臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)

摘要機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。 設(shè)計(jì)思路是用機(jī)械手的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中心的換刀，機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)有回轉(zhuǎn)液壓缸運(yùn)來實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)力則由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 加工中心的自動(dòng)換刀裝置，通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成，它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益，自動(dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開有關(guān)資料，尤其機(jī)械手部分更是如此。這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由油缸動(dòng)作來完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，可以采用油缸動(dòng)，活塞固定；或活塞動(dòng)，油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。整個(gè)機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)械爪開合機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。引言 本次設(shè)計(jì)的題目是加工中心的自動(dòng)換刀裝置中的核心部件-機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。設(shè)計(jì)此機(jī)械手的目的是為了使加工中心能夠更快的的工作，使加工中心能夠得到更加充分的利用，以實(shí)現(xiàn)其的價(jià)值所在；再者，由于使用了機(jī)械手，減少由于人工換刀帶來的生產(chǎn)效率低，并且容易出事故的弊端。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有回轉(zhuǎn)液壓缸裝置和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于其中動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)則由電氣控制來實(shí)現(xiàn)。由于本人能力及學(xué)識(shí)有限，在設(shè)計(jì)中存在有很多缺陷，望老師們能多加指導(dǎo)。加工中心的總體布局盤式刀庫(kù)的臥式加工中心臥式加工中心的主軸是水平設(shè)置的，臥式加工中心刀庫(kù)容量一般較大，有的刀庫(kù)可存放幾百把刀具，臥式加工中心的結(jié)構(gòu)較立式加工中心復(fù)雜，占地面積大，價(jià)格也較高，臥式加工中心較適用于加工箱體之類的零件，特別對(duì)箱體零件上的一些孔和孔系，以及孔和型腔與基準(zhǔn)面有嚴(yán)格要求的箱體，容易得到保證，適合于批量加工。臥式加工中心的功能較立式加工中心多，在立式加工中心上加工不了的工件，在臥式加工中心上一般都能加工。2.1 技術(shù)條件我們所設(shè)計(jì)的加工中心的主要的技術(shù)參數(shù)有： 刀庫(kù)容量： 24把刀 刀柄型號(hào)： 40號(hào)刀柄 刀具最大直徑： 120 刀具重量： 11 換刀時(shí)間： 5s 選刀方式： 任選2.2 總體布局我們?cè)O(shè)計(jì)的加工中心的總體布局如圖1.1所示：圖1.1 臥式加工中心的總體布局2.3 臥式加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)：主軸組件 對(duì)加工中心主軸組件的基本要求是具有足夠的剛度，精度，傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)和適應(yīng)自動(dòng)換刀的條件。主軸軸承多采用高精度，高剛度，高速滾動(dòng)軸承。臥式加工中心的主軸組件按進(jìn)給功能分有鏜軸進(jìn)給，滑枕進(jìn)給及非進(jìn)給主軸等類型，大多數(shù)采用非進(jìn)給型主軸。立柱 立柱有側(cè)面導(dǎo)軌型與正面導(dǎo)軌型。側(cè)面導(dǎo)軌型立柱便于機(jī)床的總體設(shè)計(jì)，制造成本也較低，并抑易于與非數(shù)控臥式鏜銑床建立模塊化系列關(guān)系，但這類立柱在機(jī)床工作時(shí)受力狀況較差，且熱變形的對(duì)稱性差，因而對(duì)機(jī)床加工精度影響較大。正面導(dǎo)軌型立柱多采用門式結(jié)構(gòu)，有較好的熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)和受力條件，多數(shù)加工中心采用這種立柱形式。3 工作臺(tái) 臥式加工中心可采用自動(dòng)分度工作臺(tái)，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。 換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1 刀具的交換裝置3.1.1 自動(dòng)換刀裝置加工中心區(qū)別于NC鏜銑床的主要特點(diǎn)就在于它具有根據(jù)工藝要求自動(dòng)更換所需刀具的功能，即自動(dòng)換刀（ATC）機(jī)能。機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。加工中心的自動(dòng)換刀形式，可分為有機(jī)械手換刀方式和無機(jī)械手換刀方式兩類。無機(jī)械手換刀方式，適用于采用40號(hào)以下刀柄的小型加工中心或換刀次數(shù)少的用量型刀具的重型機(jī)床，這種換刀方式?jīng)]有機(jī)械手，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。另外，刀庫(kù)回轉(zhuǎn)是在工步與工步之間，即非切削時(shí)進(jìn)行的。因此，雖然刀庫(kù)設(shè)置在立柱頂面，卻免去了刀庫(kù)回轉(zhuǎn)時(shí)的震動(dòng)對(duì)加工精度的影響。無機(jī)械手換刀方式中，刀庫(kù)可以是圓盤型、直線排列式，也可以是格子箱式等。無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度，為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確，就要盡力消除刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈的間隙，為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副，或采用可以相互錯(cuò)位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式，或采用插銷定位、反靠定位等方法來準(zhǔn)確定位。圓盤型刀庫(kù)可設(shè)在立柱頂上、立柱主軸箱的側(cè)面，也可設(shè)在橫梁一端，或設(shè)在主軸箱上，由主軸箱和刀庫(kù)配合運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)換刀動(dòng)作。