数控铣床换刀装置的结构设计方案

1、 数控铣床换刀装置的结构设计方案目 录1 绪论11.1数控机床概述11.1.1国内数控铣床换到装置的设计现状11.1.2国外数控铣床换到装置的设计现状11.1.3数控铣床换刀装置的意义11.2数控机床的产生与发展21.3加工中心的组成与工作原理31.3.1加工中心的定义31.3.2加工中心的组成31.4加工中心的换刀装置41.4.1ATC刀具自动换刀装置的基本要求41.4.2刀具的选择方式41.4.3选择选刀方式及其理由51.5整体方案的初步设计52 换刀机械手的设计62.1 换刀机械手的类型62.2换刀机械手类型的选择72.3机械手与手爪的设计72.3.1手爪计算72.3.2手爪锁的设计10

2、2.4弹簧的选择与计算122.5 机械手尺寸的设计143 液压传动的设计153.1 液压传动简介153.2 液压缸的设计163.2.1液压缸的计算载荷163.2.2升降液压缸的设计173.2.3油缸壁厚的计算203.2.4油缸长度的计算203.2.5油口直径的计算213.2.6有孔缸底厚度计算223.3液压马达的设计计算233.3.1摆动缸体的设计计算233.3.2摆动液压缸壁厚及螺钉的计算253.3.3叶片连接螺钉的计算264 轴的设计274.1 轴设计计算274.1.1轴材料的选择274.1.2轴直径的计算284.1.3轴的校核305 刀库的设计315.1 确定刀库设计容量315.2 刀库

3、结构315.3 刀库的计算设计335.3.1刀库的驱动335.3.2蜗杆的设计计算335.3.3刀库相关参数的计算386 典型零件的选用396.1轴承的选用校核396.2 联轴器的选用与校核406.3 法兰连接416.4 机械手液压缸密封元件426.5 整体托架的设计426.6 关键零件的制造工艺427 换刀装置控制447.1 液压控制原理图447.2 电气控制457.3 PLC控制468 结论49参考文献51摘 要本文主要内容是数控铣床换刀装置的结构设计，其意义在于在小型数控铣床的数控改造，提高加工效率并且降低成本。本论文设计包括换刀机械手的设计、刀库传动结构的设计。换刀装置可分为无机械手换

4、刀及有机械手换刀。无机械手换刀与有机械手换刀的主要区别是采用中间装置辅助换刀，而后者具有更高的换刀效率。在本次设计中选用单臂单爪回转式机械手。其主要功能是实现机床主轴上的刀具与刀库刀具快速、精准的交换，以减少通过人工交换带来的误差及时间。刀库的形式也花样繁多，通过调查现在加工中心，发现其主要根据刀库容量来选用刀库的形式。常用的为盘式刀库以及链式刀库。此次设计容量为6把刀具，采用盘式刀库，其主要通过回转方式选刀。小型数控加工中主用采用顺序选刀方式进行选刀。首先，按照加工顺序放入相应刀具，使用时按加工步骤进行换刀。单臂双爪换刀机械手与盘式刀库其结构简单，换刀时间短、动作灵活，是数控铣床换刀装置比较

5、可靠的选择之一。数控系统是加工中心的核心，而PLC是PLC控制系统的核心部件。可通过PLC编程控制器实现对整个换刀装置的控制。关键词：刀库；换刀机械手；PLC1 绪论1.1 数控机床概述工业作为国家发展的基础，随着科学技术和社会生产的不断发展，其对机械产品的质量、性能、成产率和制造成本提出来更高的要求。实现上述要求的重要举措之一就是实现机械加工工艺过程的自动化。单件、小批量占机械加工的80%左右，由于其产品更新换代快，品种多、质量和生产率高、成本低的自动化生产设备的应用已经成为目前主要趋势。而数控机床则可以满足目前的生产需求。1.1.1国内数控铣床换到装置的设计现状我国在信息技术改造传统产业方

6、面比发达国家落后约20年。如在我国机床拥有量中，数控机床的比重到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达到20.8%，而拥有刀库的机床更少，大部分企业及工厂都采用人工换刀及在机床间人工搬运工件与定位。其降低了加工精度，及多消耗工时，降低了生产率并且增加了劳动成本。随着我国制造业技术的发展。我国也在大力倡导支持对包括数控铣床在内的机床进行数控化改造，提高机床的柔性。1.1.2国外数控铣床换到装置的设计现状今年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对现有机床的改造。大量采用了加工中心，实现了多工序的集中。其机床包含了数控控制、刀库。可以一次性加工完成零件。

