卧式加工中心换刀机械手设计—-毕业论文设计.doc

1 前言

1.1 机械手发展历史与现状
随着经济的不断发展，客户的需求日益多样化，人们对制造企业的生产模式提出了更高的要求，大批量的生产方式将逐渐被模块化、柔性化的生产方式所取代。因此，企业对制造装备提出了更高的要求，柔性化的数控加工设备将成为装备制造业发展的主流。因此，将卧式加工中心的机械手设计作为毕业设计题目，迎合了装备制造业发展趋势。卧式加工中心的换刀机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它用来把刀库上的刀具送到主轴上，同时把主轴上已用过的刀具返回刀库。据不完全统计，全世界的工业机器人中大约有近一半的工业机器人用于各种形式的加工中心的自动换刀领域。目前用得最广泛的是模仿人的手臂功能的多关节机器人，其手臂灵活性最大，可以使换刀卡爪的空间位置和姿势调至任意状态，满足换刀需求。
我国的机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期、80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。
如今，我国正在从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。不仅如此，我国目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件。国际上，目前机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。例如，德国的CLOOS、REIS、KUKA公司；瑞典的ABB公司；奥地利的IGM公司；意大利的CAMAU公司；日系有OTC、Panasonic、FANUC公司在机器人方面都做的比较好。从机器人技术发展趋势看，自动换刀机器人和其它工业机器人一样，正在不断向智能化和多样化方向发展。
1.2 设计目的及意义
1.2.1 设计目的
本次设计主要为卧式加工中心设计其用于换刀的机械手部分，目的是为了使加工中心能够更快的工作，使加工中心能够得到更加充分的利用，以实现其价值所在。再者，使用了机械手，有效的减少了由于人工换刀带来的生产效率低，并且容易出事故的弊端。

1.2.2 设计意义
伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危害生命安全。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识，因此设计机械手有着很大的意义：
（1）能够部分地代替人工操作，减轻人力劳动；
（2）能够按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸，改善劳动条件，大大的避免了人身事故；
（3）能够显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2 设计内容
本次设计参照设计项目要求及技术指标确定机械手结构设计和驱动装置所要选用等技术参数，确定结构方案，绘制部件装配图及主要零件图纸。设计的主要内容有机械手臂和机械手的驱动系统的设计。该机械手的手臂伸缩运动拟采用回转液压缸联合齿轮齿条传动，能较好地解决机械手在运动过程中的动力问题，具有传动平稳，机械效率高等优点。由于机械手的存在，使得在现代化的企业中可以很好的实现自动化和减少人工费用,同时可以解决在生产过程中，作业者劳动强度大的难题并能满足加工中人工无法达到的精度要求。由于采用齿轮传动使得机械手可以传递较大的动力，并且由于内部轴及外部外筒在作用使其可以承受较大的扭矩和足够的应力变化。并且机械手有几个方向上的自由度，可以进行多方位工作。其驱动系统的回转与直线运动拟采用液压缸来实现，在液压缸两端设有缓冲装置，可防止活塞与液压缸端面的撞击。
加工中心换刀机械手的设计是在实现手指夹紧、手臂伸缩、手架伸缩以及手架旋转运动的基础上，实现其准确、快速、可靠、稳定的换刀。设计的具体内容如下：
（1）根据目前常用的加工中心换刀机械手的换刀方式，对手臂伸缩与手指夹紧机构、手架旋转与手架伸缩机构的设计提出几种方案，并通过对所提出方案的论证分析，选择一种较为理想的方案进行具体的设计；
（2）对所选设计方案中换刀机械手的组成机构进行分析；
（3）对加工中心换刀机械手的手指夹紧力进行分析与计算，并对其关键部位进行校核，以保证换刀的可靠性；
（4）确定各个运动的驱动机构；
（5）对设计中所设计到的液压缸通过计算确定某个部分结构的具体尺寸，并对活塞杆的强度、稳定性以及螺栓的强度进行校核，以保证加工中心换刀机械手能够稳定、可靠的完成换刀过程。
（6）对设计中出现的齿轮、轴等重要零部件通过计算确定尺寸后，要进行安全校核。
经过以上设计内容，可达到设计的目的和要求，使机械手做到 [开始（缩手）--伸手抓住刀具并夹紧--直线伸出拔出刀具--手臂同时缩回--逆时针旋转180°--手臂同时伸出--直线回程插入刀具--松手同时缩回--复位]的全部换刀动作，并保证换刀过程中的可靠性、安全性以及稳定性。