直線排列式刀庫(kù)可設(shè)在工作臺(tái)上方，也可設(shè)在工作臺(tái)的一端或兩端，由主軸箱或工作臺(tái)配合運(yùn)動(dòng)完成自動(dòng)換刀動(dòng)作。格子箱式刀庫(kù)可設(shè)在雙工作臺(tái)的中間，換刀時(shí)，小直徑刀具可軸向取刀，大直徑刀具可徑向取刀。加工中心的自動(dòng)換刀裝置，通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成，它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益，自動(dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開有關(guān)資料，尤其機(jī)械手部分更是如此。無機(jī)械手換刀方式中特別需要注意的是刀庫(kù)轉(zhuǎn)位定位的準(zhǔn)確度。為保證轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確，就要盡力消除刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈的間隙，為此可采用雙導(dǎo)程蝸桿蝸輪副，或采用可以相互錯(cuò)位的兩片齒輪結(jié)構(gòu)形式；或采用插銷定位、反靠定位等方法來準(zhǔn)確定位。采用機(jī)械手進(jìn)行刀具交換的方式應(yīng)用的最為廣泛，這是因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間。圖見零號(hào)圖自動(dòng)換刀機(jī)械手。換刀動(dòng)作如表3.1所示：表3.1 機(jī)械手的換刀動(dòng)作3.1.2 機(jī)械手的種類 加工中心換刀機(jī)械手的種類繁多，可以說每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，在加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，是機(jī)械手具體執(zhí)行刀具的自動(dòng)更換，對(duì)其要求是迅速可靠、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。由于加工中心機(jī)床的刀庫(kù)和主軸，其相對(duì)位置距離不同，相應(yīng)的換刀機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過程也不盡相同，它們由各種形式的機(jī)械手來完成。常見的機(jī)械手有：?jiǎn)伪蹎巫剞D(zhuǎn)式機(jī)械手機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的軸線與刀具主軸平行，機(jī)械手的手臂可以回轉(zhuǎn)不同的角度來進(jìn)行自動(dòng)換刀，換刀具的所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，用于刀庫(kù)換刀位置的刀座的軸線相平行的場(chǎng)合。如圖所示： 圖3.1 單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手圖3.2 單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手的手臂上有兩個(gè)卡爪，兩個(gè)卡爪有所分工，一個(gè)卡爪只執(zhí)行從主軸上取下“舊刀”送回刀庫(kù)的任務(wù)，另一個(gè)卡爪則執(zhí)行由刀庫(kù)取出“新刀”送到主軸的任務(wù)，其換刀時(shí)間較上述單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手要短，如圖3.2所示。雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手（俗稱扁擔(dān)式）這種機(jī)械手的兩臂各有一個(gè)卡爪，可同時(shí)抓取刀庫(kù)及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180之后有同時(shí)將刀具歸回刀庫(kù)及裝入主軸，是目前加工中心機(jī)床上最為常用的一種形式，換刀時(shí)間要比前兩種都短，如圖3.3-a)所示。圖3.3-a) 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手這種機(jī)械手在有的設(shè)計(jì)中還采用了可伸縮的臂，如圖3.3-b)所示：圖3.3-b) 雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手雙機(jī)械手這種機(jī)械手相當(dāng)與兩個(gè)單臂單爪機(jī)械手，相互配合起來進(jìn)行自動(dòng)換刀。其中一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行拔“舊刀”歸回刀庫(kù)，另一個(gè)機(jī)械手執(zhí)行從刀庫(kù)取“新刀”插入機(jī)床主軸上，如圖3.4所示：圖3.4 雙機(jī)械手雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手圖3.5 雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手這種機(jī)械手兩臂可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并交叉成一定角度。兩個(gè)手臂分別稱作裝刀手和卸刀手。卸刀手完成往主軸上取下“舊刀”歸回刀庫(kù)，裝刀機(jī)械手執(zhí)行從刀庫(kù)取出“新刀”裝入主軸。整個(gè)機(jī)械手可沿導(dǎo)軌或絲杠作直線移動(dòng)或繞某個(gè)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與主軸之間的運(yùn)送刀具工作，如圖3.5所示。雙臂端面夾緊式機(jī)械手這種機(jī)械手只是在夾緊部位上和前幾種不同，上述幾種機(jī)械手均靠夾緊刀柄的外圓表面來抓住刀具，而此種機(jī)械手則是夾緊刀柄的兩個(gè)端面，如圖3.6所示：圖3.6 雙臂端面夾緊式機(jī)械手由于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，而且能夠同時(shí)抓取和裝卸機(jī)床主軸和刀庫(kù)集中的刀具，換刀時(shí)間較短，我們本次設(shè)計(jì)所要求的換刀時(shí)間為5秒，故我們選用雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手。如果我們采用不能伸縮的機(jī)械手，由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)其手部回轉(zhuǎn)半徑較大，如刀庫(kù)中刀具排得較密，可能碰撞刀具，且用這種類型的機(jī)械手直接在刀庫(kù)與主軸之間換刀，只宜采用順序換刀或刀具編碼式任意選刀，不然，換刀時(shí)間將增加。故我們采用可伸縮式的雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手。3.1.3 手爪的選擇1單臂雙爪式機(jī)械手的手爪 這種機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械加液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出，較普通采用的機(jī)械鎖刀方式手爪彈簧銷式手爪。如圖，A-A放大圖。