7、大大提高了生产率。尤其是德国的德玛吉集团制造的DMG加工中心，其加工精度与主轴转速都达到了高速加工的地步。1.1.3数控铣床换刀装置的意义1）.制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。我国机电行业拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果仅仅靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合我国国情。因此采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。同时，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。2）.数控铣床的运用大幅度提高了机电行业的生产效率。能够提供能高质量的加工环境，达到更高的精度水准。对于数控机床换刀装置的结构设计，为其增加刀库，可以

8、进一步的提高其运用范围。3）.通过对现在有的数控铣床换刀装置的调研，再进行优化设计。进一步提高数控铣床的换刀效率。提高其准确性和可靠性。同时进一步提高其刀库容量。实现其多工序集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。同时降低了工人的劳动强度。减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。4）.为达到节省成本，结构紧凑，及提高准确性和可靠性，在满足需要的同时，选择最合适的刀库及换刀形式。1.2数控机床的产生与发展从1946年诞生石阶上第一台电子计算机，奠定了人类进入信息社会的基础。更在1952年，计算机技术被应用到了机床上，并且因此产生了第一台数控机床。数控

9、机床的发展经历了两个阶段和六代的发展，如图1-1所示。图1-1 数控机床发展史随着科学技术的发展，数控机床不断采用计算机，控制理论等领域的最新技术成就，它的性能也日益完善，应用领域不断扩大。当前世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展： 高速1） 主轴转速：机床采用电主轴，主轴最高转速达20000r/min。2） 进给速度：它是指快速移动速度的高速化和切削进给速度的高速化。3） 运算速度：微处理器为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保证。4） 换刀速度：提高了在整个加工过程中更换刀具的时间。 高效1） 依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高相应速度的实时处理，

10、现在数控机床自动换刀时间最短可达0.5s以内。采用新刀库和换刀机械手，使选刀动作更快速、可靠；采用各种形式的交换工作台，使装卸工间的时间缩短；采用快换夹具，刀具装置以及实现对工件原点快速确定等，缩短时间定额，实现高速化。 高精度精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高数控机床的性能、质量和可靠性。减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。 高可靠性高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上。 模块化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。 智能化采用自动控制 柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统

11、发展的趋势：从点、线向面、体的方向发展，另一方面注重应用性和经济性方向发展。 开放性便于不同数控系统生产厂家的技术通过开放式系统标准化。1.3加工中心的组成与工作原理1.3.1加工中心的定义由机械设备与数控组成的适用于复杂形状工件加工的高效率自动化机床称为加工中心（Machining Center）。1.3.2加工中心的组成从主体上看，加工中心主要由以下几部分组成：（1）基础部件加工中心的基础结构是基础部件，它主要由床身，工作台，立柱三部分组成。（2）主轴部件由主轴电机、主轴箱、主轴共同组成主轴部件。主轴轴承等部件组成，主轴是加工中心切削加工的功率输出部件。主轴的旋转精度和定位的准确性，是影响

12、加工中心加工精度的重要因素。（3）数控系统加工中心的数控系统由CNC装置、可编程序控制器和伺服系统以及面板操作系统组成，它是执行顺序控制动作和加工过程的控制中心。CNC装置是一种位置控制系统，其控制过程是根据输入的信息进行数据处理、插补运算，获得理想的运动轨迹，然后输出到执行部件，加工出所需要的零件。（4）自动换刀系统换刀系统主要由刀库和换刀机械手组成，如需要进行换刀时，数控系统发出指令，由机械手从刀库中取出所需要的刀具装入主轴孔内，然后再把换下来的刀具放入刀库。（5）辅助装置包括润滑、冷却、防护、排屑、渡压、气动和检测系统等部分。这部分虽然不直接参与切削运动，但是也是加工中心不可缺少的部分。

13、对加工中心的加工精度、加工效率和可靠性起着保障作用。1.4 加工中心的换刀装置1.4.1ATC刀具自动换刀装置的基本要求为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）。自动换刀装置的基本要求为： 刀具换刀时间短并且可靠。 刀具重复定位精度高。 足够的刀具存储量。 刀库占地面积小。1.4.2刀具的选择方式按数控装置的刀具选择指令，从刀库中将所需要的刀具转换到取刀位置，称为自动选刀。在刀库中，选择刀具通常采用两种方法。&1.顺序选刀在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求一次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错，加

