数控镗铣床换刀机械手设计

沈阳理工大学学士学位论文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目录绪论 51机械手的相关介绍 61.1数控技术的发展历程 61.2 数控加工中心的基本功能 61.3 加工中心的组成部分 7 1.3.1 刀库 7 1.3.2 刀具交换装置 7 1.3.3 运刀装置 8 1.3.4 刀具编码装置 8 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 102 换刀机械手的总体方案设计 11 2.1 设计任务 11 2.2 机械手的平稳性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143 总体结构设计 19 3.1 手爪部分设计19 3.2 机械手手臂设计 19 3.3 机械手传动结构的设计 224 换刀机械手的参数和计算 25 4.1 手臂的弯曲变形 254.2 电动机的选择 265 换刀过程 27致谢31参考文献 32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平和劳动生产率；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。 1 换刀机械手的相关介绍1.1数控技术的发展历程 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。 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： 换刀时间短； 刀具重复定位精度高； 识刀、选刀可靠，换刀动作简单； 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； 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： 圆盘式刀库，又分为轴向式(刀具中心线与圆盘中心线平行)、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)。 转塔式刀库，又分倾斜式和水平式。 鼓轮式刀库。 链式刀库。 格子式刀库。 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2040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。 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，一只靠近刀库，称为后机械手，完成拔新刀、插旧刀的动作；一只靠近主轴，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上拔出的旧刀运回刀库旁，以便后机械手将该旧刀拔出并插回刀库；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上安装位置编码器进行定位,也可以在抓刀位置安装接近开关来检测定位。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年代末期水平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，平均年产量4050台，几家重点企业年产量可以达到400700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年代中期水平，部分达到90年代水平，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。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机械手的平稳性工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，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、影响平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。（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平稳性及定位精度，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、平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。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。 . 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”。比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制体积当自由度多时，机构复杂，体积液较大要油减速装置，体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用，泄漏影响小维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用成本结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造成本低成本较高结构简单，能源方便，成本低液压元件成本较高，油路也较复杂表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。比较内容控制系统固定系统可编程序继电器线路半导体逻辑电路顺序控制器示数再观成计算机动作程序容量动作程序较少动作程序可以较多动作顺序一般为16步可扩展为32部或更多动作程序较多通常为200步可扩展更多控制的参数1、动作程序 2、动作到达的位置或时间3、夹放信息4、连锁信息 这些信息固定于线路之中不能任意变动1、 动作程序2、 动作到达的位置或时间3、 时间信息4、 夹放信息5、 联锁信息6、 程序终了信息这些信息可以任意安排1、 动作程序2、 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7、 定位精度信息8、 程序终了信息编排程序范围大，可装各种传感器制造与维护维护简单方便体积较大，制造简单制造简单，维护方便，体积小一般由专业厂生产供应，需具有一定专业知识人员维修线路复杂，制造，维护调整均较困难，需专业人员维修行程检测元件行程开关，机械挡块行程开关，机械挡块行程开关，电位器电位器，旋转变压器，光栅等使用寿命寿命低寿命较高寿命较高寿命较高成本便宜较便宜成本较高成本较高使用范围用于动作少，速度低的专用机械手用于速度快节拍短的专用机械手适用于动作较多，速度变化多即一般机械手动作多，程序复杂的高级通用机械手适用表2-2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 方案1-4的分数 1 2 3 4理想的控制通用性 2 2 3 3 4范围 2 2 3 3 4制造方便 3 3 2 1 4程序容量 3 2 2 2 4总分数 10 9 10 9 16技术价X 0.625 0.5625 0.625 0.5625 1.00表2-3设备的经济评价特性 方案1-4的分数 1 2 3 4理想的成本（元件） 3 3 2 1 4制造与维护成本 3 3 2 1 4寿命 2 3 2 3 4元件耗费 2 2 3 3 4总分数 10 11 9 8 16经济价Y 0.625 0.6875 0.5625 0.5 1.00表2-4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。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平稳，这样可以提高机械手运动的平稳性，可以提高机械手适用的可靠性，并提高使用寿命。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平衡重，使臂部平衡。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平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，有利于运动平稳，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平。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。图3.23.3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、运动平稳的特点。近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，一个平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平面凸轮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、平面凸轮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，通过减速器2与凸轮换刀装置连接，提供装置的动力；并通过平面凸轮、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，平面凸轮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和平面凸轮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在水平方向上作旋转动作，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。