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数控镗铣床换刀机械手设计_图文

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数控镗铣床换刀机械手设计
摘 要
为了更好的应用,机床工业中的对应机械手获得了广泛的研究,然而,有限的工作 空间, 比较差的灵活性,复杂对应机械手的难于设计,导致人们把目光投向于少于 6

个自由度的对应机械手, 本篇论文描述了几个在自由度的数量和类型上都不相同的对应 机械手,这些对应机械手可被用语对应运动机器,运动模拟器和工业机器人。

关键词:对应机械手;对应运动机械;自由度;机器人

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Abstract
llel manipulators for the machine tool Industry have been studied extensively for various industrial applications. However, limited useful workspace areas, the poor mobility, and design difficulties of more complex parallel manipulators have led to mare interest in parallel manipulators with less than six degrees of freedom (DoFs). Several parallel mechanisms with various numbers and types of degrees of freedom are described in this paper, which can be used in parallel kinematics machines, motion simulators, and industrial robots.

Key words: parallel manipulator;parallel kinematic machine; degree of freedom;robot

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目录
绪论 ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………… 5 6 6 6

1 机械手的相关介绍

1.1 数控技术的发展历程 1.3 加工中心的组成部分 1.3.1 刀库

1.2 数控加工中心的基本功能 …………………………………………………………

……………………………………………………………… 7 7 7 8 8

……………………………………………………………………

1.3.2 刀具交换装置………………………………………………………………… 1.3.3 运刀装置 ……………………………………………………………………

1.3.4 刀具编码装置…………………………………………………………………

1.3.5 刀具识别装置…………………………………………………………………… 9 1.4 刀库的驱动及定位………………………………………………………………… 9

1.5 我国数控技术的发展状况 ………………………………………………………… 10 1.6 数控技术的发展趋势 …………………………………………………………… 10

2 换刀机械手的总体方案设计…………………………………………………………… 11 2.1 设计任务…………………………………………………………………………… 11 2.2 机械手的*稳性…………………………………………………………………… 11 2.3 机械手的运动特性分类…………………………………………………………… 13 2.4 开关型机械手的速度及位置控制………………………………………………… 13 2.5 机械传动行机械手的速度及位置控制 …………………………………………… 14 2.6 机械手类型确定…………………………………………………………………… 14 2.7 驱动系统及电控统的选择…………………………………………………………14 ………………………………………………………………………… 19

3 总体结构设计

3.1 手爪部分设计……………………………………………………………………… 19 3.2 机械手手臂设计 ………………………………………………………………… 19 22

3.3 机械手传动结构的设计…………………………………………………………

4 换刀机械手的参数和计算……………………………………………………………… 25 4.1 手臂的弯曲变形…………………………………………………………………… 25 4.2 电动机的选择……………………………………………………………………… 26

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5 换刀过程……………………………………………………………………………… 27 致谢……………………………………………………………………………………… 31 参考文献………………………………………………………………………………… 32

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绪 论
随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、 输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已越来越引起人 们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水*和劳动生产率;可以减轻劳动 强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、 有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此, 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输 业等方面得到越来越广泛的应用。 在现代工业生产自动化领域中,机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床 以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计,这些费用占全部加工费用 的五分之一以上。而大规模的机械加工中,时间的节省越来越成为生产者和工程设计者 (或者技术人员)的追求方向,这也是未来工业发展的趋势。 机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中,并取得较好的效果。现今的 工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。我国目前研制的工业机械手大多还是 专用机械手。该机械手的结构形式比较简单,专用性强,仅附属于某台机床。虽然其有 着通用机械手无法比拟的批量大, 对某些设备 (或者机加零件) 的加工精确性高的优点, 但就目前来看,专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必要的改造,使 其适应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便,特别适用于多品 种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历史,但这些装置在 国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加 设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口,但相信不 久的将来我国必然会设计研制出自己的设备,这需要我们所有人的不懈努力。 这次设计的换刀机械手的主要任务是,完全模拟人手的换刀动作,给机床主轴提供 相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。

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1.1 数控技术的发展历程

换刀机械手的相关介绍

回顾数控技术的发展已经经历了两个阶段,六代的发展历程。第一个阶段叫做 NC 阶段,经历了电子管、晶体管、和小规模集成电路三代。自 1970 年开始小型计算机开 始用于数控系统就进入了第二个阶段,叫做 CNC 阶段,成为第四代数控系统:从 1974 年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过十多年的发展,数控系统从性能到 可靠性都得到了根本性的提高。实际上从 20 世纪末期直到今天,在生产中使用的数控 系统大部分都是第五代数控系统。但第五代数控系统以及以前各代都是一种专用封闭的 系统,而第六代——开放式数控系统将代表着数控系统的未来发展方向,将在现代制造 业中发挥越来越重要的作用。