14、工时按顺序调刀称为顺序选刀。&2.任选刀具这种方法根据程序指令的要求任意选择所需的刀具，刀具在刀库中不必按照工件的加工顺序排列，可以任意存放。人选刀具有三种换刀方式：a. 刀具编码方式b. 刀座编码方式c. 附件编码方式1.4.3选择选刀方式及其理由从本次设计来看，主要是针对小型数控铣床的数控化改造。通过调研分析得出，主要以适合加工批量较大、工件品种数量较少的中小型自动换刀数控机床。本次设计刀库容量为6把刀。可以完成按要求完成对工件的加工，并且由于其刀库的驱动和控制都比较简单，可以降低数控化改造的成本，比较经济使用。1.5整体方案的初步设计通过到学校实训基地考查，并且查阅资料以后初步如

15、下图1.5-1图1-2 整体设计的初步草图1-刀库运动机构箱体；2-刀库传动轴；3-刀盘；4-机械手；5-机械手传动轴；6-液压缸机械手的驱动方式及其运动方式：机械手采用液压缸驱动，采用立式液压缸驱动机械手的升降，使用单叶片摆式液压马达驱动回转；其整个机械手换刀运动过程可表述为：逆转90°-手臂下降拔刀-手臂回转180°-手臂上升插刀-手臂顺转90°-复位。刀库的驱动方式：刀库采用伺服电机，通过谐波减速器，联轴器，蜗轮蜗杆传动减速来驱动刀盘回转选刀。由于所选用的伺服电机转速较高，所以初步考虑在输出到蜗杆之前增加减速器来降低转速。然后通过蜗杆蜗轮进一步减速再驱动蜗轮

16、，并且带动刀盘转动。考虑到进行换刀时的刀具需要实现刀具的准停，所以在刀库的传动中，通过查阅文献资料，增加端面离合器，选用电磁式齿端离合器，并且使用定位销，使刀具能够进入准确位置，实现换刀的功能。优缺点分析：通过查阅VMC850小型数控加工中心，与所提出的设计方案。前者采用刀库与主轴配合的形式进行换刀，其换刀时间久，但是相对结构简单。其所能够存储的刀具量大，造成一定的资源及成本浪费。而本设计所提出的是针对小批量多品种，符合现代成产需求的小型数控加工。能够满足一般的工艺要求。并且能够在针对老旧机床的数控化改造节省更多的成本。2 换刀机械手的设计2.1 换刀机械手的类型机械手的形式多种多样，常见的有

17、如图2-1所示的几种形式图2-1 机械手类型1.单臂单爪回转式机械手这种机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，其手臂上只有一个卡爪，不论在刀库上或是在主轴上，均靠这个卡爪来装刀及卸刀，因此换刀时间较长，如图2-1（a）所示。2. 单臂双爪回转式机械手这种机械手的手臂上有两个卡爪，两个卡爪有所分工。一个卡爪只执行从主轴上取下“旧刀”送回刀库的任务，另一个卡爪则执行由刀库取出“新刀”送到主轴的任务。其换刀时间较上述单爪回转式机械手要少，如图2-1(b)所示。3双臂回转式机械手这种机械手的两臂上各有一个卡爪，两个卡爪可同时抓取刀库及主轴上的刀具，回转180°后又同时将刀具放回刀库及

18、装入主轴。这种机械手换刀时间较以上两种单械手均短，是最常用的一种形式。图2-1(c)右边的机械手在抓取或将刀具送入刀库及主轴上，两臂可伸缩。4双机械手这种机械手相当于两个单臂单爪机械手，它们互相配合进行自动换刀。其中一个机械手从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个由刀库中取出“新刀”装入机床主轴，图2-1(d)所示。5双臂往复交叉式机械手这种机械手的两手臂可以往复运动，并交叉成一定的角度。一个手臂从主轴上取下“旧刀”送回刀库，另一个手臂由刀库中取出“新刀”装入主轴。整个机械手可沿某导轨直线移动或绕某个转轴回转，以实现由刀库与主轴间的运刀工作，如图2-1(e)所示。6双臂端面夹紧式机械手这种机械手

19、只是在夹紧部位上与前几种不同。前几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓取刀具，这种机械手则是靠夹紧刀柄的两个端面来抓取的，如图2-1(f)所示。最常用的一种换刀机械手形式，动作简单。2.2换刀机械手类型的选择本设计选择单臂双爪式机械手，又名扁担式机械手，为目前加工中心的主流。这种机械手的拔刀、插刀动作、均由液压缸来完成，并可以根据要求改由液压来驱动。该种机械手的优点是：由伺服电机驱动，不需要较复杂的液压系统以及密封、缓冲机构、没有漏油现象，并且较其他种类机械手结构相对简单，具有一定的可靠性。同时，机械手手臂的回转和插刀、拔刀的分解动作是联动的，部分时间可重叠，从而大大缩短了换刀时间。2.3机械手

