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r175 柴油机 机体 加工 自动 线上

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A n of NC to as to to to is a in a in in to to of In a in NC is is on by An of a of a n a by of on of is to a is to in at of of CC to in a As a in is up of an As in is a or a a is to is is or to in t. C is CP is in an to as n. In is a), is of n. in 996;994). On of as in b, t+ n(996;994). NC In of of of to is on to to a In to NC to in C C is of et (1990) by d et (1993) by to to be of in In 1996), a “ P as an in C be or a 3 as 1996) , 992),996) , as in In AM 001), G /a of of is on an is to In 0 if of is “ by of or In of to in be or As in an of of an a to a of to be to As a of of in in of a In of in is is to to is to et 2002)a D 3D L&C) D L&C a D so C is a a be to In on to to be is no In by AM 996;1990)1992) . et 1997) a a 1995)on et 1999)a NC a 3D to on on of As a in is is To be on of on In a in is on to is no A is As an of a is an in as by s he C a CC is a of C be by is no of to be by To by by It be to be in of of to of of to by In of is by is a of on be be C By be as of be By on of C is In is by a a in by to to in is by as be be by In to of of to , or as of is of no a be by . by 2. C by 3. by on f of at 4. by 979): t =1/8 s)2 ); C ). 5. of a,n=t. 6. on on to 7. ); 8. a,n ,or m m a,n)0; 9. m,i+1 m,i+1 on : Bm,i+1= Bm,i m,i+1=Cm,i Bm,i, Cm,i Bm,i+1 Cm,i+1 i+1m Cm on in i+1 or 10. by be a as . t by to a in of by by of in a to of a of as on he NC is on in in to be s “,be to be on it be to NC 用 改变 加工工具方向的 方 法来减少五轴联动 数控加工中的非线性 误差 摘要 五轴联动数控加工 通过 改变 轴在三维空间位置 和方向 ， 从而改变刀具的位置 ，为加工 工件 表面提供了一种灵活的方法。五轴联动加工 通常 运用直线来连接待加工的连贯 数据点，通过直线插补来生成 从 起点到终点的指令代码，由于加工过程中轴的旋转运动和直线进给运动是同时进行的 ，所以实际的运动轨迹是非线性的。 曲线部分偏离线性插补部分 使 每个加工步骤中存在 着 非线性加工 误差 。除了线性加工 误差 ，非线性加工 误差 同样也会影响到工件加工的高精度。 在 这篇文章 中 介绍了一套新的系统的方法来解决五轴联动数控加工中存在的非线性 误差 问题。这套方法是 在特定加工运动和加工轨迹下， 在不另 增加插补点 ， 通过改变加工工具方向 来实现。 通过处理一系列的工具在加工表面轮廓偏离 加工 路径的 数据表明上述方法能提高加工精度。 关键词 非线性 误差 ；机构运动；加工运动轨迹； 导论 在传统的五轴 联动 加工中，刀具的路径是由 三维空间中 切削工具的位置数据 （ 来决定的 ，而这些位置数据是由轴的方向和工具的位置所组成的。