西安文理学院本科毕业设计(论文) 第14页
3.4 主架旋转机构设计 3.4.1 主架架旋转轴的设计
1、估算手架旋转轴所承受的负载
两机械手手指的质量： m1=0.325kg×2=0.65kg； 上挡板的质量： m2=0.137kg； 下挡板的质量： m3=0.137kg； 后挡板的质量： m4=0.021kg；
侧挡板的质量： m5=0.026kg×2=0.052kg； 手指与活塞杆之间连接间的质量：m6=0.147kg； 夹持工件的质量： m7=7kg； 手指夹紧液压缸前端盖质量： m8=0.491kg； 手指夹紧液压缸后端盖质量： m9=0.362kg； 手指夹紧液压缸缸筒质量： m10=0.184kg； 手臂伸缩液压缸前端盖质量： m11=0.589kg； 手臂伸缩液压缸缸筒质量： m12=0.427kg； 上套件质量： m13=0.609kg； 上套件质量： m14=1.08kg； 当储油量最大时油液的质量：
m15??V?900kg/mm3?(8.04?2?374.07)L?0.35kg
主架旋转轴所承受的总质量为：
m?(m1?m2?m3?m4?m5?m6?m7?m8?m9?m10?m11)?2?m12?m13?m14?m15
=(0.65+0.137+0.137+0.021+0.052+0.147+8+0.491+0.362+0.184 +0.589)×2+0.427+0.609+1.08+0.35=22.96kg； 手架旋转轴所承受的负载为：
F?mg=23.96×9.8 =204.81N
2、主架架旋转轴强度的校核
西安文理学院本科毕业设计(论文) 第15页
初取手架旋转轴的轴径d=30mm； 手架旋转轴所承受的负载为：m=23.96kg； 手架旋转轴的质量为：m?=1.43kg；
取手架旋转所需的驱动力距等于手架旋转时受到的惯性力距，则根据文献[11，78-106]有：
M惯?J0??(J01?J02)? (3.24) 式中：
J01——手臂回转部件对回转轴线的转动惯量； J02——手架旋转轴对回转轴线的转动惯量；
这里初取手架旋转轴的转速n=1m/s,则其角速?——手架旋转轴旋转时的角加速度，
度?=2πrad/s，设手架旋转轴从静止开始到达到稳定速度所需的时间为Δt=0.1s,则：?=Δ?/Δt=(2πrad/s)/(0.1s)=20πrad/s2； 机械手夹紧力的校核：
F惯?MR?2 (3.25) 取手架回转的角速度??2?， R=300mm， 则由式(3.25)得：
2F惯=8kg×300mm×(2?)=94.75N
因F惯小于机械手手指的夹紧力，所以机械手的手架旋转轴工作正常。
由于手臂回转部件的回转轴线与其重心轴线重合，所以可取：J0?m(L2?3R2)/12 本设计中R=15mm,取L=250mm， 则：
（0.252+3×0.0152）/12=0.126Nm3 J01=23.96×
0.0152/2=0.00016 Nm3 J02=m?R2/2=1.43×将值代入式（3.24）可得：
M惯?(0.126?0.00016)?(20?)2=7.92 Nm
手架旋转轴的输出功率：
P?M?=7.92 Nmm ×2πrad/s =49.76w
手架旋转轴强度校核公式如下：
西安文理学院本科毕业设计(论文) 第16页
??Mn/Wn?[?] (3.26) 式中：
Mn——手架旋转轴的扭矩，此处Mn?M惯 =7.92 Nm；
Wn——手架旋转轴的抗弯截面模量，对于实心轴有Wn??d3/16，所以此处Wn=(303?10?9?)/16=5.3?10?6m3；
将值代入式(3.26)可得：
?=7.92/5.3?10?6=1.49MPa
因[?]=20MPa, ?<[?]，故所选轴安全。
3.4.2 手架旋转驱动机构的选择
1、电动机类型的选择
目前常用的加工中心换刀机械手，它的手架旋转运动是由两个液压缸实现的。一个液压缸用来实现手架旋转75°到达工作位置，换刀运动过程准备开始。另一个液压缸则是在拔刀过程结束后，实现手架旋转180°的运动， 是主轴刀具与刀库刀具互换位置。虽然这种结构工作原理很简单，但由于驱动机构较多，它们之间以及它们和手架伸缩液压缸的活塞杆之间的连接机构却比较复杂。而在本设计中，所以只需要用一个驱动机构带动齿轮机构或蜗轮蜗杆机构，就可实现手架在拔、插刀前后的多次旋转运动。
