数控机床装夹机械手的研制

第一章 概 述1.1 引言机械手：机械手是指有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作的机械装置。机械手主要由执行机构和驱动机构和控制系统组成。机械手的执行机构分为手部、手臂、躯干；机械手的手部主要用来抓取物件或者工具。机械手实现预定的运动主要是通过摆动、移动或复合运动来实现的，而这些主要是根据物体的尺寸、外形、重量、材质和工作要求来设定的，从而实现使被抓持物件的位置和姿势发生改变。世界上最先开始研制机械手的国家是美国。世界上第一台机械手诞生于1958年，由美国联合控制公司研制生产。它的结构如下：将一个回转的长臂安装在机体上，再将抓放结构安装在端部，这种抓放结构中装有电磁铁。这台机械手采用的是示教型的数控系统。1962年，根据以上方案，美国联合控制公司又研制成功一台机械手，这是一台数控示教再现型机械手。设计者们从坦克炮塔中获得启示，所以它的运动系统与坦克炮塔的运动方式相类似。该机械手的手臂采用的驱动方式为液压驱动，它可以完成回转、俯仰、伸缩等运动形式；它的控制系统中的存储装置采用的是磁鼓。它的出现为许多球坐标通用机械手的研制提供了可借鉴的宝贵依据。同一年该公司和普鲁曼公司合并，建立了万能自动公司,专门致力于工业机械手的研发、生产和销售。 1962年，另一家公司美国机械制造公司也成功研制出一种机械手。该机械手的中央立柱采用的驱动方式同样是液压驱动。中央立柱可以旋转、伸缩。该机械手也是一款采用示教再现型控制系统的机械手。六十年代初，这两种机械手的研制成功为国外工业机械手发展提供了宝贵的经验。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制出Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控 制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。 德国机械手发展相对较早，从1970年开始，工业机械手开始应用于德国机械制造业，这些机械手主要被用来进行设备的上下料、工件的起重运输、工件的焊接等危险、耗力的生产作业的操作。德国KnKa公司还研制出了一种结构为关节式结构，控制方式为程序控制的点焊机械手。日本的工业机械手是世界上发展较早，发展最快的，而且日本在工业机械手领域的应用也是最多的。自1969年从美国引进两种基本机械手后，日本大力发展机械手的研制和应用。如今日本机械手技术已经走在世界先进行列。前苏联从20世纪60年代开始进行于机械手的研发和应用，到1977年底，前苏联在用的机械手中有一半是国产，另外一半主要依靠进口。但是自动化程度低，主要用于危险、繁重行业，从而使得人们免受危害。我国是世界上机械发展最早的国家之一，但到了近代，由于各种原因我国的工业机械手的发展停滞不前，远远落后于世界发达国家。新中国成立后，尤其是近30年，我国机械手行业发展迅速，但是由于起步较晚，西方技术封锁等原因，我国机械手技术落后于欧美各国，且我国的机械手较多应用于汽车行业，我国自主研制的机械手多为低端的机械手，技术较为落后，但是如今我国的机械手的发展迅速，正在大步追赶其他先进国家，某些方面甚至已经达到世界先进水平。目前机械手大部分为第一代机械手，他们主要由人工进行操作、控制;大多采用开环控制的控制方式，缺乏自主识别能力，提高精度和降低成本是主要的发展方向。第二代机械手的研制正在加速进行中。微型电子计算机控制系统被装备在它们身上，这使得它们具有视觉、触觉，甚至听想的能力。科学家正在实验将各种传感器安装在它们身上，传感器能够把感觉到的信息传输到计算机控制系统，从而使机械手具有感觉机能，完成设定的动作。第三代机械手的特点在于能独立完成工作过程中的任务。它们与电子计算机保持紧密的联系，依靠计算机自主完成设定的任务，并逐步发展成为柔性制造系统和柔性制造单元中的重要一部分。随着人们对工业机械手的不断研究和完善，机械手的发展越来越迅速，各个国家之间学术性的交流越来越频繁和深入，机械手的功能越来越强大。