數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)

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CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 題目 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 二級(jí)學(xué)院 直屬學(xué)部 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師姓名 職稱 評(píng)閱教師姓名 職稱 2014 年 11 月 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 為了更好的應(yīng)用 機(jī)床工業(yè)中的對(duì)應(yīng)機(jī)械手獲得了廣泛的研究 然而 有限的工 作空間 比較差的靈活性 復(fù)雜對(duì)應(yīng)機(jī)械手的難于設(shè)計(jì) 導(dǎo)致人們把目光投向于少 于 6 個(gè)自由度的對(duì)應(yīng)機(jī)械手 本篇論文描述了幾個(gè)在自由度的數(shù)量和類型上都不相同 的對(duì)應(yīng)機(jī)械手 這些對(duì)應(yīng)機(jī)械手可被用語(yǔ)對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器 運(yùn)動(dòng)模擬器和工業(yè)機(jī)器人 關(guān)鍵詞 對(duì)應(yīng)機(jī)械手 對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械 自由度 機(jī)器人 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 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 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 緒 論 1 1 換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹 2 1 1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 2 1 2 數(shù)控加工中心的基本功能 2 1 3 加工中心的組成部分 2 1 3 1 刀庫(kù) 2 1 3 2 刀具交換裝置 機(jī)械手 3 1 3 3 運(yùn)刀裝置 3 1 3 4 刀具編碼裝置 3 1 3 5 刀具識(shí)別裝置 4 1 4 刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位 4 1 5 我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 4 1 6 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 5 2 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 6 2 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 6 2 2 機(jī)械手的平穩(wěn)性 6 2 3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性的分類 7 2 4 開關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制 8 2 5 機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制 8 2 6 機(jī)械手類型確定 8 2 7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 8 3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 3 1 手爪部分設(shè)計(jì) 14 3 2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) 14 3 3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 4 換刀機(jī)械手的參數(shù)和計(jì)算 19 4 1 手臂的彎曲變形 19 4 2 電動(dòng)機(jī)的選擇 20 5 換刀過(guò)程 21 參考文獻(xiàn) 25 致 謝 26 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒 論 隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展 自動(dòng)化程度的迅速提高 實(shí)現(xiàn)工件的裝卸 轉(zhuǎn)向 輸送或操持焊槍 噴槍 扳手等工具進(jìn)行加工 裝配等作業(yè)的自動(dòng)化 已越來(lái)越引起 人們的重視 生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率 可以減輕 勞動(dòng)強(qiáng)度 保證產(chǎn)品質(zhì)量 實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) 尤其在高溫 高壓 低溫 低壓 粉塵 易爆 有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中 它代替人進(jìn)行正常的工作 意義更為重大 因此 在機(jī)械加工 沖壓 鑄 鍛 焊接 熱處理 電鍍 噴漆 裝配以及輕工業(yè) 交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中 機(jī)械加工的快速上下刀 精確的加工都使數(shù)控機(jī) 床以及數(shù)控加工中心的應(yīng)用顯得十分重要 據(jù)詳實(shí)的資料統(tǒng)計(jì) 這些費(fèi)用占全部加工 費(fèi)用的五分之一以上 而大規(guī)模的機(jī)械加工中 時(shí)間的節(jié)省越來(lái)越成為生產(chǎn)者和工程 設(shè)計(jì)者 或者技術(shù)人員 的追求方向 這也是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì) 機(jī)械手已被廣泛用于航空 航天以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中 并取得較好的效果 現(xiàn)今 的工業(yè)機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩類 我國(guó)目前研制的工業(yè)機(jī)械手大多 還是專用機(jī)械手 該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單 專用性強(qiáng) 僅附屬于某臺(tái)機(jī)床 雖 然其有著通用機(jī)械手無(wú)法比擬的批量大 對(duì)某些設(shè)備 或者機(jī)加零件 的加工精確性 高的優(yōu)點(diǎn) 但就目前來(lái)看 專用機(jī)械手存在著適應(yīng)性不強(qiáng)的弊端 這就要對(duì)其進(jìn)行必 要的改造 使其適應(yīng)未來(lái)的工業(yè)發(fā)展的需要 由于通用機(jī)械手改變工作程序較方便 特別適用于多品種 小批量的生產(chǎn) 通用機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有三十年的歷 史 但這些裝置在國(guó)外得到相當(dāng)重視 所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)使用數(shù)控機(jī)床 數(shù)控加工中心一 類的較為高級(jí)的機(jī)加設(shè)備是迫在眉睫的 雖然目前我國(guó)的數(shù)控加工中心等大型設(shè)備還 是依賴進(jìn)口 但相信不久的將來(lái)我國(guó)必然會(huì)設(shè)計(jì)研制出自己的設(shè)備 這需要我們所有 人的不懈努力 這次設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是 完全模擬人手的換刀動(dòng)作 給機(jī)床主軸提 供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊 放松刀具的動(dòng)作 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 2 1 換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹 1 