1.2 数控加工中心的基本功能
带有自动换刀刀具交换装置(ATC Automatic Tool Change)的数控机床称为加工中 心。它通过刀具的自动交换,可以一次装夹完成多道工序的加工,实现了工序的集中和 工艺的复合,从而缩短了辅助加工时间,提高了机床的效率,减少了零件安装、定位次 数,提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。 带有刀具自动交换装置、能一次集中完成多种工序加工的数控加工设备。数控机床 实现了中、小批量加工自动化,改善了劳动条件。此外,它还具有生产率高、加工精度 稳定、 产品成本低等一系列优点。 为了进一步发挥这些优点, 数控机床遂向 “工序集中” , 即一台数控机床在一次装夹零件后能完成多任务序加工的数控机床(即加工中心)方面发 展。 钻、镗、铣、车等单功能数控机床只能分别完成钻、镗、铣、车等作业,而在机械 制造工业中,大部分零件都是需要多任务序加工的。在单功能数控机床的整个加工过程 中,真正用于切削的时间只占 30%左右,其余的大部分时间都花费在安装、调整刀具、 搬运、 装卸零件和检查加工精度等辅助工作上。 在零件需要进行多种工序加工的情况下, 单功能数控机床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自动交换功能,零件装 夹后便能一次完成钻、镗、铣、攻丝等多种工序加工。

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1.3 加工中心的组成部分
加工中心分两大部分:数控机床和刀具自动交换装置。刀具自动交换装置应能满足 以下几个方面的要求: ①换刀时间短; ②刀具重复定位精度高; ③识刀、选刀可靠, 换刀动作简单; ④ 刀库容量合理, 占地面积小, 并能与主机配合, 使机床外观完整; ⑤ 刀具装卸、调整、维护方便。 刀具自动交换系统由刀库、刀具交换装置、刀具传送装置、刀具编码装置、识刀器 等五个部分组成。 1.3.1 刀库 刀库是存贮加工所需各种类型刀具的仓库。它是刀具自动交换系统中的重要组成部 分,具有接受刀具传送装置送来的刀具和将刀具给予刀具传送装置的功能。它的容量、 布局和具体结构对整个加工中心的总体布局和性能有很大的影响,按其结构、形状可分 为以下六种: ① 圆盘式刀库, 又分为轴向式(刀具中心线与圆盘中心线*行)、 径向式(刀 具中心线与圆盘中心线垂直)和多盘式(在一根旋转轴上分设几层圆盘刀库)。 ②转塔式 刀库,又分倾斜式和水*式。 ③鼓轮式刀库。④ 链式刀库。 ⑤格子式刀库。 ⑥直线 式刀库。 应当根据被加工零件的工艺要求合理的确定刀库的存储量。根据对车床、铣 床和钻床的所需刀具的数的统计表明,在加工过程中经常使用的刀具数目并不很多,对 于钻削加工,用 14 把不同的规格的刀具就可以完成约 80%的加工,即使要求完成 90% 的工件加工,用 20 把刀具也就足够了。对于铣削加工,需要的刀具更少,用 4 把不同 规格的铣刀就能完成约 90%加工,用 5 把不同规格的铣刀可以加工 95%的工件。因此从 使用角度来看,刀库的存储量一般为 20~40 把较为合适,多的可达 60 把刀,超过 60 把 刀的很少。 1.3.2 刀具交换装置(机械手) 它的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换,其动作 循环为:拔刀─新旧刀具交换─装刀。换刀机械手种类繁多,可以说每个厂家都可以推 出自己的机械手,基本上换刀装置按交换方式又分为两类。

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无机械手换刀:由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中,刀库一般 为格子式,装在工作台上。换刀时,先使工作台与主轴相对运动,将使用过的旧刀送回 刀库,然后再使工作台与主轴相对运动一次,从刀库中取出新刀。这种换刀方式的换刀 时间长,另外刀库设置在工作台上,减少了工作台的有效使用面积。 采用机械手换刀:机械手刀具交换装置,有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械 手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动 作灵活可靠等优点,应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有:钩手;抱手; 伸缩手;叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为:抓刀(手臂旋转或伸出, 同时抓住主轴和刀库里的刀具);拔刀(主轴松开,机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔 出);换刀(手臂转 180°,新、旧刀交换);插刀(同时将新刀插入主轴,旧刀插入刀库, 然后主轴夹紧刀具);缩回(手臂缩回到原始位置)。机械手的手爪,大都采用机械锁刀的 方式,有些大型的加工中心,也有采用机械加液压的锁刀方式,以保证大而重的刀具在 换刀中不被甩出。 1.3.3 运刀装置 当刀库容量较大、布置得离机床较远时,就需要安排两只机械手来完成新旧刀的交 换动作,一只靠*刀库,称为后机械手,完成拔新刀、插旧刀的动作;一只靠*主轴, 称为前机械手,完成拔旧刀、插新刀的动作。在前后机械手之间则设有运刀装置。它一 方面将前机械手从主轴*纬龅木傻对嘶氐犊馀裕员愫蠡凳纸镁傻栋纬霾⒉寤氐 库;另一方面则将后机械手从刀库中拔出的新刀运到主轴旁,以便前机械手将该新刀拔 出并插入主轴。运刀器的职能就是在前后机械手之间来回运送新、旧刀具。 1.3.4 刀具编码装置 将加工所需的刀具自动地从刀库中选择出来称为自动选刀,有顺序选择和编码选择 两种方式。 顺序选择方式: 将在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插 入刀库中。加工时按加工顺序一一取用。采用这种选刀方式不需要识刀器,刀库结构及 其驱动装置都非常简单,每次换刀时控制刀库转位一次即可。采用顺序选刀方式时,为