1.2 一些软件在机械手设计中的应用1.2.1 CAD技术的应用计算机辅助设计（CAD）技术的应用和发展使得人们的社会生产产生了巨大的变革和发展，因此人们将CAD技术的应用称做20世纪最杰出的发明之一。在本次课题研究中， CAD的应用也起了很大的作用。计算机辅助设计技术的应用使得机械设计产生了巨大的变革。它使得计算机在机械设计的过程中起到了十分重要的辅助性质的作用。计算机辅助设计技术使得设计师们在设计的过程中，不需要再进行大量的繁重的体力和脑力劳动，从而使得设计师们的在工作效率得到的显著的提升。计算机辅助设计技术的优点主要在以下几个方面体现出来:CAD技术使用计算机进行绘图，因此在绘图速度方面显著快于传统的手工绘图；采用计算机绘图使得在修改图纸上的错误时更加的方便和快捷（在这一方面，传统的手工绘图是无法相比较的）;一般情况下，计算机绘图能够使得绘图的精度得到十分明显的提升，从而能够获得比传统制图更好的制图效果。例如，当我们设计一个标志的时候，在计算机辅助绘图出现以前，即使我们的大脑中已经产生了十分清晰以及成熟的构思，可是当我们想要把它表达出来的时候，我们还是需要先一笔一画地画出图形，再认认真真地填充色彩，填充的过程中还需要讲究一些技巧，这些工作通常会花费大量的时间，而且绘图的效果也不能完全达到理想的效果。但是如果我们在计算机上使用平面设计软件比如AUTOCAD或者3D设计软件比如UG 等，一般只要我们能够熟练操作软件，十分快速便能设计出图形，而且设计出来的图形效果更好。除此之外，在手工绘图过程中，如果我们需要进行图纸上的修改，那怕是一丁点的修改，就可能要大部分甚至全部重新作图，而使用计算机进行绘图，只需要需改其中错误的部分，不需要进行大量的修该，这能为我们节省大量的时间和工作量。这仅仅是一个很简单的例子。而在我们需要完成大量的设计工作时，这种优越性将会更加突出地体现出来。更重要的是，当我们进行机械手的设计时，有些结构的尺寸设计在理论上是需要十分精确的，稍微有点误差，就有可能影响到整个机械手的结构设计，但是如果我们使用软件进行计算机辅助设计既能够提高设计的精度，尽量避免影响到整个机械手的设计。现代工业设计中，计算机辅助设计软件的出现为机械设计提供了极大的便利。我们不仅可以通过使用设计软件十分方便、快速地画出我们所要设计的产品的效果图，还能通过使用计算机辅助设计软件较为真实地模拟出设计产品的实际效果(例如：产品的表面质感和光影等)和准确的透视。同时计算机辅助设计软件还能使我们从不止一个角度观察产品，从而了解到产品各个方向和各个结构部件的实际效果。这些可以帮助我们节省掉制作实际模型这个繁重、耗时的设计步骤，从而大大缩短了产品的研发周期，也降低了产品的价格，使得产品的更新换代加快、促进了各个行业的发展和进步。计算机辅助设计软件不仅能帮助设计师们完成复杂，耗力的设计步骤，而且还能使得机械设计师们的创作灵感得到增强，是获取产品设计的造型和形态的有效的手段。这种手段是一种全新的手段，它与传统的设计程序和观点基础上的造型形态手段完全不同，这种手段为机械设计师们提供了一种新的创意理念和途径，这有利于设计师们的创新思维的培养，有利于设计出全新的独特的优秀设计作品。这种情况主要体现在以下两个方面：一方面因为IT时代使得人们更加容易获得海量的各种类型的信息，其中当然包括十分丰富的设计素材，这些设计素材不停地出现在设计师们的眼前，充斥在他们的脑海中，不断的冲击着他们的心灵，这就会不停地激发出设计师们的创作灵感，当灵感达到一定的量变，就有可能会发生质变，这样设计师们就有可能产生独特新颖的创意。当然，不能否认的是，如果设计师们的思想有所雷同，这也可能导致设计师们的创作作品在某些方面甚至完全相似。另一方面面，很多设计师都有这样的经历，有时在电脑上一个不经意的动作或者误操作会得到一个意外的或许连软件发明者都意想不到的效果，然而它却正是我们求之不得的效果。在本次毕业设计，CAD技术被十分频繁地使用，这使得我们获得了巨大的收获，使得我们的设计完成的更加迅速和完美。