它是目前加工中心上用較多的一種，手臂的兩端個(gè)有一個(gè)手爪，刀具被彈簧2推著的活動(dòng)銷4（類似于人的手指）頂靠在固定爪5中，鎖緊銷3被彈簧1頂起，使活動(dòng)銷4被鎖住，不能后退，這就是保證了機(jī)械手在換刀過程中手爪中的刀具不會(huì)被甩出，當(dāng)手臂處于抓刀位置時(shí)，鎖緊銷2被設(shè)置在主軸伸出端或刀庫(kù)上的撞塊壓下，活動(dòng)銷4就可以活動(dòng)，使得機(jī)械手可以抓?。ɑ蚍砰_）主軸或刀庫(kù)刀套中的刀具。 此外，鉗形手的杠桿手，用得也較普遍。 鎖銷2在彈簧作用下，其大直徑外圓頂著止退銷3，杠桿手爪6就不能擺動(dòng)張開，手爪中的刀具就不會(huì)被甩出，當(dāng)抓刀或還刀時(shí)，鎖銷2被裝在刀庫(kù)或主軸端處的撞塊壓回，止退銷3和杠桿手爪6就能擺動(dòng)、張開。刀具就能裝入或取出。 鉗型手和杠桿手均為直線運(yùn)動(dòng)抓手。機(jī)械手的手爪在抓住刀具后，還必須具有鎖刀功能，以防止在換刀過程中掉刀或刀具被甩出。當(dāng)機(jī)械手松刀時(shí)，刀庫(kù)的夾爪既起著刀套的作用，又起著手爪的作用。對(duì)于雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀方式，有些大型加工中心，亦有采用機(jī)械液壓鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。手爪的形式有：機(jī)械鎖刀手爪彈簧銷式手爪，使用這種形式的抓持機(jī)構(gòu)，手爪不需要設(shè)置專門的傳遞裝置，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用廣泛。但在機(jī)械手有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為避免刀具甩脫，手爪就必須有自鎖夾持機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。鉗形杠桿機(jī)械手。這種機(jī)械手手爪的張合需要?jiǎng)恿鬟f裝置，傳動(dòng)較復(fù)雜，但手爪的結(jié)構(gòu)可較簡(jiǎn)單。使用也較普遍?；Q形指。在手爪中設(shè)有定位銷，使刀具在手爪中定位。用這種形式的夾持機(jī)構(gòu)時(shí)，刀具需經(jīng)特殊補(bǔ)充加工，不能使用標(biāo)準(zhǔn)刀具，所以使用者較少。我們?cè)谶@里采用第一種手爪。3.1.4 刀具的夾持在刀具自動(dòng)交換裝置上，機(jī)械手抓刀具的方法大體上可以分為下列兩類：柄式夾持（軸向夾持）。發(fā)蘭式夾持。這種夾持方式，在刀具夾頭的前端，有供機(jī)械手用的發(fā)蘭盤。采用發(fā)蘭式夾持，當(dāng)應(yīng)用中間搬運(yùn)裝置時(shí)，可以很方便地從一個(gè)機(jī)械手將刀具夾頭過渡到另一個(gè)輔助機(jī)械手上去，刀具夾頭采用帶洼形的法蘭盤夾持刀夾。在這里，我們采用第一種夾持方式，刀柄型號(hào)為BT40。圖3.7所示為標(biāo)準(zhǔn)刀具夾頭的錐柄柄部，由圖可見，刀柄圓柱部分的V形槽是供機(jī)械手夾持之用。帶V形槽圓柱右端，按所裝刀具（例如鉆頭、銑刀、鉸刀及鏜桿等）不同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)計(jì)成不同形式。圖3.7 刀柄的型式表3-1為日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸：表3-1 日本BT標(biāo)準(zhǔn)刀柄的尺寸：柄部型號(hào)錐 體螺 紋 孔凸 緣D1Lrl1l2l3d1gd2tbBT4044.4565.419307017M161922.516.1BT4557.1582.81.211387021M20232919.3BT5069.85101.81.513459025M242735.325.7柄部型號(hào)凸 緣參考尺寸L1WD2D3TYY1VdD4BT40210.125363251.61.616.61075.679BT45260.126880303.23.221.21295.215BT50310.2085100353.23.223.215119.0193.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由油缸動(dòng)作來完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，可以采用油缸動(dòng)，活塞固定；或活塞動(dòng)，油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。整個(gè)機(jī)械手由機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)械爪開合機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及裝卸刀具直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。圖見自動(dòng)換刀機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置外形。3.2.1 手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)：回轉(zhuǎn)頭的兩端對(duì)稱分布著兩個(gè)機(jī)械臂，可以同時(shí)伸出抓刀。機(jī)械臂伸縮機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)液壓缸1（見驅(qū)動(dòng)外形圖），輸出軸47，齒輪44以及齒條39和45組成（見自動(dòng)換刀機(jī)械手圖）。當(dāng)壓力油通過支架28和貫穿花鍵軸30的通孔（見換刀機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置圖）進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸1時(shí)，推動(dòng)輸出軸47轉(zhuǎn)動(dòng)，軸上的齒輪44便帶動(dòng)齒條39和44作直線運(yùn)動(dòng)，使兩只機(jī)械臂同時(shí)伸出，通過齒條39及44上的擋塊52壓向調(diào)整螺釘53來限制終點(diǎn)位置。同時(shí)由左視圖中的微動(dòng)開關(guān)30發(fā)出信號(hào)，以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸改變油路時(shí)，機(jī)械臂便縮回。3.2.2 手爪的開合（見自動(dòng)換刀機(jī)械手圖）機(jī)械臂的頭部帶有固定手爪14與活動(dòng)手爪18，用來夾持刀柄之用。活動(dòng)手爪18可繞小軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，其一端由彈簧桿19作用支靠在小軸20上。當(dāng)彈簧頂桿3未碰到擋塊13而自由伸出時(shí)，擋桿22在彈簧作用下，其一端的斜面與活動(dòng)手爪18的端部斜面臺(tái)階相靠，從而將活動(dòng)手爪18鎖死。當(dāng)擋塊13左移，將彈簧頂桿3壓入時(shí)，頂桿3的一端迫使杠桿21順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，杠桿21的一端將擋桿22的斜面自活動(dòng)手爪18的端部斜面滑開。因此，當(dāng)活動(dòng)手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回時(shí)，刀柄表面可使活動(dòng)手爪18壓縮彈簧而稍微張開，這樣機(jī)械爪即可將刀柄抱住或退出。與此同時(shí)，齒條44（或39）上的擋桿壓于調(diào)整螺釘而限位，同時(shí)微動(dòng)行程開關(guān)動(dòng)作發(fā)出下一動(dòng)作的信號(hào)。