4轴加工中心机械手自动换刀装置的设计

Qq2604130359

本 科 毕 业 设 计

题目4轴加工中心机械手自动换刀装置的设计

系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 李敬 职 称 教授

2015年 4 月 3 日

摘 要

机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。设计思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀，机械手的转动有回转液压缸运来实现，其动力则由驱动系统实现。加工中心的自动换刀装置，通常是由刀库和机械手组成，它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手部分更是如此。这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的结构形式。整个机械手由机械臂伸缩机构，机械爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线运动机构组成。 关键词：加工中心； 机械手； 刀库； 机械臂

Abstract

Manipulator is automatically change tool device the main tool to exchange tool, it bears on the knife library on the tool to spindle, and then the spindle has used tool returns tasks on tool store. Design idea is to use robots to achieve the action machining center, the rotation of the manipulator change cutters are shipped turn hydraulic cylinder, its power is realized by drive system implementation. Machining center, the automatic cutter replacement device is usually composed by knife library and manipulator, it is the symbol of processing center, it is crucial to the success of the processing center link. So the processing center manufactures are developed rapidly next vigorously, high reliability of action, in order to be automatic cutter replacement device in the fierce competition and achieved good benefit, automatically change tool device is the core content of machining center, the manufacturers are confidential, seldom publicly about material, especially manipulator part is even more so. This manipulator, a sword, inserted knife action by oil cylinder action mostly to finish. According to the structural requirement, can use oil cylinder move, piston fixed; Or the piston move, oil cylinder fixed structure. The whole manipulator, by mechanical arm telescopic institution of mechanical claw opening-closing institutions, rotary institutions and loading and unloading tool linear motion mechanism composition.

Key words: machining centre； manipulator； magazine tool； mechanical arm

目 录

1 前言 ......................................................................................................................................................... 1 2 加工中心的总体布局 ............................................................................................................................. 1

2.1 技术条件 ...................................................................................................................................... 1 2.2 总体布局 ...................................................................................................................................... 2 2.3 卧式加工中心的机械结构： ...................................................................................................... 2 3 换刀机械手的设计 ................................................................................................................................. 2

3.1 刀具的交换装置 .......................................................................................................................... 2

3.1.1 自动换刀装置 ................................................................................................................... 2 3.1.2 机械手的种类 ................................................................................................................... 4 3.1.3 手爪的选择 ....................................................................................................................... 8 3.1.4 刀具的夹持 ....................................................................................................................... 8 3.2 机械手的驱动装置 ...................................................................................................................... 9

3.2.1 手臂的伸缩运动： ........................................................................................................... 9 3.2.2 手爪的开合（见自动换刀机械手图） ......................................................................... 10 3.2.3 回转运动（见驱动装置图） ......................................................................................... 10 3.2.4 直线运动 ......................................................................................................................... 11 3.3 设计计算 .................................................................................................................................... 11

3.3.1 手指夹紧力的计算： ..................................................................................................... 11 3.3.2 齿轮的设计 ..................................................................................................................... 12 3.3.3 轴的设计 ......................................................................................................................... 17 3.3.4 轴承的设计 ..................................................................................................................... 22 3.3.5 弹簧的设计 ..................................................................................................................... 26

4 结论 ....................................................................................................................................................... 29 参考文献 ..................................................................................................................................................... 29 致 谢 ......................................................................................................................................................... 31

1 前言

本次设计的题目是加工中心的自动换刀装置中的核心部件---机械手的设计。机

械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。

设计此机械手的目的是为了使加工中心能够更快的的工作，使加工中心能够得到更加充分的利用，以实现其的价值所在；再者，由于使用了机械手，减少由于人工换刀带来的生产效率低，并且容易出事故的弊端。

本次设计的内容主要有回转液压缸装置和机械运动的驱动系统，对于其中动作的实现则由电气控制来实现。

由于本人能力及学识有限，在设计中存在有很多缺陷，望老师们能多加指导。

2 加工中心的总体布局

盘式刀库的卧式加工中心

卧式加工中心的主轴是水平设置的，卧式加工中心刀库容量一般较大，有的刀库可存放几百把刀具，卧式加工中心的结构较立式加工中心复杂，占地面积大，价格也较高，卧式加工中心较适用于加工箱体之类的零件，特别对箱体零件上的一些孔和孔系，以及孔和型腔与基准面有严格要求的箱体，容易得到保证，适合于批量加工。

