自动换刀机械手的设计.doc

2009届毕业设计

自动换刀机械手的设计

姓 名：

指 导 教 师：

院 系：

专 业：机械设计制造及其自动化

班 级：

学 制：

完 成 时 间：

自动换刀机械手的设计

摘要
加工中心在加工中用得很广泛，加工中心利用刀库实现换刀，这是目前加工中心大量使用的换刀方式。而自动换刀装置是加工中心的重要组成部分之一，它的功能的好坏，关系到整个加工中心的功能。自动换刀装置可分为五种基本形式，即转塔式、 180 回转式、回转插人式、二轴转动式和主轴直接式。刀库换刀，按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置．完成换刀过程．无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置．主轴 Z 向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。
[关键词]：加工中心 自动换刀装置 刀库 机械手
Abstract

[abstract]Machining center in the increasingly wide use of the processing , which is currently used by large processing center blade. And the automatic blade changer devices is an important component of machining center。 Its function is good or bad, on the whole processing machining center functions。 Automatic blade devices can be divided into five basic forms .Namely to Tower, 180 turnaround-type, rotation planting one-, two-and the main axis of rotation axis direct .Exchange cutlery in the tools storehouse , according to the availability of process machinery blade in hand, into a mechanical hand blade and non-blade two mechanical hands .In a mechanical hand exchange cutlery，those will be completed using a mechanical hand, the cutlery out from the main axis.At the same time, another mechanical hand take cutlery from tools storehouse, and then the two exchange locations. The whole process is completed。 If the mechanical hand blade do not join in the process, cutlery storage direction with the main axis parallel. when cutlery arrive at the location which the the main axis can reach, the main axis of the knife blade box to the location above。Z axis movement will be used to complete the processing by cutlery inserted in the space required by department, and then for cutlery knife to be transferred to the standby database location. Z axis movement will return to remove the cutlery from tools storehouse and inserted into the main axis.
[Keyword]: machining center automatic blade changer devices tools storehouse manipulator

目 录
摘要 2
前言 5
第一章 绪论 6
1.1 加工中心简介 6
1.1.1 加工中心的发展史 6
1.1.2 加工中心的优点 6
1.1.3 加工中心的发展动向 6
1.2 自动换刀装置的简介 7
1.2.1 自动交换刀具的由来 7
1.2.2 自动换刀的形式 7
1.2.3 刀库的功能和形式 8
1.2.4 刀套准停措施 10
第二章 机械手的设计 12
2.1 机械手的原理 12
2.2 设计方向 13
2.3 概要 14
2.3.1．机械手的组成与分类 14
2.3.2.机械手的手部 14
2.4机械手手部的设计 15
2.5 机械手其它零件以及尺寸的确定 19
2.5.1.螺栓的确定 19
2.5.2. 其它尺寸的确定 20
2.5.3轴与机械手配合部分的直径的确定 21
2.5.4液压泵的选择 22
第三章 驱动系统的设计 23
3.1 转位机构的设计 23
3.1.1．机械手转过75度的驱动机构 24
3.1.2.机械手转过180度的驱动机构 28
3.2 驱动机构其它零件的设计 31
3.2.1.液压缸的选择 31
3.3 轴的结构设计 32
3.3.1.拟定轴上零件的装配方案 32
3.3.2.确定轴的各段直径与长度 33
3.4 主轴的自动夹紧机构以及主轴准停装置的设计 34
3.4.1 主轴结构 34
3.4.2 刀具的自动夹紧机构 34
3.4.3 主轴准停装置 34
3.5 换刀装置的液压机构分析 35
3.5.1 液压分析 35
3.5.2 换刀动作顺序表 37
第四章 PLC控制分析 39
小结 43
参考文献 44
附译文 45