1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段 六代的發(fā)展歷程 第一個(gè)階段叫做 NC 階段 經(jīng)歷了電子管 晶體管 和小規(guī)模集成電路三代 自 1970 年開始小型計(jì)算機(jī)開 始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個(gè)階段 叫做 CNC 階段 成為第四代數(shù)控系統(tǒng) 從 1974 年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)從 性能到可靠性都得到了根本性的提高 實(shí)際上從 20 世紀(jì)末期直到今天 在生產(chǎn)中使用 的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng) 但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專 用封閉的系統(tǒng) 而第六代 開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向 將 在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用 1 2數(shù)控加工中心的基本功能 帶有自動(dòng)換刀刀具交換裝置 ATC Automatic Tool Change 的數(shù)控機(jī)床稱為加工 中心 它通過(guò)刀具的自動(dòng)交換 可以一次裝夾完成多道工序的加工 實(shí)現(xiàn)了工序的集 中和工藝的復(fù)合 從而縮短了輔助加工時(shí)間 提高了機(jī)床的效率 減少了零件安裝 定位次數(shù) 提高了加工精度 加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量最大 應(yīng)用最廣的數(shù)控 機(jī)床 帶有刀具自動(dòng)交換裝置 能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備 數(shù)控機(jī) 床實(shí)現(xiàn)了中 小批量加工自動(dòng)化 改善了勞動(dòng)條件 此外 它還具有生產(chǎn)率高 加工 精度穩(wěn)定 產(chǎn)品成本低等一系列優(yōu)點(diǎn) 為了進(jìn)一步發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床遂向 工 序集中 即一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機(jī)床 即加工 中心 方面發(fā)展 鉆 鏜 銑 車等單功能數(shù)控機(jī)床只能分別完成鉆 鏜 銑 車等作業(yè) 而在機(jī) 械制造工業(yè)中 大部分零件都是需要多任務(wù)序加工的 在單功能數(shù)控機(jī)床的整個(gè)加工 過(guò)程中 真正用于切削的時(shí)間只占 30 左右 其余的大部分時(shí)間都花費(fèi)在安裝 調(diào)整 刀具 搬運(yùn) 裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上 在零件需要進(jìn)行多種工序加工 的情況下 單功能數(shù)控機(jī)床的加工效率仍然不高 加工中心一般都具有刀具自動(dòng)交換 功能 零件裝夾后便能一次完成鉆 鏜 銑 攻絲等多種工序加工 1 3加工中心的組成部分 加工中心分兩大部分 數(shù)控機(jī)床和刀具自動(dòng)交換裝置 刀具自動(dòng)交換裝置應(yīng)能滿 足以下幾個(gè)方面的要求 換刀時(shí)間短 刀具重復(fù)定位精度高 識(shí)刀 選刀可 靠 換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單 刀庫(kù)容量合理 占地面積小 并能與主機(jī)配合 使機(jī)床外觀完 整 刀具裝卸 調(diào)整 維護(hù)方便 刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)由刀庫(kù) 刀具交換裝置 刀具傳送裝置 刀具編碼裝置 識(shí)刀 器等五個(gè)部分組成 1 3 1 刀庫(kù) 刀庫(kù)是存貯加工所需各種類型刀具的倉(cāng)庫(kù) 它是刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)中的重要組成 部分 具有接受刀具傳送裝置送來(lái)的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能 它的容 量 布局和具體結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)加工中心的總體布局和性能有很大的影響 按其結(jié)構(gòu) 形 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 狀可分為以下六種 圓盤式刀庫(kù) 又分為軸向式 刀具中心線與圓盤中心線平行 徑向式 刀具中心線與圓盤中心線垂直 和多盤式 在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤刀庫(kù) 轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù) 又分傾斜式和水平式 鼓輪式刀庫(kù) 鏈?zhǔn)降稁?kù) 格子式刀庫(kù) 直線式刀庫(kù) 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫(kù)的存儲(chǔ)量 根據(jù)對(duì) 車床 銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計(jì)表明 在加工過(guò)程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并 不很多 對(duì)于鉆削加工 用 14 把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約 80 的加工 即使要 求完成 90 的工件加工 用 20 把刀具也就足夠了 對(duì)于銑削加工 需要的刀具更少 用 4 把不同規(guī)格的銑刀就能完成約 90 加工 用 5 把不同規(guī)格的銑刀可以加工 95 的 工件 因此從使用角度來(lái)看 刀庫(kù)的存儲(chǔ)量一般為 20 40 把較為合適 多的可達(dá) 60 把 刀 超過(guò) 60 把刀的很少 1 3 2 刀具交換裝置 機(jī)械手 它的職能是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換 其動(dòng) 作循環(huán)為 拔刀 新舊刀具交換 裝刀 換刀機(jī)械手種類繁多 可以說(shuō)每個(gè)廠家都可 以推出自己的機(jī)械手 基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類 無(wú)機(jī)械手換刀 由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀 在這類裝置中 刀庫(kù)一 般為格子式 裝在工作臺(tái)上 換刀時(shí) 先使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng) 將使用過(guò)的舊刀 送回刀庫(kù) 然后再使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)一次 從刀庫(kù)中取出新刀 這種換刀方式 的換刀時(shí)間長(zhǎng) 另外刀庫(kù)設(shè)置在工作臺(tái)上 減少了工作臺(tái)的有效使用面積 采用機(jī)械手換刀 機(jī)械手刀具交換裝置 有單臂單手式機(jī)械手 回轉(zhuǎn)式單臂雙機(jī) 械手 雙臂機(jī)械手 多手式機(jī)械手 特別是雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短 動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)點(diǎn) 應(yīng)用最為廣泛 雙臂機(jī)械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)有 鉤手 抱 手 伸縮手 叉手 雙臂機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的基本動(dòng)作為 抓刀 手臂旋轉(zhuǎn)或伸 出 同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)里的刀具 拔刀 主軸松開 機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫(kù)中的刀 具拔出 換刀 手臂轉(zhuǎn) 180 