由于機(jī)械爪伸向刀柄拔刀，或插刀后收回，都是當(dāng)機(jī)械手處于軸向向左移動(dòng)后的位置上進(jìn)行的。為了使機(jī)械手的活動(dòng)手爪18在這時(shí)能從自鎖狀態(tài)下松開，在機(jī)床床身立柱上設(shè)有固定桿35，在機(jī)械臂的一側(cè)有擋塊裝置。擋塊13、錐孔盤4（在端面上周向均勻分布有4個(gè)錐孔）和軸9固定相連，軸9裝于支架12內(nèi)，其右端又與一端蓋10用螺紋固定。當(dāng)擋塊13未與固定桿35相碰時(shí)，錐孔盤4處于與鋼球5相對(duì)位置，彈簧銷11頂著端蓋10，使錐孔盤4緊靠于支架12的端面上，此時(shí)機(jī)械臂的彈簧頂桿3自由伸出，活動(dòng)手爪1處8于鎖死狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手軸向向右移動(dòng)后，固定桿35迫使擋塊13轉(zhuǎn)動(dòng)，由于此時(shí)錐孔盤4端面上的錐孔與鋼球5錯(cuò)開，這樣錐孔盤4即連同擋塊13、軸9、端蓋11、壓縮彈簧銷11向左移動(dòng)。擋塊13即將機(jī)械臂上的彈簧頂桿3壓入，將活動(dòng)手爪18自鎖緊狀態(tài)下松開。當(dāng)機(jī)械爪伸出抓住刀柄后，機(jī)械手軸向向左伸出，此時(shí)擋塊13亦同時(shí)離開固定桿35，借彈簧1的作用，將擋塊13拉回原來的錐孔盤4上錐孔與鋼球5相對(duì)的原始位置，由彈簧銷11的作用，使擋塊13又向右移動(dòng)至錐孔盤4與支架12端面壓緊的位置。這時(shí)機(jī)械臂上的彈簧頂桿3又自由伸出，將活動(dòng)手爪18鎖死，保證機(jī)械手將刀具拔出后，機(jī)械手能將刀具可靠地夾緊。3.2.3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（見驅(qū)動(dòng)裝置圖）回轉(zhuǎn)機(jī)械用來實(shí)現(xiàn)刀具的交換動(dòng)作，由圖驅(qū)動(dòng)外形裝置圖可見它由手臂14，回轉(zhuǎn)座51組成的。手臂14與花鍵軸50固定連接，花鍵軸與兩個(gè)花鍵套筒49相連，后者則由固定在機(jī)床立柱上回轉(zhuǎn)座51上的兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐。齒輪41通過花鍵軸套筒安裝在花鍵軸的右端?；剞D(zhuǎn)液壓缸的結(jié)構(gòu)見第三張圖，回轉(zhuǎn)缸殼體79和上端蓋86、下端蓋74、定片93間均用螺釘聯(lián)接，并將它們作為一體通過上端蓋與固定在立柱上。轉(zhuǎn)軸2支承在上、下端蓋上，與動(dòng)片90固定聯(lián)接，其伸出端通過花鍵軸部分與中間座的齒輪聯(lián)接，向手臂傳遞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液壓缸通入高壓油而使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過傳動(dòng)齒輪99帶動(dòng)齒輪41回轉(zhuǎn)，這樣，由花鍵軸50帶動(dòng)手臂14轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角兩相對(duì)180的極限位置，可由螺釘67及53限定，同時(shí)由螺釘65及68壓下微動(dòng)開關(guān)69及52發(fā)出到位信號(hào)，以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。3.2.4 直線運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)頭14的向左或向右（拔刀或插刀）的直線運(yùn)動(dòng)是由液壓缸來實(shí)現(xiàn)。液壓缸座系固定于機(jī)床立柱上，活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連。當(dāng)活塞桿因液壓缸進(jìn)入高壓油而向左或向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械手臂作向左或向右運(yùn)動(dòng)。在液壓缸兩端設(shè)有緩沖裝置，可防止活塞與液壓缸端面的撞擊。當(dāng)活塞在左右兩極限位置時(shí)，都設(shè)有可調(diào)擋塊，由微動(dòng)開關(guān)作用發(fā)出到位信號(hào)。需要提醒的是，既要保證不漏油，又要保證機(jī)械手動(dòng)作靈活。過緊的密封，往往影響機(jī)械手的正常動(dòng)作。這種液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，每個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前均需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)，以保證機(jī)械手的工作平穩(wěn)、可靠。緩沖結(jié)構(gòu)可以是小孔節(jié)流，可以外接節(jié)流閥或是緩沖閥等。為了使機(jī)械手工作平穩(wěn)可靠，除了要設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)外，還要考慮盡可能減小機(jī)械手的慣量。圓柱體圍繞旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)慣量可由下式確定：J=J0+WR2/9.8 (N.m.s2)式中 J0圓柱體繞其自身中心的慣量（Nms2）W圓柱體的重量（N）R旋轉(zhuǎn)半徑(m)由上式可見，慣量與物體重量成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方成正比。因此要盡可能采用密度小質(zhì)量請(qǐng)的材料制造有關(guān)的零件，要盡可能的減小機(jī)械手的回轉(zhuǎn)半徑。由于液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要采用嚴(yán)格的密封，因此還需要緩沖機(jī)構(gòu)。3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 手指夾緊力的計(jì)算：手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算：Nk1k2k3G kgf式中k1安全系數(shù)，通常取1.22，我們?nèi)1=1.8； k2動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按k21a/g估算；a為機(jī)械手在搬運(yùn)過程中的加速度，單位為m/s2,a9.8m/s2,g為重力加速度，所以這里k2=1；k3方位系數(shù)，按機(jī)械工程手冊(cè)（第10卷）表56.2-3選取k3=0.91.1，我們?nèi)3=1.0;G被夾持工件的重量，單位kg，這里G=11kg。則我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手手指的夾緊力為：N1.811.011 kgf = 19.8 kgf3.3.2 齒輪的設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對(duì)位置的不同分為：兩軸相互平行，兩軸相交和兩軸交錯(cuò)（即不平行也不相交）三類。用與平行軸傳動(dòng)的有；直齒、斜齒、圓柱齒輪、直齒、斜齒內(nèi)齒輪、直齒、斜齒緣，這些齒輪有稱為平面齒輪。用與相交軸傳動(dòng)的有：兩軸線垂直相交和兩軸線相交但不垂直的直齒、圓弧齒、延伸外擺線齒錐齒輪。用與交錯(cuò)軸傳動(dòng)的有：螺旋齒輪、蝸輪蝸桿和軸線偏置的錐齒輪（雙曲線齒輪）這些齒輪又稱空間齒輪。齒輪齒形曲線主要采用漸開線、其它還有擺線、圓弧線等，由于漸開線齒形容易制造，便于安裝，所以大多數(shù)齒輪采用漸開線齒形。