3 设计方案
3.1 机械手换刀运动流程
本次机械手换刀运动流程拟采用以下方式：开始（缩手）--伸手抓住刀具并夹紧--直线伸出拔出刀具--手臂同时缩回--逆时针旋转180°--手臂同时伸出--直线回程插入刀具--松手同时缩回--复位。如下图所示：
3.2 刀具的交换装置
加工中心和其他数控机床的区别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。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，同时把主轴上已用过的刀具返回刀库上的任务。下面介绍机械手各部分组成结构的方案选择。
3.2.1 机械手的种类选择
常见的机械手种类有:
（1）单臂单爪回转式机械手：如下图1所示：

图1. 单臂单爪回转式机械手

这种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，适用于刀库换刀位置与刀座的轴线平行的场合。但是换所花费的时间长。
（2）单臂双爪回转式机械手：如下图2所示：

图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，两个卡爪各有所分工，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。
（3）双臂回转式机械手（俗称扁担式）：如下图3.1所示：

图3.1 双臂回转式机械手

这种机械手两臂各有一个卡爪，可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180°之后又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。
另外，这种机械手在设计中有的还采用了可伸缩的臂，如下图3.2所示：

图3.2 可伸缩双臂回转式机械手
这种带有可伸缩臂的机械手，在刀库中刀具排列较紧密的情况下，可以有效的避免机械手碰撞刀具的危险，使用也比较广泛。
（4）双机械手：如下图4所示：
图4. 双机械手

这种机械手相当与两个单臂单爪机械手，相互配合起来进行自动换刀。其中一个机械手用来拔“旧刀”归回刀库，另一个机械手则从刀库取出“新刀”插入机床主轴上。
（5）双臂往复交叉式机械手：如下图5所示：
图5.双臂往复交叉式机械手

这种机械手的两臂可往复运动，并交叉成一定角度。两个手臂分别称作装刀手和卸刀手。卸刀手完成往主轴上取下“旧刀”归回刀库的运动，装刀手执行从刀库取出“新刀”装入主轴的运动。整个机械手可沿导轨或丝杠作直线移动或绕某个转轴回转，以实现刀库与主轴之间的交换刀具工作。
（6）双臂端面夹紧式机械手：如下图6所示：