新 舊刀交換 插刀 同時(shí)將新刀插入主軸 舊刀插入 刀庫(kù) 然后主軸夾緊刀具 縮回 手臂縮回到原始位置 機(jī)械手的手爪 大都采用機(jī) 械鎖刀的方式 有些大型的加工中心 也有采用機(jī)械加液壓的鎖刀方式 以保證大而 重的刀具在換刀中不被甩出 1 3 3 運(yùn)刀裝置 當(dāng)?shù)稁?kù)容量較大 布置得離機(jī)床較遠(yuǎn)時(shí) 就需要安排兩只機(jī)械手來(lái)完成新舊刀的 交換動(dòng)作 一只靠近刀庫(kù) 稱為后機(jī)械手 完成拔新刀 插舊刀的動(dòng)作 一只靠近主 軸 稱為前機(jī)械手 完成拔舊刀 插新刀的動(dòng)作 在前后機(jī)械手之間則設(shè)有運(yùn)刀裝置 它一方面將前機(jī)械手從主軸上拔出的舊刀運(yùn)回刀庫(kù)旁 以便后機(jī)械手將該舊刀拔出并 插回刀庫(kù) 另一方面則將后機(jī)械手從刀庫(kù)中拔出的新刀運(yùn)到主軸旁 以便前機(jī)械手將 該新刀拔出并插入主軸 運(yùn)刀器的職能就是在前后機(jī)械手之間來(lái)回運(yùn)送新 舊刀具 1 3 4 刀具編碼裝置 將加工所需的刀具自動(dòng)地從刀庫(kù)中選擇出來(lái)稱為自動(dòng)選刀 有順序選擇和編碼選 擇兩種方式 順序選擇方式 將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 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 4 入刀庫(kù)中 加工時(shí)按加工順序一一取用 采用這種選刀方式不需要識(shí)刀器 刀庫(kù)結(jié)構(gòu) 及其驅(qū)動(dòng)裝置都非常簡(jiǎn)單 每次換刀時(shí)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)位一次即可 采用順序選刀方式時(shí) 為某一個(gè)工件準(zhǔn)備的刀具 不能在其他工件中重復(fù)使用 這在一定程度上限制了機(jī)床 的加工能力 固定地址選擇方式 這是一種對(duì)號(hào)入座的方式 又稱為刀座編碼方式 這種方式 是對(duì)刀庫(kù)的刀座進(jìn)行編碼 并將與刀座編碼相對(duì)應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中 然 后根據(jù)刀座的編碼選取刀具 該方式使刀柄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 刀具可以做得較短 但刀具 不能任意安放 一定要插入配對(duì)的刀座中 與順序選擇方式相比較 刀座編碼方式最 突出的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在加工過(guò)程中多次使用 編碼選擇方式 將加工某一項(xiàng)零件所需的全部刀具 或刀座 都預(yù)先編上代碼 存 放在刀庫(kù)中 加工時(shí)根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒?由于每把刀具都有自己的代碼 它 們?cè)诘稁?kù)中的位置和存放順序可以與加工順序無(wú)關(guān) 每把刀具都可被多次重復(fù)使用 刀具編碼有多種方式 常用的有三種 刀具編碼 在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編 上自己的號(hào)碼 選刀時(shí)根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號(hào)指令任意選擇所需的刀具 由于每把 刀具都有自己確定的代碼 無(wú)論將刀具放入刀庫(kù)的哪個(gè)刀座中都不會(huì)影響正確選刀 采用這種編碼方式可簡(jiǎn)化換刀動(dòng)作和控制線路 縮短換刀時(shí)間 這種編碼現(xiàn)已獲廣泛 應(yīng)用 刀座編碼 在刀庫(kù)的每一個(gè)刀座上用編碼板編碼 這種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)是刀柄 不會(huì)因尾部有編碼環(huán)而增加長(zhǎng)度 缺點(diǎn)是刀具必須對(duì)號(hào)入座 換刀時(shí)間長(zhǎng) 編碼鑰匙 預(yù)先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙 1 3 5 刀具識(shí)別裝置 通常有接觸式和非接觸式兩種 1 4刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位 刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式 電氣驅(qū)動(dòng)可以將伺服半閉環(huán)系 統(tǒng)用作驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng) 也可采用系統(tǒng)的 PC 直接發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶 動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn) 液壓驅(qū)動(dòng)仍需電氣信號(hào)的配合 PC 給出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào) 一般通過(guò)電磁閥來(lái)實(shí) 現(xiàn)前級(jí)控制 只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液動(dòng)馬達(dá) 在執(zhí)行 ATC 過(guò)程時(shí) 除了主軸頭的定向及主 軸箱的定位外 為確保所更換的刀具準(zhǔn)確地被機(jī)械手抓住 所以刀庫(kù)的定位也是必要 的功能 電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)可在電機(jī)上安裝位置編碼器進(jìn)行定位 也可以在抓刀位置安裝接近 開關(guān)來(lái)檢測(cè)定位 液動(dòng)結(jié)構(gòu)的刀庫(kù)往往采用機(jī)電結(jié)合式的銷定位方式 半閉環(huán)伺服驅(qū) 動(dòng)刀庫(kù)的定位精度較高 其它幾種方式也足以滿足刀庫(kù)定位精度的要求 1 5我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 在對(duì)內(nèi)搞活 對(duì)外開放的方針指引下 于 1980 年開始引進(jìn)日本就有 70 年代末期 水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動(dòng)技術(shù) 并于 1981 年開始生產(chǎn) 到 1988 年又 開始引進(jìn)美國(guó)的 GE 和 DYNAPATH 公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動(dòng)技術(shù) 在上海市機(jī)床研究 所和遼寧精密儀器廠組織生產(chǎn) 1985 年以后 我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過(guò) 300 種 其中數(shù)控機(jī)床占 40 加工中心占 27 其它品種為重型機(jī)床 鏜床 電加工機(jī) 床 磨床 齒輪加工機(jī)床等 目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家共有 100 多家 其中能批量 生產(chǎn)的企業(yè)有 42 家 平均年產(chǎn)量 40 50 臺(tái) 幾家重點(diǎn)企業(yè)年產(chǎn)量可以達(dá)到 400 700 臺(tái) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)約 50 家 但生產(chǎn)具有一定批量的只有 8 家 生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品 的企業(yè)共計(jì) 300 余家 產(chǎn)品品種包括八大類 2000 種以上 我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類 型 經(jīng)濟(jì)型 普及型 和高級(jí)型 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中 我國(guó)具有很大優(yōu)勢(shì) 在當(dāng)前 每年數(shù)千臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和電加工機(jī)床的市場(chǎng)上 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額 