位置数据的生成是依据加工表面和加工工具 以及加工表面 的几何特性 ,而这些位置数据 在特定加工轮廓下 又进一步的处理了成 数控代码，然后 运用直线插补 原理将各个数据点用直线相连 并生成所需的位置指令。在五轴联动加工中， 所有工具轴的方向的确定至少需要一根轴的运动，那么直线运动和旋转运动是同时进行的。如此 ， 改变工具轴的方向产生的 旋转动作和直线动作 的合成运动效应同样会影响到工具的位置， 合成 运动使得切削工具连接点会 沿着非直线运动。所以，每个加工动作 存在的 加工误差 包括 直线部分的近似误差 和 额外的加工误差，在图 1 中，用直线连接二个连贯的 加工 数据点 ，不论加工是凹面还是凸面 （大部分是轴的加工控制点），直线插补沿着直线生成中间位置点。假设设计所需的曲面（凹面或者凸面） 。用直线近似地去逼近所设计的曲面 而 造成线性误差 ， t，除了线性误差，非线性工具连接点的轨迹偏离直线部分（ 加工控制点是沿直线进行插补的，所以工具计量长度是连续的， ）造成额外的加工误差，如非线性误差 n。在图 1需的曲面是凹面，总的误差等于线性误差减去非线性误差 ，即 : n。那么， 非线性误差缩小 了总的误差。相反的在图 1的加工误差是线性误差与非线性误差的和，就扩大了总的 误差，即 t+n (996;994).。 因此，非线性误差严重地阻碍了对 高加工精度的要求，例如，在加工 螺旋桨 表面的边缘就遇到了麻烦 ，加工表面曲率变化很大，工具从一个加工位置到另一个位置方向变化频繁，方向的频繁变化就是一个典型的非线性误差问题。 为了解决五轴联动数控加工中的误差问题，许多研究人员在对生成数控代码 中 出现 的非线性 误差 问题付出了诸多的努力。 一些研究者和 后续工作者采 用“线性处理”来 达到 这一目标，“线性处理”基本的功能就是在总的加工误差超出特定公差范围的数控代码中插入加工数据点 et (1990)插入点沿 空间 直线平均分布 et (1993)用于限制最大加工误差 的插入数据点应在公差范围内，并且数据点和插入点的设置能使工具顺利 地 实现线性方向的改变。在智能自动化后续处理概论中 (1996)，“线性处理”计算相邻数控代码之间 的中间点，然后在数控代码 中 插入额外的中间数据点。插入点在连续的数控代码中 是有效的，除非各连贯的数据点中所有点超出加工公差或插入点多于 63个。当代的后续工作者，如 1996) , 992),996)，在智能自动化后续处理概论 都有类似的“线性处理”。在现在的 件中， 001) 一系列的直线来模拟曲线 。插入点是数量是由最大允许偏离量和自身动作的方法 来 决定的。如果 拱形和直线 的偏离量在循环 20次后仍然超出特定的公差极限，就需要采取新的处理办法。 以上所讨论的“线性处理”通过插入额外的加工数据点能熟练的操作数控代码。尽管生成的数控代码能够满足加工的要求，但是它们 在连续或改变加工方向 中仍存在着大量不平衡的空间数据点 。因此，“线性处理”会带来一下问题： 在加工具有复杂 外部 轮廓的表面时，工具位置从一个 加工 点变化到另一个点时，变化量不宜太小，以避免冲击或随机转动。大量 加工叶轮的螺旋桨的过程中， 常运用“线性处理”来减少非线性误差。在数控代码中插入许多数据点导致工具方向变化剧烈而位置的变化却接近于 0，结果使得旋转运动迅速变化，进给率无限增大，从而损坏工件。 插入的加工数据点在沿着 曲面 加工 时也 会 出现进给 不连续 是 问题。 而插入的额外加工数据点 ， 在加速和减速的动作 会导致空间部分的不平衡，因此，每个 部分的进给率不能达到理想的要求，反而使已加工的表面不平滑，总体加工时间过长。此外，插入的工具方向连续变化使得粗糙度增大。而工具 方向的线性变化却能保证良好的表面质量，但是插入的工具方向不精确也会使工具方向变化不呈线性。 由于存在非线性误差问题，五轴联动加工动作的轨迹线 通常 是曲线，多轴之间同时做旋转和转化动作使得 合 成的轨迹是非线性的，因此，直线插补技术不适用于与曲线和非线性完全重合的路径。 一种解决的方案就是设计新的插补方法。 et 2002)出版的 结合三维直线和圆 的 插补技术 。这种新的三维直线和圆曲线的插补方法能 用 事先设定的偏离曲线路径来远程操控旋转运动，因此非线性误差是能够计算的，五轴联动加工动作是与加工数据点相关的。换而言之，非线性动作的轨迹取决于生成路线中工具的方向误差和非线性误差。因此，另一种解决非线性误差问题的方法是 依据需要生成的工具路径，消除工件与工具之间的干涉，减少加工误差。 在 工具路径生成的问题上， 一揽子生产方法 用于对不同表面要求的技术。 996;1990)和研究者 . 1992) . et 1997) 出版的五轴联动数控加工中的直线和曲线处理原则1995)出版的 基于不同的几何特性和分析几何特性下， 对侧边铣削路径的生成。 et 1999)出版的五轴联动数控加工中工具路径的生成。