卧式加工中心的功能较立式加工中心多，在立式加工中心上加工不了的工件，在卧式加工中心上一般都能加工。

2.1 技术条件

我们所设计的加工中心的主要的技术参数有： 1. 刀库容量： 24把刀 2. 刀柄型号： 标准刀柄 3. 刀具最大直径： 120㎜ 4. 刀具最大重量： 1.5kg 5. 刀具重量： 11㎏ 6. 换刀时间： 3s

1

2.2 总体布局

图1 卧式加工中心的总体布局

2.3 卧式加工中心的机械结构：

1主轴组件 对加工中心主轴组件的基本要求是具有足够的刚度，精度，传递足够的功率和转矩，以及高速运转和适应自动换刀的条件。主轴轴承多采用高精度，高刚度，高速滚动轴承。

卧式加工中心的主轴组件按进给功能分有镗轴进给，滑枕进给及非进给主轴等类型，大多数采用非进给型主轴。

2立柱 立柱有侧面导轨型与正面导轨型。侧面导轨型立柱便于机床的总体设计，制造成本也较低，并抑易于与非数控卧式镗铣床建立模块化系列关系，但这类立柱在机床工作时受力状况较差，且热变形的对称性差，因而对机床加工精度影响较大。正面导轨型立柱多采用门式结构，有较好的热对称结构和受力条件，多数加工中心采用这种立柱形式。

3工作台 卧式加工中心可采用自动分度工作台，数控回转工作台。

3 换刀机械手的设计

3.1 刀具的交换装置

3.1.1 自动换刀装置

加工中心区别于NC镗铣床的主要特点就在于它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能，即自动换刀（ATC）机能。

2

机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。

加工中心的自动换刀形式，可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式两类。无机械手换刀方式，适用于采用40号以下刀柄的小型加工中心或换刀次数少的用量型刀具的重型机床，这种换刀方式没有机械手，因而结构简单。另外，刀库回转是在工步与工步之间，即非切削时进行的。因此，虽然刀库设置在立柱顶面，却免去了刀库回转时的震动对加工精度的影响。

无机械手换刀方式中，刀库可以是圆盘型、直线排列式，也可以是格子箱式等。无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度，为保证转位准确，就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙，为此可采用双导程蜗杆蜗轮副，或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式，或采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。圆盘型刀库可设在立柱顶上、立柱主轴箱的侧面，也可设在横梁一端，或设在主轴箱上，由主轴箱和刀库配合运动完成自动换刀动作。直线排列式刀库可设在工作台上方，也可设在工作台的一端或两端，由主轴箱或工作台配合运动完成自动换刀动作。格子箱式刀库可设在双工作台的中间，换刀时，小直径刀具可轴向取刀，大直径刀具可径向取刀。

加工中心的自动换刀装置，通常是由刀库和机械手组成，它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。因此各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手部分更是如此。

无机械手换刀方式中特别需要注意的是刀库转位定位的准确度。为保证转位准确，就要尽力消除刀库驱动传动链的间隙，为此可采用双导程蜗杆蜗轮副，或采用可以相互错位的两片齿轮结构形式；或采用插销定位、反靠定位等方法来准确定位。

采用机械手进行刀具交换的方式应用的最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。

3

图见零号图自动换刀机械手。换刀动作如图2所示：

图2 机械手的换刀动作

3.1.2 机械手的种类

加工中心换刀机械手的种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，在加工中心的自动换刀系统中，是机械手具体执行刀具的自动更换，对其要求是迅速可靠、准确协调。由于加工中心机床的刀库和主轴，其相对位置距离不同，相应的换刀机械手的运动过程也不尽相同，它们由各种形式的机械手来完成。常见的机械手有：

1 单臂单爪回转式机械手

机械手摆动的轴线与刀具主轴平行，机械手的手臂可以回转不同的角度来进行自动换刀，换刀具的所花费的时间长，用于刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。如图3所示：

4

图3 单臂单爪回转式机械手 2 单臂双爪回转式机械手

图4 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短，如图4所示。

2 双臂回转式机械手（俗称扁担式）

5

这种机械手的两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180°之后有同时将刀具归回刀库及装入主轴，是目前加工中心机床上最为常用的一种形式，换刀时间要比前两种都短，如图5所示。