在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)上 我們正在取得進(jìn)展 當(dāng)然 擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系 統(tǒng)在市場(chǎng)的開拓上仍要盡更大的力量 新開發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際 80 年代中期水平 部分達(dá)到 90 年代水平 在技術(shù)上也有所突破 如高速主軸制造技術(shù) 快速進(jìn)給 快速換刀 柔性制造 快速成型制造技術(shù)等為下一代國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 奠定了基礎(chǔ) 1 6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)際上 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)正朝著高速度高精度化 高可靠性 多功能化 智 能化 集成化 具有開放性 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng) 并聯(lián)機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 6 2 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 2 1設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是 自動(dòng)換刀機(jī)械手 實(shí)現(xiàn)數(shù)控鏜床的自動(dòng)換刀 需要換的 刀具主要是 BT40 型刀柄 需要實(shí)現(xiàn)的工作是抓刀 換刀 松刀的動(dòng)作 主要技術(shù)參數(shù) 刀具最大重量 6kg 雙臂回轉(zhuǎn)式換刀 刀臂數(shù)量和長(zhǎng)度以及直徑主 要依據(jù)配套刀庫(kù)的設(shè)計(jì)要求 換刀時(shí)間 2 5S 2 2機(jī)械手的平穩(wěn)性 工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械手工作速度快 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 定位精度高 應(yīng)注意其影響因素 設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu) 以滿足要求 1 影響平穩(wěn)性以定位精度的因素 1 慣性力的影響 圖 2 1 慣性曲線 機(jī)械手速度突變 加 減 速度不連續(xù) 會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力 以至使工件 滑動(dòng) 部件松動(dòng) 零件破裂 定位時(shí) 大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng) 直接影響定位精 度 因此 應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性 選擇適宜的控制系統(tǒng) 使加 減 速度按所需 的運(yùn)動(dòng)歸路變化 同時(shí) 在保證剛度的前提下 減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件的重量 2 結(jié)構(gòu)剛度的影響 零件結(jié)構(gòu)剛度性差 配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí) 受較小慣性沖擊 就發(fā)生 振動(dòng) 不但降低定位精度 而且降低機(jī)械手壽命 應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu) 提高機(jī)械手固有 頻率及承受慣性載荷的能力 3 定位方法的影響 常用的定位方法中 電氣開關(guān)的定位精度最低 伺服定位較高 機(jī)械擋塊的定位 最高 4 控制系統(tǒng)的影響 電控系統(tǒng)的誤差 閥類泄漏 檢測(cè)元件失靈 擋塊偏移等會(huì)降低定位失靈 5 驅(qū)動(dòng)源的影響 液壓 氣壓 電壓及油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度 必要時(shí) 用蓄能器等 穩(wěn)定液壓 氣壓 電壓 用加熱器和冷卻器控制油溫 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性 深入分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 下面為 我們所選工業(yè)機(jī)械手所具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 在減速較大時(shí)的情形 圖 2 2 運(yùn)動(dòng)特性曲線 按上圖的運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)動(dòng) 其減速過(guò)程亦分為 等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行 在呈等加速運(yùn)行 而不等減速運(yùn)行時(shí) 由于速度行程短 故有利于提高機(jī)械手的工作速度 特點(diǎn) 速度變化基本上連續(xù) 運(yùn)動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊 可以滿足高速 平穩(wěn)和定位 精度高的要求 2 3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性的分類 1 氣動(dòng)機(jī)械手 氣動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用氣缸端部 節(jié)流緩沖裝置 氣路節(jié)流緩沖回路 液壓緩沖氣等 定位系統(tǒng)采用機(jī)械擋塊或多點(diǎn)定 位幾機(jī)構(gòu)定位精度 2 液壓機(jī)械手 液壓機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用油缸端部節(jié)流緩 沖裝置及緩沖回路 減壓節(jié)流繼續(xù)能緩沖系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)等 定位系統(tǒng)采用關(guān)閉電磁 換向閥定位精度 機(jī)械擋塊定位精 伺服系統(tǒng)定位精度度等 3 電動(dòng)機(jī)械手 電動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用反接制動(dòng)電 路 減速電路 凸輪或連桿機(jī)構(gòu)等 定位系統(tǒng)采用電磁制動(dòng)器 脈沖電路定位精度 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 8 機(jī)械擋塊定位精度等 4 機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手 機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機(jī)構(gòu) 控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連 桿機(jī)構(gòu) 定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點(diǎn) 連桿極限位置 2 4開關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制 用電氣開關(guān) 換向閥 節(jié)流閥和機(jī)械擋塊等來(lái)控制的機(jī)械手稱為開關(guān)型機(jī)械手 一 液壓機(jī)械手的速度控制 開關(guān)型液壓機(jī)械手一般采用截流減速方法 少數(shù)采用蓄能器或溢流閥減速方法 也可以幾種方法一起采用 二 氣動(dòng)機(jī)械手的速度控制 氣動(dòng)機(jī)械手有很多優(yōu)點(diǎn) 但氣動(dòng)的壓縮性大 阻尼效果差 符合大的氣動(dòng)機(jī)械手 采用液壓緩沖回路 一般采用的裝置是氣動(dòng) 液阻裝置 三 開關(guān)型機(jī)械手的定位系統(tǒng) 定位系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)有密切的關(guān)系 但他們都有其獨(dú)立性 例如 節(jié)流減速 后既可以發(fā)出指令關(guān)閉油路定位 也可以壓在擋塊上而定位 1 電氣開關(guān)定位 