5、車銑復(fù)合機(jī)床-換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì)

車銑復(fù)合機(jī)床—換刀機(jī)械手部件設(shè)計(jì)摘要當(dāng)今市場對零件的復(fù)雜程度的要求越來越高，復(fù)合加工機(jī)床隨之不斷增加，復(fù)合加工機(jī)床將進(jìn)入激烈的競爭時(shí)代。自動(dòng)換刀裝置作為復(fù)合加工機(jī)床重要的部件，滿足換刀時(shí)間短、刀具存儲(chǔ)量足夠、刀具的安置空間小以及安全可靠等基本要求。設(shè)計(jì)方案選定后，本文主要通過計(jì)算，對自動(dòng)換刀裝置各部件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。闡述了自動(dòng)換刀裝置的整個(gè)工作過程。論證了自動(dòng)換刀裝置的優(yōu)勢。得出了大規(guī)模制造業(yè)中，機(jī)械手在自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要作用。關(guān)鍵詞復(fù)合加工機(jī)床；自動(dòng)換刀裝置；換刀；刀具；機(jī)械手1引言車銑復(fù)合加工機(jī)床是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對工件的切削加工,使工件在形狀精度、位置精度、已加工表面完整性等多方面達(dá)到使用要求的一種先進(jìn)切削加工方法。車銑復(fù)合加工不是單純的將車削和銑削兩種加工手段合并到一臺(tái)機(jī)床上,而是利用車銑合成運(yùn)動(dòng)來完成各類表面的加工,是在當(dāng)今數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展的條件下產(chǎn)生的一種新的切削理論和切削技術(shù)，具有車削、銑削等復(fù)合功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾、全部完成的加工理念。機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成任務(wù)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要成員，逐漸被企業(yè)認(rèn)同并采用。機(jī)械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平。機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)，他可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。下面對機(jī)械手來進(jìn)行詳細(xì)的介紹。2復(fù)合機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)課題為車銑復(fù)合機(jī)床[1][2]，以車為主，附有銑的功能，因此有的主要部件:車主軸部件、背車軸部件、銑主軸部件和刀庫機(jī)械手部件。工件在加工時(shí)須夾持車主軸或背車軸中，刀具則夾持在銑軸中，銑主軸有3個(gè)正交伺服進(jìn)給方向，分別是左右、前后和上下，為擴(kuò)大加工范圍，銑軸還應(yīng)有一個(gè)自由度，在一個(gè)正交面中可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。對于車主軸和背車軸，按參數(shù)可以知道兩軸必須同軸線，其軸端面為1610mm，至于放置方式參照CA6140，采用水平相對放置，車主軸固定，背車軸則可進(jìn)行水平進(jìn)給。床身則采用現(xiàn)流行斜床身，便于排屑和回油。由于床身回轉(zhuǎn)直徑為600mm，為給加工留出足夠的空間，可將機(jī)械手裝在側(cè)面、上面和背面、遠(yuǎn)離車軸，為裝卸刀具方便和安全考慮。選擇在背部安裝刀庫，另外因?yàn)榈稁熘械毒邽?0把，我采用盤式結(jié)構(gòu)，為縮短刀庫直徑，我采用軸向裝刀徑向換刀。3機(jī)械手部件的設(shè)計(jì)[3]在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題：（1）手指應(yīng)有足夠的夾緊力。（2）手指應(yīng)用在一定的開閉范圍，其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且須想到手部接近刀具的運(yùn)動(dòng)路線以及方位的影響。