图5 双臂回转式机械手

这种机械手在有的设计中还采用了可伸缩的臂，如图6所示：

图6 双臂回转式机械手

3 双机械手

6

a为机械手在搬运过程中的加速度，单位为m/s2,a＝9.8m/s2,g为重力加速度，所以这里k2=1；

k3——方位系数，按《机械工程手册》（第10卷）表56.2-3选取k3=0.9~1.1，我们取k3=1.0;

G——被夹持工件的重量，单位kg，这里G=11kg。 则我们设计的机械手手指的夹紧力为： N≥1.83131.0311 kg·f = 19.8 kg·f 3.3.2 齿轮的设计

齿轮传动按照两齿轮轴在机构中相对位置的不同分为：两轴相互平行，两轴相交和两轴交错（即不平行也不相交）三类。

用与平行轴传动的有；直齿、斜齿、圆柱齿轮、直齿、斜齿内齿轮、直齿、斜齿缘，这些齿轮有称为平面齿轮。

用与相交轴传动的有：两轴线垂直相交和两轴线相交但不垂直的直齿、圆弧齿、延伸外摆线齿锥齿轮。

用与交错轴传动的有：螺旋齿轮、蜗轮蜗杆和轴线偏置的锥齿轮（双曲线齿轮）这些齿轮又称空间齿轮。

齿轮齿形曲线主要采用渐开线、其它还有摆线、圆弧线等，由于渐开线齿形容易制造，便于安装，所以大多数齿轮采用渐开线齿形。

齿形标准：（摘自JB-100-60，JB304-62）

轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率近十万千瓦，圆周速度可达200m/s。齿轮传动按照两齿轮轴在机构中相对位置的不同

二. 设计原则：

所设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。目前设计一般使用的齿轮传动时，通常按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。

设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。常用的齿轮材料有钢、铸铁和一些非金属材料。

三． 设计步骤：

整个回转头回转180°换刀的运动是由回转液压缸8驱动，回转液压缸的输出轴上安装有齿轮99，齿轮41装在套筒上，回转液压缸固定在立柱上。当回转液压缸动片转动时，齿轮99带动齿轮41转动，其转角的极限位置可由螺钉限定，同时有微动行程开关发出到位信号，其运动的计算公式为：

υ

41/υ99=Z2/（Z1+Z2）

（3）

式中υ

41 ----回转头的回转角度

12

υ99----回转缸动片的转角

Z1----齿轮41的齿数 Z2----齿轮99的齿数 由于在这里υ

44=180°，υ99=280°，即：

180°/280°= Z2/（Z1+Z2）

解得：两齿轮的齿数比μ= Z2/Z1=1.8

⒈选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）直齿圆柱齿轮传动。

2）械手换刀时速度较高，我们选用6级精度（GB10095-88）。

3）材料选择。

选择小齿轮材料为40Cr（调质）,硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。

4）选小齿轮齿数为Z1=24,大齿轮齿数Z2=μZ1=1.8324=43.2,取Z2=43。 ⒉按齿面接触强度设计

由设计公式进行计算，即： d1t（4）

1)确定公式内各计算式数值 ⑴试选载荷系数Kt=1.3 ⑵计算小齿轮传递的转矩

T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×30/ 1460N.mm =1.9623105N.mm ⑶选取齿宽系数υd＝1

⑷材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa1/2

⑸按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 σ疲劳强度极限σ

Hlim2=550MPa;

Hlim1

≥

2.32×{(KtT1/υd)[(μ±1)/μ](ZE/[σ

21/3

H])}

=600MPa;大齿轮的接触

⑹由式10-13计算应力循环次数

N1=60n1jLh=6031460313（2383300315）=6.3073109 N2=4.1473109/3.2=1.2963109

⑺接触疲劳寿命系数KHN1 =0.91;K HN2=0.94 ⑻计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%,安全系数S=1,得 [σH]1= KHN1σ