20、与手爪的设计2.3.1手爪计算根据VMC850小型加工中心的刀具以及本次设计要求。选择BT系列刀具，选择柄部型号为40的BT40刀柄作为设计对象。通过查阅数控刀具材料选用手册其尺寸如下表2-1所示：表2-1 自动换刀机床用7:24圆锥刀具柄部尺寸(GB/T 10944-1989)柄部型号椎 体螺纹孔凸缘D1l10-0.3R0-0.5l2l3l4d1d1gR1D4D5xy40#44.4568.401.2032438.201719M16156.2563.553.753.20柄部型号凸缘其他fUVtt1jwbR2D3D6e一般特殊40#15.9019.1011.1022.802518.500.121

21、6.10144.705072.3035图2-2 刀具的结构与尺寸位置计算：D6-D5=72.30-63.55=8.75>7，测量与刀柄槽位置如图2-3所示图2-3 测量与槽位置由图2-2可知量棒中心距：D6-7=72.30-7=65.30量棒中心至D5距离：OA=D6-7-D52=65.30-63.552=0.875为了能够保证手爪能够抓住刀柄x=3.750+0.15所以采用手爪切入口处：D5-D4=63.55-56.25=7.3因为OA=0.875 所以H=D5-D4-OA=6.425GI=Htan30°=4.21由图2-3所示计算：OAOB=cos60° 得出OB

22、=1.75 BD=72-1.75=1.75ABOA=tan60° 得出AB=1.51 BC=BDsin60°=2.02y=2AB+BC=2×1.51+2.02=7.06x=y-GI=7.06-4.21=2.85则手爪结构图如下图2-4图2-4 机械手爪示意图x=2.86mm y=7.07mm D5=63.55mm D4=56.25mm2.3.2手爪锁的设计在进行换刀动作时，机械手抓刀时，刀具在弹簧活动销的作用下被固定在刀爪上，防止在换刀过程中刀具因机械臂摆动掉落。手爪具体形式下图2-5所示：图2-5机械手臂和手爪结构图1-弹簧；2-锁紧销；3-弹簧；4-活动销；5

23、-固定爪机械手在进行换刀动作时，先逆时针转动90°抓刀。使主轴及刀库附近的凸台压下锁紧销1，活动销4被解锁。使刀具能够抓到刀柄，当刀具完全重合后，刀具被活动销锁紧。整个机械手旋转角度较小，故刀柄压活动销受力简化等效如图2-6所示。图2-6 结构形式图设计手爪口端点到手爪中心轴线垂直距离为h=8mm，设锁轮直径为d1=12mm抓刀初始位置时，其弹簧的力由小变大再变小，即从B至E至A直至锁紧销锁住为抓刀完毕。即取=30°锁轮轮子的直径（即活动销直径），则有：O1O2=D5'2+d2=37.775mm活动销的滚轮中心到手爪中心轴线的垂直距离为：CE=BCcos30

24、6;=32.714mm则活动销的行程：S=BC-CE=5.061mm活动销上的行程槽应大于活动销行程加上长销直径，根据机械设计手册选取长销直径。则行程槽长：l=d1+S=13mm（取l=22），锁紧销材料为30钢，热处理硬度，普通淬火（A型）表面氧化处理的圆柱销（GB/T119.2-2000）卡销直径选8mm (由机械设计课程设计手册第二版，吴宗泽)根据配合原理，则行程槽宽。我们可以设活动销主体宽，高，长，活动销尾部到锁轮轮子中心距l3=48mm。 2.4弹簧的选择与计算弹簧可分为几大类别，其可以分为拉伸、压缩、扭转与弯曲弹簧四个类别。从形状上来说又可以分为螺旋弹簧、蝶形弹簧、环形弹簧、板弹簧

25、等其他类别。通过市场调查以及通过对本课题所设计机械手的分析，可以得出机械手上的弹簧所受的压力不大。所以选择圆柱螺旋弹簧钢丝II类（GB/T 1239.6-1992）。初选直径d=1.6mm（机械设计教程P312-P318、P319）。在机械手中，弹簧主要为压缩，中径选择为D=9mm 查表GB/T 1239.6-1992。圆柱螺旋弹簧钢丝的许用应力，按三类弹簧B级来设计，查机械设计教程P322页表15-2/15-3。可知许用应力=0.5b , b=785MPa 。旋绕比c=D/d=9/1.6=5.625。确定圆柱螺旋弹簧钢丝直径d，根据旋绕比c=5.625，取（510）之间，据式子：k=0.61

26、5c+4c-14c-4=0.6155.625+4×5.625-14×5.625-4=1.27 根据式：max=8KFmaxcd2 得出Fmax=d28Kcmax=×1.428×1.27×5.625×785=99.78N计算直径:d'=1.6KFc=1.61.27×99.78×5.625785=1.52mm<1.6mm故初选弹簧直径符合要求。确定弹簧有效参数如下：D=cd=5.625×1.6=9D2=D+d=9+1.6=10.6取G=7.9×103MPa，弹性模量E=206×