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某一个工件准备的刀具,不能在其他工件中重复使用,这在一定程度上限制了机床的加 工能力。 固定地址选择方式:这是一种对号入座的方式,又称为刀座编码方式。这种方式是 对刀库的刀座进行编码,并将与刀座编码相对应的刀具一一放入指定的刀座中。然后根 据刀座的编码选取刀具。该方式使刀柄的结构简化,刀具可以做得较短,但刀具不能任 意安放,一定要插入配对的刀座中。与顺序选择方式相比较,刀座编码方式最突出的优 点是刀具可以在加工过程中多次使用。 编码选择方式: 将加工某一项零件所需的全部刀具(或刀座)都预先编上代码,存放 在刀库中。加工时根据程序寻找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代码,它们在 刀库中的位置和存放顺序可以与加工顺序无关。每把刀具都可被多次重复使用。刀具编 码有多种方式,常用的有三种。刀具编码:在每一把刀具的尾部都用编码环编上自己的 号码。选刀时根据穿孔带所发出的刀号指令任意选择所需的刀具。由于每把刀具都有自 己确定的代码,无论将刀具放入刀库的哪个刀座中都不会影响正确选刀。采用这种编码 方式可简化换刀动作和控制线路, 缩短换刀时间。 这种编码现已获广泛应用。 刀座编码: 在刀库的每一个刀座上用编码板编码。这种编码方式的优点是刀柄不会因尾部有编码环 而增加长度;缺点是刀具必须对号入座,换刀时间长。 编码钥匙:预先给每把刀具都 系上一把表示该刀具代码的编码钥匙。 1.3.5 刀具识别装置 通常有接触式和非接触式两种。

1.4 刀库的驱动及定位
刀库的旋转可分为电气驱动和液压驱动两种方式。电气驱动可以将伺服半闭环系统 用作驱动刀库的转动,也可采用系统的 PC 直接发出运转信号控制电机的运转来带动刀 库旋转。液压驱动仍需电气信号的配合,PC 给出运转信号,一般通过电磁阀来实现前 级控制,只是执行机构是液动马达。在执行 ATC 过程时,除了主轴头的定向及主轴箱 的定位外, 为确保所更换的刀具准确地被机械手抓住, 所以刀库的定位也是必要的功能。 电气驱动时可在电机*沧拔恢帽嗦肫鹘卸ㄎ,也可以在抓刀位置安装接*开关来检

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测定位。液动结构的刀库往往采用机电结合式的销定位方式。半闭环伺服驱动刀库的定 位精度较高,其它几种方式也足以满足刀库定位精度的要求。

1.5 我国数控系统的发展概况
在对内搞活, 对外开放的方针指引下, 于 1980 年开始引进日本就有 70 年代末期 水*的微处理器数控系统和直流伺服拖动技术。并于 1981 年开始生产,到 1988 年又开 始引进美国的 GE 和 DYNAPATH 公司的数控系统和拖动技术,在上海市机床研究所和 辽宁精密仪器厂组织生产。1985 年以后,我国的数控机床的可供品种已超过 300 种,其 中数控机床占 40%,加工中心占 27% ,其它品种为重型机床、镗铣床、电加工机床、 磨床、齿轮加工机床等。目前我国数控机床生产厂家共有 100 多家,其中能批量生产的 企业有 42 家,*均年产量 40~50 台,几家重点企业年产量可以达到 400~700 台;数控 系统生产企业约 50 家,但生产具有一定批量的只有 8 家,生产数控机床配套产品的企 业共计 300 余家,产品品种包括八大类 2000 种以上。我国的数控系统分为三种类型, 经济型、普及型、和高级型。在经济型数控系统中,我国具有很大优势,在当前每年数 千台经济型数控车床和电加工机床的市场上,国产数控系统占据了绝大份额。在普及型 数控系统的市场上,我们正在取得进展。当然,拥有自主知识产权的数控系统在市场的 开拓上仍要尽更大的力量。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际 80 年代中期水 *,部分达到 90 年代水*,在技术上也有所突破,如高速主轴制造技术、快速进给、 快速换刀、柔性制造、快速成型制造技术等为下一代国产数控技术的发展奠定了基础。