Hlim1/S=0.913600MPa=546MP

13

[σH]2= KHN2σ2)计算

Hlim2/S=0.943550Mpa=517Mpa

⑴试算小齿轮分度圆直径d1t,代入[σH]中较小的值 d1t≥2.32×{(KtT1/υd)[(μ±1)/μ](ZE/[σH])2}}1/3 =2.32×{(1.3×1.962×105/1)[(4.7+1)/4.7](109.8/517)2}1/3 =80.445mm ⑵计算圆周速度v

v=πd1tn1/60×1000=π×80.445×1460/60×1000m/s=6.15m/s （5） ⑶计算齿宽b

b=υdd1t=1380.445㎜=80.445㎜ （6） ⑷计算齿宽与齿高之比b/h

模数 mt=d1t/ Z1=80.445/24=3.352 （7） 齿（8）

b/h=80.445/7.54=10.67 ⑸计算载荷系数

根据v=6.15m/s,6级精度,由得动载荷系数： KV=1.02;

直齿轮 ,假设KAFt/b≤100N/㎜.由《机械工程手册》（第10卷）表10-3查得： KHα=KFα=1.2; （9） 由按《机械工程手册》（第10卷）表10-4查得使用系数： KA=1;

由表10-4查的7级精度、小齿轮相对支承非对称分布时， KHβ=1.12+0.18(1+0.6υ将数据代入后得

KHβ=1.12+0.18(1+0.6×12)×12+0.23×10-3×80.445=1.75 由b/h=10.67, KHβ=1.75,查图10-13得KFβ=1.35;故载荷系数： K=KAKVKHαKHβ=1×1.02×1.2×1.75=2.142

⑹按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由《机械工程手册》（第10卷）（10-10a）得

d1= d1t(K/Kt)2/3=80.445×(2.142/1.3)2/3㎜=95.01㎜ （11）

14

d2

2

高

h=2.25mt=2.2533.352mm=7.54mm

)υ

d

+0.23×10-3b （10）

⑺计算模数m

m=d1/ Z1=95.01/24㎜=3.95㎜ ⒊按齿根弯曲强度设计

由《机械工程手册》（第10卷）（10-5）得弯曲强度计算的设计公式为 m≥[(2KT1/υd

Z12)×(YFaYSa/[

σF])]

1/3

（12）

1) 确定公式内的各计算数值

⑴由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限： σ

FE1=500Mpa

大齿轮的弯曲疲劳强度极限： σ

FE2=380Mpa

⑵查得弯曲疲劳寿命系数： KFN1=0.85 KFN2=0.88

⑶计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数： S=1.4 由式得 [

σ

F]1=

KFN1/σFE1=0.85（13） [

σ

F]2=

KFN2/σFE2=0.88（14） 计算载荷系数 K=KAKVKFα

KF

β

=131.02（15） ⑸查取齿形系数

由《机械工程手册》（第10卷）表10-5 查得： YFa1=2.65 YFa2=2.226

⑹查取应力校正系数

由《机械工程手册》（第10卷）表10-5查得：

15

500/1.4MPa=303.57Mpa 380/1.4MPa=238.86Mpa 31.231.35=1.944 3

3

YSa1 =1.58 YSa2=1.764

⑺计算大、小齿轮的YFaYSa/[σF]并加以比较

YFa1YSa1/[σF]1 =2.6531.58/303.57=0.01379 （16） YFa2YSa2/[σF]2=2.22631.764/238.86=0.01644 大齿轮的数值大。 2）设计计算

m≥[（231.94439.9483105）/13242]×0.1644]1/3㎜=2.792㎜

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数2.792并就近圆整为标准值m=3。按接触强度算得的分度圆直径d1=95.01㎜,算出小齿轮齿数：