27、;103MPa，为弹簧活动行程=5mm。n=Gd48FD3=79×103×1.64×58×99.78×93=4.43(取n=5)验算载荷变形:min=8FminD3nGd4=8×0×93×579×103×1.64 =0mmmax=8FmaxD3nGd4=8×99.78×93×579×103×1.64 =5.62mm实际可工作行程：0=max-min=5.62-0=5.62mm计算器与弹簧尺寸：弹簧节距t:t=d+mann+=1.6+5.625+0

28、.16=2.884mm弹簧螺旋升角:=arctantD=arctan2.8849=5.8241°弹簧总圈数n1:n1=n+2=5+2=7弹簧钢丝间距：=l-d=5.62-1.6=4.02mm弹簧的自由高度H0,要求两端磨平并紧：H0=n+n1-0.5d=5×4.02+7-0.5×1.6=30.5mm弹簧丝长度L：L=Dn1cos=×9×7cos5.8241°=198.95mm验算稳定性：b=H0D=30.59=3.38<5.3满足稳定性要求。绘制弹簧工作图，由机械设计教程表15-2知，对类受载弹簧，其工作极限载荷Flim1.12

29、Fmax，取Flim=1.12Fmax=1.12×99.78=111.7536N按设计计算结果绘制弹簧工作图如图2-7所示。图2-7 弹簧工作图2.5 机械手尺寸的设计首先从机械手装配来考虑，定手爪总长为82mm，活动销中心到连接螺钉（由于选用的是BT40#号刀柄）最大直径D6=72.30mm，所以考虑手爪宽度至少比D6要大，厚度暂定为20mm。其尺寸如图2-8所示。图2-8 机械手爪尺寸图如图所示，所以机械手总长为2×（82+88+90）=260×2=520mm。通过查阅机械设计教程P179表8-2得出常用材料45钢的力学性能如下表2-2表2-2常用材料及力学能

30、材料牌号热处理硬度/HBW抗拉强度b屈服强度s弯曲疲劳极限-1剪切疲劳极限-1许用弯曲应力F备注45钢MPa正火17021759029525514055回火162217570285245135调质217255640355275155100应用最广泛由表2-2可知45钢的抗拉强度b=640MPa，屈服强度s=355MPa ，弯曲疲劳极限-1=275MPa ，剪切疲劳极限-1=155MPa ，许用弯曲应力F=100MPa 。由下图2-9可知机械手受力，其最大玩具发生在离连接轴最远处260mm处。图2-9 机械手受力图根据弯曲强度计算公式：max=MmaxWF=100MPa得出W=bh3/12h/2

31、=bh26=(9.5×10-3)2×20×10-36=3.008×10-6m3W抗弯截面系数；M受到的最大的力，此处为重力；由上图2-9分析可知，通过查阅数控刀具材料选用手册得知BT40刀柄最大可以达到十几千克。结合实际。一般使用的刀具为10kg。所以：M=F×S=10×9.8×10-3×260=25.48Nmmax=MW=25.483.008×10-6=8.471MPa<=100MPa所以，符合设计。3 液压传动的设计3.1 液压传动简介液压传动与主机的设计是相互关联的，缺一不可。两者往往同时进行

32、，相互协调。主机对液压系统的使用要求作为设计液压传动系统的依据。系统的设计除了应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便及工作可靠等要求。因此，首先必须搞清楚下列问题：1. 机概况：用途、主要结构、技术参数及性能、作业环境、工艺流程、总体布局；2. 液压系统应完成那些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何;3. 液压驱动机构的运动形式,运动速度;4. 各动作机构的载荷大小及其性质;5. 对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求;6. 自动化程度、操作控制方式的要求;7. 对防火、防爆、周围介质、环境温度、风沙与尘埃、外界冲击振动、安全可靠性

33、的要求;8. 对效率、成本等方面的要求。从设计液压系统的出发点来说，液压系统必须有一定的可靠性。从工作性能方面来说更着重于安全；实际的设计工作则常常是两种观点不同程度的组合。下图为液压传动系统设计的基本内容和一般流程。液压缸的结构形式各不相同。种类繁多。在液压系统中，液压泵、液压阀绝大多数都已采用标准件，而液压缸却往往需要根据不同的用途，不同的使用条件、不同的性能需求进行设计，如图3-1所示。图3-1 液压传动系统设计的一般流程3.2 液压缸的设计3.2.1液压缸的计算载荷由上述条件，假定当机械手换刀时总重约为20kg。作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷，导轨的动、静摩擦和因速度变化而产生的