齒形標(biāo)準(zhǔn)：（摘自JB-100-60，JB304-62）齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞的功率近十萬千瓦，圓周速度可達(dá)200m/s。齒輪傳動(dòng)按照兩齒輪軸在機(jī)構(gòu)中相對(duì)位置的不同一. 齒輪傳動(dòng)主要特點(diǎn)：效率高 在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪傳動(dòng)的效率為最高。如一級(jí)圓柱齒輪的效率可達(dá)99%。這對(duì)大功率傳動(dòng)十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，也有很大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)緊湊 在相同的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小。工作可靠，壽命長(zhǎng) 設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪，工作十分可靠，壽命可長(zhǎng)達(dá)一、二十年，這也是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。這對(duì)車輛及礦井內(nèi)工作的機(jī)器尤為重要。傳動(dòng)比穩(wěn)定 傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一特點(diǎn)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離大的場(chǎng)合。齒輪傳動(dòng)可做成開式、半開式及閉式。如在農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械以及簡(jiǎn)易的機(jī)械設(shè)備中，有一些齒輪傳動(dòng)沒有防塵罩或機(jī)殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)外界雜物極易侵入，而且潤(rùn)滑不良，因此工作條件不好，輪齒也極易磨損，故只宜用于低速傳動(dòng)。當(dāng)齒輪傳動(dòng)裝有簡(jiǎn)易的防護(hù)罩，有時(shí)還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動(dòng)。它的工作條件雖有改善，但仍不能做到防止外界雜物侵入，潤(rùn)滑條件也不算最好。而汽車、機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等所用的齒輪傳動(dòng)，都是裝在精確加工而且封閉嚴(yán)密的箱體（機(jī)匣）內(nèi)，這稱為閉式齒輪傳動(dòng)（齒輪箱）。它與開式或半開式相比，潤(rùn)滑及防護(hù)等條件最好，多用于重要的場(chǎng)合。二. 設(shè)計(jì)原則：所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。目前設(shè)計(jì)一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí)，通常按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對(duì)齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬，齒芯要韌。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵和一些非金屬材料。三. 設(shè)計(jì)步驟：整個(gè)回轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)180換刀的運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)液壓缸8驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)液壓缸的輸出軸上安裝有齒輪99，齒輪41裝在套筒上，回轉(zhuǎn)液壓缸固定在立柱上。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪99帶動(dòng)齒輪41轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角的極限位置可由螺釘限定，同時(shí)有微動(dòng)行程開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，其運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式為：41/99=Z2/（Z1+Z2）式中41 -回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)角度 99-回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的轉(zhuǎn)角 Z1-齒輪41的齒數(shù) Z2-齒輪99的齒數(shù)由于在這里44=180，99=280，即：180/280= Z2/（Z1+Z2）解得：兩齒輪的齒數(shù)比= Z2/Z1=1.8選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1） 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。2） 換刀機(jī)械手換刀時(shí)速度較高，我們選用6級(jí)精度（GB10095-88）。3）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）,硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。4）選小齒輪齒數(shù)為Z1=24,大齒輪齒數(shù)Z2=Z1=1.824=43.2,取Z2=43。按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即：d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3 1)確定公式內(nèi)各計(jì)算式數(shù)值試選載荷系數(shù)Kt=1.3計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=95.5105P1/n1=95.510530/ 1460N.mm =1.962105N.mm由表10-7選取齒寬系數(shù)d1由表10-6查的材料的彈性影響系數(shù)ZE =189.8MPa1/2由圖10-21d按齒輪齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 Hlim1 =600MPa;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2=550MPa; 由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=6014601（2830015）=6.307109N2=4.147109/3.2=1.296109由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1 =0.91;K HN2=0.94計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式(10-12)得H1= KHN1Hlim1/S=0.91600MPa=546MPH2= KHN2Hlim2/S=0.94550Mpa=517Mpa2)計(jì)算試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入H中較小的值d1t2.32(KtT1/d)(1)/(ZE/H)21/3 =2.32(1.31.962105/1)(4.7+1)/4.7(109.8/517)21/3 =80.445mm計(jì)算圓周速度vv=d1tn1/601000=80.4451460/601000m/s=6.15m/s計(jì)算齒寬bb=dd1t=180.445=80.445計(jì)算齒寬與齒高之比b/h模數(shù) mt=d1t/ Z1=80.445/24=3.352齒高 h=2.25mt=2.253.352mm=7.54mmb/h=80.445/7.54=10.67計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)v=6.15m/s,6級(jí)精度,由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)：KV=1.02;直齒輪 ,假設(shè)KAFt/b100N/.