1.6 数控系统的发展趋势
国际上,数控系统的发展趋势正朝着高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能 化、集成化、具有开放性、网络化数控系统、并联机床及数控系统的方向发展。

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2 换刀机械手的总体方案设计

2.1 设计任务
本次设计的主要任务是:自动换刀机械手,实现数控镗铣床的自动换刀,需要换的 刀具主要是 BT40 型刀柄,需要实现的工作是抓刀—换刀—松刀的动作。 主要技术参数:刀具最大重量 6kg,双臂回转式换刀,刀臂数量和长度以及直径主 要依据配套刀库的设计要求。换刀时间 2.5S。

. 2.2 机械手的*稳性
工业生产要求机械手工作速度快,运动*稳,定位精度高。应注意其影响因素,设 计合理结构,以满足要求。 1、影响*稳性以定位精度的因素 (1) 、惯性力的影响

图 2.1 惯性曲线

机械手速度突变,加(减)速度不连续,会产生巨大的惯性冲击力,以至使工件滑 动、部件松动、零件破裂。定位时,大的减速度使臂部往复振动,直接影响定位精度。 因此,应根据机械手的运动特性,选择适宜的控制系统,使加(减)速度按所需的运动 归路变化,同时,在保证刚度的前提下,减轻机械手运动件的重量。

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(2) 、结构刚度的影响 零件结构刚度性差,配合间隙大及整机固有频率低时,受较小惯性冲击,就发生振 动。不但降低定位精度,而且降低机械手寿命。应选择合理结构,提高机械手固有频率 及承受惯性载荷的能力。 (3) 、定位方法的影响 常用的定位方法中,电气开关的定位精度最低,伺服定位较高,机械挡块的定位最 高。 (4) 、控制系统的影响 电控系统的误差,阀类泄漏,检测元件失灵,挡块偏移等会降低定位失灵。 (5) 、驱动源的影响 液压、气压、电压及油温波动都会降低*稳性及定位精度,必要时,用蓄能器等稳 定液压、气压、电压,用加热器和冷却器控制油温。

2 机械手的运动特性 深入分析机械手的运动特点,有利于根据工作条件选择适宜的运动特点。下面为我 们所选工业机械手所具有的运动规律,在减速较大时的情形。

图 2.2 运动特性曲线

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按上图的运动,机械手的速度变化呈等加速或不等加速运动,其减速过程亦分为等 减速运行和不等减速运行,在呈等加速运行,而不等减速运行时,由于速度行程短,故 有利于提高机械手的工作速度。 特点:速度变化基本上连续,运动中不会产生冲击,可以满足高速、*稳和定位精 度高的要求。

2.3 机械手运动特性的分类
1 气动机械手 气动机械手的加速或调节系统采用气路节流调速系统,控制系统采用气缸端部节流 缓冲装置、气路节流缓冲回路、液压缓冲气等。定位系统采用机械挡块或多点定位几机 构定位精度。 2 液压机械手 液压机械手的加速或调节系统油路节流调速系统,控制系统采用油缸端部节流缓冲 装置及缓冲回路、减压节流继续能缓冲系统、伺服系统等。定位系统采用关闭电磁换向 阀定位精度、机械挡块定位精、伺服系统定位精度度等。 3 电动机械手 电动机械手的加速或调节系统采用电路节流调速系统,控制系统采用反接制动电 路、减速电路、凸轮或连杆机构等。定位系统采用电磁制动器、脉冲电路定位精度、机 械挡块定位精度等。 4 机械联动机械手 机械联动机械手的加速或调节系统采用凸轮连杆机构,控制系统采凸轮曲线和连杆 机构。定位系统采用凸轮基圆及凸轮顶点、连杆极限位置。

2.4 开关型机械手的速度及位置控制
用电气开关、换向阀、节流阀和机械挡块等来控制的机械手称为开关型机械手。 一、液压机械手的速度控制 开关型液压机械手一般采用截流减速方法,少数采用蓄能器或溢流阀减速方法,也 可以几种方法一起采用。 二、气动机械手的速度控制

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气动机械手有很多优点,但气动的压缩性大,阻尼效果差。符合大的气动机械手采 用液压缓冲回路。 一般采用的装置是气动-液阻装置。 三、开关型机械手的定位系统 定位系统与速度控制系统有密切的关系,但他们都有其独立性,例如,节流减速后 既可以发出指令关闭油路定位,也可以压在挡块上而定位。 1、电气开关定位 电动机械手一般采用电磁制动器定位。当机械手运动到定位点时,行程开关发出信 息给电控系统,激励电磁制动器而定位。 特点:结构简单,工作可靠,维修方便,但定位精度低。 2、机械挡块定位 一般是在减速后, 驱动压力将运动件压在机械挡块上或驱动压力将活塞压靠缸盖而 定位,定位精度较高。可分为单点定位或多点定位的挡块机构。

