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数控 卧式 铣床 机械手 设计

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数控卧式镗铣床换刀机械手 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度， 机械手 作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。 机械手 的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前， 机械手 主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的 机械手 ，主要的功用就是自动换刀 。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台 ；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词： 机械手 ，示教编程，伺服，制动 数控卧式镗铣床换刀机械手 n on of in to As an of of of to of , of in In an is a of of of On I of AQ of be on of to of of in to 控卧式镗铣床换刀机械手 第 1章 引 言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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力大的特点，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。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它 可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是数控卧式镗铣床换刀机械手 需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ ，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起 来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ,专门生产工业机械手。 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种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。联邦德国机械制造业是从 1970年开始应用机械手，主要用于起 重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国 用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977年底，其中一半是国产，一半是进数控卧式镗铣床换刀机械手 口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反 馈，是机械手具有感觉机能。 第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 2、 应用简况 现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改 变。 机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。 采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。 3、 发展趋势 目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需 要。 在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳数控卧式镗铣床换刀机械手 动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。 此外还应大 力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 视觉功能即在机械手上 安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。 更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相 结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图： 数控卧式镗铣床换刀机械手 1、执行机构 ( 如图 ) 图 1） 手部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。 本课所指的机械手仅需开闭手指。 机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和 大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。 本课所做的机械手采用二指形状。 （ 2） 手臂 手臂有无关节和有关节手臂之分 本课所做的机械手的手臂采用无关节臂 手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。 数控卧式镗铣床换刀机械手 本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。 总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马 达、直流伺服马达和步进马达等。 躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 2、 驱动机构 驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4大气压，个别的达到 8的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电 机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。 本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。 数控卧式镗铣床换刀机械手 3、 控制系统 机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。 控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它 首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 应用机械手的意义 随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以 改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床 的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 械手的现状 数控卧式镗铣床换刀机械手 到目前为止，世界各国对“ 机械手 ”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“ 机械手 ”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序）、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外称作“ 机械手 ”、“机械手”、 “操作机”的这三种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分，就它们的技术特征来看，其大致区别如下。 “ 机械手 ”（ 多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作 机械手 或通用机械手）。 “机械手”（ 多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。 “操作机”（ 一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。 机械手 （ 简称 1960 年由美国金属市场报首先使用的，但这个概念是由美国 1954 年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的 机械手 ，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利， 美国 作，于 1959 年研制成功采用数字控制程序 自动化装置的原型机。 随后，美国的 司和美国的机械铸造 (司于 1962 年分别制造了实用的一号机，并分别取名为 器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而 器人采用圆柱坐标结构。 上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到了良好的效果。 美国的 机械手 技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （ 1） 19631967 年为实验定型阶段。 19631967 年，万能自动公司制造的 机械手供用户做工艺实验。 1967 年，该公司生产的 机械手 定型为 1900 台。 数控卧式镗铣床换刀机械手 （ 2） 19681970 年为实验应用阶段。这一时期， 机械手 在美国进入应用阶段。例如美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台 机械手 ； 1969 年又自行研制出 机械手 ，并用 21 台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。 （ 3） 1970 年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。 19701972 年， 机械手 处于技术发展阶段。 1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国 机械手 会议。据当时统计，美国 已采用了大约 200 台 机械手 ，工作时间共达 60 万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如森德斯兰德公司（ 明了用小型计算机控制50 台 机械手 的系统。 在欧洲第一台 机械手 是 1963 年瑞典 司发表的第一台操作机。 日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的 机械手 ，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前 机械手 在日本已得到迅速发展并很快得到普及。 我国虽然开始研 制 机械手 仅比日本晚 56 年，但由于种种原因， 机械手 的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在 1958 年新疆维吾尔自治区成立 30 年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人阿依古丽。在 1986 年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人西电 I 号，也于 1985 年 9 月在陕西省科技贸易大会上进行 了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。 近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。 数控卧式镗铣床换刀机械手 业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动 化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下 一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。 造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的 4号和 5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。 加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位 机械手 。 