電動(dòng)機(jī)械手一般采用電磁制動(dòng)器定位 當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí) 行程開關(guān)發(fā)出 信息給電控系統(tǒng) 激勵(lì)電磁制動(dòng)器而定位 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠 維修方便 但定位精度低 2 機(jī)械擋塊定位 一般是在減速后 驅(qū)動(dòng)壓力將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠缸蓋 而定位 定位精度較高 可分為單點(diǎn)定位或多點(diǎn)定位的擋塊機(jī)構(gòu) 2 5機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制 為了便于控制機(jī)械手的速度及位置 一些專用機(jī)械手采用凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn) 行驅(qū)動(dòng) 特點(diǎn) 工作速度可以提高而且與主機(jī)同步工作而不產(chǎn)生誤動(dòng)作 通過(guò)以上論述和比較 選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式 定位選用機(jī)械擋 塊定位 2 6機(jī)械手類型確定 根據(jù)以上的介紹 通過(guò)比較我確定選用電動(dòng)機(jī)械手 這樣選擇的原因主要是根據(jù) 精度和成本的原因 由于是個(gè)單獨(dú)的部件大量生產(chǎn) 成本是非常主要的原因 氣動(dòng)和 液壓機(jī)械手的制造精度要求非常高 成本也就高 而電動(dòng)機(jī)械手作為發(fā)展得最為完善 的機(jī)械手 在精度滿足需要的同時(shí) 成本是最低的 所以選擇了電動(dòng)機(jī)械手 2 7驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 一 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有 液壓驅(qū)動(dòng) 電壓驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四種 一臺(tái)機(jī)械 手的驅(qū)動(dòng)方式 可以只用一種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 也可采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 和機(jī)械傳動(dòng)四種 一臺(tái)機(jī) 械手可以只用一種驅(qū)動(dòng) 也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見表 2 1 驅(qū)動(dòng)方式 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 比 較內(nèi) 容 機(jī)械傳動(dòng) 異步 電機(jī) 直 流電機(jī) 步進(jìn)或 伺服電機(jī) 氣壓傳 動(dòng) 液壓傳動(dòng) 輸 出力矩 輸出力矩 較大 輸出 力可較大 輸出力 矩較小 氣體壓 力小 輸出 力矩小 如 需輸出力矩 較大 結(jié)構(gòu) 尺寸過(guò)大 液體壓力高 可以獲得較大的 輸出力 控 制性能 速度可高 速度和加速度 均由機(jī)構(gòu)控制 定位精度高 可與主機(jī)嚴(yán)格 同步 控制 性能較差 慣性大 步易精確 定位 控制性 能好 可精 確定位 但 控制系統(tǒng)復(fù) 雜 可高速 氣體壓縮性 大 阻力效 果差 沖擊 較嚴(yán)重 精 確定位較困 難 低速步 易控制 油液壓縮性 小 壓力流量均 容易控制 可無(wú) 級(jí)調(diào)速 反應(yīng)靈 敏 可實(shí)現(xiàn)連續(xù) 軌跡控制 體 積 當(dāng)自由度 多時(shí) 機(jī)構(gòu)復(fù) 雜 體積液較 大 要油 減速裝置 體積較大 體積較 小 體積較 大 在輸出力相 同的條件下體積 小 維 修使用 維修使用 方便 維修 使用方便 維修使 用較復(fù)雜 維修簡(jiǎn) 單 能在高 溫 粉塵等 惡劣環(huán)境種 使用 泄漏 影響小 維修方便 液體對(duì)溫度變化 敏感 油液泄漏 易著火 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 10 應(yīng) 用范圍 適用于自 由度少的專用 機(jī)械手 高速 低速均能適用 適用 于抓取重 量大和速 度低的專 用機(jī)械手 可用于 程序復(fù)雜和 運(yùn)動(dòng)軌跡要 求嚴(yán)格的小 型通用機(jī)械 手 中小型 專用通用機(jī) 械手都有 中小型專用 通用機(jī)械手都有 特別時(shí)重型機(jī)械 手多用 成 本 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 一般 工廠可以自己 制造 成本 低 成本較 高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單 能源方 便 成本低 液壓元件成 本較高 油路也 較復(fù)雜 表 2 1 考慮到精度和結(jié)構(gòu)的要求 我選擇了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng) 二 電控系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類型 除專用機(jī)械手外 大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng) 固定系統(tǒng) 可編程序 比 較內(nèi) 容 繼電 器線路 半導(dǎo)體邏輯 電路 順序控制器 示數(shù)再觀成計(jì) 算機(jī) 動(dòng) 作程 序容 量 動(dòng)作 程序較少 動(dòng)作程序可 以較多 動(dòng)作順序一般為 16 步可擴(kuò)展為 32 部 或更多 動(dòng)作程序較多 通常為 200 步可擴(kuò) 展更多 控 制的 參數(shù) 1 動(dòng)作程序 2 動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí) 間 3 夾放信息 4 連鎖信息 這些信息固定于線路之 中不能任意變動(dòng) 1 動(dòng)作程序 2 動(dòng)作到達(dá) 的位置或時(shí)間 3 時(shí)間信息 4 夾放信息 5 聯(lián)鎖信息 6 程序終了 1 動(dòng)作程 序 2 時(shí)間信 息 3 動(dòng)作應(yīng) 到達(dá)位置或時(shí) 間 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 信息 這些信息可以任 意安排 4 夾放信 息 5 聯(lián)鎖信 息 6 運(yùn)動(dòng)速 度信息 7 定位精 度信息 8 程序終 了信息 編排程序范圍 大 可裝各種傳感 器 制 造與 維護(hù) 維護(hù)簡(jiǎn) 單方便體積 較大 制造 簡(jiǎn)單 制造簡(jiǎn) 單 維護(hù)方 便 體積小 一般由專業(yè)廠生 產(chǎn)供應(yīng) 需具有一定 專業(yè)知識(shí)人員維修 線路復(fù)雜 制 造 維護(hù)調(diào)整均較 困難 需專業(yè)人員 維修 行 程檢 測(cè)元 件 行程開 關(guān) 機(jī)械擋 塊 行程開 關(guān) 機(jī)械擋 塊 行程開關(guān) 電位 器 電位器 旋轉(zhuǎn) 變壓器 光柵等 使 用壽 命 壽命低 壽命較 高 壽命較高 壽命較高 成 本 便宜 較便宜 成本較高 成本較高 使 用范 圍 用于動(dòng) 作少 速度 低的專用機(jī) 械手 用于速 度快節(jié)拍短 的專用機(jī)械 手 適用于動(dòng)作較多 速度變化多即一般機(jī) 械手 動(dòng)作多 程序 復(fù)雜的高級(jí)通用機(jī) 械手適用 表 2 2 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 12 我們可設(shè)繼電器線路為方案 1 半導(dǎo)體邏輯線路為方案 2 順序控制器為方案 3 示數(shù)再現(xiàn)成計(jì)算器為方案 4 方案 1 4 的分?jǐn)?shù)設(shè)備的 技術(shù)評(píng)價(jià)特 性 1 2 3 4 理想的 控制通 用性 2 2 3 3 4 范圍 2 2 3 3 4 制造方 便 3 3 2 1 4 程序容 量 3 2 2 2 4 總分?jǐn)?shù) 10 9 10 9 16 技術(shù)價(jià) X 0 625 0 5625 0 625 0 5625 1 00 表 2 3 方案 1 4 的分?jǐn)?shù)設(shè)備的 