2.5 机械传动型机械手速度及位置控制
为了便于控制机械手的速度及位置,一些专用机械手采用凸轮机构和连杆机构进行 驱动。 特点:工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。 通过以上论述和比较,选用液压缓冲器和油缸端部缓冲的方式,定位选用机械挡块 定位。

2.6 机械手类型确定
根据以上的介绍,通过比较我确定选用电动机械手。这样选择的原因主要是根据精 度和成本的原因。由于是个单独的部件大量生产,成本是非常主要的原因,气动和液压 机械手的制造精度要求非常高,成本也就高,而电动机械手作为发展得最为完善的机械 手,在精度满足需要的同时,成本是最低的,所以选择了电动机械手。 此处省去 NNNNN 需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋 3053703061

2.7 驱动系统和电控系统的选择
一、驱动系统的选择 机械手驱动系统有:液压驱动、电压驱动、电机驱动和机械驱动四种。一台机械手 的驱动方式,可以只用一种方式进行驱动,也可采用几种方式联合驱动。

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. 机械手的驱动系统有液压驱动,气压驱动,电机驱动,和机械传动四种。一台机

械手可以只用一种驱动,也可以用几种方式联合驱动,各种驱动的特点见表“2-1” 。

比 较 驱动方式 内 容 机械传动 电机 驱动 异 步 电 步进或伺服 机 , 直 流 电机 电机 输 出 输出力矩较大 力矩 输 出 力 可 输出力矩较 气体压力小, 液体压力高,可 较大 小 输出力矩小, 以获得较大的输 如 需 输 出 力 出力 矩较大,结构 尺寸过大 控 制 速度可高, 速度 控 制 性 能 控 制 性 能 可高速,气体 油液压缩性小, 性能 和 加 速 度 均 由 较 差 , 惯 好,可精确 压缩性大,阻 压力流量均容易 机构控制, 定位 性 大 , 步 定位,但控 力效果差,冲 控制,可无级调 精度高, 可与主 易 精 确 定 制系统复杂 机严格同步 位 击较严重,精 速,反应灵敏, 确 定 位 较 困 可实现连续轨迹 难,低速步易 控制 控制 体积 当自由度多时, 要 油 减 速 体积较小 机构复杂, 体积 装 置 , 体 液较大 维 修 维修使用方便 使用 积较大 维 修 使 用 维修使用较 维修简单,能 维修方便,液体 方便 复杂 在高温,粉尘 对 温 度 变 化 敏 等 恶 劣 环 境 感,油液泄漏易 种使用,泄漏 着火 影响小 应 用 适 用 于 自 由 度 适 用 于 抓 可用于程序 中 小 型 专 用 中小型专用通用 体积较大 在输出力相同的 条件下体积小 气压传动 液压传动

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范围

少 的 专 用 机 械 取 重 量 大 复杂和运动 通 用 机 械 手 机械手都有,特 手, 高速低速均 和 速 度 低 轨迹要求严 都有 能适用 的 专 用 机 格的小型通 械手 结构简单, 成本 成本低 用机械手 结构简单,能 液压元件成本较 成本较高 源方便,成本 高,油路也较复 低 杂 别时重型机械手 多用

成本

低, 一般工厂可 以自己制造

表 2-1

考虑到精度和结构的要求,我选择了伺服电机作为驱动。

二、电控系统的选择 机械手的电控系统有多种类型,除专用机械手外,大多数要专门进行电控系统的设 计。

比 较 内容 固定系统

控制系统 可编程序 顺序控制器 示数再观成计算机

继 电 器 线 半导体逻辑电路 路

动 作 动 作 程 序 动作程序可以较 动作顺序一般为 16 步 动作程序较多通常 程 序 较少 容量 控 制 1、动作程序 的 参 2、动作到达的位置或时间 数 3、夹放信息 4、连锁信息 1、动作程序 多 可扩展为 32 部或更多 为 200 步可扩展更 多 1、动作程序

2、动作到达的位置或 2、时间信息 时间 3、时间信息 3、动 作 应 到 达 位 置或时间 4、夹放信息 5、联锁信息 6、运动速度信息

这些信息固定于线路之中不 4、夹放信息 能任意变动 5、联锁信息 6、程序终了信息

这些信息可以任意安 7、定位精度信息

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8、程序终了信息 编排程序范围大, 可装各种传感器

制 造 维 护 简 单 方 制造简单,维 一般由专业厂生产供 线路复杂,制造, 与 维 便体积较大, 护方便,体积 应, 需具有一定专业知 维 护 调 整 均 较 困 护 制造简单 小 识人员维修 难,需专业人员维 修 行 程 行程开关,机 行程开关,机 行程开关,电位器 检 测 械挡块 元件 使 用 寿命低 寿命 成本 便宜 较便宜 成本较高 成本较高 寿命较高 寿命较高 寿命较高 械挡块 电位器,旋转变压 器,光栅等

