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作，其结构如图2.2所示。
图2.2 锥齿轮机构
工作原理：当加工中心发出换刀信号后，电动机M启动，通过单级圆锥齿轮带动手架旋转轴旋转。在旋转轴旋转75°到达工作位置后，电动机M停止工作，并发出手臂旋转和手指夹紧信号。当手臂旋转和手指夹紧动作完成后，准备拔刀，此时，支撑液压缸开始运动，整个摆臂上升，拔刀动作开始，摆臂运动到指定位置时，支撑液压缸停止工作。
电动机开始工作，摆臂架旋转180°后停止，开始插刀动作过程。手架恢复到初始位置，等待下一次换到指令。
此种机构如果设计出适当的凸轮机构便可是从动件实现预期的运动，而且结构简单、紧凑。
2.3 方案的确定
图2.1所示的加工中心换刀机械手手臂伸缩和手指夹紧机构中，手臂伸缩和手指夹紧运动都分别由单独的液压缸进行控制，这使得它们的灵活性都很好。
图2.2所示的机构由于采用了锥齿轮机构，为保证准确换刀，就需要精确的计算出锥齿轮轮的旋转速度和锥齿轮的轮廓曲线，同时还要精确的控制电动机M的起、停时间。故选用此机构会比较理想一些。
通过以上分析，本设计选由图2.1所示的夹紧机构和图2.2中所示的主架旋转机构组成加工中心换刀机械手进行具体的设计。
2.4 设计结构分析 2.4.1 设计参数
主架上下伸缩液压缸最大行程： 110mm； 手臂旋转机构液压缸最大行程： 60mm； 手指夹紧液压缸最大行程： 10mm； 夹持工件质量： 8kg； 换刀过程手架旋转角度： 180°；
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换刀机械手复位角度： -75°；
2.4.2 自由度分析及各自由度的实现
分析自由度的坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式以及关节坐标式等等，本设计中采用直角坐标式对加工中心换刀机械手的自由度进行分析，如图2.3所示。分析过程如下：
(1) 手指夹紧运动(Y)：由手指夹紧液压缸控制实现，通过活塞杆推动或拉动手指部分的连杆机构实现手指的夹紧或松开。
(2) 手臂旋转运动(Y)：由伸缩式液压缸控制实现。
(3) 主架上下伸缩运动(Z)：由手架伸缩液压缸控制它的伸缩运动，能实现换刀机械手的拔刀和插刀动作。
?(4) 主架旋转运动(Z)：由电动机带动单级圆锥齿轮来实现，通过控制电动机的启停时间即可实现手架旋转75°到达工作位置、主架旋转180°完成主轴刀具和刀库刀具互换运动、手架反向旋转75°复位三种运动。
2.4.3 加工中心换刀机械手的组成
加工中心换刀机械手由执行机构、驱动机构，各部分特点如下： 1、执行机构
执行机构是完成各种动作的部件总称，它由抓取部分（手部）、臂部和主架等运动部件所组成。
手指部分：即直接与工件接触部分，一般是回转型或平移型，手爪多为两指，也有多指；根据需要分为内抓式或外抓式；也可用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。本设计采用夹持式手部，即由手爪和传力机构组成，它的主要功能是在换刀过程中完成抓住工件、握持工件和释放工件的动作。
手臂部分：手臂是支撑被抓物体以及手指部分的重要部件，起调整和改变工件方位的作用。本设计中手臂的主要作用是带动手指去抓取物件。
主架部分：用于承受手部以及手臂部分的总体重量，在本设计中它还用于通过旋转运动实现加工中心主轴刀具和刀库刀具的互换运动。
2、驱动机构 驱动机构是用来为各个部件的运动提供动力，是实现一切运动的动力源，有气动、液动、电动和机械式四种形式。
本设计中的各个运动主要是直线、旋转往复运动。由于电动机输出的是旋转运动，若采用电动机传动，则必须加入齿轮、齿条等机械机构，将电动机输出的旋转运动转变为直线往复运动，而液压缸或气缸一般都是直线往复运动的，可直接带动负载作直线往