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)特 性 1 2 3 4 理想的 成本 元件 3 3 2 1 4 制造與 維護(hù)成本 3 3 2 1 4 壽命 2 3 2 3 4 元件耗 費(fèi) 2 2 3 3 4 總分?jǐn)?shù) 10 11 9 8 16 經(jīng)濟(jì)價(jià) Y 0 625 0 6875 0 5625 0 5 1 00 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 表 2 4 顯然可以知道方案 1 比較適合 即采用繼電器線路進(jìn)行控制 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 14 3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1 手爪部分設(shè)計(jì) 手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了鉤手的結(jié)構(gòu) 這樣選擇的原因是鉤手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 安 裝拆卸方便 不需要額外的驅(qū)動(dòng) 抓刀方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)如圖 3 1 所示 圖 3 1 鉤手結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 3 1 所示 當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的時(shí)候 鉤手與刀柄先接觸 由于機(jī)械手繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 刀柄對(duì)頂柱有擠壓作用 頂柱的后面是彈簧 并且定位頂柱沒(méi)有鎖定 所以頂柱收縮 到機(jī)械手臂內(nèi) 刀柄順利進(jìn)入鉤手內(nèi) 旋轉(zhuǎn)結(jié)結(jié)束 頂柱通過(guò)彈簧的彈力恢復(fù)原位 定位頂柱鎖頂 頂柱不能移動(dòng) 卡住刀具 抓刀結(jié)束 刀具重量的范圍 由于溝手結(jié)構(gòu)的刀爪抓刀后 刀具的重量集中在刀爪內(nèi)圈的突 起上 頂柱受力不到刀具重量的 1 10 所以當(dāng)?shù)蹲ψサ逗?由定位頂柱所提供的推力 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂柱所受到的力 所以肯定能把刀具固定住 而不用擔(dān)心刀具會(huì)在機(jī)械手旋 轉(zhuǎn)的時(shí)候掉下來(lái) 3 2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì) 機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高 在結(jié)構(gòu)位置應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 這樣可以提高機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性 可以提高機(jī)械手適用的可靠性 并提高使用壽命 一 臂部要防止偏重 通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài) 在設(shè)計(jì)臂部 腕部和手部結(jié)構(gòu)時(shí) 盡量使其總的 重心在支撐中心 防止對(duì)支撐中心的偏重 一但偏重 將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩 引起導(dǎo) 向裝置不均勻的磨損 在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中 偏重對(duì)回轉(zhuǎn)軸附加有動(dòng)壓力 其方向不斷變化 特別是高速及速度突然變化時(shí)更加明顯 這些都將引起機(jī)械手的振動(dòng) 嚴(yán)重的會(huì)造成 卡死 預(yù)防的措施 1 減輕腕部 手部的重量 并盡量減少偏心載荷 可采用鋁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 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 3 某些機(jī)械手結(jié)構(gòu)上無(wú)法避免偏重 則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐 盡量減輕偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影 響 二 加強(qiáng)臂部剛度 提高臂部剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵 有利于提高定位精度 故常采用導(dǎo)向形式 來(lái)加強(qiáng)定位 三 改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度 機(jī)械手的緩沖裝置是保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和減少振動(dòng)的主要措施 機(jī)械沖擊 它是在臂部運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的 它可用緩沖裝置來(lái)消 除 四 采取的措施 1 提高部件的配合精度 減少間隙 有利于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 特別是高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手更 需要保證加工精度和提高配合 2 機(jī)械手的緊固件在運(yùn)動(dòng)中受變載荷的作用必須采用防松措施 綜合以上所述 我在設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂的時(shí)候采用了完全中心對(duì)稱的機(jī)構(gòu) 并且通 過(guò)調(diào)整螺栓來(lái)調(diào)整機(jī)械手手臂的水平 因?yàn)檎w的尺寸很小 所以機(jī)械手換刀臂的軸 的直徑比較小 并不適合采用鍵連接來(lái)傳動(dòng) 所以采取了脹縮環(huán)這一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)連接 機(jī)械手換刀臂和機(jī)械手換刀臂的軸 脹縮環(huán)具有非常好的對(duì)中性 并且能夠傳遞非常 大的轉(zhuǎn)距 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 非常適用在機(jī)構(gòu)尺寸小的結(jié)構(gòu)中 機(jī)械手換刀臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如 圖 3 2 所示 這個(gè)手臂的形狀 完全按照中心對(duì)稱的方式設(shè)計(jì) 但是為了適應(yīng)不同型號(hào)的刀柄 兩邊的刀爪是可以拆卸調(diào)換的 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 16圖 3 2 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 3 3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)第 2 章的介紹 我選擇凸輪換刀裝置作為傳動(dòng)方案 凸輪機(jī)械手換刀裝置是目前加工中心常用的機(jī)構(gòu)之一 與傳統(tǒng)的氣動(dòng) 液壓換刀 機(jī)構(gòu)相比 它具有換刀速度快 換刀可靠 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn) 近年來(lái)加工中心得到了 廣泛的應(yīng)用 凸輪機(jī)械手換刀裝置通常由 2 個(gè)凸輪以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)組成 其中 一個(gè) 平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu) 用來(lái)完成 裝刀 與 拔刀 動(dòng)作 另一個(gè)弧面凸輪帶動(dòng)凸 輪分度機(jī)構(gòu) 用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)位 完成 抓刀 和 換刀 動(dòng)作 圖 3 3 凸輪機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)原理圖 