数控镗床自动换刀机械手设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 设 计 说 明 书 题目 数控镗床自动换刀机械手设计 二级学院 直属学部 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师姓名 职称 评阅教师姓名 职称 2014 年 11 月 常州工学院毕业设计 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 数控镗床自动换刀机械手设计 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 常州工学院毕业设计 目 录 绪 论 1 1 换刀机械手的相关介绍 2 1 1 数控技术的发展历程 2 1 2 数控加工中心的基本功能 2 1 3 加工中心的组成部分 2 1 3 1 刀库 2 1 3 2 刀具交换装置 机械手 3 1 3 3 运刀装置 3 1 3 4 刀具编码装置 3 1 3 5 刀具识别装置 4 1 4 刀库的驱动及定位 4 1 5 我国数控系统的发展概况 4 1 6 数控系统的发展趋势 5 2 换刀机械手的总体方案设计 6 2 1 设计任务 6 2 2 机械手的平稳性 6 2 3 机械手运动特性的分类 7 2 4 开关型机械手的速度及位置控制 8 2 5 机械传动型机械手速度及位置控制 8 2 6 机械手类型确定 8 2 7 驱动系统和电控系统的选择 8 3 总体结构设计 14 3 1 手爪部分设计 14 3 2 机械手手臂的设计 14 3 3 机械手传动结构的设计 17 4 换刀机械手的参数和计算 19 4 1 手臂的弯曲变形 19 4 2 电动机的选择 20 5 换刀过程 21 参考文献 25 致 谢 26 常州工学院毕业设计 1 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 数控镗床自动换刀机械手设计 2 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 常州工学院毕业设计 3 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 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 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 数控镗床自动换刀机械手设计 4 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 40 50 台 几家重点企业年产量可以达到 400 700 台 常州工学院毕业设计 5 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 数控镗床自动换刀机械手设计 6 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 常州工学院毕业设计 7 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 数控镗床自动换刀机械手设计 8 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 常州工学院毕业设计 9 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 驱动方式 电机 驱动 比 较内 容 机械传动 异步 电机 直 流电机 步进或 伺服电机 气压传 动 液压传动 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 数控镗床自动换刀机械手设计 10 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 控制系统 固定系统 可编程序 比 较内 容 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 1 动作程 序 2 时间信 息 3 动作应 到达位置或时 间 常州工学院毕业设计 11 信息 这些信息可以任 意安排 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 数控镗床自动换刀机械手设计 12 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 方案 1 4 的分数设备的 技术评价特 性 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 方案 1 4 的分数设备的 经济评价特 性 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 常州工学院毕业设计 13 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 数控镗床自动换刀机械手设计 14 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 常州工学院毕业设计 15 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 数控镗床自动换刀机械手设计 16图 3 2 常州工学院毕业设计 17 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 数控镗床自动换刀机械手设计 18 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 常州工学院毕业设计 19 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 460MPat 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 1310 得挠曲线方程 刀具重力所造成的弯曲 4 2 刀 6 3 2EIxlF 臂自重所造成的弯曲 4 3 6 3 62Iax 0lxa 其中 30 12 1822500 1 8225 1 bhI39Pa120 Pa610 E 2 2 P0 最大挠度为 刀具重力所造成的弯曲 4 4 3 EIFlB 刀臂自重所造成的弯曲 4 5 2IalB 数控镗床自动换刀机械手设计 20 端截面转角为 刀具重力所造成的弯曲 4 6 2 EIFlB 刀臂自重所造成的弯曲 4 7 2IaB 计算得 刀具重量所造成的弯曲 60 3 2 2 1 8225 3 EIFlB 320591 10 610 4 3 m 710 60 2 2 2 1 8225 2IlB 26 16 3 1 6 刀臂自身重量所造成的弯曲 87 3 205 102 5 3 2 2 3 2EIalFB 25 109 1 8225 3 9 m10 610 7 3 9 m 7 87 2 2 2 1 8225 2 IaB 25 106 10 610 1 1 610 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 常州工学院毕业设计 21 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 数控镗床自动换刀机械手设计 22 图 5 1 机械手换刀顺序图 常州工学院毕业设计 23 图 5 2 刀盘和机械手位置图 数控镗床自动换刀机械手设计 24 图 5 3 机械手和主轴的位置图 常州工学院毕业设计 25 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 数控镗床自动换刀机械手设计 26 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