前言

加工中心的自动换刀装置（机械手），是加工中心的重要组成部分之一，我做的这个毕业设计就是关于这方面的问题。
我的设计任务是：对加工中心自动换刀机械手进行设计。它主要包括以下几方面的内容：
1. 机械部分的设计
2. 液压部分的设计
3. 自动控制方面的设计（PLC）
这个自动换刀装置是针对JCS--018的，通过对实验室中这台机床的研究以及查阅相关资料。在老师的指导下，我很快就有了一个明确的思路。我的思路如下：首先，对机械手部分进行设计，接下来是液压部分，最后是PLC方面。这个机械手只有2个方向的自由度，既：Z轴方向的转动一移动，通过这2个自由度，我可以完成整个换刀的操作。其中转动是用来交换刀具的位置，进而为拔刀与插刀做准备。而移动是用来完成拔刀与插刀的动作的。就是说整个运动过程如下：机械手转到指定的位置，然后在一系列的控制之下交换刀具以及插拔刀具。而我这个设计与实验室中的那台加工中心的自动换刀装置有一些区别，就是实验室中那台加工中心的自动换刀装置采用的是气压控制，而我在这个设计中采用的是液压控制。
在我这个设计中，我遇到了一些问题，就是力不好确定，以及许多尺寸不容易准确的确定下来，我采用了一个很笨的方法，就是直接对JCS--01那台加工中心一些部件的尺寸进行直接的测量，才得出来，我所要的尺寸。通过这个设计中，我对自己的知识有了很明确的认识，看到了自己的许多缺点，对自己起到了一个查漏补缺的作用。
同时，我得到了程老师的很多指导，如果不是程老师的话，我根本不知道从那里入手。在做论文的过程中，我出了很多错误，因为这，得到及时的更正。谢谢老师。
从这次做毕业设计中，我对CAD有了很大的认识，以后，我对再复杂的图，都不会有恐惧感，在液压方面也温习了以前学到的知识。
虽然这样，我做的这个毕业设计，肯定还有很多的错误，希望老师们指正。

第一章 绪论

1.1 加工中心简介
1.1.1 加工中心的发展史
加工中心的发展已有50年历史，自从1952年世界上出现第一台上数控机床后，使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。
它用易于修改的数控加工程序进行控制，因而比大批量生产中使用组合机床生产线的凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性，容易适应加工关键品种的变化，进行多品种加工。
所谓加工中心，普遍上指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。更为明确的说法是：加工中心就是自动换刀数控镗铣床。
现代加工中心的内容包括：①它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置，可使工件在一次装卡中，能够自动更换刀具，自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。②加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，可使工件在一次装卡中，自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。③加工中心上如果带有交换工作台，工件在工作位置的工作台上进行加工的同时，另外的工件在装卸为止的工作台上进行装卸，不影响加工的进行。
1.1.2 加工中心的优点
加工中心的优点很多，主要有以下几点：
① 提高加工质量 工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹所带来的误差。而且，由于是数控加工，较少依赖操作者的技术水平，可得到相当高的稳定精度。
② 缩短加工准备时间
③减少在制品
④减少刀具费用
⑤最少的直接劳务费
⑥最少的间接劳务费
⑦设备利用率高 加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中，容易适应多品种、中小批量生产。
1.1.3 加工中心的发展动向
总的来说，加工中心是向高速化、进一步提高精度和愈发完善的方向发展。
1. 高速化
加工中心的高速化，是指主轴转速、进给速度、自动换刀和自动交换工作台的高速化。
2. 进一步提高精度
加工中心的主要精度指标是它的运动精度指标。而运动精度主要以坐标定位精度、重复定位精度以及铣圆精度来表示。