它运用空间轮廓方法来避免工具位置和方向之间的冲突。他们 研究的都是依据 加工表面和加工工具的几何特性 生成工具路径 ，而不考虑特定的加工运动。因此，生成的工具路径基本上都会阻碍对加工高精度的要求，尤其是在五轴联动加工中方向的生成 上 。因此， 真正的加工路线实际上是不包括 生成的非线 性 路径。为了保证加工精度，加工工具方向的变化不仅 取决 于加工表面的几何特性，还取决于特定的加工运动。 在这篇文章中介绍了一种能系统的解决五轴联动数控加工中 存在的 非线性问题的方法，它能 优化 在特定加工运动和加工运动轨迹 的 工具位置数据，在工具和工件之间没有干涉的 基础上 ，通过改变工具方向的办法来减少非线性误差。 比起现在的智能自动化后续处理的办法，用实例的软件程序来实现上述方法更能提高加工精度。 工具路径生成办法 在实际中，工具 联系点 的 轨迹决定 了 加工中的非线性误差，而这些点的轨迹是旋转加工运动的参数， 而 每个点 的轨迹是由旋 转加工运动变化的极限公差 确 定的，以保证工具和工件之间没有干涉。此外，由于 旋转加工变化参数取决于工具方向的变化，所以，非线性误差问题是由工具决定的。上述办法 是 在旋转加工参数 允许的 范围下引入加工运动轨迹的模型，通过 改变 运动工具 相关的 方向来解决非线性问题。 需要强调的是加工运动特性和加工轨迹都是在特定的条件下。因此， 工具位置数据 点的数据是用一组组的加工参数来转化为改变的方向参数。 以上介绍的方法 从引入特定机械反向类比运动模型 开始， 将 工具位置点数据转化成数控代码 ，在一系列的加工参数中，实际的加工轨迹是由采用的特定的加工运动轨迹模型所决定的 ，所以，加工误差是可以测定的。线性误差是切削表面的局部曲率和 加工距离的函数，从加工 立方 齿形的曲率函数能够确定表面局部 的 曲率，那么，在每个加工动作中产生的线性误差 就 能够通过局部曲率和相邻的 工具 连接点计算出来。我们已 知的线性误差，而非线性允许 误差 的确定是不同于 线性误差的，不能用指定的加工公差 。用加工轨迹模型和线性方程能够确定最大的偏移量。在 工具 连接点非线性曲率和直线间取采样点 ，得到 的 弦的 最大 偏移量就是 最大的非线性误差，如果非线性误差超 出允许范围，前面提到的，可用改变加工方向的参数来实现。 改变参数是在工具原来的水平 下，在控制矢量 上 加大或减少 一个小角度来增加或减少 旋转参数，然后计算新参数所产生的非线性误差，看它是否超出非线性误差范围。 因此 ，在可调范围内 ，反复调整加工中加工旋转参数使非线性误差 达到允许的范围是解决非线性误差和改变非线性误差的一个准则。 最后， 改变旋转加工的参数， 工具方向 要 与前面步骤中转化的加工运动保持一致。为了避免加工工具与工件之间的干涉，所调整的角度不能大于原来旋转角度的一半，并且加工工具方向的变化也不能大于原方向角度的一半。 相比现在的“线性处理”，在不考虑干涉问题的前提下， 在 工具方向中插入额外的数据点将导致线性变化或旋转平均角度的变化。另外，在原先的方法上改变加工 旋转角度产生的误差是角度变化的一半，这样就能使在指定的工具方向范围内保证不会发生干涉。用下列法则能够解决工具位置数据变化的问题。 工具路径变化准则 1. 用特定的反向加工运动模型将原有是工具位置数据转变成相应的数控加工代码 。 2. 引入加工运动轨迹模型确定相应的控制连接点。 3. 在 工具位置数据 基础上用 立方函数计算所需是工具路径和加工路径中加工点的曲率 4. 用 979)的配方法计算出线性误差： t =1/8 s)2 这里， 表示步骤 3得到的曲率， 得到连贯的控制连接点之间的距离。 5. 计算出非线性误差允许的变化值： a,n=公差 - t. 6. 确定点在直线运动和加工轨迹中最大的弦的偏移量； 7. 用步骤 6中的点 计算出最大的非线性误差， 8. 修正旋转角度的变化：如果 a,n，增加或减少非线性误差 a,n)0; 9. 在步骤 8 的旋转角度修正基础上，计算出加工数控代码的 Bm,i+1 和Cm,i+1 Bm,i+1= Bm,i m,i+1=Cm,i 里 Bm,i, Cm,前 旋转修正变量， Bm,i+1 Cm,i+1 是 下步的旋转修正变量， 旋转角度的修正量， +或 是由下步旋转修正变量的增加或减少确定的。 10. 在所给定的加工运动模型，修改数控加工代码以优化工具方向。 计算机辅助制造系统 工具路径的生成是基于加工表面的几何特性 预先处理 工具方向的改变是基于 加工运动和运动轨迹 处理 通过处理方法将工具位置数据点转化成数控加工代码 结论 文章介绍用新的路径生成办法来解决五轴联动数控加工中的误差问题， 这种方法对于工具偏离线性的修改在工具旋转动作允许的变化范围内，减少非线性误差来保证加工公差。