在现代社会中，计算机辅助设计(CAD)技术被广泛地应用于生产生活的各个领域（例如：机械、电子、建筑、新能源等行业）。它的应用显著提高了产品的设计质量，大大缩短了产品的设计周期，使得产品的设计成本和制造成本有所下降，对促进社会和生产生活的快速发展起到了积极的巨大的推进作用。1.2.2 PRO/E的应用Pro/ENGINEER诞生于1988年，在短短的20余年间，如今它已经发展成为普及全世界的著名的3D计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）系统之一。Pro/E现金已发展成为3DCADCAM系统的标准软件之一，被广泛运用于社会生产和生活的各个方面（例如：机械、通讯、电子、模具、工业设计、家电、自行车、航天、玩具等各行业）。作为一个全方位的3D产品开发软件，ProE将机械设计、零件设计、模具开发、NC加工、铸造件设计、钣金设计、造型设计、产品组、逆向工程、自动测量、动态仿真、应力分析、产品 数据库管理、协同设计开发等各项功能集成于一体，其分为许多个模块，拥有十分强大的功能。本次论文设计对Pro/E软件的应用没有作出要求，只需要知道Pro/E中的三维机构仿真，可以模拟机械手的动作；另外，当需要验证CAD中机械手某些装配图的准确性，我们可以将部分零件实体进行绘制，最后得出二维工程图，进行对比，以验证机械手装配图的准确性。1.3研究内容与意义1.3.1 研究的意义目前，我国的机械手行业已经取得了长足的进步，在很多领域已经大量用到了机械手，但是我们必须清楚，我们同一些发达国家还是有着不小的差距，尽管我们也能生产制造处机械手，但是我们的成本明显过高，而且技术上也处于劣势，正是如此，在机械手的运行精度，可靠性，通用性等衡量指标上面，要远远落后于世界先进国家，比如美国，日本，德国等。由于机械手行业需要扎实的理论基础，过硬的实践经验和很高的科技水平，所以，我们国家要想在机械手行业取得更大的突破，就必须加大和深入对机械手的理论研究，投入更多的经费到机械手设计上来，并大力发展科技。由于能力及时间所限，我们设计的机械手不可能能达到上述效果，所以，我们本着简单，经济，实用的原则，设计出一类可靠、耐用的简易的机械手，将它们运用于一些中小企业的数控机床上，用来装夹和搬运工件。只要设计的足够好，我们就能完全盘活中小型企业的积极性，从而提高生产效率，这样，中小型企业也能得到发展。仅仅是大企业的发展是远远不够的，机械手行业乃至制造业的发展的一个重要标志就是：产品的适应性广，普遍性强。1.3.2主要研究内容本论文的初期准备工作：（1）调研，获得机械手设计所需要的第一手资料（一些原始数据等）；（2）熟悉CAD,CAXA ,PRO/E等制图软件，为后期设计绘图做准备；（3）了解机械手的基本结构组成，查阅相关资料，为后期结构分析做铺垫。主要研究内容：（1）综合考虑各种因素，合适的选择机械手基本组成中的一些元件；（2）通过方案论证，确定装夹机械手设计的最优方案；（3）对机械手进行机构分析，全方位考虑结构安排的合理性，可靠性，稳定性；（4）确定机械手的最佳安放位置；（5）考虑机械手手爪部分的通用性，尽量实现不同数控机床上却可以用同类机械手的可能性。第二章 控装夹机械手的总体方案设计2.1数控机床装夹机械手的原理设计2.1.1 基本设计思想数控机床装夹机械手的设计主要包括三个方面的设计：执行机构，驱动机构和控制系统。由于时间所限，我们主要设计的是执行机构，执行机构直接关系到机械手结构的外型，动作范围等，在后述讨论中我们将详细介绍关于执行机构的设计。机械手的驱动机构，按照驱动方式可分为以下四种：液压驱动，气压驱动，电气驱动，机械驱动。在仔细分析和对比各种方式的优点和缺点之后，我们综合考虑，还是选择气压驱动作为这次设计的机械手的驱动方式。 气压驱动的优点有很多，如下：（1）气压驱动的使用空气作为能源，获取简单，方法易行，短时间内可获得高速动作；（2）采用气压驱动，夹紧时无能量消耗，不发热； （3）采用气压驱动，动作柔软，安全性高；（4）采用气压驱动可以使机械手体积减小，重量减轻，同时可拥有较高的输出质比；（5）采用气压驱动，处理简便，成本低。