对于这个驱动机构，它需要能实现手架的75°、180°和反向75°三种角度的旋转。若采用液压缸和行程开关进行控制，则一般只能实现一种角度的旋转。而如果采用电动机进行传动，则只需控制好电动机的起、停时间就可以实现各种预期的运动。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。
TYV系列高精度微型特种减速电动机采用高新技术，具有齿轮减速、蜗轮减速、直线往复等多种结构，并可配有电子无级调速、阻尼制动、电磁刹车等功能，适用于交流、直流多种电压，是一种高效、节能、低噪音的微特减速电动机，它还具有结构紧凑、安装方便、减速比大、体积小、输出转矩大及运行可靠等特点，因此，本设计中的手架旋转机构选用TYV系列高精度微型特种减速电动机作为驱动机构。
2、电动机型号的选择
根据文献[13，8-13]，各传动副传动效率为： 弹性柱销连轴器： ?1=0.99； 圆锥滚子轴承： ?2=0.99； 单级圆锥齿轮： ?3=0.95； 总的传动效率为：
???1?22?3=0.99×0.99×0.99×0.95=0.90
西安文理学院本科毕业设计(论文) 第17页
取单级圆锥齿轮的传动比为i=3； 所选电动机应满足：
n0?ni=3r/s=180r/min P0?P/?=49.76/0.90=55.29w T0?T/(?i) =2.93Nmm
根据上述条件，查电机系列，取TYV4型齿轮减速电动机，其基本参数如下：允许负载为P0=60w，输出转速为n0=150r/min，转矩为T0=3.4Nmm。
3.4.3 单级圆锥齿轮的设计与校核
根据文献[13，8-13]，各轴转速为：
n0=150r/min n1=n0=150r/min
n2=n1/i=50r/min
各轴转距为：
T0=3.4Nm
T1=?1T0=0.99×3.4=3.37Nm T2=?iT0=0.90×3×3.4=9.18Nm
各轴的输入功率为：
50/9550=53.4w P0=T0n0/9550=3.41×
P53.4=52.87w 1=?1P0=0.99×53.4=48.06w P2=?P0=0.90×
手架旋转轴的实际角速度?=(5/3)πrad/s，因M?=41.47w ?33=d1?1103P/n110?52.87?/150=3.61mm 11根据文献[7，32.167-32.185]，圆锥齿轮的设计与校核如下过程： 选定齿数Z1、Z2： 取Z1=19,则Z2=uZ1=3×19=57 实际齿数比u： 西安文理学院本科毕业设计(论文) 第18页 u?Z1/Z2 分锥角?1、?2： 因?=90°，u=3，故： ?1=arctg（1/u）=arctg（1/3）=18°26′ -18°26′=71°34′ ?2=?-?1=90° 初选齿宽系数?R：?R常取0.25-0.35，这里取?R=0.3； 工况系数Ka： 因其载荷特性为工作平稳，故可取K?=1.0； 动载系数KV：这里取KV=1； 试验齿轮的接触疲劳极限应力?Hlim： 由于此齿轮为硬齿面，并经淬火处理，故可取?Hlim=1350N/mm2； 齿轮大端分度圆直径d1：由式： d1?1190.813T1KAKV/[(1?0.5?R)2?Ru?2Hlim] 得小齿轮大端分度圆直径为： d1?1190.8131.98/[(1?0.15)2?0.3?3?13502]=16.87mm 本设计中取d1=35mm； 大端模数m： m?d1/Z1=35/19=1.84 按标准系列取m=2； 重求齿轮大端分度圆直径d1、d2： 19=38mm d1?mZ1=2× d2?mZ2=2×57=114mm 锥距R： R?d1/(2sin?1)=38/(2×sin18°26′)=60.08mm 齿宽b： b??RR=0.3×60.08=18mm 实际齿宽系数?R： ?R?b/R=18/60.08=0.3