图6.双臂端面夹紧式机械手

这种机械手只是在夹紧部位上和前几种不同，上述几种机械手均靠夹紧刀柄的外圆表面来抓住刀具，而此种机械手则是夹紧刀柄的两个端面。
结论：由于双臂回转式机械手的动作比较简单，而且能够同时抓取和装卸机床主轴和刀库中的刀具，换刀时间较短。如果我们采用不能伸缩的机械手，由于机械手回转时其手部回转半径较大，如刀库中刀具排得较密，可能碰撞刀具，且用这种类型的机械手直接在刀库与主轴之间换刀，只宜采用顺序换刀或刀具编码式任意选刀，不然，换刀时间将增加。
综上所述，本次设计采用可伸缩式的双臂回转机械手。
3.2.2 机械手爪形式的选择
常见的手爪形式有：
（1）机械锁刀手爪——弹簧销式手爪，使用这种形式的抓持机构，手爪不需要设置专门的传递装置，因而结构简单，使用广泛。但在机械手有旋转运动时，为避免刀具甩脱，手爪就必须有自锁夹持机构，其结构较复杂。
（2）钳形杠杆机械手。这种机械手手爪的张合需要动力传递装置，传动较复杂，但手爪的结构可较简单。使用也较普遍。
（3）虎钳形指。在手爪中设有定位销，使刀具在手爪中定位。用这种形式的夹持机构时，刀具需经特殊补充加工，不能使用标准刀具，所以使用者较少。
结论：机械手的手爪在抓住刀具后，必须有锁刀功能，以防止在换刀过程中掉刀或刀具被甩出。当机械手松刀时，刀库的夹爪既起着刀套的作用，又起着手爪的作用。对于双臂回转式机械手的手爪，大都采用机械锁刀方式。
综上所述，本次机设计将选择机械锁刀手爪——弹簧销式手爪。
3.2.3 刀具夹持方式的选择
在刀具自动交换装置上，机械手夹持刀具的方法大体上可以分为以下两类：
（1）柄式夹持（轴向夹持）。
（2）法兰式夹持：这种夹持方式，在刀具夹头的前端，有供机械手用的发兰盘。采用发兰式夹持，当应用中间搬运装置时，可以很方便地从一个机械手将刀具夹头过渡到另一个辅助机械手上去，刀具夹头采用带洼形的法兰盘夹持刀夹。
结论：根据给定技术要求，本次设计将采用柄式夹持方式，刀柄型号为BT40。
3.3 机械手的驱动装置
这种机械手的拔刀、插刀动作，大都由液压油缸来完成。根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；或者活塞动，油缸固定的结构形式。整个机械手由机械臂伸缩机构，机械手爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线运动机构组成（见自动换刀机械手的驱动装置和驱动装置外形图）。
3.3.1 机械手臂伸缩运动机构的选择
回转头的两端对称分布着两个机械臂，可以同时伸出抓刀。机械臂伸缩机构由回转液压缸1（见驱动外形图），输出轴40，齿轮43以及齿条42和48组成（见自动换刀机械手图）。当压力油通过支架6（见驱动外形图）和贯穿花键轴50的通孔（见换刀机械手驱动装置图）进入回转液压缸1时，推动输出轴40转动，轴上的齿轮43便带动齿条42和48作直线运动，使两只机械臂同时伸出，通过齿条42及48上的挡块36压向调整螺钉35来限制终点位置。同时由左视图中的微动开关30发出信号，以进行下一个动作。当回转液压缸改变油路时，机械臂便缩回。
3.3.2 机械手爪开合运动机构的选择