正是由于气压驱动存在以上这些优点，我们选择了气压驱动的方式。中小企业看重的也是气压驱动方式存在的这些优点。虽然气压驱动也存在一些缺陷，比如控制精度不高但等，但是对于中小型企业来说，只需要将控制误差控制在可接受的范围内，那么，气压驱动拥有的缺陷就不会不影响数控机床装夹机械手在实际生产中的应用，所以这些缺点也不需要考虑了。对于控制系统的选择，我们选择PLC控制的方式，这一部分主要由机电方面的专业人员来进行分析和设计。2.1.2基本设计步骤（1）首先根据实际的数控机床的外型尺寸确定机械手的某些尺寸，比如机械手的总高度，机械手手爪到最低点时（同数控机床三爪卡盘中心轴线重合时）离地面的高度，机械手和数控机床之间的横向间距；（2）根据这几个总体尺寸来逐步设计机械手的每个局部尺寸，然后具体的设计每部分部件；（3）认真检查每个尺寸，并同时判断机械手的运动轨迹是否会同数控机床发生碰撞；（4）如果（3）不满足，则重复（2），直到条件满足为止。2.1.3机械手的工作流程注：以下所有点都是手爪中心点轨迹，A为毛胚区，B为卸料区，OC垂直于，O为旋转中心；为机床主轴中心线。（图在后面）1. 机械手在A点抓取工件，此时机械手的位置是在垂直方向最低点处；2.汽缸开始运动，机械手的手臂向上移动，从俯视位置观察机械手，此时机械手手爪的位置在点处；3.旋转气压缸开始动作，机械手发生旋转，手爪由旋转移动至D处，汽缸再次动作，机械手手臂向下移动到位置，点和地面之间的垂直距离就是机床主轴轴线与地面的之间的距离；4.旋转气压缸再次动作，由点旋转到C点所在位置，完成一次装夹操作；5.完成装夹后机械手手爪松开，汽缸运动，手臂向上移动到点所在位置；6.完成后，数控机床防护门关闭，开始加工，加工完毕后，汽缸运动，由移动至C处，机械手手爪抓紧工件，数控机床卡盘松开；7.旋转气压缸动作，手爪由C点位置移动到点位置；8.汽缸动作，手爪由点位置向上移动到D点位置;9.旋转气压动作，机械手的手爪由D点所在位置旋转到点所在的位置；10.汽缸动作，机械手的手臂往下移动到B点所在位置后，机械手手抓松开，卸料；11.汽缸动作，手臂向上移动至点;12.旋转气压缸动作，手爪由点旋转至点；13.汽缸又一次发生动作，机械手的手臂往下方移动至A点处，重新夹取下一个工件，完成一个完整的工作循环。 图2-1 工作流程图2.1.4 机械手传动原理如下图所示：1为底座，2为旋转缸，3为支架杆，BF是连杆，4.6.7组合构成手臂。其中6为可调杆，以控制夹角，HE段做成可调部分，E为手爪中心点处。高度h为防杆4与机床干涉预留高度。其中，E1和E分别为手爪的两个极限位置，E1为手爪的运动最高点（此时汽缸行程达到最大值），E为手爪动作的最低点（在三爪卡盘中心轴线上）。图2-2 传动原理图2.2机械手控制方案选择2.2.1控制形式的选择根据机械手的控制形式，我们可以将机械手分为点位控制型机械手和连续轨迹控制型机械手两种类型。（1）空间两个点之间的连接是点位控制型机械手的运动轨迹。控制性能的好坏与控制点数的多少成正比。简而言之，点数越多，性能越好。通过比较分析点位控制型基本能满足各种要求，且结构简单。 (2) 空间的任意连续曲线是连续轨迹控制型机械手的运动轨迹，它能在三维空间里做很复杂的动作，工作性能比较完善，但控制部分较复杂。对于我们设计的用于数控机床上的装夹机械手来说，由于机械手只在送料线，卸料线和数控机床上的几个固定位置轮回旋转，因此，点位控制型机械手能够满足我们的要求，我们就可以采用点位控制性机械手。2.2.2手臂的坐标形式选择手臂的基本坐标形式主要有以下四种：直角坐标式，圆柱坐标式，球坐标式，关节坐标式。（1）直角坐标式机械手：当机械手的工作位置成行排列或者当机械手与传送带配合使用的时候，我们所采用的一种机械手。它的手臂只能沿直角坐标中的X,Y,Z三个方向做直线运动，其运动的方式只能是直线的来回运动 (2) 圆柱坐标式机械手：这种机械手被广泛地运用于工业生产中，主要被用来进行工件的搬运与测量等工作。这种机械手结构简单，比较直观，机体占用的空间小，而且动作范围较广。