由表10-3查得：KH=KF=1.2;由表10-4查得使用系數(shù)：KA=1;由表10-4查的7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱分布時(shí)，KH=1.12+0.18(1+0.6d2)d2+0.2310-3b將數(shù)據(jù)代入后得KH=1.12+0.18(1+0.612)12+0.2310-380.445=1.75由b/h=10.67, KH=1.75,查圖10-13得KF=1.35;故載荷系數(shù)：K=KAKVKHKH=11.021.21.75=2.142按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得d1= d1t(K/Kt)2/3=80.445(2.142/1.3)2/3=95.01 計(jì)算模數(shù)mm=d1/ Z1=95.01/24=3.95按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度計(jì)算的設(shè)計(jì)公式為m(2KT1/d Z12)(YFaYSa/F)1/31)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限：FE1=500MPa大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限：FE2=380MPa由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：KFN1=0.85KFN2=0.88計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)：S=1.4由式（10-12）得F1= KFN1/FE1=0.85500/1.4MPa=303.57Mpa F2= KFN2/FE2=0.88380/1.4MPa=238.86MPa計(jì)算載荷系數(shù)K=KAKVKFKF=11.021.21.35=1.944查取齒形系數(shù)由表10-5 查得：YFa1=2.65YFa2=2.226查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5查得：YSa1 =1.58YSa2=1.764計(jì)算大、小齒輪的YFaYSa/F并加以比較YFa1YSa1/F1 =2.651.58/303.57=0.01379YFa2YSa2/F2=2.2261.764/238.86=0.01644大齒輪的數(shù)值大。2）設(shè)計(jì)計(jì)算 m（21.9449.948105）/12420.16441/3=2.792對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.792并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=3。按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=95.01,算出：小齒輪齒數(shù)：z1= d1/m=95.01/3=32大齒輪齒數(shù)：z2=z1=1.832=57.6取z2=58這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。幾何尺寸計(jì)算1） 計(jì)算分度圓直徑d1=z1m=323=96 d2=z2m=583=1742）計(jì)算中心距a= (d1+d2)/2=（96+174）/2=1343）計(jì)算齒輪寬度 b=dd1=196=96驗(yàn)算 Ft =2T1/d1=21.965105/96N=4087.5NKAFt/b=14087.5/96N/=42.58 N/100 N/,合適.另外，機(jī)械手臂的伸出和縮回是通過齒輪齒條傳動(dòng)進(jìn)行的，其設(shè)計(jì)過程與此相似，由于受篇幅的限制，這里就不再敘述設(shè)計(jì)步驟。3.3.3 軸的設(shè)計(jì)軸是組成機(jī)械的一個(gè)常用的重要零件，它支持著其他轉(zhuǎn)動(dòng)零件如齒輪、蝸輪等零件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，它由軸系支持、軸承則安放在箱體或機(jī)架上面，軸承、軸和軸上零件形成一個(gè)組成體，稱為軸系。組成軸系的主要零件-軸、軸承、聯(lián)軸器等稱為軸系零件。軸設(shè)計(jì)的主要問題：軸的設(shè)計(jì)主要包括：軸的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算等，設(shè)計(jì)軸的主要步驟如下：（1） 根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)總體布局?jǐn)M定軸上零件的位置。（2）選擇軸的材料。（3）初步估計(jì)軸的直徑。（4）進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（5）進(jìn)行軸的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)計(jì)算。（6）校核鍵、軸承、聯(lián)軸器等的強(qiáng)度或壽命。（7）繪出軸系的裝配圖、零件圖等。軸是組成機(jī)械的一個(gè)重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)它又通過軸承和機(jī)架聯(lián)接。所有軸上零件都圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成了一個(gè)以軸為基準(zhǔn)的組合體軸系部件。一. 軸的總類：軸按受載情況分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸，其中轉(zhuǎn)軸既支承傳動(dòng)機(jī)件又傳遞力，即承受彎矩和扭矩兩種作用；心軸只起支承旋轉(zhuǎn)件作用而不傳遞動(dòng)力，即只承受彎矩作用；傳動(dòng)軸主要傳遞動(dòng)力，即主要承受扭矩作用。按結(jié)構(gòu)形狀分為：光軸、階梯軸、實(shí)心軸、空心軸等。按幾何軸線形狀分為：直軸、曲軸、鋼絲軟軸。設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)考慮多方面的因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛度。對(duì)于高速軸還應(yīng)考慮震動(dòng)穩(wěn)定性問題。二. 軸的常用材料軸的材料種類很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。軸的常用材料是35、45、50優(yōu)質(zhì)碳素鋼，對(duì)于受載較小或不太重要的軸，也可以用A3、A5等普通碳素鋼。