 疲勞極限應(yīng)力： 應(yīng)力安全系數(shù)： 其中，抗拉屈服極限： 剪切應(yīng)力集中系數(shù)： 則滿足疲勞強(qiáng)度條件。 軸的計(jì)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(diǎn)產(chǎn)生的反力： 外力F作用方向與傳動(dòng)的布置有關(guān)，在具體位置尚未確定前，可按最不利的情況考慮，見（7）的計(jì)算 5） 繪垂直面的彎矩圖： 5) 繪水平面的彎矩圖： 6) F產(chǎn)生的彎矩圖： a-a截面F力產(chǎn)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(zhuǎn)矩： N.mm 9) 求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 如圖所示，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量轉(zhuǎn)矩為： 如認(rèn)為軸的扭切應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變力，取折合系數(shù)a=0.6，帶入上式可得： 10） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)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(duì)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(cè)彎矩大，同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩 ，且有鍵槽，故a-a左側(cè)為危險(xiǎn)截面 其彎曲截面系數(shù)為： 抗扭截面系數(shù)為： 彎曲應(yīng)力為： 扭切應(yīng)力為： 按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)于單向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)矩按脈動(dòng)循環(huán)處理，故取折合系數(shù)a=0.6則當(dāng)量應(yīng)力為： 由表查得45鋼調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度極限=640Mpa，則由表查得軸的許用彎曲應(yīng)力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],強(qiáng)度滿足要求。 5小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 手指的相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算 設(shè)計(jì)手部時(shí)除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)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(shí)，應(yīng)考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，但握力太大又會(huì)造成浪費(fèi)并可能損壞工件。 （2）、應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開手指 開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)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(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。 （3）、應(yīng)具有足夠的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)過程中的慣性力、振動(dòng)等的影響，要求自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。 （4）、動(dòng)作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)還要求更換手部方便 根據(jù)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(jīng)過分析和比較此設(shè)計(jì)采用夾持式手部。手部是自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)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(wù)的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動(dòng)作。 一 、夾持式手部 夾持式手部對(duì)抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或虎鉗相似。 二 、結(jié)構(gòu) 夾持式手部是有驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動(dòng)裝置多半用活塞缸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動(dòng)作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動(dòng)型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計(jì)選擇移動(dòng)式的齒輪齒條手部。 5.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)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(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。 4.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，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(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設(shè)計(jì)。 a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A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(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時(shí)，一個(gè)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(zhuǎn)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(guān) c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小 作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)液壓自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。 d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)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(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)，根據(jù)工件的形狀，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。 5.3 結(jié)構(gòu)分析 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的手部是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(jī)器人最常見的一種手部。手部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、平動(dòng)型和平移型。回轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)是當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動(dòng)型的特點(diǎn)是手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。和回轉(zhuǎn)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(diǎn)是當(dāng)手爪夾緊和松開工件時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)槽保持手指作平移運(yùn)動(dòng)。 圖5-1 手部裝配圖 5.4計(jì)算分析 因工件運(yùn)動(dòng)速度引起視在重量增加情況下的夾緊力計(jì)算 機(jī)器人手臂停止?fàn)顟B(tài)開始的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(shè)自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)手部縱向中心線上所加的驅(qū)動(dòng)力為P，P＝油缸有效截面積×使用的氣壓×η.作用在一個(gè)指尖上的夾緊力為Q（方向沿手指的運(yùn)動(dòng)方向）.設(shè)手指以摩擦力μQ，工件重量為G=mg.夾起工件要計(jì)算的是單個(gè)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(shù)據(jù)，得 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇油缸工作壓力P=0.81MPa, 根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm 則活塞桿內(nèi)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(yùn)動(dòng)長度為34mm。 手抓夾持范圍，手指長100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖3.2（b）所示，最 大夾持半徑計(jì)算如下： 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)的夾持半徑從20-30mm。