（3）球坐标式机械手：它的自由度比较多，应用也较广，主要用于一些较困难的场所，能够完成较复杂的动作。（4）关节坐标式机械手：当机械手的传动形式主要是靠近机体操作的时候，我们一般采用这种机械手。它拥有和人类相似的肘关节结构，可在多个自由度内进行运转，且拥有灵活的动作，一般适用于作业空间狭小的情况。综合动作范围，复杂性和经济性等方面考虑，圆柱坐标式机械手是我们最优化的选择。2.3机械手的总体构成包括底座，支架杆，摆动气缸，气缸，连杆，手臂，手爪等。（详见前面传动原理图2-2 ） A底座：能够平移（沿着机床加工轴线方向），因此，底座下面应架上两条导轨B支架杆：由于要承受机械手的大部分重量，且要安放气缸，所以它必须有足够的强度。C摆动气缸：机械手设计过程中有许多关键的部位需要设计，摆动气缸就是这些关键部位中的一个。在本次设计中，机械手主要在四个方位进行轮回的旋转。因此，机械手动作的准确程度与摆动气缸的旋转精度有直接且紧密的联系。图2-3 旋转汽缸D气缸：气缸的选择的主要依据是我们所设计的机械手的最大行程和最大负载。我们是 这样设计的：当气缸行程为零时，此时机械手手爪所夹工件所在的轴线与数控机床上三爪卡盘的中心线重合；当气缸行程达到最大值时，机械手到达最高点（一定要高于数控机床，以免发生碰撞）。图 2- 4 普通汽缸E连杆：连杆主要用来连接支架杆与手臂，由于其不是标准件，所以设计比较简单。但需考虑的是连杆的长度，因为长度只能在某个值或者一定范围内时，气缸承受的力最小，这样就能最大化节约气动能源，同时也较好的保护了气缸，延长了汽缸寿命。F手臂：手臂和支架的长度，以及两者之间的夹角大小直接决定了手爪部分的位置及其运动轨迹。因此，手臂部分的设计主要要从手臂长度和它与支架所成夹角两方面考虑。同时，为了保证机械手的通用性，将手臂设计成非固定状态，即可以人为的调节手臂与支架之间的夹角。G手爪部分：考虑到多为加工轴类，轴承等工件，确定选择下图中图a的手爪式样。然后选择气压驱动的方式作为手爪部分的驱动源的驱动方式。图2-5 手抓外形图第三章 床装夹机械手的详细设计3.1手爪部分结构设计与选材3.1.1手爪的装配结构这一部分参照了机器人设计手册上的一个样图，由于主要是用来夹持轴类零件，为了使设计的机械手满足上述要求的性能，我们选择用一个汽缸来推动手爪滑块来回滑动，从而使得下图中的最左端的抓齿部能够不停地松开和闭合，满足对工件的夹紧与松开的性能要求。如图所示：图 3-1 手爪部件机构图图中，1为爪齿一，2为爪齿二，3为手爪底座，上面含有滑道，4为手爪的驱动滑块。5为待装夹零件。3.1.2手爪的工作过程为了使机械手能够对工件进行夹紧和松开的操作，我们设计通过手爪滑块来回滑动来带动爪齿移动和旋转，从而实现手爪的松开与夹紧。如图所示，当手爪滑块向左移动时，在拉力作用下，爪齿一也跟着向右运动，而爪齿二的左右移动被限制住，从而爪齿二无法向右移动，只能绕着螺栓做逆时针的旋转，从而实现工件的夹紧。反之，当滑块向右移动的时候，爪齿一在牵引作用下跟着滑块向右运动，爪齿二由于被螺栓限定住了左右的移动，只能绕着螺栓顺势针旋转，从而实现工件的放松。手爪所能抓取的工件的最大直径主要取决与和滑块相连接的笔形汽缸的最大行程和手爪与机械手前臂之间的安装距离。3.1.3各部件的选材由于爪齿一直接和工件接触，要进行工件的夹持和释放的操作，所以会发生磨损，也需要承受一定强度的力，因此我们选择45钢作为爪齿一的制作材料，通过热处理使其满足我们对于爪齿一力学性能的要求，同时，对于手爪和工件的接触位置，我们需要进行渗碳处理。图3-2 爪齿一的主视图爪齿二的作用相当于连杆，在机械手运动过程中，爪齿二不仅受到拉应力的作用，还受压应力作用，受力比较复杂，我们可以选择综合力学性能比较优越的45钢作为爪齿二的毛坯的材质。图3-3爪齿二的主视图对于底座的选材，我们要十分注意。由于底座上有一个滑道，滑道表面粗糙度要求较高，还需要有一定的耐磨性，此外我们要保证手爪整体的重量足够清，所以我们选取ZL102图3-4手爪底座的三视图滑块部分是汽缸的第一执行构件，一方面要承受一定的拉应力与压应力，所以滑块部分本身需要有足够的强度。