小齿轮齿数： z1= d1/m=95.01/3=32 大齿轮齿数： z2=μz1=1.8×32=57.6 取z2=58

这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 4.几何尺寸计算

分度圆直径

d1=z1m=32×3㎜=96㎜ d2=z2m=58×3㎜=174㎜ 2）计算中心距

a= (d1+d2)/2=（96+174）/2㎜=134㎜ （17） 3）计算齿轮宽度 b=υdd1=1×96㎜=96㎜ ⒌验算

Ft =2T1/d1=2×1.965×105/96N=4087.5N （18）

KAFt/b=1×4087.5/96N/㎜=42.58 N/㎜＜100 N/㎜,合适。

另外，机械手臂的伸出和缩回是通过齿轮齿条传动进行的，其设计过程与此相似，由于受篇幅的限制，这里就不再叙述设计步骤。

16

图13 普通圆柱螺旋弹簧

我们所选用的弹簧的规格如表3所示。

表3 弹簧规格

编号 1 2 19 23

弹簧丝直径d（㎜） 0.5 1.2 1.6 0.7

弹簧中径D2（㎜） 3 8 8 4

节距P（㎜） 3.07 2.82 1.55

其中，弹簧1为圆柱螺旋拉伸弹簧，弹簧2、19、23为圆柱螺旋压缩弹簧。 二 弹簧的设计计算

弹簧19的设计计算、校核步骤如下： 原始条件：

最大工作负荷：pn=11㎏ 最小工作负荷：p1=0㎏ 工作行程：h=5㎜

27

负荷种类：Ⅱ类

端部形式：端部并紧并磨平，支承圈为一圈 制造精度：主要参数的制造精度为2级 弹簧材料：碳素弹簧钢丝Ⅱ

根据pn，得到弹簧的相关数据如下表所示：

表4 弹簧19的相关数据

d 1.6

D2 8.0

P 2.84

Pn 11.354

Fn 0.887

pd′ 12.800

l 25.120

Q 0.0039

弹簧要求的刚度：p′=(pn-p1)/h=(11-0)/6=1.83 (㎏/㎜) （39） 有效圈数：n=pd′/p′=12.800/1.83=6.99 取n=7.0 （40） 计算项目：

弹簧实际刚度：p′=pd′/n=12.800/7.0=1.829（㎏/㎜） （41） 与要求高度相近

总圈数：n1=n+2=7.0+2=9.0 （42） 自由高度：H0=nt+1.5d=7.0×2.82+1.5×1.6=22.14 (㎜) （43） 圆整取标准值22。

弹簧实际节距：p=(H0-1.5d)/n=(22-1.5×1.6)/7=2.8 (㎜) （44） 工作极限负载下的变形：Fj=pj/p′=12.741/1.829=6.97

（45）

因取τj=1.25[τ] Ⅱ，[τ] Ⅲ=1.25[τ] Ⅱ，所以τj=[τ] Ⅲ故pj等于同样规格弹簧的Ⅱ类弹簧的最大工作负荷，得pj=12.741。

最大工作负荷下的变形：Fn=pn/ p′=11/1.829.=6.01 (㎜) （46） 最小工作负荷下的变形：F1= p1/ p′=0 (㎜) 最大工作负荷下高度：Hn=H0-Fn=22-8.87=13.13 (㎜) 最小工作负荷下高度：H1=H0-F1=22-0=18 (㎜) 工作极限下高度：Hj=H0-Fj=22-6.97=15.03 (㎜)

展开长度：L=l×n1=25.120×9=226.08 (㎜) （47） 细长比：b=H0/D2 =22/8=2.75<5.3 （48） 故稳定。

我们在这里只对弹簧19的设计计算校核进行详尽的说明，其它弹簧的设计步骤与此相同，这里从略。

28

4 结论

通过毕业设计，我又学到了许多知识，并使我以前所学的知识得到一次综合的巩固。虽然机械手的设计过程不是很难，也没有特别繁琐的计算，但是通过对它的设计，使我映射地学到了很多其它知识，尤其是对计算机的应用和对Word的操作，更使我认识到了自学的重要性和关于自学的一些方法，这对我们即将毕业的大学生来说是很重要的。设计虽然不是很复杂，但是它系统地联系了我们三年来是所学的大部分知识，使我对许多知识进行了复习和重新认识，虽然设计过程比较困难，但它也是对我们所学书本知识在实际应用中的一次检验，锻炼了我们运用知识的能力。

在设计的过程中当设计某部分时，要结合考虑到其它因素的影响和限制，要把部分和整体有机地结合起来，寻找适当的设计方案和办法，让我们认识到将来无论认识什么事都要系统地、全面地认识它。

通过毕业设计，让我认识到整体协作的重要性，无论到任何时候，单独的一个人都不可能去开发、设计一个较大规模的系统。只有具有团队精神、具有集体主义观、只有群策群力才能有新发展、新成就。