机械臂手爪由固定手爪14与活动手爪18共同组成，用来夹持刀柄。活动手爪18可绕小轴15转动，其一端由弹簧杆19作用支靠在小轴20上。当弹簧顶杆3未碰到挡块13而自由伸出时，挡杆22在弹簧作用下，其一端的阶梯面与活动手爪18的端部的阶梯面相靠，从而将活动手爪18锁死。当挡块13左移，将弹簧顶杆3压入时，顶杆3的一端迫使杠杆21顺时针转动。这样，杠杆21的一端将挡杆22的阶梯面从活动手爪18端部的阶梯面滑开。因此，当活动手爪18伸向刀柄拔刀或插刀后收回时，刀柄表面可使活动手爪18压缩弹簧而稍微张开，这样机械爪即可将刀柄抱住或退出。与此同时，齿条42（或48）上的挡块压于调整螺钉而限位，同时微动行程开关动作发出下一动作的信号。由于手爪伸向刀柄拔刀或插刀后收回，都是当机械手处于轴向向左移动后的位置上进行的。为了使机械手的活动手爪18能在此同时从自锁状态下松开，在机床床身立柱上设有固定杆52，在机械臂的一侧有挡块装置。挡块13、锥孔盘4和轴9固定相连，轴9装于支架12内，其右端又与一端盖10用螺纹固定。当挡块13未与固定杆52相碰时，锥孔盘4处于与钢球5接触位置，弹簧销11顶着端盖10，使锥孔盘4紧靠于支架12的端面上，此时机械臂的弹簧顶杆3自由伸出，活动手爪18处于锁死状态。当机械手轴向向右移动后，固定杆52迫使挡块13转动，由于此时锥孔盘4端面上的锥孔与钢球5错开，这样锥孔盘4即连同挡块13、轴9、端盖10、压缩弹簧销11向右移动。挡块13即将机械臂上的弹簧顶杆3压入，将活动手爪18自锁紧状态下松开。
当机械爪伸出抓住刀柄后，机械手轴向向左伸出，此时挡块13同时离开固定杆52，借弹簧1的作用，将挡块13拉回原来的锥孔盘4上锥孔与钢球5相对的原始位置，由弹簧销11的作用，使挡块13连同锥孔盘4、轴9和端盖10又向左移动至锥孔盘4与支架12端面压紧的位置。这时机械手爪上的弹簧顶杆3又自由伸出，将活动手爪18锁死，以保证机械手将刀具拔出后，能将刀具可靠地夹紧（详情见机械手图）。
3.3.3 机械手驱动系统中回转运动机构的选择
回转机构用来实现刀具的交换动作，由驱动外形图可见它由手臂14、回转座58等组成。手臂14与花键轴50固定连接，花键轴与两个花键套筒30相连，后者则由固定在机床立柱上的回转座58上的两个滚动轴承支撑。齿轮38通过花键轴套筒安装在花键轴的右端。回转液压缸的结构见第三张图，回转缸壳体88和上端盖95、下端盖83、定片78间均用螺钉联接，并将它们作为一体通过上端盖固定在立柱上。转轴73支承在上、下端盖上，与动片76固定联接，其伸出端与和花键轴上的齿轮相啮合的齿轮70联接，向手臂传递运动，当液压缸通入高压油而使转轴转动时，通过传动齿轮70带动齿轮38回转，这样，由花键轴50带动手臂14转动，转动180°的极限位置可由两个螺钉33限定，同时由两个螺钉31分别压下微动开关32及37发出到位信号，以进行下一个动作。
3.3.4 机械手驱动系统中直线运动机构的选择
回转头15的向左或向右（拔刀或插刀）的直线运动是由液压缸来实现。液压缸座固定于机床立柱上，活塞杆端部有联接件与花键轴相连。当活塞杆因液压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，从而带动回转头和机械手臂向左或向右运动。在液压缸两端设有缓冲装置，可防止活塞与液压缸端面的撞击。当活塞在左右两极限位置时，都设有挡块和调整螺钉，由微动开关作用发出到位信号。