34、惯性力。主要有三个尺寸：缸筒直径D，活塞杆外径d，缸筒长度L。（1）缸筒内径D液压缸的工作负载是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对液压缸产生的总阻力。液压缸工作负载的计算公式为F=Fe+Ff+Fi+Fu+Fs式中 Fe负载（荷重）； Ff摩擦负载； Fi惯性负载；Fu粘性负载；Fs弹性负载；此处工作中仅受Fe重力、Ff摩擦、Fi惯性。重力载荷FgFe=Fg=mg=20×9.8=196N导轨摩擦载荷FfFf=Fg=0.06×196=11.76N12N查阅机械设计手册取=0.06 。导轨摩擦载荷FiFi=Gg×vt=20×1=20N（vt机械设计

35、方面取0.51.5s）外载荷FwFw=196+12+20=228N除外载荷Fw外，作用于活塞杆上的载荷F还包括液压密封处的摩擦阻力Fm，一般其值为Fm=（1-m）F 。液压缸的机械效率一般为0.900.95。通过查阅液压传动与控制设计手册得知液压缸不同负载时的工作压力如下表3-1：表3-1 按载荷选择工作压力载荷/kN<5510102020303040>50工作压力/MPa<0.81<1.52<2.53<34<455则有：F=Fwm=2280.92=248NFm=1-mF=1-0.92×248=19.84N20N所以根据计算值及表3-1，取工

36、作压力P=0.8MPa=8×105Pa。3.2.2升降液压缸的设计下图3-2中，图a为活塞杆受压示意图，图b为受拉示意图。a图b图图3-2 液压缸主要设计参数所以，当液压缸受到外部载荷压力时，有F=Fwm=p1A1-p2A2当液压缸受到外部拉力时，有F=Fwm=p1A2-p2A1式中 F-活塞杆所受到的有效外负载力； A1=4D3-无杆腔活塞有效作用面积，m2；A2=4（D2-d2）-有杆腔活塞有效作用面积，m2；p1-液压缸工作腔压力，Pa；p2-液压缸回油腔压力，Pa；即背压力， 其值可以按照表3-2取值；D-活塞直径，m;d-活塞杆直径，m。表3-2 执行元件背压力系统类型背压

37、力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5液压缸在受压力的情况下工作；活塞面积A1A1=F+p2A2p1则A1与A2的关系令=d/D=0.5，则按表3-3 按工作压力选取d/D表3-2 按工作压力取d/D工作压力/MPa5.05.07.07.0d/D0.50.550.620.700.7所以活塞直径D：D=4Fp1-p2（1-2）D=4×2480.8-0.91-0.52=50.26所以d=0.5D=25mm，其中p1与p2的值取自机械设计手册，其值如下表3-3、3-4表3-3 常用液压缸内径D4050638090

38、100110125140160180200220250表3-4 活塞杆直径d速比缸径/mm40506380901001101.462228354550556334550607080所以从表3-3中选择：D=80mm，d=45mm。活塞杆直径的强度在高压系统中的校核：材料取45钢，则需用应力为80MPa。=b1.4=4101.4=292.85MPad4F=4×248×292.85×106=1.03mm根据本设计需要，从整体来考虑，坐为空心活塞杆。令空心活塞杆内径d=52mm，空心活塞杆外径d1=72mm。从理论力学得：TWt实=TWt空116d24=116（d14-

39、d4）式中 d2-空心杆活塞杆直径； d-空心活塞杆内径； d1-空心活塞杆外径； Wt-抗扭矩截面系数；得出d2=66.50mm>1.05mm空心活塞杆壁厚=d1-d2=72-522=10mm则设计符合要求。3.2.3油缸壁厚的计算对于低压工作时的强度校核：当D/10时，缸筒壁厚为薄壁，按下式进行校核：ptD2式中 D-缸筒内径；pt-缸筒试验压力（当缸额定压力pn16MPa时，取pt=1.5pn，pn为缸生产时的试验压力，当pn>16MPa时，取pt=1.25pn）；-缸筒材料的许用应力（=b/n，b为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5）。所以：=n=4105=82MP

40、a1.5×0.8×106×802×82×106=0.5853mm根据结构取=8mm。3.2.4油缸长度的计算缸筒长度L（实用机床设计手册P338339）液压缸缸筒长度L由液压缸最大工作行程长度加上各种结构需要长度来确定，即：L=l+B+A+M+C式中 l-活塞的最大工作行程； B-活塞宽度，一般为（0.61）D；A- 活塞杆导向套长度，取（0.61.5）D；M-活塞杆密封长度，由密封方式定；C-其他长度。其中根据装配图及其其他需求尺寸计算：B=80×0.6=48mmA=80×0.6=48mmC=68.40+35=103.4m