1 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 2 減速器 3 錐齒輪 4 平面凸輪 5 弧面凸輪 6 連桿機(jī)構(gòu) 7 機(jī)械手 8 滾動(dòng)盤 9 電氣信號(hào)盤 凸輪換刀裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示 它主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 1 減速器 2 平面凸 輪 4 弧面凸輪 5 連桿 6 機(jī)械手 7 等部件構(gòu)成 換刀時(shí) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 1 連續(xù)回轉(zhuǎn) 通過(guò)減速器 2 與凸輪換刀裝置連接 提供裝置的動(dòng)力 并通過(guò)平面凸輪 弧面凸輪以 及相應(yīng)的機(jī)構(gòu) 將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的間歇運(yùn)動(dòng) 圖 3 3 中 平面凸輪 4 通過(guò)錐齒輪 3 和減速器 2 連接 在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 通過(guò) 連桿機(jī)構(gòu) 6 帶動(dòng)機(jī)械手 7 在垂直方向作上 下運(yùn)動(dòng) 以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在主軸上的 拔刀 裝刀 動(dòng)作 弧面凸輪 5 和平面凸輪 4 相連 在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí) 通過(guò)滾動(dòng)盤 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 18 8 共 6 個(gè)滾珠 帶動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)動(dòng) 花鍵軸帶動(dòng)機(jī)械手 7 在水平方向上作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作 以實(shí) 現(xiàn)從機(jī)械手轉(zhuǎn)位 完成 抓刀 和 換刀 動(dòng)作 電氣信號(hào)盤 9 中安裝有若干開關(guān) 以檢測(cè)機(jī)械手實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況 實(shí)現(xiàn)電氣互鎖 弧面凸輪轉(zhuǎn)角 平面凸輪轉(zhuǎn)角 圖 3 4 平面凸輪和弧面凸輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 平面凸輪與弧面凸輪的動(dòng)作配合曲線如圖 3 4 所示 在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下 弧面凸輪在 7 5 57 5 的范圍內(nèi) 完成機(jī)械手 80 的 轉(zhuǎn)位動(dòng)作 在 57 5 72 5 的范圍內(nèi)弧面凸輪 平面凸輪均不產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng) 用于 松開刀具 當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到 72 5 137 5 的范圍內(nèi) 平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手 進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng) 其中 在 72 5 117 5 范圍內(nèi) 只有平面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手作向下的 運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手同時(shí)拔出主軸 刀庫(kù)中的刀具 在 117 5 137 5 的范圍內(nèi) 因刀具已 經(jīng)脫離主軸的刀座 兩凸輪同時(shí)動(dòng)作 即 在機(jī)械手繼續(xù)向下的過(guò)程中 已經(jīng)開始進(jìn) 行 180 轉(zhuǎn)位 以提高換刀速度 在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到 117 5 242 5 的范圍內(nèi) 弧面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行 180 轉(zhuǎn)位 完成主軸與刀庫(kù)的刀具交換 當(dāng)進(jìn)入 222 5 242 5 的范圍時(shí) 兩凸輪同時(shí)動(dòng)作 平 面凸輪已經(jīng)開始通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行向上運(yùn)動(dòng) 以提高換刀速度 從 222 5 起 平面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手向上運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手同時(shí)將主軸 刀庫(kù)中的刀具 裝入刀座 這一動(dòng)作在 222 5 287 55 范圍 完成 裝刀 動(dòng)作 接著的 287 55 302 5 范圍內(nèi) 弧面凸輪 平面凸輪均不產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng) 機(jī)床進(jìn)行刀具 的 夾緊 動(dòng)作 這一動(dòng)作由機(jī)床的氣動(dòng)或液壓機(jī)構(gòu)完成 在 302 5 360 的范圍內(nèi) 弧面凸輪完成機(jī)械手 80 反向轉(zhuǎn)位動(dòng)作 在機(jī)械手 回到原位 換刀結(jié)束 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 4 換刀機(jī)械手的參數(shù)和計(jì)算 4 1 手臂的彎曲變形 手臂受到自身重力和刀具的重力左右 所以會(huì)有彎曲變形 如果彎曲太大 就會(huì) 造成換刀時(shí)手臂和刀具的干涉 造成機(jī)器的損壞 手臂的自身重力可以通過(guò)簡(jiǎn)化的方式轉(zhuǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)度為 410mm 寬 90mm 高 35mm 的長(zhǎng)方體來(lái)計(jì)算 G mg 7 8 10 41 9 3 86346N 86 346KN 87KN 刀具的重量 F 10 6 60KN 手臂材料的抗拉強(qiáng)度 460MPat 屈服強(qiáng)度 235MPa 圖 4 1 手臂的受力可以簡(jiǎn)化為圖 4 1 所示 如上圖所示 可簡(jiǎn)化為懸臂梁來(lái)處理 則任意橫截面上的彎矩為 M 60 l x 60 205 x 4 1310 得撓曲線方程 刀具重力所造成的彎曲 4 2 刀 6 3 2EIxlF 臂自重所造成的彎曲 4 3 6 3 62Iax 0lxa 其中 30 12 1822500 1 8225 1 bhI39Pa120 Pa610 E 2 2 P0 最大撓度為 刀具重力所造成的彎曲 4 4 3 EIFlB 刀臂自重所造成的彎曲 4 5 2IalB 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 20 端截面轉(zhuǎn)角為 刀具重力所造成的彎曲 4 6 2 EIFlB 刀臂自重所造成的彎曲 4 7 2IaB 計(jì)算得 刀具重量所造成的彎曲 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彎曲 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 通過(guò)以上的計(jì)算可知 換刀機(jī)械手的手臂的彎曲非常小 根本不會(huì)對(duì)實(shí)際工作造 成任務(wù)影響 所以是符合要求的 4 2 電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 錐齒輪的傳動(dòng)比為 62 210 31 105 大齒輪每 2 5S 轉(zhuǎn)一圈 所以小 齒輪每 2 5 31 105 0 738S 轉(zhuǎn)一圈 速度為 82rad min 電動(dòng)機(jī)沒(méi)有這個(gè)轉(zhuǎn)速的 所以要通過(guò)減速系統(tǒng)減速來(lái)達(dá)到要求轉(zhuǎn)速 假設(shè)減速比為 1 10 