（3）應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。（4）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量輕。綜合上述，我選擇使用如圖1[4]所示的機(jī)械手手部。圖1機(jī)械手手部3.1設(shè)計(jì)參數(shù)(1)刀柄型式HSK-A63；(2)刀庫容量20把；(3)刀具最大直徑Φ88mm(4)刀具最大長度25mm(5)刀具最大重量7kg(6)換刀時(shí)間1.8s（刀—刀）3.2機(jī)械手執(zhí)行部件設(shè)計(jì)所謂執(zhí)行部件，即機(jī)械回轉(zhuǎn)手部部件，包括固定爪、活動(dòng)指和回轉(zhuǎn)手臂三大部分，我對這三大部件分別作了設(shè)計(jì)，其中：我將固定爪分為2個(gè)主要零件，即與所給參刀柄形式配合卡套以及連接卡套和回轉(zhuǎn)手臂的手腕。卡套根據(jù)如圖2所示的HSK-A63具體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)以保證刀具被可靠抓入其中手腕如圖4是根據(jù)如圖3所示刀柄卡套尺寸設(shè)計(jì)的，其原因在于將固定爪進(jìn)行細(xì)化拆分，便于加工制造?；剞D(zhuǎn)手臂根據(jù)刀庫與銑軸之間距離而定，目前暫定420mm活動(dòng)指設(shè)計(jì)源于要在抓刀的過程可以活動(dòng)，以便刀具被卡進(jìn)卡套內(nèi)，在拔刀插刀過程中固定，以保證刀柄能準(zhǔn)確可靠卡在卡套內(nèi)，鑒于此要求1彈簧。圖2HSK刀柄形式圖3刀柄卡套圖4手腕3.4.1彈簧的選取通過對手爪尺寸的計(jì)算，活動(dòng)銷的行程為12.38mm，這就需要彈簧壓縮量至少為12.38mm，這里我們選擇彈簧壓縮量為15mm因?yàn)榈毒咦畲笾亓繛?kg，要使刀具在夾緊力的作用下不掉下去。摩擦力就必須大于重力。由于這里是鋼接觸，所以取摩擦系數(shù)u=0.12摩擦力f=uN①上式中N為活動(dòng)銷對刀具的壓力，所以f=uN>G②即QUOTE從上式我們可以得到活動(dòng)銷對刀具的壓力大于572N又由于活動(dòng)銷對刀具的力是由于彈簧壓縮所產(chǎn)生的，所以P=N=572N而根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)P=-F=-kx=15k③所以k=572/15=38.13N/mm取k=40N/mm3.4.2活動(dòng)銷與鎖緊銷的選取與驗(yàn)證由于活動(dòng)銷承受的壓力較大，所以選用45鋼（調(diào)質(zhì)）,活動(dòng)銷的受力如圖5圖5活動(dòng)銷受力圖刀具對活動(dòng)銷的支反力QUOTE刀具對活動(dòng)銷摩擦力彈簧對活動(dòng)銷的作用力QUOTE是由于固定活動(dòng)銷的外壁產(chǎn)生的，用來限制活動(dòng)銷向下、向上的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等5個(gè)自由度的。由于活動(dòng)銷在力的作用下平衡，根據(jù)力的作用力與反作用力原理，可得QUOTE所以得到QUOTE且與QUOTE方向相反，因此方向向上。對x方向，活動(dòng)銷受到QUOTE與QUOTE_/_/()D_Dd__⑤所以QUOTE而①由于材料為45鋼，所以許用應(yīng)力為58Mpa②QUOTE所以由QUOTE且QUOTE所以可以取d=12mm又由于活動(dòng)銷還受到剪力的作用，所以：QUOTE⑥故而①45鋼的許用剪應(yīng)力為QUOTE②剪切力QUOTE綜上所述取的d=12mm 下面確定活動(dòng)銷的長度在彎矩M的作用下活動(dòng)銷要彎曲，在它的2個(gè)端點(diǎn)彎矩最大為彎曲應(yīng)力QUOTE⑧（W為抗彎截面系數(shù)，由于截面為圓形，）所以QUOTE，45鋼的彎曲應(yīng)力為40Mpa根據(jù)銷的系列與上式所計(jì)算的長度，可以l=80mm由于鎖緊銷的要求沒有活動(dòng)銷高，所以選用20鋼它的剪應(yīng)力[QUOTEQUOTE,QUOTE,QUOTE所以由以上三式得：取d=7mm根據(jù)銷釘?shù)南盗羞x取長度為40mm的銷，所以銷的類別為7x403.4.3機(jī)械手其他零件以及尺寸的確定{5}（1）螺栓的確定機(jī)械手的手部是通過螺栓連接在手腕上面，又因?yàn)槭植颗c手腕的結(jié)合要能精確的固定相對位置，所以選用普通螺栓來連接。