1.2 自动换刀装置的简介
1.2.1 自动交换刀具的由来
自动交换刀具系统（Automatic Tool Changer简称ATC）系统是由刀库、机械手及相应的控制系统组成。具有钻、镗、铣功能的数控、铣床，一般刀具都安装在机床的主轴上，工件安装于工作台上。为了使工序能够高度集中，尽量节省辅助时间，于是在数控铣床上增加自动交换刀具系统（含刀库、机械手及其控制）便形成了加工中心（MC）。
初期曾采用转塔头式的换刀方式，它的电动机、变速箱、转塔头做成一体，结构紧凑：但变速箱工作时的振动和热量都直接传到转塔上来，而且每把刀都需要一个主轴所以它的刀具数量、尺寸、结构都受到很多限制。
采用单独存储刀具的刀库，刀具数量可以增多，以满足加工复杂零件的需要，这时的加工中心只需一个夹持刀具进行切削的主轴，所以制造难度也比转塔刀架低。
1.2.2 自动换刀的形式
（1）无机械手的换刀方式[2]
小型加工中心有采用无机械手换刀的方式，如图1-1。它的刀库在立柱的正前方上部，刀库中刀具的存放方向与主轴方向一致。换刀时主轴箱带着主轴在立柱导轨上上升至换刀位置，主轴上的刀具正好进入刀库的某一个刀具存放位置，随即主轴内夹刀机构松开，主轴刀库顺着主轴方向向前移动，从主轴中拔出刀具，然后刀库回转，将下一步所需的刀具转到与主轴对齐的位置；刀库退回，将新刀具插入主轴中刀具随即被夹紧，主轴箱下移，开始新的加工。这种自动换刀系统，刀库整体前后移动不仅刀具数量少，而且刀具尺寸也较小。这种刀库旋转是在工步之间进行的，即旋转所需的辅助时间与加工时间不重合。
（2）机械手的换刀方式
这是加工中心普遍采用的一种方式。它的种类很多，可分为单臂单手式机械手、回转式单臂双手机械手、双手式机械手、多手式机械手四类。
① 单臂单手式机械手包括机械手只作往复直线运动的机械手和只作往复摆动的机械手。前者用于刀具主轴与刀库刀座的轴线平行的场合。它的特点是机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动都是直线运动，因而无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需两个弹簧卡销卡住刀柄。而后者，如果是机械手摆动轴线与刀具主轴平行，它主要用于刀库换刀位置的刀座的轴线与主轴轴线相平行的场合。如果是机械手摆动轴线与刀具主轴垂直，它用于刀库换刀位置的刀座和轴线相垂直的场合。总之，这种单臂单手式机械手结构简单。在转塔头带刀库的换刀系统中，不与主轴的换刀时间重合，故可用这类机械手。它也可在刀库与主轴头上的换刀机械手之间传递刀具。但是，这类机械手换刀动作均需顺序进行，时间不能重合，从而换刀时间较长。
图1-1 无机械手的换刀顺序
②回转式单臂双手式机械手包括两手部成180゜和两手部不成180゜两种。两手部成180゜的又可分为固定式双手、可伸缩式双手和剪式双手三类。这类机械手可以同时抓住和拔、插位于主轴和刀库里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。
③双手式机械手可分为机械化只作往复直线运动的机械手和有回转运动的机械手两大类。前者包括双手平行式和双手交叉式，这种机械手适用于容量较大的、距主轴较远的，特别是分置式的刀库的换刀。机械手有回转运动的，在主轴处换刀时转角为180゜，可用于刀库距主轴较远者；在主轴处换刀时转角为90゜，适用于刀库距主轴较近者；在主轴处换刀时转角<90，适用于刀库距主轴较近者。
④多手式机械手使用较少。
它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具反送到刀库上。
1.2.3 刀库的功能和形式
刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并且按程序指令，把即将要用的刀具正确地送到换刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。
设计刀库时，应考虑下列因素：①存刀数 ②刀具最大直径 ③刀具最大长度④刀具最大重量⑤刀库安置空间⑥刀具最大运动线速度⑦刀库工作的可靠性（即不能掉刀，各刀具能准确停在换刀位置上）。
刀库种类很多,图2-1所示仅仅是其中典型的几种。
(1) 结构形式分类
1）转塔式刀库 如图2-1 a所示，用于小型加工中心。转塔转位方式有二：其一为借助机械方式转位，此种方式的选刀，均为顺序选择刀具：其二为由伺服电机驱动转位，此种刀库可以实现任选刀具方式。

2）圆盘式刀库 如图1-2 b、c、d所示卧式，立式加工中心均可采用。圆盘式（侧挂型）一般是挂在立式加工中心的立柱顶上。圆盘型（顶端型）二亦有刀具倾斜朝上，通过转换机构放平后，由机械手换刀。
3）链式刀库 如图1-2e所示，这种刀库是目前用得最多的一种形式。由一个主动链轮，带动装有刀套的链条。
4）格子式刀库 如图1-2f 所示，装有刀套的格子架固定不动。在它的前面有抓刀器在上下、左右移动（实则为2轴控制），根据指令把需用的刀具抓到与主轴换刀的位置上，换刀后再把已用刀具送回原位，然后把下道工序将要用的刀具送到换刀位置。这种刀库的容量大，适合于作为加工单元使用的加工中心上。
（2）按设置部位分类
1）设置在机床上的刀库 下图a、b、c、d所示圆盘式、转塔式以及部分链式。
2）落地式刀库 有图1-2e、f所示的，链式的一部分和格子式刀库，均独立于主机，装在地面上。这种方式，因为刀库重量是由地基承受，且不把刀库运转中的振动传给主机，故对加工精度有利。但最初安装调试比较麻烦。