41、m导向长度 HL/20+D/2=210/20+80/2=10.5+40=50.5所以L=48+48+10+35+68.40+50.5=260mm其中35为刀柄上拉钉的长度，其值如下表3-5,尺寸参数如下图3-3：图3-3 标准MAS 403配用BT型刀柄表3-5 标准MAS 403配用BT型刀柄型号DD1D2MLL1L2HH1LDA-40BT171015166035286345°3.2.5油口直径的计算液压缸的油口直径根据其换刀机械手的最高运动速度V与油口最高液流速度V1。由公式：d0=0.13DVV'因为：VV1=A2A1=0.68 其中A1=D24 ，A2=（D2-d2）

42、4式中 A1无杆腔活塞有效作用面积；A2有杆腔活塞有效作用面积；D活塞直径（m）；d活塞直径（m）；由工作行程L初定换刀过程所用时间为1s，则平均速度：V均=0.261=0.26m/s令无杆腔进油速度V1=0.1m/s。，有杆腔进油速度V2=0.18m/s。所以有：Vmax=V=V12+V22=0.12+0.182=0.188m/sV'液流速度大小等于有杆腔进油速度，所以只需V'=0.18m/s所以有油口直径d0：d0=0.13DVV'=0.13×80×10-30.1880.18=11.03mm3.2.6有孔缸底厚度计算从本设计来说，因为采用空心活塞

43、杆结构，其缸底有孔，如图3-4所示。图3-4 缸底结构图查阅机械设计手册；有孔平缸底按下式计算：=0.433DpDD-d0式中 缸底厚度； 液压缸内径； 试验压力； 缸底材料许用应力；选取材料为45无缝钢管，=82MPa。=0.433DpDD-d0=0.433×80×10-31.5×0.8×106×80×10-382×106×(80-11.03)×10-3=4.513mm按设计要求取15mm。3.3 液压马达的设计计算3.3.1摆动缸体的设计计算单叶片式摆动液压缸如下图3-5所示图3-5 单叶片式作用在叶

44、片上的载荷例句M驱：M驱=MZ+M惯+M封+M回式中 MZ-工作阻力矩（kgcm/s）M封所有回转缸密封处的摩擦阻力矩（kgcm/s）M封=M封+M封，M封=bb1PRM封=2b1R-rFRcd，Rcd=（R-r）/2M封参与回转运动的零部件，在启动时产生的惯性力矩（kgcm/s） M惯=J0=J0Vt；齿轮回转时在启动运动过程中的角加速度（rad/s）w角速度变化量（rad/s）w=/2；t启动过程时间，（t=0.010.5）s,令t=0.1s；J0参与回转运动的部件，回转轴的转动惯量（kgcm2）J0=J+Ge2/g；J回转动作的刀柄对中心转动惯量（kgcm2）；G机械手工作时的总重量（k

45、g）；根据理论力学公式：J0=J=Ml212,所以J0=1012×520×10-1=2253.3kgcm2M惯=J0=J0vt=2253.33×2×0.1=35395.3kgcm/sM回=rRbP回d=P回b2（R2-r2）其中P回的值从下表3-6中选择（现代机械设计手册P34表 3-3）：表3-6 执行元件背压力系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用不油泵的闭式回路0.81.5所以，参考以上数据，取P回=0.6MPa。如图3-5所示摆动液压缸的进油腔压力油液，作

46、用在叶片上合成力矩M驱,M驱'=rRpbd=pd2(D2-d2)摆动缸内径D：M驱'=M驱M驱=pb(D2-d2)8D=8M驱pb+d2式中 M驱作用在叶片的外载荷力矩D摆动缸内径（m）； p摆动缸的工作压力（Pa）； b叶片宽度（m） d输出轴与叶片连接处的直径（m），设计时按D/d=1.52.5取 D/d=1.5为了节省改造成本，叶片与输出轴的连接螺钉所受载荷与叶片的悬伸长度，设计叶片的宽度时有：bD-d/22从理论力学可知，要想驱动机械手，其惯性力矩必须大于所有摩擦力矩才能驱动叶片动作。满足M<2M惯+M回。所以带入上述式子：M驱=7.875d03=>d0=3