我這里采用3螺栓組成螺栓組來連接的現(xiàn)在對這3個(gè)螺栓進(jìn)行受力分析這3個(gè)螺栓同時(shí)受到力F=600N，以及力矩M=FL的作用由于這3個(gè)螺栓都采用的是普通螺栓所以各個(gè)螺栓的受力分別為螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸條件公式：QUOTE⑩由于螺栓的材料為中碳鋼，所以它的許用拉伸應(yīng)力QUOTE由于采用粗算，所以實(shí)際取螺栓值的時(shí)候取大一些，這里取d=8mm所以選擇螺栓型號(hào)M8（2）其他尺寸確定機(jī)械手的手腕部分我選用20碳鋼，它的厚度22mm,它的寬度為90mm,機(jī)械手的整個(gè)長度為600mm，其中機(jī)械手的中心到手腕外的具體為210mm。3.4.4軸與機(jī)械手配合部分的直徑的確定[6]（1）材料的確定由于軸是重要的零件，所以選用45鋼,選擇45鋼的理由：碳鋼相對與合金鋼來說價(jià)格便宜，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)處理來提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。而45鋼在碳鋼中是性能比較優(yōu)良的一種，所以選用45鋼為軸的材料（2）按扭矩強(qiáng)度來計(jì)算軸徑在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用下面這個(gè)公式來初步估算軸徑QUOTE上式中QUOTE為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位MpaT為軸所承受的扭矩，單位N*mmQUOTE為軸的抗扭截面系數(shù)，單位QUOTEP為軸所傳遞的功，單位wn為軸的轉(zhuǎn)速，單位r/mind為軸的直徑，單位mmQUOTE為許用切應(yīng)力，單位Mpa。由上式可得軸的直徑為：確定上式的值：①確定QUOTE，查表得QUOTE_QUOTE②確定轉(zhuǎn)速n因?yàn)樵趽Q刀過程中，整個(gè)換刀時(shí)間（刀-刀）為T=1.8s，除去刀套翻轉(zhuǎn)90°兩個(gè)步驟，還有8個(gè)動(dòng)作，按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算。所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間t=T/8=1.8/8=0.225s而機(jī)械手在交換刀具的時(shí)候轉(zhuǎn)過180°的時(shí)間也是0.225s，所以在這個(gè)時(shí)候，它的轉(zhuǎn)速最大，這里只要用最大轉(zhuǎn)速去計(jì)算軸徑就行了。因?yàn)檗D(zhuǎn)過180°的時(shí)間為0.225s，所以轉(zhuǎn)過一周所用的時(shí)間為0.45s，所以轉(zhuǎn)速就為（3）P的確定由于所產(chǎn)生的功能主要是用來使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)在轉(zhuǎn)180°的時(shí)候P最大，p=Mw,其中M=FL，我們?nèi)最大值為600N,而L的值我們在前面已經(jīng)確定了300mm故而M=FL=600x0.3=180N.m 而QUOTE所以QUOTE,我們選取32mm，軸與機(jī)械手采用花鍵連接3.5驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[7]在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)位又3次，第一次是機(jī)械手轉(zhuǎn)過75°，第二次是機(jī)械手轉(zhuǎn)過180°，第三次是機(jī)械手反向回到原來的位置。這些轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主要是由齒輪齒條機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，它們的動(dòng)力源來自于液壓缸，對液壓缸通入一定的液壓油，使活塞向預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)，而齒條與活塞桿做成一體的，采用不同行程的液壓缸就可以實(shí)現(xiàn)不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)了。