比较现在 智能自动化后续处理的 ”线性处理 ”, 这种新的方法引入特定加工运动和加工运动轨迹模型，不插入额外的工具位置点下保证了加工精度。利用软件程序能够将这种方法运用到五轴联动铣削中心，以扩大五轴联动加工中心的加工范围。 南 华 大 学 毕业设计 (论文 )任务 书 学 院： 机械工程学院 题 目： 油机机体加工自动线上 多功能液压机械手设计 起止时间： 2008 年 12 月 29 日至 2009 年 6 月 1 日 学 生 姓 名： 刘 斌 斌 专 业 班 级： 机械 052 班 指 导 老 师： 教研室主任： 院 长： 2008 年 12 月 29 日 设计（论文）内容及要求： 1、查阅相关工业机械手 的 设计资料， 计算和 确定设计柴油机机体 自动生产线上多功能机械手 主要 的 技术参数。 2、进行柴油机机体自动线上用多功能机械手总体方案设计。 3、完成多功能机械手抓取机构和送放机构的 结构设计。 4、完成机械手液压系统设计。 5、根据总体设计方案，绘制出机械手总体外观图一张（三维 计算机图 ）。 6、进行手臂驱动力计算，绘制出机械手手臂或机身机械结构图一张（ 算机图）。 7、进行腕部驱动力计算，绘制出机械手腕部机械结构图一张（ 算机图） ； 8、根据控制系统总体方案，绘制出液压系统图一张（ 算机图） ； 9、绘制出零件图一张（ 工图）； 10、 科技译文（不少于 3000 汉字）。 11、 编写 毕业设计说明书一套（不少于一万字，有英文摘要，全部用计算机打出）。 主要参考资料 ： 1、机械设计手册 化学工业出版社 2、机床设计图册 上海科技出版社 3、工业机器人 华中科技大学出版社 4、机械手及其应用 王承义 编，机械工业出版社 5、液压传动与气压传动 华中科技大学出版社 6、机械原理（第六版） 孙桓主编 高等教育出版社 指导教师： 年 月 日 毕业设计 (论文 ) 题 目 ： 油机机体加工 自动 线 上多功能 液 压机械手 设计 学院名称 ： 机械工程学院 指导教师 ： 颜 竟 成 职 称 ： 教 授 班 级 ： 机械 052 班 学 号 ： 20054410235 学生姓名 ： 刘 斌 斌 2009 年 5 月 29 日 南华大学 本科生毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 油机机体自动加工线 上多功能液压机械手 设计 设计（论文）题目来源 自选课题 设计（论文）题目类型 工程设计类 起止时间 2008 年 12 月 29 日至 2009 年 6 月 1 日 一、 设计（论文）依据及研究意义： 20 世纪以来，工业机械手作为一项 可以代替人类完成复杂 工作的发明，在机械制造、航空航天、医疗、食品生产等领域得到了长足的发展。工业机械手按不同的方法可分为直角坐标 式、圆柱坐标式、坐标式、多球关节坐标式， 可以实现较大空间范围的精确定位。工 业机械手由执行系统、驱动系统和控制系统 等 组成。执行系统又可分为抓取、送放和机身三大部分。而驱动系统由液压传动和机械传动的组成，既能传递较大的力矩和运动，又能极大地提高机械的效率。控制系统对整个系统发出指令，可由自动加工程序、电气控制、液压控制实现精确的点位控制，快速的系统驱动。 对于 油机机体的加工，由于其本身质量较大，加工精度高，因此对于机体的运输和定位存在一定的难度。而自动加工线上采用液压机械手就能很好的解决这些难题。并且工业机械手应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的强劲后市，通过本次的实践应 用了解和熟悉关于工业机械手的一些基本的设计方法，能使我们 能更好地适应 今后 工作要求 。 二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线） 研究内容： 1. 调查分析 油机机体 的加工特点，参考机体加工工艺文件，获得设计所需的初步资料。 2. 完成工业机械手的总体方案和控制系统总体方案设计。 3. 完成液压机械手系统 机械结构设计。 4. 完成液压机械手 液压系统设计。 5. 完成工业机械手的传动系统、传动机构的设计。 6. 对工业机械手进行仿真实验，测试液压传动效率、传动效率等。 预期的目标： 1、 通过本次设计对液压机械手有 一 定的 了解， 清晰 机械手结构 设计全过程，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固所学知识，并有所 进步 ，增强机械创新设计的能力； 2、 根据总体设计方案，绘制出液压机械手的外观图一张（三维计算机图）；进行运动计算和强度计算，绘制出液压机械手的机械结构总装图一张（ 算机图）；进行运动计算和强度计算，绘制出液压机械手的手臂和手抓机械结构图一张（ 算机图）；绘制零件图一张（根据情况由指导教师指定）；根据控制系统总体设计方案，绘制液压控制系统图一张（ 算机图）； 3、 完成相关的仿真实验，获得相关数据，完成实验要求的报告，并绘制出实验表格，得到实验结果。 