图1-3 刀库的各种类型
1.2.4 刀套准停措施
如果刀套不能准确地停在换刀位置上。将会使刀机械手抓刀不准，以致在换刀时容易发生掉刀现象。因此，刀套的准停问题，将是影响换刀动作可靠性的重要因素之一。
为了确保刀套准确地停在换刀位置上，需要采取如下措施：
1）定位盘准停方式——由液压油缸推动的定位销，插入定位盘的定位糟内，以实现刀套的准停。定位盘上的每个定位糟（或定位孔），都对应于一个相应的刀套，而且定位糟（或定位孔）的节距要一致。
这种准停方式的优点是：
① 能有效地消除传动链反向间隙的影响。
② 保护传动链，使其免受换刀撞击力。
③驱动电机可不用制动自锁装置。
2）圆盘式刀库宜采用单头双导程蜗杆传动。此外还应尽可能提高刀套在圆盘上沿圆周安装的等分精度和径向位置精度。刀套需要翻转的刀库，还要保证每个刀套翻转的角度一致。
3）尽量减小刀套孔径和轴向尺寸的分散度，以保证刀柄糟在换刀位置上的轴向位置精度。
4）要消除反向间隙的影响。刀库驱动传动链，必然会有传动间隙，且这种间隙还随机械磨损而增大，这将影响刀套准停精度。而对有定位盘的刀库来说，过大的间隙会影响定位盘的正常工作，因此都必须设法消除反向间隙，其方法有以下几种：
①电气系统自动补偿方式。其原理同伺服进给驱动系统的“反向间隙补偿”一样，这种方式能保证双向任意选刀和双向准停。
②在链轮轴上装编码器，对链轮传动进行补偿的方法实现准停。
③单头双导程蜗杆传动方式。这种传动方式，通过调节蜗杆的轴向位置，把传动间隙调到理想程度。在这种传动方式中，如果加用定位销准停方式，就容易出现“过定位”现象。
④使刀套单方向运行、单方向定位方式。这是消除反向间隙影响的一个“笨方法”。这时，刀库单向运行方向，必须与机械手抓刀方法相反，否则机械手抓刀时，会使刀套“挪位”。这种运行方式虽然能够消除传动间隙的影响，但却增加了选刀时间。因次这种方式已很少用，一般只用于小容量刀库或顺序选刀的刀库上。
⑤使刀套双向运行，单向定位方式。这种方式可进行任意方向选刀，但当刀套选刀方向与设定的定位方向相反时，要让刀套在选刀方向上多转过一个刀套位，然后再向设定定位方向运转一个刀套位进行定位，以次来消除反向间隙的影响，这种方式中的刀套定位运行方向，必须与机械手抓刀时的运动方向相反，以避免机械手抓刀时刀套“挪位”。这种运行方式，目前仍有使用实例。