弧面凸轮转角平面凸轮转角 图3.4 平面凸轮和弧面凸轮的运动过程平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、平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，平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，只有平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°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，平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，平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、平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。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=86.346KN87KN刀具的重量F=10×6=60KN手臂材料的抗拉强度 =460MPa 屈服强度 =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） 4.1得挠曲线方程刀具重力所造成的弯曲： 4.2 刀臂自重所造成的弯曲： 4.3其中=30×÷12=1822500×=1.8225×E=2.2最大挠度为刀具重力所造成的弯曲： 4.4刀臂自重所造成的弯曲： 4.5端截面转角为刀具重力所造成的弯曲 4.6刀臂自重所造成的弯曲： 4.7计算得刀具重量所造成的弯曲：=-60××÷（3×2.2×1.8225×） 4.3×m=-60××÷（2×2.2×1.8225×） 3.1×刀臂自身重量所造成的弯曲：=-87×××（3×205-102.5）÷（3×2.2 ×1.8225×）3.9×m 3.9×m=-87××÷（2×2.2×1.8225×）1.1×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型号 ： CF22电源，电压： ： 3相，200V额定功率 ； 400W转速 ： 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平行。（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。换刀完成后，主轴箱向下运动即可进行下一把刀的加工，同时刀杯向上旋转90°。 图5.1机械手换刀顺序图图5.2 刀盘和机械手位置图图5.3机械手和主轴的位置图致谢在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。经过本次设计，我切实体会到作为一个优秀的设计人员的艰难性。在设计过程中，我经常遇到各种各样的问题，有的是知识方面的不足导致的，有的是设计经验方面不足导致的。这些问题有时使得我束手无措，不过在指导老师帮助和自己的努力下，终于使得我顺利完成了设计。 虽然我的设计存在很多不足的地方，但在这两个多月的时间里，我学到了很多有用的知识，也积累了一定的设计经验，这些对于我即将要走向社会工作岗位，将起到很关键的作用。在此衷心感谢学校、学院各位老师4年来给我的教育和培养，特别要感谢易广建我的毕业设计期间给予的诸多指导。 参考文献1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版.北京:高等教育出版社,1999.2 廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版.北京:中国计量出版社,2000. 3 陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图.广州:华南理工大学出版社,1999.4 冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计.北京:机械工业出版社,2004.5 周伯英.工业机器人设计.北京:机械工业出版社,1995.6 濮良贵，纪名刚.机械设计.北京:高等教育出版社,1995.7 龚振帮.机器人机械设计.北京:电子工业出版社,1995.8 何立民.单片机高级教程:应用与设计.北京:北京航空航天大学出版社,2000.9 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册.北京:高等教育出版社,2002.10 郑堤,唐可洪.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社,1997.11 张铁,谢存禧.机器人学.广州:华南理工大学出版社,2001.12 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学.北京:高等教育出版社,1997.13 余达太,马香峰.工业机器人应用工程.北京:冶金工业出版社,2001.Parallel Mechanisms with Two or Three Degrees of FreedomChristiaan J.J. Paredis, H. Benjamin Brown, Pradeep K. KhoslaIntroductionMechanical systems that allow a rigid body to move with respect to a fixed base play a very important role in numerous applications. A rigid body can move in various translational or rotational directions which are called degrees of freedom (DoFs). The total number of degrees of freedom for a rigid body cannot exceed six, for example, three axes, A robot includes a system to control several degrees of freedom of an end effector.The last few years have witnessed important developments in the use of industrial robots, mainly due to their flexibility. However, the mechanical architecture of the most common robots is not well adapted to certain tasks. Other types of architectures have, therefore, recently been developed for industrial use, including parallel manipulators. A parallel manipulator, which is a closed-loop mechanism, typically consists of a moving platform that is connected to a fixed base by several limbs or legs. Typically, the number of limbs is equal to the number of degrees of freedom such that every limb is controlled by one actuator and all the actuators can be mounted at or near the fixed base. For this reason, parallel manipulators. Because the external load can be shared by the actuators, parallel manipulators tend to have a large load-carrying capacity. Parallel manipulators are always presented as having very good performance in terms of accuracy, rigidity and the ability to manipulate large loads. They have been used in a large number of applications ranging from astronomy to flight simulators, and are becoming increasingly popular in the machine-tool industry,The conceptual design of parallel manipulators can be dated back to 1947, when Gough established the basic principles of a mechanism with a closed-loop kinematic structure to control the position and orientation of a moving platform to test tire wear and damage. He built a prototype in 1955 (Fig, 1a) where the moving element was a hexagonal platform whose vertices were all connected to links by ball-and-socket joints. The other end of the link was attached to the base by a universal joint. Six linear actuators modified the total link length. Stewart designed a platform manipulator as an aircraft simulator in 1965 (Fig, 1b), in which the moving element was a triangular platform whose vertices were all connected