對(duì)于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。根據(jù)工作條件要求，軸可在加工前或加工后經(jīng)過整體或表面處理，以及表面強(qiáng)化處理（如噴丸、輥壓、氮化等），以提高其強(qiáng)度（尤其疲勞強(qiáng)度）和耐磨、耐腐蝕等性能。軸一般由軋制圓鋼或鍛件經(jīng)切削加工制造。軸的直徑較小，可用圓鋼棒制造；對(duì)于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕?。?duì)于形狀復(fù)雜的軸，可采用鑄造。軸的結(jié)構(gòu)決定于受載情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯、制造和裝配工藝及安裝、運(yùn)輸?shù)葪l件。軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)是盡量減小應(yīng)力集中，受力合理，有良好工藝性，并使軸上零件定位可靠，裝拆方便。對(duì)于要求剛度大的軸，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)上考慮減小軸的變形。零件與軸的固定或聯(lián)接方式，隨零件的作用而異。一般情況下，為了保證零件在軸上具有固定的工作位置，需從軸向和周向加以固定。三. 軸的設(shè)計(jì)過程我們?cè)O(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置中所采用的軸主要作用是既可以在插刀、拔刀時(shí)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手左右移動(dòng)，又可在交換刀具時(shí)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，由于這兩個(gè)動(dòng)作是分離的，我們?cè)谶@里采用花鍵軸。該花鍵軸左端與回轉(zhuǎn)頭固定聯(lián)接，兩個(gè)花鍵套筒通過軸承安裝在機(jī)床立柱上的回轉(zhuǎn)座內(nèi)，齒輪41通過花鍵套筒安裝在花鍵軸的右端。當(dāng)回轉(zhuǎn)缸通入壓力油而使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過傳動(dòng)齒輪99帶動(dòng)齒輪41轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，花鍵軸即可帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，又由于直線液壓缸活塞桿端部有聯(lián)接件與花鍵軸相連，當(dāng)活塞桿因油缸進(jìn)入高壓油而向左或向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過聯(lián)接件即可帶動(dòng)花鍵軸作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)頭及機(jī)械臂作向左或向右運(yùn)動(dòng)。已知條件：花鍵軸傳遞的功率為：P=30KW；軸的轉(zhuǎn)速為n=1460r/min估算軸徑選擇軸的材料為40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四卷）表26.1-1查得材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)為： b=750MPa s=550MPa -1=350MPa -1=200MPa根據(jù)表26.3-1公式初步計(jì)算軸徑，由于材料為40Cr，由表26.3-2選取A=100，則得： dmin=A(P/n)1/3=100(30/1460) 1/3=27.3我們選用花鍵軸的尺寸為：Ddb=655610軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3.8-a)所示：軸上受力分析，如圖3.8-b)所示：軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為：T1=9.55106P/n=9.5510630/1460 N=1.962105 N齒輪的圓周力為：Ft=2T1/d1=21.962105/96 N=4088 N齒輪的徑向力為：Fr= Fttg=4088tg20 N=1488 N圖38求支反力在水平面上的支反力（圖3.8-c）：由： MA=0得：RBZaFr(a+b)=0則： RBZ=Fr(a+b)/a=1488(280+80)/280N=1913.14N由： Z=0得：RAZ= FrRBZ=14881913=425N數(shù)值為負(fù)表示方向與圖示方向相反。在垂直面內(nèi)的支反力（圖3.8-e）：由： MA=0得：RByaFt(a+b)=0則： RBy=Ft(a+b)/a=4088(280+80)/280N=5256N由： Y=0得：RAy= FtRBy=40885256=1168N數(shù)值為負(fù)表示方向與圖示方向相反。作彎矩和扭矩圖齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖如圖3.8-d所示：MDZ=RAZ(a+b)=425(280+80) N=153000NMDZ=RBZb=191380 N=153000N齒輪的作用力在垂直平面的彎矩圖如圖3.8-f所示:MDy=RAy(a+b)=1168(280+80) N=420000NMDy=RByb=525880 N=420000N齒輪作用力在D截面作出的最大合成彎矩為：Md=(MDZ2+MDy2)1/2=(153000)2+(420000)2 1/2 N=447000 N作出扭矩圖，如圖2.8-g所示：T1=1960000 N軸的強(qiáng)度校核確定危險(xiǎn)截面。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸以及彎矩圖、扭矩圖，截面B處彎矩較大，且具有軸承配合引起的應(yīng)力集中，截面D處彎矩最大，且有齒輪配合與鍵槽引起的應(yīng)力集中，故屬危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)對(duì)D截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。安全系數(shù)的校核計(jì)算：由于該軸轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩引起對(duì)稱循環(huán)的彎應(yīng)力，轉(zhuǎn)矩引起的為脈動(dòng)循環(huán)的剪應(yīng)力。