第二章 机械手的设计
2.1 机械手的原理
如图所示，
换刀过程如下：1.刀套（刀具）绕90度
2.机械手回转75度
3. 机械手夹紧刀具
4．主轴刀具夹紧机构松开
5.拔刀
6.机械手回转180度
7.刀臂（机械手）上升放刀
8.夹紧刀具
9．机械手反向回转75度回到原位
10．刀套向上转90度
图2-1 机械手的机械结构
下面，我具体介绍一下各个运动所需要的条件
1. .刀套（刀具）绕90度
当刀库中的油缸上端通入压力油时，活塞连杆向下运动，带动拔叉刀套转过90度。
2.机械手回转75度
机械手的运动是由机械手的手臂来带动运动的，所以要使机械手转过75度，就是机械手的手臂回转75度。如图所示，机械手的手臂通过连杆与驱动机构连接在一起。为了完成这个运动。我采用了齿轮齿条机构来实现。首先，液压缸的前腔充入一定数量的压力油，使连在活塞杆上的齿条向前运动。通过齿轮齿条机构的运动，带动齿轮转动，通过活动盘以及连杆带动机械手回转75度。
3. 机械手夹紧刀具
当机械手开始接触到刀具时，锁紧销被弹簧弹起，使活动销被锁住，不能运动，这就使在固定爪与活动销的配合下，刀具被抓紧。
4．主轴刀具夹紧机构松开
主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆、拉杆端部的四个钢球、蝶形弹簧、活塞、液压缸等组成。机床执行换刀指令，机械手要从主轴拔刀时，主轴需松开刀具。这时液压缸上腔通压力油，活塞推动拉杆向下移动，使碟形弹簧压缩，钢球进入主轴锥孔上端的糟内、刀柄尾部的拉钉（拉紧刀具用）被松开，机械手即可拔刀。
5．拔刀
当主轴的刀具自动夹紧机构松开，连杆最上面的液压缸（使连杆上下运动的液压缸）的上端通入压力油，使活塞杆向下运动，通过转动盘与连杆使机械手向下运动，这就实现了拔刀。
6．机械手回转180度
这个过程是为了交换2把刀具的位置，运动是如下实现的：配置在最下面的液压缸，齿条以及齿轮与连杆来实现的。当发出交换刀具的命令时，液压缸的前腔充入压力油，从而带动空套在连杆上的齿条运动，齿轮齿条的运动带动机械手回转180度，实现交换刀具的这个功能。
7.刀臂（机械手）上升放刀
这个动作与机械手拔刀差不多。不过明显的区别就是液压缸的下腔通入压力油，使活塞杆向上运动，从而把刀具放在准确的位置。
8.夹紧刀具
当机械手将一把刀具插入主轴后，液压缸上腔无油压，在弹簧的恢复力的作用下，使拉杆、钢球和活塞退回，使弹簧通过拉杆和钢球拉紧刀柄尾部的拉钉，使刀具夹紧。
9．机械手反向回转75度回到原位
液压缸的后腔通人压力油，齿条向前运动带动齿轮运动，从而使机械手反向转过75度。
10．刀套向上转90度
位置开关发出信号，刀套带着刀具向上翻转90°，为下一次选刀做准备。

2.2 设计方向
上一节弄清楚了机械手换刀的基本原理，下面我就要对机械手的设计方向做一下大概的定义。
首先我们了解到机械手是由以下机构组成的：
1． 机械手
2． 驱动机构
3． 主轴上的自动夹紧机构
其中机械手部分主要的作用是对刀具实行夹紧作用，并通过驱动机构的作用来实现刀具交换位置以及插拔刀具。而驱动机构是实现一系列运动来驱动机械手的运动，从而完成预定的功能，它的正确与否关系到整个功能实现。主轴上的自动夹紧机构，只是对来到主轴上的刀具进行夹紧与放松。
所以，我们只要对以上三个部分进行设计就可以了
即：
1． 对机械手进行设计
2． 对驱动机构进行设计
3． 对主轴上的自动夹紧机构进行设计

2.3 概要
2.3.1．机械手的组成与分类
机械手是一种模仿人手部动作，按照预先设定的程序、轨迹和其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵刀具的自动化装置，在本设计中，机械手的功能是夹刀具以及自动换刀。
为了实现抓刀具的功能，机械手需要相应的手指部分以及使刀具被抓紧的辅助装置，为恶劣实现自动换刀，需要设计一些交换刀具的功能，这就需要一些驱动机构，另外，为了控制这些机械手安照我们预定的方案运动，这就需要一些控制系统，做最后需要的是动力源，我们这里主要采用液压。
机械手的组成：
1． 执行机构
2． 控制系统
3． 驱动机构
4． 动力机构
在这个设计中，我们用液压做为动力源，用驱动机构控制机械手交换刀具的位置，用执行机构来夹刀具。所以这个机械手具有2个自由度，一个移动一个转动。
2.3.2.机械手的手部
机械手的手部是用来抓刀具的部件，手部抓刀具的准确程度将直接影响到机械手的工作性能，它是机械手的关键部件之一。
根据机械手所夹刀具的形状、尺寸、重量、材料和表面状况的不同，手部具有多种的结构形式，一般手部抓工件的方式可分为手指式、吸盘式以及特殊式。
手指式手部是以手指的张开和关闭来实现夹刀具以及工件的。它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性。故应用较广。一般手指式的手部具有2指、3指以及多指。
吸盘式手部是利用吸力来吸取工件的，一般有空气负压吸盘与电磁吸盘2种。空气负压吸盘适用于表面光滑的板材或曲线形状的零件。而电磁吸盘适用与磁性材料的板材或盘类零件。
特殊式手部是为了提高夹工具的能力和在特殊的条件下使用的。