47、M驱7.875M回=5.90625d03=>d0=3M回5.90625所以：d0=34.27cm。则通过所要设计的与之配合的花键轴，取d0=36mm。所以：D0=2.5d0=2.5×36=90mmb=1.5d0=1.5×36=54mm3.3.2摆动液压缸壁厚及螺钉的计算对于低压系统当pn16MPa时，Pt=1.5pn；材料取45钢，=4105=82MP 有：ptD2ptD2=1.5×0.8×106×902×82×106=6.59mm由于设计需要，为了满足稳定性要求，取=20mm。连接螺钉的计算：当工作压力P=515MP

48、a时，有t0<150mm。取t0=45mm，P=6kg/cm2，螺钉数目Z：Z=D0't1V D0=D0+'=90+20=110mm式中 D0为螺钉中心所在圆的直径；代入，得：Z=7.678，取整数Z=8。单个螺钉的强度校核计算：所选取的连接螺钉在危险界面上所受的拉力FQ0为工作载荷与剩余锁紧里FQ'之和。有：FQ0=FQ'+FQ=4D0' 2ZP（1+K）式中 FQ'-剩余锁紧力，取FQ'=KF0FQ工作载荷Z螺钉数目；K=1.51.8；P-油缸内液压油工作压力；因此，螺钉强度计算校核：d14F计式中 F计计算载荷，F计=1.3；

49、许用拉伸应力，=s/n（kg/cm2）s螺钉材料的屈服强度极限MPa，这里选取45钢材料的螺钉，s=3600kg/cm2；n安全系数，一般取（1.22.5），这里取n=2；则：d14F计=4×1.3×20×9.8×36002=0.18cm所以，取d1=6mm。3.3.3叶片连接螺钉的计算叶片是与输出轴连接的结构，连接螺钉对称安装，并且用销钉定位。螺钉的作用是使叶片能够输出轴紧密配合，产生紧密联系防止漏油。当油腔通油时，叶片受到油压产生力矩，驱动机械手。其结构如下图3-6所示，动力所受力矩的平衡条件计算：图3-6 缸体结构图M摩=bp8D2-d2=FQZf

50、d2式中 FQ单个螺钉的预紧力（N）；b叶片的宽度（m）；p摆动缸的工作压力（Pa）：D-叶片外径（m）;d叶片与输出轴配合直径（m）；Z螺钉数目：f被连接件间的配合摩擦系数（机械零件手册，钢与钢之间取f=0.15）；螺钉的强度：FQ=bp4Zfd（D2-d2）从前面计算可知b=54mm=5.4cm，P=6kg/cm2，D=9cm，Z=8,f=0.15，d=3.6cm，则有：FQ=5.4×64×8×0.15×3.692-3.62=127.6Ncm因为：d14F计=4×127.6×36002=0.305cm=3.05mm<6mm所

51、以满足设计要求。4 轴的设计4.1 轴设计计算4.1.1轴材料的选择轴是一切机器中最重要的机械零件之一。例如机床主轴、自行车轮轴、录音机磁带轴等各式各样的轴。在本设计中主要设计的是花键轴，作为机械手的动力输出能够达到摆动以及升降的动作要求。在设计轴的材料时，需要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及所要达到的工作寿命以及强度。同时从节省成本方面考虑经济的制造工作。一般材料的常用材料为Q235-A，45 钢，40Cr，40Cr，20Cr等材料。本设计选用45钢作为轴的材料。（据机械设计教程 P179）表8-2，其中部分数据如及力学性能相关参数如下表4-1所示：表4-1 轴的常用材料及主要力学性

52、能材料牌号热处理毛坯直径/mm硬度/HBW抗拉强度b屈服强度s弯曲疲劳极限-1剪切疲劳极限-1许用弯曲应力F备注45钢MPa正火10017021759029525514055回火>100300162217570285245135调质200217255640355275155100应用最广泛40Cr调质10024128673554035520070用于载荷大冲击小>10030068549035518540CrN调质10027030090073543026075用于重要的轴>100300240270785570370210由表4-1可知，45钢，热处理方式为正火，其各项参数可在表

53、中选择。4.1.2轴直径的计算表4-1可知45钢的强度，又因为液压执行元件的最大工作压力P1=0.8×106，管路的损失因素p=0.05MPa，则P总=P1+p=0.85MPa。从前面可知液压油流量V'=0.16m/s，摆动缸的直径D0=90mm，则：A0=D024=×90×10-34=6.36×10-3m2Q=A0V=6.36×10-3×0.16=1.017L/minV=0.95P功=P总QV=0.85×106×1.017×10-30.95=0.909kwT1=9549×0.911450=5.99Nm据机械设计教程得到轴直径的计算公式：d9.55×106P0.2Tn 得出dA03P功n=110×30.9091440=9.53mm式中 A0材料的受载系数，选取轴为45钢（根据<机械设计教程>表8-4）取A0=1