实现单机自动化方面 各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的 齿机械手，青海第二机床厂的滚数控卧式镗铣床换刀机械手 铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械 手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t 环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的 1200 、锻、焊热处理等热加工方面 模锻方面，国内大批量生产的 3t、 5t、 10t 模锻锤，其所配的转底炉， 用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。 械手的组成 工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 。 行机构 （ 1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆 式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 （ 2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要数控卧式镗铣床换刀机械手 求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700） ,并且要求严格密封，否则就难保证 稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 （ 3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和 工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 （ 4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 ,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有 采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 题工作要求 数控卧式镗铣床换刀机械手 途 在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床（简称主机）实现所有加工工序的自动装、卸刀。 格参数 抓重： 20 公斤 自由度数： 4 个 坐标形式： 圆柱坐标 手架运动参数： 拔、插刀行程（即滑座伸缩 z）： 155 毫米（最大 180 毫米） 升降行程（即找刀排 y）： 3 420 毫米（刀排间垂直方向距离为 420 毫米，共四排） 回转角度（）： 180 装 卸刀手手臂伸缩行程 (x)： 195 毫米 手指夹持刀柄的直径： 100 毫米 位置检测与定位方式： 滑座伸缩、手架会装和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测， 有挡块（或活塞与端盖）定位。手架升降运动采用无触电行程开关进行位置检测， 并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。 缓冲方式： 滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采 用转换不 同尺寸的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程 开关发信，切断油路缓速缓冲。 驱动方式： 液压 控制方式： 数字控制 数控卧式镗铣床换刀机械手 第 2章 机械手 的结构的设计 部机构 部设计基本要求 （ 1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。 （ 2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度） ，以便于抓取工件。 （ 3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （ 4） 应保证手抓的夹持精度。 型的手部结构 （ 1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （ 2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （ 3）平面平移型。 抓的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图为常见的滑槽杠杆式手部结构。 数控卧式镗铣床换刀机械手 (a) (b) 图滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1 手指 2 销轴 3 杠杆 在杠杆 3的作用下，销轴 2向上的拉力为 F，并通过销轴中心 手指 1的滑槽对销轴的反作用力为 2， 其力的方向垂直于滑槽的中心线 1 2指向 o 点，交 1F 和 2F 的延长线于 。 由 =0 得 12FF=0 得 1 2 11由 01M F =0 得 1 h 数控卧式镗铣床换刀机械手 F= 2a （ 式中 a 手指的回转支点到对称中心的距离（ . 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。 由分析可知，当驱动力 F 一定时， 角 增大，则握力 随之增大，但 角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 030 040 。 紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和 作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 1 2 3 K K G式中 1K 安全系数，通常 2k 工作情况系数，主要 考虑惯性力的影响。可近似按下式估2 1 bK a其中a，重力方向的最大上升加速度；t响 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取 K 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G 被抓取工件所受重力（ N）。 液压缸的工作压力 作用在活塞上外力 F（ N） 液压缸工作压力 用在活塞上外力 F（ N） 液压缸工作压力 于 5000 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5000 10000 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 数控卧式镗铣床换刀机械手 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 50000以上 计算：设 a=100mm,b=50010 040 ;机械手达到最高响应时间为 夹紧力 和 驱动液压缸的尺寸。 (1) 设1 2 1 bK a= 根据公式，将已知条件带入： 1 . 0 2 0 . 5 5 8 8 4 4 9 . 8 （ 2）根据驱动力公式得： 202 1 0 0 c o s 3 0 4 4 9 . 850F 计 算=1378N （ 3）取 1378 16210 . 8 5 计 算实 际 （ 4）确定液压缸的直径 D 224F D d p实 际选取活塞杆直径 d=择液压缸压力油工作压力 P= 524 4 1 6 2 1 0 . 5 8 70 . 8 1 0 0 . 7 51 0 . 5 实 际根据表 选取液压缸内径为： D=63活塞杆内径为 : D=63 取 d=32机械手手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件定位准确 ,抓取精度高 ,重复定位精度和运动稳定性好 ,并有足够的抓取能 12力 。 数控卧式镗铣床换刀机械手 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定） ，而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为 8080 一般夹持误差不超过 1析如下： 工件的平均半径： 90 40265 手指长 100l ,取 2 120 偏转角 按最佳偏转角确定： 1 1 0060c o s c o s 4 6s i n 1 0 0 s i n 6 0 计算 0 s i n c o s 1 0 0 00 0 co s 4 6 0R M 2 22 2 2m a x m i n2 c o s 2 c o s 0 . 6 7 82 s i n s i n s i n s i X M A R Rl l l l 夹持误差满足设计要求。 选择弹簧是压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图 示，计算 13过 程 如下。 (1)取许用切应力 800 (2)=8，则 4 1 0 . 6 1 54 4 6 数控卧式镗铣床换刀机械手 4 1 0 . 6 1 54 4 6 4 8 1 0 . 6 1 5 1 . 1 8 34 8 4 6 (3)=42算弹簧丝直径 42 5 . 2 58Dd m (4) 1 A 1 A 61 6 2 1 1 . 1 8 3 81 . 6 78 0 0 1 0 (5). 根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： 38 M A C 38 M A C 6 38 0 0 0 0 1 0 0 . 0 0 7 2 . 8 68 1 6 2 1 8 选择标准为 3n ，弹簧的总圈数1 1 . 5 3 1 . 5 4 . 5 圈 (6). 最后确定 42D ， 7d ， 1 4 2 7 3 5D D d m m ，2 4 2 7 5 2D D d m m (7)对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比0 74 1 . 7 612 ，本设计弹簧是 2端自由，根据下列选取： 当两端固定时， ,当一端固定；一端自由时， ；当两端自由转动时， 。结论本设计弹簧 ，因此弹簧稳定性合适。 (8) 对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数 310N ，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。 数控卧式镗铣床换刀机械手 现在由于本设计 是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式： m a 取 学性精确能高） m 8 d m 8 d 38 1 . 1 8 4 0 . 0 4 2 1 6 2 1 5 9 8 7 5 6 4 7 93 . 1 4 0 . 0 0 7 6m a 0 1 0 1 . 3 3 6 1598756479ca 结论：经过校核，弹簧适应。 系统组成 本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。 总体技术方案 毕业设计 的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。 “机”即是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杆传动是带动滚珠沿 螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点： 1） 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达 85%为滑动丝杠副的 3 2） 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动数控卧式镗铣床换刀机械手 时无冲击，低速时无爬行。 3） 能源预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。 4） 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的 4 . 5） 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。 6） 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。 7） 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 8） 不自锁 用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。 9） 经济性差，成本高 由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以 经过计算，选择如下： 电动机型号： 率： 杠型号： 7 工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。 设计 部设计的基本要求 （ 1） 力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结数控卧式镗铣床换刀机械手 构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （ 2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 （ 3） 必须考虑工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