4 设计计算
4.1 手指夹紧力的计算
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
N≥k1k2k3G（kg·f）
式中：k1——安全系数，通常取1.2~2，在此我们取k1=1.8；
k2——动载系数，主要考虑惯性力的影响，可按k2＝1＋a/g估算；
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，根据《机械工程手册》（第10卷）表56.2-3选取k3=0.9~1.1，在此我们取k3=1.0;
G——被夹持工件的重量，单位kg，取G=11kg。
则我们设计的机械手手指的夹紧力为：
N≥1.8×1×1.0×11 = 19.8（kg·f）
4.2 齿轮的设计计算
4.2.1 齿轮传动的特点
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。其传动特点如下：
①效率高。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率最高。如一级圆柱齿轮的效率可达99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1%，也有很大的经济效益。
②结构紧凑。在相同的使用条件下，齿轮传动所需的空间较小。
③工作可靠，寿命长。设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮，工作十分可靠，寿命可长达十几年，这也是其它机械传动无法比拟的。这对在车辆及矿井内工作的机器尤为重要。
④传动比稳定。传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于这一特点。
但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离大的场合。
4.2.2 齿轮的设计过程
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70，齿轮38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70带动齿轮38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：

φ38/φ70=Z2/（Z1+Z2）
式中：φ38 ----回转头的回转角度
φ70----回转缸动片的转角
Z1----齿轮38的齿数
Z2----齿轮70的齿数
由于在这里φ38=180°，φ70=280°，即：
180/280= Z2/（Z1+Z2）
解得：两齿轮的齿数比μ= Z2/Z1=1.8
(1) 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
1） 选用直齿圆柱齿轮传动。
2）换刀机械手换刀时速度较高，在此选用6级精度（GB10095-88）。
3）材料选择。
由表10-1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=1.8×24=43.2,取Z2=43。
(2) 按齿面接触强度设计
由设计公式（10-9a）进行计算，即：
d1t≥2.32×{(KtT1/φd)[(μ±1)/μ](ZE/[σH])2}1/3
1)确定公式内各计算式数值
①试选载荷系数Kt=1.3；
②计算小齿轮传递的转矩：
T1=95.5×105P1/n1=95.5×105×30/ 1460 =1.962×105（N.mm）
③由表10-7选取齿宽系数：φd＝1；
④由表10-6查的材料的弹性影响系数：ZE =189.8MPa1/2；
⑤由图10-21d按齿轮齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 σHlim1 =600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2=550MPa;
⑥由式10-13计算应力循环次数：
N1=60n1jLh=60×1460×1×（2×8×300×15）=6.307×109
N2=4.147×109/3.2=1.296×109
⑦由图10-19查得接触疲劳寿命系数KHN1 =0.91;K HN2=0.94；
⑧计算接触疲劳许用应力：
取失效概率为1%,安全系数S=1,由式(10-12)得：
[σH]1= KHN1σHlim1/S=0.91×600=546（Mpa）
[σH]2= KHN2σHlim2/S=0.94×550=517（Mpa）
2)计算
①试算小齿轮分度圆直径d1t,代入[σH]中较小的值:
d1t≥2.32×{(KtT1/φd)[(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
=80.445(mm)
②计算圆周速度v:
v=πd1tn1/60×1000=π×80.445×1460/60×1000=6.15(m/s)
③计算齿宽b:
b=φdd1t=1×80.445=80.445(mm)
④计算齿宽与齿高之比b/h:
模数: mt=d1t/ Z1=80.445/24=3.352
齿高: h=2.25mt=2.25×3.352=7.54(mm)
故: b/h=80.445/7.54=10.67
⑤计算载荷系数:
根据v=6.15m/s,6级精度,由图10-8查得动载荷系数：KV=1.02;
直齿轮 ,假设KAFt/b≤100N/mm.由表10-3查得：KHα=KFα=1.2;
由表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+0.6φd2)φd2+0.23×10-3b
代入数据得:
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
⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得:
d1= d1t(K/Kt)2/3=80.445×(2.142/1.3)2/3=95.01(mm)
⑦计算模数m:
m=d1/ Z1=95.01/24=3.95(mm)
(3) 按齿根弯曲强度设计
由式（10-5）得弯曲强度计算的设计公式为:
m≥[(2KT1/φd Z12)×(YFaYSa/[σF])]1/3
1)确定公式内的各计算数值:
①由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限：σFE1=500MPa
大齿轮的弯曲疲劳强度极限：σFE2=380MPa
②由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数：KFN1=0.85;KFN2=0.88
③计算弯曲疲劳许用应力:
取弯曲疲劳安全系数：S=1.4
由式（10-12）得:

[σF]1= KFN1/σFE1=0.85×500/1.4=303.57(Mpa)
[σF]2= KFN2/σFE2=0.88×380/1.4=238.86(MPa)
④计算载荷系数:
K=KAKVKFαKFβ=1×1.02×1.2×1.35=1.944
⑤查取齿形系数:
由表10-5 查得： YFa1=2.65;YFa2=2.226
⑥查取应力校正系数
由表10-5查得： YSa1 =1.58;YSa2=1.764
⑦计算大、小齿轮的YFaYSa/[σF],并加以比较:
YFa1YSa1/[σF]1 =2.65×1.58/303.57=0.01379
YFa2YSa2/[σF]2=2.226×1.764/238.86=0.01644
故大齿轮的数值大。
2)设计计算:
m≥[（2×1.944×9.948×105）/1×242]×0.1644]1/3=2.792(mm)
对比计算结果，按齿面接触疲劳强度计算的模数大于按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=95.01mm,算出：
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
①计算分度圆直径:
d1=z1m=32×3=96(mm)
d2=z2m=58×3=174(mm)
②计算中心距: a= (d1+d2)/2=（96+174）/2=134(mm)
③计算齿轮宽度: b=φdd1=1×96=96(mm)
(5) 验算
Ft =2T1/d1=2×1.965×105/96=4087.5(N)
KAFt/b=1×4087.5/96=42.58( N/mm)< 100 (N/mm), 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，其设计过程与此类似，由于受篇幅的限制，在此就不再叙述其设计步骤。
4.3 轴的设计计算
4.3.1 轴的种类
轴按其受载情况分为转轴、心轴和传动轴，其中转轴既支承传动机件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用；心轴只用来支承旋转件而不传递动力，即只承受弯矩作用；传动轴主要用于传递动力，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其震动稳定性问题。
4.3.2 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继而加以选用，力求合理经济。
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，材料可采用合金钢。
4.3.3 轴的设计过程
本次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，因此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38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70带动齿轮38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
(1) 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(mm)
故我们选用花键轴的尺寸为：D×d×b=65mm×56mm×10mm
(2) 轴的结构设计，如下图7-a)所示：
(3) 轴上受力分析，如下图7-b)所示：
轴传递的转矩为：
T1=9.55×106P/n=9.55×106×30/1460 =1.962×105 (N·mm)
齿轮的圆周力为：
Ft=2T1/d1=2×1.962×105/96 =4088 (N)
齿轮的径向力为：
Fr= Ft·tgα=4088×tg20=1488 (N)