2.4机械手手部的设计

1. 由于机械手的手部结构多种多样，在选用时，应根据具体情况来分析，之后才选择使用。在我这个设计中，机械手是用于加工中心的自动换刀装置中，因为是换刀，必须是二把刀具以及二把以上的刀具交换位置，当然，一般是2把刀具交换位置。我这里的设计也是如此。二把刀具交换位置就需要2个机械手的手部。在我这个设计中就采用了2个手部（一个机械手，二个手部）。
2. 在设计中应该注意的问题：
1） 手指应该有足够的夹紧力 为了使手指牢靠的夹紧工件，除想到抓刀具的重力外，还要想到，刀具在传递过程中产生的动载荷
2） 手指应用在一定的开闭范围 ，其大小不仅与工件的尺寸有关，而且须想到手部接近刀具的运动路线以及方位的影响
3） 应能保证工件在手指内准确定位
4）结构尽量紧凑、重量轻
综合上述，我选择使用下面所使用的机械手手部。选择理由如下：
1） 通过调节活动销的位置，就可以调节夹紧力的大小，只要活动销的强度在一定的范围内就可以了
2） 为了抓紧不同类型的刀具 机械手的手部就必须要有对不同半径的刀具具有抓紧的功能，通过调节活动销的位置，就可以调节手部，使手部能抓紧在定范围内的刀具
3）这个手部全是机械装置，在抓刀具的时候，不需要外加其它的动力源。
工作原理如下： 当手臂处于换刀位置的75度时，锁紧销被档块压下，活动销就可以活动了，使得机械手可以抓住（或放开）主轴或刀套中的刀具，刀具被弹簧的活动销顶靠在固定爪中，锁紧销被弹簧弹起，使活动销被锁紧，不能后退，这就保证了在机械手运动的过程中，手爪中的刀具不会被甩出。
3.弹簧的选取
由于在JCS--018中，18把刀具中最大的直径为100mm，所以我设计的手爪为100mm，这就需要通过调节活动销的行程来实现夹刀具的。通过计算得出，活动销的行程应大于L=26.5mm，这就需要弹簧的压缩量最少都要为26.5mm，这里我们选择的压缩量可以为30mm弹簧。我们将活动销的顶点距手爪中心的距离为36.5mm。

对直径为100mm的刀具来说弹簧对刀具的夹紧力为弹簧的反力（根据作用力与反作用力的原理）
所以夹紧力为：
P=-F=-kx=28.5k (2-1)
又由于直径为90mm的重量为7kg，要使刀具在夹紧力的作用下不掉下去。摩擦力就必须大于重力。
由于这里是钢铁的接触，所以取摩擦系数u=0.12
摩擦力
f=Nu (2-2)
上式中N为活动销对刀具的压力
所以
f=Nu>G (2-3)
即：N>G/u=7*9.8/0.12=572N
从上式我们可以得到活动销对刀具的压力大于572牛
又由于活动销对刀具的力是由于弹簧压缩所产生的，所以
P=N>572N (2-4)
联立（1）（4）二式可以得到
P=N=28.5k>572N
所以k=N/28.5>572/28.5=20.06N/mm
取k=21N/mm
4.活动销的选取与验证
由于活动销承受的压力较大，所以选用45钢（调质）
活动销的受力图如下
如图：
N’是刀具对活动销的支撑反力
N’=P=kx=21N/mm*28.5mm=598.5N
f’是由于摩擦的结果 是由于活动销阻止刀具下掉掉力的作用反力，与 f的方向相反。即方向向上
大小为：f’=f=Nu=598.5N*0.12=70.14N
F’为弹簧对活动销的作用力
F’=-kx=598.5N
F1 是由固定活动销的外壁产生的，用来限制活动销向下的运动、向上的运动、转动等5个自由度的。
由于这个物体（活动销）在力的作用下平衡，根据力的作用力与反作用原理，可得：
F’=N’
F1=f’
所以得到：F1=f’=70.14N
且要与f’的方向相反，因此方向向上。
对X轴方向 ，活动销受到F’与N’这对力的同时作用
所以产生的内部应力为