彎曲應(yīng)力副為：=MD/WW抗彎截面系數(shù)，由公式：W=d4+(Dd)(D+d)2zb/32DW=d4+(Dd)(D+d)2zb/32D=564+(6256)(62+56)2610/3262=20029 MPa所以 =MD/W=447000/20029 MPa=18.091 MPa由于是對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力m=0，根據(jù)公式26.3-2，S=-1/(K/)+m確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值：-140Cr彎曲對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限，由表26.1-1查得，-1=350MPa K正應(yīng)力有效集中系數(shù)，由表26.3-6，用插值法求得：（750700）/（800750）=（ K1.60）/（1.65K）得： K=1.625 尺寸系數(shù)，由表26.3-11，查得：=0.68 表面質(zhì)量系數(shù)，軸按磨削加工，由表26.3-9查得；=0.68代入公式得：S=350106/(1.62518.091/0.920.68)106+0 =7.45剪應(yīng)力副為：m=T1/2WTWT抗扭截面系數(shù)，由公式：W=d4+(Dd)(D+d)2zb/16D=564+(6256)(62+56)2610/1662=36182 MPa所以 m=T1/2WT=196000103/236.183 MPa=2.7 MPa由公式26.3-2，S=-1/(K/)+確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值：-140Cr彎曲對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限，由表26.1-1查得，-1=200MPaK彎應(yīng)力有效集中系數(shù)，由表26.3-6，用插值法求得：（750700）/（800750）=（K2.45）/（2.55K）得： K=2.5尺寸系數(shù)，由表26.3-11，查得：=0.68表面質(zhì)量系數(shù)，軸按磨削加工，由表26.3-9查得；=0.68 平均應(yīng)力折算系數(shù)，由表26.3-13，查得：=0.29代入公式得：S=200106/(2.52.7/0.920.68)106+0.292.7106=20.32則： Sca=SS/ S2+ S21/2=7.4520.32/ 7.452+20.3221/2=6.99由表26.3-4可知，S=1.32.5故SS，則該軸是安全的。3.3.4 軸承的設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中應(yīng)用廣泛的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件的。其優(yōu)點(diǎn)主要有摩擦阻力小，功率消耗少，起動(dòng)容易等。一. 軸承的分類如果僅按軸承用于承受的外載荷不同來分類時(shí)，滾動(dòng)軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承，主要承受徑向載荷的軸承叫做向心軸承；只能承受軸向載荷的軸承叫做推力軸承；能同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的軸承叫做向心推力軸承。二. 軸承的選用原則軸承的選用，包括類型、尺寸、精度、游隙、配合以及支承形式的選擇。首先是選擇軸承的類型，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要因素有：軸承的載荷、轉(zhuǎn)速和調(diào)心性能、安裝和拆卸等。根據(jù)載荷的大小選用軸承類型時(shí)，由于滾子軸承中的主要元件是線接觸，宜用于承受較大的載荷，承載后的變形也較小。而球軸承中則主要為點(diǎn)接觸，宜用于承受較輕的或中等的載荷，故在載荷較小時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。根據(jù)載荷的方向選擇軸承時(shí)，對(duì)于純軸向載荷，一般選用推力軸承；對(duì)于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承；當(dāng)同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，而軸向載荷不大時(shí)，可選用深溝球軸承或接觸角不大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，當(dāng)軸向載荷較大時(shí)，可選用接觸角較大的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。在一般轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的高低對(duì)類型的選擇不會(huì)發(fā)生什么影響，只有在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才會(huì)有比較顯著的影響。球軸承與滾子軸承相比較，有較高的 極限轉(zhuǎn)速，故在高速時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。軸承的極限轉(zhuǎn)速是在一定載荷和一定潤(rùn)滑條件下，滾動(dòng)軸承所能允許的最高轉(zhuǎn)速，它與軸承類型、尺寸、精度、游隙，保持架的材料與結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑的性質(zhì)與用量、載荷的大小與方向以及散熱條件等因素有關(guān)。此外，軸承類型的選擇還應(yīng)該考慮軸承裝置整體設(shè)計(jì)的要求，如軸承的配置使用要求、游動(dòng)要求等。三. 軸承的設(shè)計(jì)過程根據(jù)以上原則，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，花鍵套筒的支撐我們選用角接觸球軸承，它可以同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷，也可單獨(dú)承受軸向載荷，能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作，由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對(duì)使用。且承受軸向載荷的能力與接觸角有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。成對(duì)安裝的角接觸球軸承，是由兩套相同系列的單列角接觸球軸承選配組成，作為一個(gè)支承整體。按其外圈不同端面的組合分為背對(duì)背方式和面對(duì)面方式兩種，背對(duì)背方式是指一個(gè)支承上的兩個(gè)軸承小口相對(duì)，構(gòu)成70000/DB型，面對(duì)面方式是指一個(gè)支承上的兩個(gè)軸承大口相對(duì)，構(gòu)成70000/DF型，我們采用70000/DF型。在進(jìn)行壽命計(jì)算時(shí)，其基本額定動(dòng)載荷和基本額定靜載荷均應(yīng)取雙列軸承的數(shù)值，如單列軸承的基本額定動(dòng)載荷和基本額定靜載荷分別為Cr、C0r，則成對(duì)安裝的軸承的基本額定動(dòng)載荷為C=i0.7Cr基本額定靜載荷C0=iC0r（其中I為支撐整體中單個(gè)軸承數(shù)），極限轉(zhuǎn)速為單個(gè)軸承的60%80%?；ㄦI軸的D=62，我們選用軸承型號(hào)為7214AC,參數(shù)見下表：軸承型號(hào)dDBar1minCrC0r極限轉(zhuǎn)速（r/min）7214AC701252435.10.669.257.56700其中極限轉(zhuǎn)速是采用油潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)速，若采用脂潤(rùn)滑，極限轉(zhuǎn)速為4500 r/min。軸承的安裝如圖3.9所示：圖3.9已知條件：軸上齒輪受切向力 Ft=4088N，齒輪受徑向力 Fr=1488N，齒輪的分度圓直徑為 d=96，齒輪轉(zhuǎn)速為 n=1460r/min，運(yùn)動(dòng)中無沖擊，軸承預(yù)期計(jì)算壽命為 Lh=15000h。成對(duì)安裝的7214AC軸承：基本額定動(dòng)載荷為：C=i0.7Cr= 20.769.2KN=112.4KN基本額定靜載荷為：C=iCr=257.5KN=115KN求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2將軸系部件受到的空間力系分解為鉛垂面（圖3.9-b）和水平面（圖3.9-3c）兩個(gè)平面力系。其中圖3.9-c的Ft是通過另加轉(zhuǎn)矩而平移到的，指向軸線，由分析可知：F