数控加工中心—换刀机械手设计(3)

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90度，从而使刀具轴线和主轴轴线平行。此时机械手的手臂中心线与主轴中心到刀库刀具中心额连线成75度。

（2）机械手在水平面内由机床正面的操作者向主轴逆时针转75度分别抓住代换刀具和主轴上已用过的刀具

（3）机械手向下拔刀

当主轴的刀具自动夹紧机构松开，连杆最上面的液压缸的上端通入压力油，使活塞杆向下运动，通过转动盘与连杆使机械手向下运动，完成拔刀动作。

（4）机械手旋转180度

该动作由对应的液压缸，齿条以及齿轮与连杆来实现的。当接到交换刀具的命令时，液压缸的前腔充入压力油，从而带动在连杆上的齿条运动，齿轮齿条的运动带动机械手旋转180度，实现交换刀具这个功能。

（5）机械手向上放刀

这个运动过程与机械手把刀相反，即液压缸的下腔通入一定压力的液压油，使活塞杆向上运动，从而把刀具放在准确的位置上。

（6）机械手顺时针选转75度复位

液压缸内通入液压油齿条向前运动带动齿轮运动，从而使机械手反向转过75度。 （7）刀库下方的已用过刀具转90度回到刀库

位置开关发出信号，刀套带着刀具向上翻转90度，为下次选刀做好准备。

2.2 总体设计方案

2.2.1设计参数及预期要求

数控加工中心是综合了机械、电子、计算机、控制等技术于一体综合加工能力较强的设备，工件一次装夹后能完成较多的加工步骤，加工精度较高。其中换刀机械手是实现对工件表面进行连续加工的必要设备之一，可以自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻丝、铣削等多工步的加工，为加工中心多工序集中加工提供了保障，而机械手为加工中心的自动化换刀、加工提供了支持。

毕业设计的内容为数控加工中心换刀机械手，按国家标准进行相关部件运动参数校核计算，完成操纵机构的设计，其他机构（如开停、制动及换向机构等）设计，绘制换刀机械手装配草图后，确定各机构运动过程是否干涉，进一步完善结构，完成装配图和零件图绘制工作并完成相应的尺寸、配合及形位公差标注。

技术参数： 刀库容量：24把；

选刀方式：随机； 换刀时间：6秒； 最大刀具长度：300mm； 最大刀具直径：100mm；

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刀柄型号：BT40

机械手驱动方式：液压驱动，单臂式 预期研究要求

根据技术参数和驱动方式选择最佳的换刀机械手的设计方案，并绘制其装配图和零件图。数控加工中心—换刀机械手设计的任务是按照已确定的运动参数、动力参数和传动方案，设计出经济合理、性能先进的换刀机械手。其主要涉及内容为：拟定换刀机械手形式及具体手爪部分等结构设计。装配图包括换刀机械手展开图、横向剖视图、外观图及其他必要的局部视图等。绘制出部件的主要结构装配草图之后，需要检查各元件是否相碰或干涉，再根据动力计算的结果修改结构，然后细化、完善装配草图，并按制图标准进行加深，最后进行尺寸、配合及零件标注等。

根据设计要求，初步选取盘式刀库、机械手采用包容式卡爪和单臂机械手的双手式、采用液压驱动和齿轮齿条传动。 2.2.2设计方案的构思及选择

在研究过设计要求和查阅资料后初步设想主轴主要零件装配方式有以下几种： （1）方案一

主轴上固定装配一个齿轮，主轴旋转180度和75度分别由两个液压缸带动俩个齿条完成，齿轮随主轴一起做旋转和上下移动，齿条位置固定，驱动旋转180度的齿条的长度设为齿轮的分度圆周长的一半，驱动旋转75度的齿条为齿轮分度圆周长的75/360，这样可以达到很高的运动传递的准确性。两个驱动齿条的液压缸的行程均稍大于齿条的长度，在齿轮上下移动到指定位置时并不与齿条接触，以减少碰撞和振动。

（2）方案二

主轴旋转180度和75度由一个液压缸完成，即只需要一套液压缸、齿轮和齿条驱动，主轴和齿轮通过花键连接，这样齿轮既可以把旋转运动传递给主轴又不随主轴上下运动可以固定和齿条的相对位置，该方案结构简单，所需零件较少。

（3）方案三

主轴上固定装配一个传动盘，主轴旋转180度和75度分别由两套液压缸、齿条和齿轮完成，传动盘随主轴一起上下移动，齿轮位置固定，传动盘通过销钉与固定在齿轮上的连接件固定配合，并将扭距由齿轮传送给主轴，进而带动机械手抓完成旋转运动。