使 用 用于动作少, 用 于 速 度 快 适用于动作较多, 速度 动作多,程序复杂 范围 速 度 低 的 专 节 拍 短 的 专 变化多即一般机械手 用机械手 用机械手
表 2-2

的高级通用机械手 适用

我们可设继电器线路为方案 1,半导体逻辑线路为方案 2,顺序控制器为方案 3,示 数再现成计算器为方案 4。

设备的技术 评价特性 控制通用性 范围 制造方便 程序容量 总分数 技术价 X 1 2 2 3 3 10 0.625

方案 1-4 的分数 2 2 2 3 2 9 0.5625 3 3 3 2 2 10 0.625 4 3 3 1 2 9 0.5625 理想的 4 4 4 4 16 1.00

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表 2-3

设备的经济 评价特性 成本 (元件) 制造与维护 成本 寿命 元件耗费 总分数 经济价 Y 2 2 10 0.625 1 3 3

方案 1-4 的分数 2 3 3 3 2 2 4 1 1 理想的 4 4

3 2 11 0.6875

2 3 9 0.5625
表 2-4

3 3 8 0.5

4 4 16 1.00

显然可以知道方案 1 比较适合,即采用继电器线路进行控制。

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3 总体结构设计
3.1 手爪部分设计 手爪部分的结构我选择了钩手的结构,这样选择的原因是钩手具有结 构简单,安装拆卸方便,不需要额外的驱动,抓刀方式简单等特点。结构 如图 3.1 所示。

图 3.1 钩手结构示意图

如图 3.1 所示,当机械手旋转的时候,钩手与刀柄先接触,由于机械手继续旋转, 刀柄对顶柱有挤压作用,顶柱的后面是弹簧,并且定位顶柱没有锁定,所以顶柱收缩到 机械手臂内,刀柄顺利进入钩手内,旋转结结束,顶柱通过弹簧的弹力恢复原位,定位 顶柱锁顶,顶柱不能移动,卡住刀具,抓刀结束。 刀具重量的范围,由于沟手结构的刀爪抓刀后,刀具的重量集中在刀爪内圈的突起 上,顶柱受力不到刀具重量的 1/10,所以当刀爪抓刀后,由定位顶柱所提供的推力远远 大于顶柱所受到的力,所以肯定能把刀具固定住,而不用担心刀具会在机械手旋转的时 候掉下来。

3.2 机械手手臂的设计
机械手工作中运动速度较高,在结构位置应保证运动*稳,这样可以提高机械手运 动的*稳性,可以提高机械手适用的可靠性,并提高使用寿命。

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一、臂部要防止偏重 通常臂部处于悬臂的工作状态,在设计臂部、腕部和手部结构时,尽量使其总的重 心在支撑中心,防止对支撑中心的偏重。一但偏重,将会产生附加的弯矩,引起导向装 置不均匀的磨损。在回转运动中,偏重对回转轴附加有动压力,其方向不断变化,特别 是高速及速度突然变化时更加明显,这些都将引起机械手的振动,严重的会造成卡死。 预防的措施: 1、减轻腕部、手部的重量,并尽量减少偏心载荷。可采用铝合金制造腕部和手部。 2、合理分布臂部上各部件重量和增加*衡重,使臂部*衡。 3、某些机械手结构上无法避免偏重,则应加强导向支撑,尽量减轻偏重对运动的 影响。 二、加强臂部刚度 提高臂部刚度是减少手部颤动的关键,有利于提高定位精度,故常采用导向形式来 加强定位。 三、改进缓冲装置和提高配合精度 机械手的缓冲装置是保证运动*稳和减少振动的主要措施。 机械冲击, 它是在臂部运动中与定位装置相碰撞而产生的。 它可用缓冲装置来消除。 四、采取的措施: 1、提高部件的配合精度,减少间隙,有利于运动*稳,特别是高速运动的机械手 更需要保证加工精度和提高配合。 2、机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用必须采用防松措施。

综合以上所述,我在设计机械手手臂的时候采用了完全中心对称的机构,并且通过 调整螺栓来调整机械手手臂的水*。因为整体的尺寸很小,所以机械手换刀臂的轴的直 径比较小,并不适合采用键连接来传动,所以采取了胀缩环这一个标准件来连接机械手 换刀臂和机械手换刀臂的轴。 胀缩环具有非常好的对中性, 并且能够传递非常大的转距, 结构简单,非常适用在机构尺寸小的结构中。机械手换刀臂的结构简图如图 3.2 所示。 这个手臂的形状,完全按照中心对称的方式设计,但是为了适应不同型号的刀柄, 两边的刀爪是可以拆卸调换的。