示意圖如圖5：圖6驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖3.5.1機(jī)械手轉(zhuǎn)75°的齒輪齒條設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)構(gòu)由一個(gè)液壓缸、齒輪條、齒輪以及連接盤、連桿組成的，當(dāng)發(fā)出機(jī)械手抓刀信號(hào)時(shí)，液壓缸的后腔就通入液壓油，活塞桿推動(dòng)著齒輪條向前移動(dòng)，使得齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)連接盤與連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿通過花鍵連在機(jī)械手上，所以當(dāng)活塞通入液壓油的時(shí)候，機(jī)械手就能相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。下面我們首先來選擇和計(jì)算液壓缸，由于機(jī)械手的整個(gè)換到時(shí)間為1.8s，整個(gè)刀-刀換時(shí)有8個(gè)動(dòng)作的時(shí)間即機(jī)械手轉(zhuǎn)過75°的時(shí)間為0.225s,取齒輪齒數(shù)為60，模數(shù)為2.5，材料為60Cr那么齒輪分度圓直徑為QUOTE?齒輪的分度圓周長為所以齒輪轉(zhuǎn)過75°時(shí)走過的距離因?yàn)辇X輪齒條是配合的，所以齒條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中也走過98.125mm,活塞桿的速度為QUOTE?設(shè)液壓缸的容積效率為QUOTE，這里取QUOTE設(shè)液壓缸的額定流量為q,所以QUOTE,又QUOTE所以取QUOTE所以QUOTE選擇d=50mm綜上選擇的液壓缸，它的行程98.125mm活塞直徑50mm3.5.2機(jī)械手轉(zhuǎn)180°的齒輪齒條設(shè)計(jì)（與75°同理）機(jī)械手的整個(gè)換刀時(shí)間為1.8s整個(gè)刀-刀換時(shí)有8個(gè)動(dòng)作，按每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間相等來計(jì)算，所以每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間即機(jī)械手轉(zhuǎn)過180°的時(shí)間為0.225s，取齒輪齒數(shù)為48，模數(shù)為2，材料為60Cr那么齒輪分度圓直徑為QUOTE齒輪的分度圓周長為所以齒輪轉(zhuǎn)過180°時(shí)走過的距離因?yàn)辇X輪齒條是配合的，所以齒條在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中也走過150.72mm活塞桿的速度為QUOTE設(shè)液壓缸的容積效率為QUOTE，這里取QUOTE設(shè)液壓缸的額定流量為q，所以QUOTE,又QUOTE，QUOTE選擇d=40mm綜上選擇的液壓缸，它的行程150.72mm活塞直徑40mm3.5.3插刀拔刀過程因?yàn)椴宓栋蔚哆^程同樣是液壓缸驅(qū)動(dòng)，根據(jù)刀柄長度，插刀拔刀過程為充分脫離刀套和主軸，我設(shè)計(jì)此液壓缸行程為100mm，兩個(gè)齒輪間距100mm，因?yàn)閾Q刀過程軸要與兩個(gè)不同的齒輪相嚙合，如果用花鍵配合兩個(gè)齒輪比較麻煩，所以我采用銷進(jìn)行連接，此傳動(dòng)銷不管與兩個(gè)齒輪分別連接還是伸縮始終與軸動(dòng)作，因此我設(shè)計(jì)一個(gè)傳動(dòng)盤，上面分別有兩個(gè)銷，置于兩側(cè)，用于與兩個(gè)齒輪分別連接，傳動(dòng)盤則通過鍵與軸連接在一起。對于兩個(gè)齒輪則固定在間距100mm的位置旋轉(zhuǎn)，齒輪與軸是空套關(guān)系，軸的伸縮不能帶動(dòng)齒輪軸向竄動(dòng)。4結(jié)論在現(xiàn)代制造業(yè)大發(fā)展的時(shí)代中，加工機(jī)床的小型化、輕量化、自動(dòng)化、復(fù)合化是未來機(jī)床發(fā)展的趨勢，本文所做車銑復(fù)合機(jī)床-換刀機(jī)械手是數(shù)控機(jī)床中不可缺少的一部分。本文所設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、體積小，同時(shí)可以高效的完成工作，可以廣泛的被各種機(jī)床采用。參考文獻(xiàn)[1]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會(huì)編.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手