另一方面滑块需要和手抓底座配合，组成一个移动副，因此滑块的地面和侧面需要有较强的耐磨性，综合考虑我们选用ZCuZn38Mn2pb2。这是一种合金材料，性能满足要求。图3-5 手爪驱动滑块的正视图3.2手臂的组成与结构分析 3.2.1 前臂的组成与结构分析前臂的装配图如下图所示，它有前臂左端部分，右端可调部分，螺纹套筒构成：图3-6 前臂的结构图中1是前臂左端部分 ，2是螺纹套筒，3是前臂右端可调部分它们之间通过螺纹配合相连接，其中左端采用是右旋螺纹，套筒同样采用右旋螺纹，而左端采用的是左旋螺纹。套筒在进行顺时针的转动时，以套筒作为参考，左端部分相对于套筒向右移动，而右端相对于套筒向左移动，所以它们两者间距离缩短，前臂总长减小；套筒反方向旋转，左端与右端的距离增加，前臂长度增大。通过这种方法，我们可以调节臂总长，当然这只能在一定范围内进行调节。当距离调好后，我们可通过压紧螺母进行固定。左端部分：此部件的选材最大的基准就是减轻部件的重量，同时满足强度要求，由于载荷不是很大，所以可以选择质量较轻的铝合金件。图3-7 前臂左端部件的三视图简图右端部分：右端部件的选择原则和左端部件的选择部件是一样的，因此选用铝合金材质。图3-8 前臂的右端部分三视图简图3.2.2 中臂的组成与结构设计中臂的右侧直接与支座上部相连，而左侧直接与前臂的右端部分相连，中臂只有一个组件，如下图所示：图3-9 中臂的主视图其中孔A是与前臂的连接孔，孔B的作用主要是用来与可调支撑连接的，孔C装上滚轮滚针轴承，D孔也是装滚轮滚针轴承的中臂主要是起过度的作用，主要就是为了传递力和位移，与汽缸、可调支承、前臂、上立柱相互连接。A孔处的关节仅仅在进行可调支撑调节的时候才发生运动，所以这儿的连接形式采用铰制孔用螺栓连接，同理，B孔处的连接也用铰制孔用螺栓连接；孔C处的连接是经过汽缸连接件同直动式气缸相连接，所以在机械手运动过程中，要不停的进行旋转，因此摩擦系数必须很小以方便旋转，我们可选择滚轮滚针轴承连接。孔D的设计也是和孔C相似的。中臂的中间和右半部分都要放置轴承，而且还要连接汽缸，左端部分还要同前臂的右侧连接，所以说，中臂是整个机械手的连接枢纽。中臂的精度和强度直接影响着整个机械手的操作。中臂作为机械手中的一个重要大件。它的主要作用就是承受工件和前臂重量，但是考虑到整体质量的限制，我们必须在保证强度要求的情况下尽量减轻中臂的重量。所以我们可以采用空心结构的中臂，并每隔一段距离设置一个加强筋，保证强度和刚度。承受重量的主要是两侧的实心部分，综合考虑，选用材质为ZL-103。3.3 底座的组成与结构设计底座：底座在机械手中的作用就是支撑整个机械手的重量，需要满足一定的强度，底座的基本形状如下：图3-10 底座上面主要与立柱通过螺栓相连接，下面为燕尾槽形（简单可设计成矩形，但燕尾槽形综合性能更优越）与导轨相连接，导轨也是燕尾槽形，这样能保证安装完毕后，导轨和底座之间的配合公差满足设计要求。 底座在承受整个机械手的重量的同时还要考虑有一定的抗震动性能，综合考虑选用HT200。3.4 立柱的组成与结构设计3.4.1 上立柱的组成与结构设计图3-11上立柱的主、左视图上立柱的结构比较简单，总的来说就是上部分是一个耳片，耳片作用是和中臂相连接，左端也有一个耳片，用来和直动式气缸相连接。耳片的下方设有一个加强筋，用来提高承载能力。底端是圆形片体，上面有4个直径12mm的光孔，通过螺栓连接到下面的摆动汽缸。底端钻有孔，并加工出键槽，通过键和摆动气缸的轴相连接，从而达到传递扭矩的目的。由于旋转气压缸需要承受上立柱的重量，为保证旋转气压缸不受损害，上立柱的制造材料可以选择材质较轻的原料，这里我们选择ZL-103.，通过热处理来增强它的力学性能。3.4.2 下立柱的组成与结构设计图3-12 下立柱的主视图下立柱的结构主要是带有方形地盘的圆柱状空心筒柱，其上端面主要布设四个螺纹孔，和上面的摆动汽缸进行连接，而下端的地盘也布置四个孔，但这里是不是螺纹孔而是铰制孔，与机械手底座通过螺栓连接。