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复运动，使得结构简单。同时，由于液压驱动的抗冲击能力比电气驱动的抗冲击能力要强，而且在产生相同驱动力（力矩）的条件下，与其他驱动方式相比，液压驱动系统还具有体积小、惯性小、工作平稳可靠以及可实现较高位置精度的特点。故本设计中的驱动方式以液压驱动为主，用液压驱动方式来实现手指夹紧、手臂伸缩和手架伸缩的动作。
对于手架的旋转运动，由于手架旋转轴要实现：旋转75°到工作位置，旋转180°交换主轴刀具和刀库刀具和反向旋转75°实现手架复位三种运动，如采用液压缸和行程开关来控制，要分别实现这三种旋转运动会比较困难，而若采用电动机驱动，则只需控制好电动机的起、停时间就可实现预期的运动。所以，本设计中的手架旋转运动由电动机带动单级圆锥齿轮来实现。
2.5 本章小结
本章主要是设计加工中心换刀机械手的主要换刀形式，也给出了三种手臂伸缩与手指夹紧机构和两种手架旋转轴与手架伸缩机构的设计方案，并通过论证分析，确定了最终的设计方案。同时，本章对加工中心换刀机械手的组成及各自由度运动的实现也进行了较为具体的介绍。
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第3章 结构设计及尺寸计算
前一章对机械手的整体结构进行了方案论证，并确定了技工中心换刀机械手的基本结构及工作范围，本章将在上一章的基础上对机械手的各部分结构进行具体的设计。
3.1 手指结构设计及计算 3.1.1 手指夹紧力的计算
根据文献[5，56.42-56.92]，手指夹紧力的计算过程如下： 手指对工件夹紧力：
N?K1K2K3G (3.1) 式中：
K1——安全系数，本设计中取K1=1.5；
K2——动载系数，本设计中取K2=1.5；
K3——方位系数，K3?0.5sin?/f，本设计中f?0.2~0.3，??60?， 则K3?0.5sin60?/(0.2~03)?1.44~1.26，本设计K3=1.45；
G——被抓持工件的重量，取工件质量为7kg；
将上述各值代入式(3.1)，得：
N?1.5?1.5?1.45?9.8?7=223.81N
对手指结构进行受力分析如图3.1所示，由：
P1sin??P2sin??P
P1?P2
可得：
?) (3.2) P1?P/(2sin又由：
?Nb?P1c/sin??0
?1sin(???) (3.3) P1?P
得：
Psin(???)/(2sin?)?Nbsin?/c
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即：
P?2bNsin?sin?/[csin(???)] (3.4)
在本设计??60?，??21?，??30?，b=50mm，c=13mm； 将各值代入式(3.4)，得
P?2?sin21?sin30??223.81/[13sin(21??30?)]
=2×50×0.5×0.358×223.81/(13×0.777)
=400.22N
考虑到运动过程中的能量损失，取?=0.9，则手指夹紧液压缸的实际驱动力为：P实?P/?=400.22/0.95=421.28N
本设计中取P实=500N； 由式(3.2)可得：
P1?500/(2sin21?)=697.61N
由式(3.3)可得：
P?1=697.61sin51?=542.14N P?1=697.61cos51?=439.02N
对手指夹紧力的校核过程如下：
在手架旋转过程中手指所受的惯性力为：
F2惯?mR? (3.5) 式中：
m——工件质量；
R——工件到旋转轴线的距离，这里取R?300mm；
?——手架旋转轴的转速，初取??2?rad/s；
则由式(3.5)可得：
F惯?7?0.3?(2?)2=82.91 因F惯?P实， 所以手指夹紧液压缸的实际驱动力取P实=500N，安全。
3.1.2 手指部分的相关校核
根据文献[8，72-94]，对手指部分重要部位的校核过程如下：
N