通过这次设计，我基本上掌握了机械手结构设计的方法和步骤提高了分析问题的能力和查阅手册的能力，为我今后的设计工作打下了一个良好的基础。

由于能力有限，设计中肯定有许多不足之处，恳请各位老师批评指正。

参考文献

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致 谢

毕业设计是大学学习期间最重要的一个环节，它不但是对大学所学知识的系统总结，而且为我们走向工作岗位奠定了一定的基础。在这次设计中，我受益非且，第一，对机械设计有了更加全面的巩固和加深；第二：在设计中提高了我的耐心和细心；第三：通过这次设计提高了我的自学能力，并积累了丰富的设计创新经验；这些都为我今后在公司搞设计提供了必备的客观条件。

在此我衷心感谢我的指导老师。本设计的完成离不开老师的精心指导和全力支持，他以丰富的经验和严谨的态度对我的毕业设计提出了很多宝贵意见，对不足之处也给予了指正，尤其是在一些细节问题上。这些意见和帮助对我的设计和绘图的完成起到了关键性的作用。在每次的答疑时间里，老师都会给我们的设计提出新的要求和建议，并帮助我们查阅一些相关资料，确保了我们设计的进度和质量，在此，特别感谢老师给予我的无微不至的关心和帮助。再次表示诚挚的谢意和敬意！也感谢学校领导对我的严格要求，给我了一个这么好的学习机会，使我又学到了很多知识。

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3.3.3 轴的设计

轴是组成机械的一个常用的重要零件，它支持着其他转动零件如齿轮、蜗轮等零件回转并传递转矩，它由轴系支持、轴承则安放在箱体或机架上面，轴承、轴和轴上零件形成一个组成体，称为轴系。组成轴系的主要零件-轴、轴承、联轴器等称为轴系零件。

轴设计的主要问题：

轴的设计主要包括：轴的材料选择、结构设计、轴的强度、刚度和振动稳定性计算等，设计轴的主要步骤如下：

（1）根据机械传动总体布局拟定轴上零件的位置。 （2）选择轴的材料。 （3）初步估计轴的直径。 （4）进行轴的结构设计。

（5）进行轴的强度、刚度、振动计算。

（6）校核键、轴承、联轴器等的强度或寿命。 （7）绘出轴系的装配图、零件图等。

轴是组成机械的一个重要零件。它支承着其他转动件回转并传递转矩，同时它又通过轴承和机架联接。所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为基准的组合体——轴系部件。

轴的总类：

轴按受载情况分为转轴、心轴和传动轴，其中转轴既支承传动机件又传递力，即承受弯矩和扭矩两种作用；心轴只起支承旋转件作用而不传递动力，即只承受弯矩作用；传动轴主要传递动力，即主要承受扭矩作用。

按结构形状分为：光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。 按几何轴线形状分为：直轴、曲轴、钢丝软轴。

设计轴时应考虑多方面的因素和要求，其中主要问题是轴的选材、结构、强度和刚度。对于高速轴还应考虑震动稳定性问题。

轴的常用材料

轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。 轴的常用材料是35、45、50优质碳素钢，对于受载较小或不太重要的轴，也可以用A3、A5等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。

根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。

轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，

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直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴，可采用铸造。

轴的结构决定于受载情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯、制造和装配工艺及安装、运输等条件。轴的结构应是尽量减小应力集中，受力合理，有良好工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。对于要求刚度大的轴，还应在结构上考虑减小轴的变形。

零件与轴的固定或联接方式，随零件的作用而异。一般情况下，为了保证零件在轴上具有固定的工作位置，需从轴向和周向加以固定。

轴的设计过程

我们设计的驱动装置中所采用的轴主要作用是既可以在插刀、拔刀时带动整个机械手左右移动，又可在交换刀具时带动回转头转动，由于这两个动作是分离的，我们在这里采用花键轴。

该花键轴左端与回转头固定联接，两个花键套筒通过轴承安装在机床立柱上的回转座内，齿轮41通过花键套筒安装在花键轴的右端。当回转缸通入压力油而使转轴转动时，通过传动齿轮99带动齿轮41转动，这样，花键轴即可带动回转头转动，又由于直线液压缸活塞杆端部有联接件与花键轴相连，当活塞杆因油缸进入高压油而向左或向右运动时，通过联接件即可带动花键轴作直线运动，从而带动回转头及机械臂作向左或向右运动。 已知条件：