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图 3.2
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3.3 机械手传动结构的设计
根据第 2 章的介绍,我选择凸轮换刀装置作为传动方案。 凸轮机械手换刀装置是目前加工中心常用的机构之一,与传统的气动、液压换刀机 构相比,它具有换刀速度快、换刀可靠、运动*稳的特点。*年来加工中心得到了广泛 的应用。凸轮机械手换刀装置通常由 2 个凸轮以及相应的机构组成,其中,一个*面凸 轮通过连杆机构,用来完成“装刀”与“ 拔刀”动作;另一个弧面凸轮带动凸轮分度 机构,用来实现机械手的转位,完成“抓刀”和“换刀”动作。

图 3.3 凸轮机械手换刀机构原理图 1— 驱动电动机 2—减速器 3—锥齿轮 4—*面凸轮 5—弧面凸轮 6—连杆机构 7—机械手 8—滚动盘 9—电气信号盘

凸轮换刀装置的结构原理如图 1 所示,它主要由驱动电动机 1、减速器 2、*面凸 轮 4、弧面凸轮 5、连杆 6、机械手 7 等部件构成。换刀时,驱动电动机 1 连续回转,通

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过减速器 2 与凸轮换刀装置连接,提供装置的动力;并通过*面凸轮、弧面凸轮以及相 应的机构,将驱动电动机的连续运动转化为机械手的间歇运动。 图 3.3 中,*面凸轮 4 通过锥齿轮 3 和减速器 2 连接,在驱动电动机转动时,通过 连杆机构 6, 带动机械手 7 在垂直方向作上、 下运动, 以实现机械手在主轴上的 “拔刀” 、 “装刀”动作。弧面凸轮 5 和*面凸轮 4 相连,在驱动电动机回转时,通过滚动盘 8(共 6 个滚珠)带动花键转动,花键轴带动机械手 7 在水*方向上作旋转动作,以实现从机 械手转位,完成“抓刀”和“换刀”动作。电气信号盘 9 中安装有若干开关,以检测机 械手实际运动情况,实现电气互锁。

弧面凸轮转角

*面凸轮转角

图 3.4 *面凸轮和弧面凸轮的运动过程

*面凸轮与弧面凸轮的动作配合曲线如图 3.4 所示。 在驱动电动机的带动下,弧面凸轮在 7.5°~57.5°的范围内,完成机械手 80°的 转位动作。在 57.5°~72.5°的范围内弧面凸轮、*面凸轮均不产生机械手运动,用于 松开刀具。 当凸轮继续转动到 72.5°~137.5°的范围内, *面凸轮通过连杆机构带动机械手进 行向下运动; 其中, 在 72.5°~117.5°范围内, 只有*面凸轮带动机械手作向下的运动, 机械手同时拔出主轴、刀库中的刀具;在 117.5°~137.5°的范围内,因刀具已经脱离 主轴的刀座,两凸轮同时动作,即:在机械手继续向下的过程中,已经开始进行 180°

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转位,以提高换刀速度。 在凸轮转动到 117.5°~242.5°的范围内,弧面凸轮带动机械手进行 180°转位, 完成主轴与刀库的刀具交换;当进入 222.5°~242.5°的范围时,两凸轮同时动作,* 面凸轮已经开始通过连杆机构带动机械手进行向上运动,以提高换刀速度。 从 222.5°起,*面凸轮带动机械手向上运动,机械手同时将主轴、刀库中的刀具 装入刀座;这一动作在 222.5°~287.55°范围,完成“装刀”动作。接着的 287.55°~ 302.5°范围内,弧面凸轮、*面凸轮均不产生机械手运动,机床进行刀具的“夹紧”动 作,这一动作由机床的气动或液压机构完成。 在 302.5°~360°的范围内, 弧面凸轮完成机械手 80°反向转位动作, 在机械手回 到原位,换刀结束。

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4 换刀机械手的参数和计算
4.1 手臂的弯曲变形
手臂受到自身重力和刀具的重力左右,所以会有弯曲变形,如果弯曲太大,就会造 成换刀时手臂和刀具的干涉,造成机器的损坏。 手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为 410mm, 宽 90mm, 高 35mm 的长方体来计算,G=mg=7.8×10×41×9×3=86346N=86.346KN≈87KN 刀具的重量 F=10×6=60KN 手臂材料的抗拉强度 屈服强度 [ ? t ]=460MPa [ ? ? ]=235MPa

图 4.1

手臂的受力可以简化为图 4.1 所示 如上图所示,可简化为悬臂梁来处理, 则任意横截面上的弯矩为: M=-60(l-x) =-60×(205-x) ? 10 ?3 得挠曲线方程 刀具重力所造成的弯曲: ………………………………4.1