下立柱主要和底座连接，与底座一起承受载荷，所以选用HT200 3.5可调支撑的组成与结构设计 为了达到设计要求，我们将一个可调支撑组建安装在中臂和前臂之间，位置如下图圆圈内所示：图3-13 机械手总装图3.5.1可调支撑的结构分析与作用图3-14可调支撑的结构1是可调支撑的左端部件，2为旋转螺母.3为可调支撑右端盖，4为螺杆，7，8，9为螺栓螺母和垫圈。可调支撑的作用：（1）可调支撑主要被用来连接前臂和中臂，发挥支撑定位作用（2）如果需要调节中臂与前臂之间的角度，我们可以通过调节可调支撑长度来实现，从而来确定手爪安装角度。（3）同时可调支撑还增加了机械手的通用性能3.5.2可调支撑的工作原理：螺母2与螺杆4采用螺纹配合，如果需要调节，我们可以将螺栓连接部分松开（图中部件7、8、9），旋转螺母2，迫使螺杆4轴向向左或是向右移动，从而调节我们所需要的长度，调整完毕后再拧紧螺栓。机械手在实际工作环境中的状态不可能是水平的，一定会倾斜一定的角度，所以图中1和2两者会紧密结合，这也使得我们调节起来比较方便。3.5.3可调支撑的选材。零件1和3主要受手爪以及前臂的分力的作用，而前臂和手爪本身重量较轻，我们可以选择ZL-103材质的毛坯，经过适当热处理，使其力学性能达到设计要求。零件2和4之间采用螺纹配合，并且受到轴向的应力作用，所以螺纹的牙的强度要求较高，而且需要有很高的耐磨性，综合考虑，我们选用ZCuZn38Mn2pb2。第四章 计中关键技术和解决方法4.1 遇到的问题：4.1.1 关于摆动汽缸在设计初期，一直不能解决的问题就是关于摆动汽缸的选择问题，根据前面的流程图可以看出，设计的数控机床机械手只是在四个位置轮回旋转（包括送料线，卸料线，和数控机床附近的两个点位）。后来假想：如果将机械手放置在中间（图中圆心），而左右两边圆上两点正好安置送料线和卸料线，并使两者所在位置点相连通过机械手中心位置（圆心），成180度；在90度的位置点处，作为机械手刚开始将工件送进三爪卡盘的位置点，而在95度位置点处，作为机械手准备将工件送进三爪卡盘的位置点处。如下图所示：图4-1 机械手动作流程4.1.2所夹持工件的长度和大小的确定设计出来的机械手就应该有其实用价值，仅仅是理论上空洞的研究，并非目的所在。装夹机械手有通用性，但通用性也是有限度的，并非什么样大小的工件都能夹持，它肯定只能在一定范围内才是装夹机械手所能承受的。设计初期，一直不知道该用什么方法来确定工件长度及其大小。4.2 解决方法4.2.1 摆动汽缸（1）考虑在一般的旋转汽缸中加入接近开关。接近开关：接近开关中含有位移传感器，这是一种能感知位移的电气元件。通过传感器对位移的感知能力来控制开关的断开与闭合。当物体靠近接近开关时，一定距离内位移传感器才会感知，我们把距离叫作“检出距离”。接近开关的型号和规格不同，“检出距离”就不一样。接近开关检测对象的响应能力称为接近开关的“响应频率”。不同的接近开关，“响应频率”也存在很大的差异。 但是接近开关过于复杂，而且不符合简单经济原则，因此不予采纳。（2）选择齿轮齿条旋转汽缸在选择汽缸过程中，后来发现一种类型的齿轮齿条摆动汽缸，它的最大转角为180度，且能以5度的单位来旋转，正好符合我们的要求。4.2.2 所夹持工件长度及大小的确定 解决方法：灵活运用数学中的反证法，待定系数法，综合考虑各种因素，最终求得了工件的长度取值极限。在此长度范围内，工件在装夹过程中就不会与三爪卡盘端面发生干涉。详尽计算过程如下：图4-2 加持示意图为卡盘的中心线，O为旋转气缸的旋转中心，R为该旋转中心到机床卡盘的旋转距离，E为手爪夹持工件的中心点，P为工件端面的中心点，r为工件的半径；EP为工件长度的一半，长度为L；以O为圆心R为半径的圆是E点轨迹，以OP为半径的圆是点P的轨迹，S是旋转中心O与卡盘端面的距离（可调），P1,P2,P3,分别为P点运动的三个不同的位置点，其中P2是工件刚进入装夹的轨迹点。P3为完成装夹时的P的轨迹点，其中O1P3的距离为L,表示装夹深度，R1代表卡盘的最大张合半径。