花键轴传递的功率为：P=30KW； 轴的转速为n=1460r/min ⒈估算轴径

选择轴的材料为40Cr，经调质处理，由《机械设计手册》（第四卷）表26.1-1查得材料机械性能数据为：

σb=750Mpa σs=550Mpa σ-1=350Mpa τ

-1=200Mpa

根据《机械设计手册》（第四卷）表26.3-1公式初步计算轴径，由于材料为40Cr，由表26.3-2选取A=100，则得：

dmin=A(P/n)1/3=100×(30/1460) 1/3㎜=27.3㎜ （19） 我们选用花键轴的尺寸为：D×d×b=65㎜×56㎜×10㎜ ⒉轴的结构设计，如图11-a)所示： ⒊轴上受力分析，如图11-b)所示： 轴传递的转矩为：

18

T1=9.553106P/n=9.553106×30/1460 N·㎜=1.962×105 N·㎜ （20） 齿轮的圆周力为：

Ft=2T1/d1=2×1.962×105/96 N=4088 N （21） 齿轮的径向力为：

Fr= Ft·tgα=4088×tg20° N=1488 N （22） ⒋求支反力

在水平面上的支反力（图11）： 由：ΣMA=0得： RBZ2a－Fr·(a+b)=0

则：RBZ=Fr×(a+b)/a=1488×(280+80)/280N=1913.14N 由：ΣZ=0得： RAZ= Fr

－

RBZ=1488

－

24）

数值为负表示方向与图示方向相反。 在垂直面内的支反力（图11-e）： 由：ΣMA=0得： RBy2a－Ft·(a+b)=0

则：RBy=Ft×(a+b)/a=4088×(280+80)/280N=5256N 由：ΣY=0得： RAy= Ft

－

RBy=4088

－

26）

数值为负表示方向与图示方向相反。

19

1913=

5256=

（23） －

425N （25） －

1168N （ （

图11 轴的设计

⒌作弯矩和扭矩图

齿轮的作用力在水平平面的弯矩图如图11-d所示：

MDZ=RAZ·(a+b)=－425×(280+80) N·㎜=－153000N·㎜ （27） M′DZ=RBZ·b=1913×80 N·㎜=153000N·㎜ （28） 齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图如图11-f所示:

MDy=RAy·(a+b)=－1168×(280+80) N·㎜=－420000N·㎜ （29） M′Dy=RBy·b=5258×80 N·㎜=420000N·㎜ （30） 齿轮作用力在D截面作出的最大合成弯矩为：

Md=(MDZ2+MDy2)1/2=[(－153000)2+(－420000)2 ]1/2 N·㎜=447000 N·㎜ （31）

作出扭矩图，如图11-g所示：

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T1=1960000 N·㎜ ⒍轴的强度校核

确定危险截面。根据轴的结构尺寸以及弯矩图、扭矩图，截面B处弯矩较大，且具有轴承配合引起的应力集中，截面D处弯矩最大，且有齿轮配合与键槽引起的应力集中，故属危险截面。现对D截面进行强度校核。

安全系数的校核计算：

由于该轴转动，弯矩引起对称循环的弯应力，转矩引起的为脉动循环的剪应力。 弯曲应力副为： σα=MD/W

W—抗弯截面系数，由公式： W=[（32）

W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/32D

=[π3564+(62－56)3(62+56)236310]/32362=20029 Mpa 所（33）

由于是对称循环弯曲应力，故平均应力σm=0，根据公式 Sσ=σ-1/[(Kσσα/βε

σ

π

d4+(D

－

d)(D+d)2zb]/32D

以 σ

α

=MD/W=447000/20029 MPa=18.091 Mpa

)+Ψσσm] （34）

确定公式内的各计算数值：

σ-1—40Cr弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由《机械设计手册》（第四卷）表26.1-1查得，

σ-1=350MPa

Kσ—正应力有效集中系数，由《机械设计手册》（第四卷）表26.3-6，用插值法求得： （750－700）/（800－750）=（ Kσ－1.60）/（1.65－Kσ） 得： Kσ=1.625 εε

σ

—尺寸系数，由表《机械设计手册》（第四卷）26.3-11，查得： =0.68

σ

β—表面质量系数，轴按磨削加工，由表《机械设计手册》（第四卷）26.3-9查得； β=0.68 代入公式得：

Sσ=3503106/[(1.625318.091/0.9230.68)3106+0] =7.45

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