? ? ? Fx 2 (3l ? x) ? (6EI )

………………………………4.2

刀臂自重所造成的弯曲: 2 ? (0 ? x ? a ) ?? Fx (3a ? x) ? (6 EI ) ………………………………4.3 ??? 2 (a ? x ? l ) ? 3 x ? a ) ? ( 6 EI ) ?? 6a ( 其中 I ? bh 3 ? 12 =30× 90 3 ÷12=1822500× 10 ?12 Pa =1.8225× 10 ?6 Pa E=2.2 ? 1011 Pa 最大挠度为 刀具重力所造成的弯曲:

? B ? ? Fl 3 ? (3EI )

………………………………4.4

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刀臂自重所造成的弯曲:

? B ? ? Fa 2 ? (3l ? a) ? (3EI )
端截面转角为 刀具重力所造成的弯曲

………………………………4.5

? B ? ? Fl 2 ? (2EI )
刀臂自重所造成的弯曲:

………………………………4.6

? B ? ? Fa 2 ? (2EI )
计算得 刀具重量所造成的弯曲:

………………………………4.7

? B ? ? Fl 3 ? (3EI ) =-60× 2053 × 10 ?9 ÷(3×2.2 ? 1011 ×1.8225× 10 ?6 )
? 4.3× 10 ?7 m

? B ? ? Fl 2 ? (2EI ) =-60× 205 2 × 10 ?6 ÷(2×2.2 ? 1011 ×1.8225× 10 ?6 )
? 3.1× 10 ?6

刀臂自身重量所造成的弯曲:

? B ? ? Fa 2 ? (3l ? a) ? (3EI ) =-87× 102.5 2 × 10 ?9 ×(3×205-102.5)÷(3×2.2 ? 1011
×1.8225× 10 ?6 ) ? 3.9× 10 ?7 m
? 3.9× 10 ?7 m

? B ? ? Fa 2 ? (2EI ) =-87× 102.5 2 × 10 ?6 ÷(2×2.2 ? 1011 ×1.8225× 10 ?6 )
? 1.1× 10 ?6

通过以上的计算可知,换刀机械手的手臂的弯曲非常小,根本不会对实际工作造 成任务影响,所以是符合要求的。

4.2 电动机的选择
根据设计要求,锥齿轮的传动比为 62/210=31/105,大齿轮每 2.5S 转一圈,所以小 齿轮每 2.5×(31/105)=0.738S 转一圈。 速度为 82rad/min,电动机没有这个转速的, 所以要通过减速系统减速来达到要求转速。 假设减速比为 1/10,通过咨询和调查,决定选择 MCN ELECTRICAL 厂家生产的 CF22 型号伺服电机,具体参数如下: 制造商 : MCN ELECTRICAL

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型号 电源,电压: 额定功率 转速

: : ; :

CF22 3 相,200V 400W 1000rpm

5 换刀过程
整个换刀的过程和关系如图 5.1、5.2、5.3 所示。 (1) 刀具预备 在机床进行加工的同时,根据数控系统作出的 T 代码指令,把需 要换的新刀回转到指定位置,完成刀具的“预选”动作,为刀具交换做好准备。 (2) 主轴定向准停 在换刀指令发出后,首先进行主轴定向准停,使主轴上的定 位键方向和刀库位键一致。与此同时,Z 轴快速的向上运动到换刀点,刀杯旋转 90°, 使刀具轴线与主轴轴线*行。 (3) 机械手回转夹刀 当主轴箱到达换刀位置,同时刀库上的刀具完成旋转 90° 动作后,凸轮换刀机构通过电动机驱动,是机械手进行 80°转位,两边的刀爪分别夹持 刀库换刀位以及主轴上的刀具。 (4) 卸刀 在机械手完成夹刀动作后,刀库以及主轴内的刀具加紧装置同时放松, 刀具被松开,凸轮换刀机构在电动机的驱动下,机械手向下伸出同时娶出刀库和主轴上 的刀具,进行卸刀。 (5) 刀具换位 卸刀完成后,凸轮换刀机构在电动机驱动下,机械手旋转 180°进 行刀库侧刀具和主轴侧刀具的换位。 (6) 装刀 刀具完成换位后,凸轮换刀机构在电动机的驱动下,机械手向上缩回, 将刀库侧刀具和主轴侧刀具同时装入刀座和主轴,并且刀库以及主轴内的刀具夹紧装置 同时夹紧。 (7) 机械手返回 刀库以及主轴内的刀具夹紧专职完成夹紧后,凸轮换刀机构在 电动机驱动下,机械手反向旋转 80°回到起始位置(这时手臂旋转过 180°,两边手爪 互换) ,完成换刀动作。

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