所以 (2-5)
确定上式中各个参数值：
1） 由于材料为45钢 ，所一许用应力为58Mpa
2） Fn=N’=f’=598.5N
所以（2-5）式中

又因为 （2-6）
所以 （2-7）
即：

所以取d=12mm
又由于活动销还受到剪的作用，所以：
（2-8）
由（6）（8）二式我们可以得到如下的公式：
（2-9）
确定上式中的各个参数值：
1） 45钢的许用剪应力为
2） 剪切力Fbs=f’=598.5N
所以（9）式可以计算为：
3.56mm （2-10）
由（7）与（10）得到的d综合得
取d=12mm
下面来确定销的长度
由于在F1和f’的作用下会产生一个力距M
大小为 M=F1L （2-11）

上式中的L为活动销的长度
在M的作用下活动销要弯曲，在它的2个端点弯距最大为M=F1L
所以
弯曲应力为 （2-12）
上式中W为抗弯截面系数
由于截面为圆形所以
W=
所以 （2-13）
由于45钢的弯曲应力为40Mpa
所以
（2-14）
即
所以,由上式得145mm
根据销的系列与上式所计算的长度，取l=112mm
所以活动销就确定了
为
5．锁紧销的选取与验证
由于锁紧销的要求没有活动销高，联想到它的使用状况，所以选用20钢
它的剪应力
所以 （2-15）
（2-16）
（2-17）

由（15）（16）（17）式可以得到

取d=7mm
根据销的系列选取长度为40mm的销
所以销的类别为7*40

2.5 机械手其它零件以及尺寸的确定
2.5.1.螺栓的确定
机械手的手部是通过螺栓连接在手腕上面的，又因为手部与手腕的结合要能精确的固定相对位置，所以选用普通螺栓来连接。我这里采用了3螺栓组成螺栓组来连接的
现在对这3螺栓进行受力分析
这3个螺栓同时受到力F=598.5以及力矩M=FL作用
由于这些螺栓都采用的是普通螺栓
所以各个螺栓的受力分别为
F’=
1）下面我对其中的一个螺栓进行验证
（2-18）
上式中
F为接合面的摩擦系数
i为接合面数 ，这里接合面数为2，所以i=2
为防滑系数 ---1.3，这里取=1.2
由于接触表面的表面状况为干燥的表面，所以取f=0.1
所以（18）式可以如下计算

又因为螺栓危险截面的拉伸条件公式：
（2-19）
由于螺栓的材料为中碳钢，所以 它的许用拉伸应=43Mpa
所以（19）式可以如下计算：
=6.2mm
由于我只是大概的计算，所以实际取螺栓值的时候取大一点
我们取d=14mm
所以采用M14这种螺栓
关于螺栓的排布，我采用如下的方式：

图2-2 螺栓的排列
下面，我们来确定这些螺栓在机械手中的位置
右边第一个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离
右边第二个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离
右边第三个螺栓它离下底面的距离为 到右端面的距离
2.5.2. 其它尺寸的确定
机械手的手腕部分我选用20碳钢它的厚度为30mm，它的宽度为80mm，它的整个长度为640mm其中机械手中心到手腕外的距离为259mm，
2.5.3轴与机械手配合部分的直径的确定
1）材料的确定
由于轴是重要的零件所以选用45钢
2）按扭转强度来计算轴径
在轴的结构设计时，通常用下面的这个公式来初步估算轴径
(2-20)
上式中为扭转切应力，单位为Mpa
T为轴所承受的扭距，单位为N.mm
为轴的抗扭截面系数,单位为
P为轴所传递的功 单位为kW
D为计算截面处的直径 ,单位为m