图 7
(4) 求支反力
在水平面上的支反力（图7-c）：
由 ΣMA=0,得：
RBZ·a－Fr·(a+b)=0
则：
RBZ=Fr×(a+b)/a
=1488×(280+80)/280=1913.14(N)
由 ΣZ=0,得：
RAZ= Fr－RBZ=1488－1913=－425(N)
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7-e）：
由ΣMA=0,得：
RBy·a－Ft·(a+b)=0
则：
RBy=Ft×(a+b)/a=4088×(280+80)/280=5256(N)
由ΣY=0得：
RAy= Ft－RBy=4088－5256=－1168(N)
数值为负表示方向与图示方向相反。
(5) 作弯矩和扭矩图
齿轮的作用力在水平平面的弯矩图如上图7-d所示.
MDZ=RAZ·(a+b)=－425×(280+80) =－153000(N·mm)
M′DZ=RBZ·b=1913×80 =153000(N·mm)
齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图如上图7-f所示.
MDy=RAy·(a+b)=－1168×(280+80) =－420000(N·mm)
M′Dy=RBy·b=5258×80 N·㎜=420000(N·mm)
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 =447000 (N·mm)
作出扭矩图，如上图7-g所示.
T1=1960000 (N·mm)
(6) 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，弯矩引起的为对称循环的弯应力，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=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/32D
故: W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/32D
=[π×564+(62－56)×(62+56)2×6×10]/32×62=20029( Mpa)
所以 σα=MD/W=447000/20029 =18.091 (Mpa)
由于是对称循环弯曲应力，故平均应力σm=0，根据公式26.3-2:
Sσ=σ-1/[(Kσσα/βεσ)+Ψσσm]
确定公式内的各计算数值：
①σ-1—40Cr弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由表26.1-1查得:σ-1=350MPa
②Kσ—正应力有效集中系数，由表26.3-6，用插值法求得：
（750－700）/（800－750）=（ Kσ－1.60）/（1.65－Kσ）
得： Kσ=1.625
③εσ—尺寸系数，由表26.3-11，查得：εσ=0.68
④β—表面质量系数，轴按磨削加工，由表26.3-9查得:β=0.68
代入公式得：
Sσ=350×106/[(1.625×18.091/0.92×0.68)×106+0] =7.45
剪应力副为：
τm=τα=T1/2WT
WT—抗扭截面系数，由公式：
W=[πd4+(D－d)(D+d)2zb]/16D
=[π×564+(62－56)×(62+56)2×6×10]/16×62
=36182 (MPa)
所以 τm=T1/2WT=196000×103/2×36.183 =2.7 (Mpa)
由公式26.3-2，
Sτ=τ-1/[(Kττα/βετ)+Ψτστ]
确定公式内的各计算数值：
①τ-1—40Cr弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由表26.1-1查得:τ-1=200MPa
②Kτ—弯应力有效集中系数，由表26.3-6，用插值法求得：
（750－700）/（800－750）=（Kτ－2.45）/（2.55－Kτ）
得： Kτ=2.5
③ετ—尺寸系数，由表26.3-11，查得：ετ=0.68
④β—表面质量系数，轴按磨削加工，由表26.3-9查得:β=0.68
⑤Ψτ—平均应力折算系数，由表26.3-13，查得：Ψτ=0.29
代入公式得：
Sτ=200×106/[(2.5×2.7/0.92×0.68)×106+0.29×2.7×106]=20.32
则：
Sca=SσSτ/[ Sσ2+ Sτ2]1/2=7.45×20.32/[ 7.452+20.322]1/2=6.99
由表26.3-4可知，[S]=1.3~2.5.故S＞[S]，则该轴是安全的。
4.4 轴承的设计计算
4.4.1 轴承的种类
如果仅按轴承用于承受的外载荷不同来分类时，滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。只能承受径向载荷的轴承叫做向心轴承；只能承受轴向载荷的轴承叫做推力轴承；能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承叫做向心推力轴承。
4.4.2 轴承的选用原则
轴承的选用，包括类型、尺寸、精度、游隙、配合以及支承形式的选择。首先是选择轴承的类型，在选择时应考虑的主要因素有：轴承的载荷、转速和调心性能、安装和拆卸等方面。
根据载荷的大小选用轴承类型时，由于滚子轴承中的主要元件是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，因此当载荷较小时，应优先选用球轴承。
根据载荷的方向选择轴承时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承；对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承；当同时承受径向载荷和轴向载荷，而轴向载荷不大时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承。
4.4.3 轴承的设计过程
按照以上原则，在本设计中，花键套筒的支撑选用角接触球轴承，它可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可单独承受轴向载荷，能在较高转速下正常工作，由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。并且承受轴向载荷的能力与接触角α有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。
成对安装的角接触球轴承，是由两套相同系列的单列角接触球轴承选配组成，作为一个支承整体。按其外圈不同端面的组合分为面对面方式和背对背方式两种，面对面方式是指一个支承上的两个轴承大口相对，构成70000/DF型，背对背方式是指一个支承上的两个轴承小口相对，构成70000/DB型，我们采用面对面方式，即70000/DF型。在进行寿命计算时，其基本额定动载荷和基本额定静载荷均应取双列轴承的数值，如单列轴承的基本额定动载荷和基本额定静载荷分别为Cr、C0r，则成对安装的轴承的基本额定动载荷为C=i0.7×Cr ，基本额定静载荷C0=i×C0r（其中I为支撑整体中单个轴承数），极限转速为单个轴承的60%~80%。花键轴的D=65mm，我们选用轴承型号为7214AC,参数见下表：
轴承型号
d
D
B
a
r1min
Cr
C0r
极限转速（r/min）
7214AC
70
125
24
35.1
0.6
69.2
57.5
6700
其中,极限转速是在采用油润滑情况下的转速，若采用脂润滑方式，则极限转速为4500 r/min。
轴承的安装如图8所示：

图8
已知条件：
轴上齿轮受切向力 Ft=4088N，
齿轮受径向力 Fr=1488N，
齿轮的分度圆直径为 d=96mm，
齿轮转速为 n=1460r/min，
运动中无冲击，
轴承预期计算寿命为 L′h=15000h。
成对安装的7214AC轴承：
基本额定动载荷为：
C=i0.7×Cr= 20.7×69.2=112.4(KN)
基本额定静载荷为：
C=i×Cr=2×57.5KN=115(KN)
(1) 求两轴承受到的径向载荷Fr1和Fr2
将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面（图8-b）和水平面（图8-c）两个平面力系。其中图8-c的Ft是通过另加转矩而平移到的，指向轴线，由分析可知：
Fr1V=Fr×(280+80)/280=1488×360/280=1913