综上所述，比较以上三种方案，方案一不需要较高的装配精度，而且构造较为简洁，但是齿轮的上下运动时定位问题难以解决以及齿轮和齿条齿数确定较为困难，影响了方案的实施；方案二结构更为简化，所需零件最少，但是由于所以运动都由一个液压缸完成，导致液压缸行程过大，加大了液压缸的尺寸和总体设计尺寸影响换刀机械手与机床和道具的整体配合，而且转位精度较低。方案三虽然结构较为复杂，所用零件较多，但是每个运动都由固定机构玩成，提高了运动的准确性和可控性，较好的

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满足了设计要求。

最终选择方案三为本次设计的方案由其确定的轴上装配方案如下图2.2所示：

图2.2 轴的装配

在确定设计方案后，进一步确定各种配合、链接和固定件的尺寸，对主轴和箱体和手抓部分的链接形成初步的构想，对运动过程、驱动方式、力的传递途径进行深入了解，然后根据给出有关刀具的设计参数，去关键零件进行计算，确定关键件个主要配合尺寸后，标准件按机械设计手册选取，非标准件视情况设计，最终完成设计任务所要求的工作量如下：

（1）关外文翻译资料一份（译文字数不少于2000汉字）； （2）毕业设计方案1份，且符合毕业设计规范；

（3）总设计图量不少于3.0张A0，装配图有充分的零件图支撑；

（4）设计说明书1份（不少于1.2万字），查阅文献15篇以上，外文文献2篇以

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3 关键件的设计计算

3.1主轴的设计

3.1.1主轴与手爪连接处设计

（1）主轴与手爪配合处直径的计算选取

在轴的设计过程中，通常用下面的公式来估算轴的直径：

P955000Tn???? （3.1）??? ?T?3??W0.2dT在上式中?T为扭转切应力，单位为Mpa

T为轴所承受的扭矩，单位为N.mm

WT3为轴的抗扭截面系数，单位mm

P为轴所传递的功，单位为kw D为计算截面处的直径，单位为mm

?? ???为许用扭转应力，单位为Mpa

?T?根据上面式子可求得

d?3955000pp?A3 （3.2）

0n??0.2???n?T?经查表可得?的范围为126到103，为了设计方便取?=110

00根据设计要求换刀时间应不超过6s，整个换刀过程有7个动作组成，按照每个动作用时相等均为0.8s来进行计算

有应为机械手在转过180度的用时也是0.8s，所以在这时机械手的转速最高，计算轴径时需最大转速进行计算

由此我们可得机械手的主轴在旋转180度时的转速为

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N=

1?60=37.5r/min （3.3） 1.6P=M?=FL?=653.3N?320mm?1.25?s=0.82kw （3.4） 经计算可得

d?Ap=30.76mm （3.5） 0n3所以取直径为32mm 3.1.2主轴其余部分尺寸选取

在前面的设计计算中，已经初步选取了主轴的最小直径，主轴的材料的初步确定为45钢，选择45钢的理由：碳钢相对与合金钢来说价格跟为便宜，并且对应力集中的敏感性不高，而且还可以通过热处理和化学处理等手段来达到提高其耐磨性和抗疲劳强度的目的，同时45钢在碳钢中的性能也是属于比较优良的一种，最终确定选择45钢作为主轴的材料。

确定轴的各段直径和长度，为了定位左边的齿轮就必须在轴的右端的直径为d=32mm，由于齿轮的长度为80mm，还加上这个结构，齿轮不是空套在轴上的，而是通过连接盘和传动盘把运动传到主轴，取该段长度为63mm，与传动盘连接的部分的长度为38mm，与小齿轮连接部分的长度为46mm。

3.2手抓的设计

（1）在充分了解了机械手的种类和机构和结合本次设计任务参数之后，最终我们选取的机械手是单臂机械手的双手式，手抓选取包容卡类夹爪机构。根据设计参数刀柄型号为BT40，机械手的手抓的抓紧部位在刀柄上故其内径应为Φ53。

（2）手部的工作原理

该机械手全不是机械装置不需外加动力，当机械手臂处于换刀位置的75度时，锁紧销被挡块压下，活动销就可以活动了，使得机械手可以抓住（或放开）主轴和刀套上的刀具，刀具被弹簧的活动销顶靠在固定的爪中，锁紧销弹起使，使活动销被锁紧，不能后退，这就保证了在机械手运动的过程中，手抓中的刀具不会被甩出。

（3）弹簧的选取

由于机械手的夹紧位置为刀具的刀柄，且刀柄全为BT40所以锁紧销位置无需调节，只要满足活动销能提供足够的夹紧力即可。

由于设计参数中未给出刀具的最大质量，经参看相关设计任务资料，此处最大质量选取为8kg，要使刀具在夹紧力的作用下不掉洛，摩擦力必须大于重力。

即f?Nu?G (3.6) N为活动销对刀具的压力

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