通過(guò)咨詢和調(diào)查 決定選擇 MCN ELECTRICAL 廠家生產(chǎn)的 CF22 型號(hào)伺服電機(jī) 具體參數(shù)如下 制造商 MCN ELECTRICAL 型號(hào) CF22 電源 電壓 3 相 200V 額定功率 400W 轉(zhuǎn)速 1000rpm 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 5 換刀過(guò)程 整個(gè)換刀的過(guò)程和關(guān)系如圖 5 1 5 2 5 3 所示 1 刀具預(yù)備 在機(jī)床進(jìn)行加工的同時(shí) 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)作出的 T 代碼指令 把需 要換的新刀回轉(zhuǎn)到指定位置 完成刀具的 預(yù)選 動(dòng)作 為刀具交換做好準(zhǔn)備 2 主軸定向準(zhǔn)停 在換刀指令發(fā)出后 首先進(jìn)行主軸定向準(zhǔn)停 使主軸上的定 位鍵方向和刀庫(kù)位鍵一致 與此同時(shí) Z 軸快速的向上運(yùn)動(dòng)到換刀點(diǎn) 刀杯旋轉(zhuǎn) 90 使刀具軸線與主軸軸線平行 3 機(jī)械手回轉(zhuǎn)夾刀 當(dāng)主軸箱到達(dá)換刀位置 同時(shí)刀庫(kù)上的刀具完成旋轉(zhuǎn) 90 動(dòng)作后 凸輪換刀機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 是機(jī)械手進(jìn)行 80 轉(zhuǎn)位 兩邊的刀爪分別夾 持刀庫(kù)換刀位以及主軸上的刀具 4 卸刀 在機(jī)械手完成夾刀動(dòng)作后 刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具加緊裝置同時(shí)放松 刀具被松開 凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下 機(jī)械手向下伸出同時(shí)娶出刀庫(kù)和主軸 上的刀具 進(jìn)行卸刀 5 刀具換位 卸刀完成后 凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下 機(jī)械手旋轉(zhuǎn) 180 進(jìn)行刀庫(kù)側(cè)刀具和主軸側(cè)刀具的換位 6 裝刀 刀具完成換位后 凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下 機(jī)械手向上縮回 將刀庫(kù)側(cè)刀具和主軸側(cè)刀具同時(shí)裝入刀座和主軸 并且刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊裝 置同時(shí)夾緊 7 機(jī)械手返回 刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊專職完成夾緊后 凸輪換刀機(jī)構(gòu)在 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下 機(jī)械手反向旋轉(zhuǎn) 80 回到起始位置 這時(shí)手臂旋轉(zhuǎn)過(guò) 180 兩邊手 爪互換 完成換刀動(dòng)作 換刀完成后 主軸箱向下運(yùn)動(dòng)即可進(jìn)行下一把刀的加工 同時(shí)刀杯向上旋轉(zhuǎn) 90 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 22 圖 5 1 機(jī)械手換刀順序圖 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 5 2 刀盤和機(jī)械手位置圖 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 24 圖 5 3 機(jī)械手和主軸的位置圖 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 參考文獻(xiàn) 1 吳宗澤 羅圣國(guó) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版 北京 高等教育出版社 1999 2 廖念釗 莫雨松 李碩根 楊興駿 互換性與技術(shù)測(cè)量第四版 北京 中國(guó)計(jì)量出 版社 2000 3 陳錦昌 劉就女 劉林 計(jì)算機(jī)工程制圖 廣州 華南理工大學(xué)出版社 1999 4 馮辛安 黃玉美 杜君文 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 5 周伯英 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995 6 濮良貴 紀(jì)名剛 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 1995 7 龔振幫 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 電子工業(yè)出版社 1995 8 何立民 單片機(jī)高級(jí)教程 應(yīng)用與設(shè)計(jì) 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2000 9 吳宗澤 羅圣國(guó) 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 北京 高等教育出版社 2002 10 鄭堤 唐可洪 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 11 張鐵 謝存禧 機(jī)器人學(xué) 廣州 華南理工大學(xué)出版社 2001 12 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室 理論力學(xué) 北京 高等教育出版社 1997 13 余達(dá)太 馬香峰 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程 北京 冶金工業(yè)出版社 2001 數(shù)控鏜床自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì) 26 致 謝 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中 我有很多收獲 首先把我?guī)啄陙?lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的 復(fù)習(xí) 更深一步了解了所學(xué)的知識(shí) 培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) 獨(dú)立分析問(wèn)題和解 決問(wèn)題的能力 也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館 網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料 還使 我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題 這對(duì)我以后的工作有很大的幫助 今后我會(huì)在工作中 不斷的學(xué)習(xí) 努力的提高自己的水平 經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì) 我切實(shí)體會(huì)到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè) 計(jì)人員的艱難性 在設(shè)計(jì)過(guò)程中 我經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題 有的是知識(shí)方面的不 足導(dǎo)致的 有的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面不足導(dǎo)致的 這些問(wèn)題有時(shí)使得我束手無(wú)措 不過(guò)在 指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下 終于使得我順利完成了設(shè)計(jì) 雖然我的設(shè)計(jì)存在很多不足的地方 但在這兩個(gè)多月的時(shí)間里 我學(xué)到了很多有 用的知識(shí) 也積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 這些對(duì)于我即將要走向社會(huì)工作崗位 將起到 很關(guān)鍵的作用 在此衷心感謝學(xué)校 學(xué)院各位老師 4 年來(lái)給我的教育和培養(yǎng) 特別要感謝易廣建 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予的諸多指導(dǎo)