加工中心机械手结构及控制部分设计

沈阳航空航天大学毕业设计（论文）I摘 要机械手是自动换刀装置中主要工具，担负着把刀库中的刀具传送到主轴上，然后把主轴上不用的刀具快速返回刀库中。思路是用机械手的动作来实现对加工中心的换刀，机械手的转动是用回转液压缸运来完成的，它的动力是由驱动系统实现。加工中心自动换刀装置，一般是由刀库和机械手组成，它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。各加工中心制造厂家都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，自动换刀装置是加工中心的重要内容，各厂家保密，很少公开相关资料，尤其是机械手部分更是如此。这些机械手的拔刀、插刀动作，大都由油缸动作来完成。根据结构要求，可以采用油缸动，活塞固定；或活塞动，油缸固定的形式。整个机械手由机械臂伸缩机构，机械爪开合机构，回转机构及装卸刀具直线运动机构组成。关键词：加工中心；机械手；刀库；机械臂沈阳航空航天大学毕业设计（论文）IIAbstractManipulator is automatically change tool device the main tool to exchange tool, it bears on the knife library on the tool to spindle, and then the spindle has used tool returns tasks on tool store. Design idea is to use robots to achieve the action machining center, the rotation of the manipulator change cutters are shipped turn hydraulic cylinder, its power is realized by drive system implementation. Machining center, the automatic cutter replacement device is usually composed by knife library and manipulator, it is the symbol of processing center, it is crucial to the success of the processing center link. So the processing center manufactures are developed rapidly next vigorously, high reliability of action, in order to be automatic cutter replacement device in the fierce competition and achieved good benefit, automatically change tool device is the core content of machining center, the manufacturers are confidential, seldom publicly about material, especially manipulator part is even more so. This manipulator, a sword, inserted knife action by oil cylinder action mostly to finish. According to the structural requirement, can use oil cylinder move, piston fixed; Or the piston move, oil cylinder fixed structure. The whole manipulator, by mechanical arm telescopic institution of mechanical claw opening-closing institutions, rotary institutions and loading and unloading tool linear motion mechanism composition. Key words: machining centre；manipulator ；magazine tool；mechanical arm沈阳航空航天大学毕业设计（论文）III目录 1 绪论 .12 机械手主要参数 .22.1 主要参数 .22.2 规格参数 .23 机械手总体设计 .43.1 机械手的布局形式 .43.2 机械手的设计内容 .44 机械手机构设计 .54.1 机械手手部机构设计要求 .54.2 机械手手部类型 .54.3 机械手手臂的机构设计 .64.3.1 手臂的直线运动机构 .74.3.2 手臂回转运动机构 .84.3.3 导向装置 .85 机械手主要部件设计计算 .105.1 机械手装刀与卸刀伸缩时驱动计算 .105.1.1 粗算机械手手部质量 .115.1.2 计算单臂液压缸的质量: .115.1.3 手臂伸缩运动的惯性力 .145.1.4 手臂伸缩时驱动力计算公式 .145.1.5 转轴转动时驱动力矩的计算 .145.1.6 计算丝杆驱动力矩 .196 机械手液压系统设计 .226.1 液压系统的简介 .226.2 机械手液压系统的控制回路 .226.3 液压系统的组成 .22沈阳航空航天大学毕业设计（论文）IV6.3.1 压力控制回路 .226.3.2 速度控制回路 .236.3.3 方向控制回路 .246.4 机械手液压传动系统 .246.5 机械手手爪伸缩油缸设计 .246.5.1 确定油缸直径 .246.6 油缸臂原的设计 .256.6.1 活塞杆的计算 .256.7 手臂回转油缸选择 .256.8 滑座伸缩油缸设计计算 .256.9 活塞杆直径的计算 .266.10 丝杠升降时液压马达参数，规格的选定 .266.11 油缸的泄露与密封 .266.11.1 机械手往复运动油缸的密封圈 .266.12.2 回转油缸的密封与泄露 .266.13 液传动机械手的缓冲与定位精度 .276.13.1 机械手的运动平稳与定位精度 .276.13.2 油缸缓冲装置 .276.13.3 回转油缸缓冲装置 .276.13.4 液压机械手定位 .276.14 机械手液压控制阀的选择 .276.15 管件的选择 .287 机械手控制系统设计 .297.1pc 控制范围与现象 .297.2 确定 pc 控制图 .307.3 可编程序控制器的维护和安装 .307.3.1pc 安装避免的场合 .307.3.2 连线 .30参考文献 .33总结 .34沈阳航空航天大学毕业设计（论文）V致谢 .35沈阳航空航天大学毕业设计（论文）11 绪论加工中心换刀机械手的设计实现手架伸缩和旋转，手指夹紧，手臂伸缩，自由度分析，系统设计，确定驱动机构，手指夹紧力的分析，关键部位的校核。能模仿人手和手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。沈阳航空航天大学毕业设计（论文）24.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。5.宇宙及海洋的开发。2 机械手主要参数2.1 主要参数1、抓重 一般 10 公斤左右。2、自由度与坐标形式 根据具体情况。3、运动速度 根据生产拍节的长短，精度，生产平稳性。4、行程范围 坐标形式，抓重大小，使用性能，驱动方式有关，一般为5001000 毫米内。2.2 规格参数1、抓重 2、自由度与坐标形式 3、运动参数4、定位5、驱动6、手指的握力7、接受信号8、程序编程9、质量10、轮廓数据沈阳航空航天大学毕业设计（论文）33 机械手总体设计3.1 机械手的布局形式加工中心自动换刀机械手是机床的一部分，所以存在机械手与机床的位置关系的合理性。本次设计为卧式加工中心机械手的设计。由于机床主轴水平放置，需要机械手将刀具直接送到机床主轴中心线上，机床的夹紧装置为立即夹紧。刀库为四排六十把刀，机械手需要放置在刀库和机床主轴之间，抓刀后回转 180 度，本设计机械手采用固定的落地式机械手。3.2 机械手的设计内容1、机械手的移动形式机械手应该具备回转，上下移动，滑座和手臂的伸缩，所以四个自由度才能实现刀具从刀库移出精确定位到主轴上。如图 3.1图 3.1 机械手运动简图2、机械手的坐标形式沈阳航空航天大学毕业设计（论文）4机械手位于机床刀具与主轴之间，所以需要占地面积较小，机构应该简单，然而主轴与刀具之间距离达到了 1140 毫米机械手回转中心在主轴与刀库中间，因此机械手的活动范围比较大，并且机械手的定位精度较高为了能够准确卸刀与装刀，综上所述，选用圆柱坐标比较合理。3、机械手的参数确定a、抓重 一般额定抓重有 1，1.6，2.5，4，6.3，10，25，40，63，100参照基本关系确定抓重手部夹紧力的计算如图 3.2图 3.2 系统结构图按公式 N=0.5G 确定抓重。即:N=0.5X15=7.5kg=75NN-机械手夹紧力 NG-刀具质量 kg刀库中的刀具最大质量 15kg，所以夹紧力 G 为 75N，机械手手指的夹紧用弹簧实现，所以夹紧力为弹簧的拉伸力。按额定抓重选大于 10kg 的弹簧力的弹簧。机械手手部机构见机械图第四页。沈阳航空航天大学毕业设计（论文）5b、机械手自由度有 4 个，坐标形式为圆柱坐标形式。c、机械手行程 机械手升降行程 1260mm，机械手手部伸缩最大行程195mm，滑座伸缩行程 155mm，旋转回转角 0180。d、机械手运动参数机械手速度范围如下:伸缩速度 50