其中有一重要的表达式：L + S = L （1） 其中P处于P2点处，是工件能否与卡盘发生干涉的重要点，倘若此点不发生干涉，则在整个装夹过程中，斗不会发生干涉。应此不发生干涉的条件可以归结如下：S1 + r R1 （2） OP= ,S1=-R=-R （3） 将OP的值带入（3）式有:S1=-R (4) （2）式取等号时，表示装夹不发生干涉的极限位置，此时数据带入（4）式则有:L= (5)(5) 式中有三个变量，L、r.这三个量是我们自己根据工件自己定的，为了探究其中的关系有如下方案：假定的值也就是装夹深度为以固定的值；若要安全装夹的最小深度为（一般为5个毫米以上），卡盘的最大装夹深度为,则必须满足一下条件： 现在约定=25mm，讨论如下：当S1=5mm时，由式（4）得：L = 385.625mm当S1=10mm时，有式（4）得：L = 762.5mm可见，L变化很大，而S1只有很小的变化，如此不妨我们先假设好L的最大取值，然后得出S1的大小，在定出工件的最大半径，然后初定下后，在根据式（5）反求L的长度，看是否满足要求。一般数控机床，加工轴类零件式，他的总长一般在600mm以下（具体情况使各种机床而定），这里暂定600mm，则L=300mm，带入（4）有： S1=3.86.卡盘的最大装夹直径R1=40mm，则：=R1-S1=40-3.86=36.16考虑到各种误差，我们适当缩小半径，取=36mm，将其带入（5）式有：L = =311mm300mmL的最小值的确定因为L的最小值的确定，主要受限于工件的实际的装夹的深度，和手爪的宽度（要防止手爪的侧面和卡盘的断面发生干涉），考虑到次，手抓的宽度定在40mm左右，加上装夹深度，定=20+20=40，所以工件的长度为80mm（其实此时可以适当降低装夹深度，以减少工件的下限值，比如可以取=10,则此时的工件的最小的长度为60mm）。所以综上有工件的的范围为 80mm600mm 注：1， 以上的数据是鉴于手爪的夹持点为工件的中点时得出的工件总长，工件总长为=2L,其实工件的实际长度可适当调整，手爪另一端的伸出长度可以设当放大点和缩小点，即在L的左右波动，只要满足夹紧可靠，不易松动，工件在手爪上应有较好的平衡，所一实际的工件长度应是在以上数据的基础上适当可调的，以上乃理论值。2.因为是固定,所以，当L值一旦定了，则S由式（1）知，也就是确定的。有两种方法来调整S与L法1：当每次装夹的工件长度变化不大时，在能够稳定抓取工件的基础上，可以通过调整手爪的装夹点的位置，以保证L的值大体不变，则就不需要重新调整S的值，法2：当相邻两次变更的工件的长度相差很大，且工件的长度比较大，手爪的装夹点的调整和最大的装夹深度已不能适应长度的变化了，此时可以调整S的值，是S=L-, 已完全适应工件的变化，S的调整，主要是通过调节旋转点的横向位置来实现的，通过底座的轨道来调节。当S发生变化时，将带来一个新的问题：手爪在毛胚区的的位置也将发生改变，造成了手爪不能到达原来的抓取点，为了解决这一问题，可以将毛胚工作台做成横向可调，以适应S的变化。 第五章 结论与展望5.1 结论本论文研究和探索了机械手设计的各种方案及需要解决的主要问题；机械手设计的必须步骤和原理；在设计过程中，不断使用Pro/E,CAXA,CAD三个软件，进一步熟悉和掌握了这几个软件。最后，基本设计出了符合要求的数控机床机械装夹机械手，该机械手的整体结构较为合理，其中不少部件是自己设计的，部分是参照一些书籍将结构做些调整后得出，剩下的一些，如汽缸等，则为标准件。开发设计的数控机床 装夹机械手，是具有很大现实意义的。该机械手如果投入生产，所需成本并不高，而且不算复杂，因此能够解决当前中小型企业所需，是中小型企业的较为理想的选择5.2 展望以后具体要做的工作：继续探讨和研究机械手，并要适当借鉴别人成功的范例，设计出结构更为合理，更经济的机械手；根据不同厂家的不同要求，在设计方法，步骤，基本原理不变的基础上，设计出用户所需的机械手，满足用户个性化的需要；做好机械手的维护工作，并设计能检验机械手是否合格，是否达到工作要求的仪器。致 谢时间过的很快，转眼间为期一个学期的毕业设计就要结束了。经过了一个学