三、设计（论文）的研究重点及难点： 1、液压机械手抓取机构的设计要求、设计计算（包括抓力的计算、驱动力的计算、定位误差的分析），送放机构的送放运动、自由度及坐标计算，手臂和机身的结构、配置形式、设计要求、手臂驱动力的计算等各种技术参数的确定； 2、 确定机械手总体方案和控制系统总体方案 ； 3、液压机械手送放机构和液压系统 设计； 4、整机各部件 结构以及基本重量和基本 尺寸 ，以保证在设计过程中直接应用； 四、 设计（论文）研 究方法及步骤（进度安排）： 研究方法：调查，对比，参考，设计。 步骤： 集并阅读 油机机体自动加工 液压机械手设计方面的书籍和相应 标准，了解液压机械手的 基本知识， 发展方向 等 ，完成开题报告； 读相关资料，初步定出机械手各部分技术参数，并进行设计计算，校核以及优化设计方案，选择并 切实 可行的方案路线； 据 确定 的 参数 绘制图纸； 编写并 整理设计说明书； 新回顾一下毕业设计的内容，对设计进行全面性的修改，并准备答辩； 单片机控制程序进行加强学习并编写自动生产线上的加工控制程序； 辩。 五、 进行设计（论文）所需条件： 理论知识的准备，包括机械原理、机械设计、机械制图、互换性技术、液压传动、单片机技 术等，并要求各个学科的知识综合运用； 仿真实验室用于机械手的仿真实验 ； 计算机辅助设计（ 来帮助我们绘制三维图 (绘制装配图 ( 设计手册 ,设计图册。 六、 指导教师意见： 签名： 年 月 日 南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 53 页 前 言 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：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。 随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大， 其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉 ”， “视觉 ”等感觉的 “智能机器人 ”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 53 页 第 1 章 液压机械手总体方案设计 械手总体设计方案拟定 机械手是能够模仿人手的部分动作，按照给定的程序，轨迹和要求，实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。能够配合主机完成辅助性的工作， 随着工业技术的发展，机械手能够独立地按照程序，自动重复操作。 根据课题的要求，机械手需具备上料，翻转和转位等功能，并按照自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。设计可 参考 以下多种设计方案： 采用直角坐标式，自动线呈直线布置，机械手在空中行走，按照顺序完成 上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但 需要架空行走，油液站不能固定，使得设计复杂程度增加，运动质量增大。 图 直角坐标式布局示意图 机身采用立柱式，机械手侧面行走，按照顺序完成上料、翻转、转位的功能，自动线仍成直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气，油路定点连接，但是占地面积大，手臂悬伸量较大。 图 柱式 机械手 布局示意图 南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 53 页 机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等 功能。这种方案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工 件等优点。 图 座式 机械手 布局示意图 体方案选定 抓取机构采用夹钳式。，送放机构将被抓取的物体送放到目的地，由手臂、手腕、等装置组成。 整个机构选用空间球体坐标系， 有五个自由度。 采用屈伸式布置。 手腕作抓取运动和回转运动， 手爪采用平面指型结构，通过液压缸通油，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件加紧。 腕部 用销轴将机械手定位在手臂上，并用螺母将其锁死，同时利用铰链连接，一端与液压伸缩缸的活塞杆相连，通过活塞的直线运动，带动腕部使其能够绕着回转销轴转动。 回转运动通过叶片式回转油缸的运动 来 实现。 手臂相对于机身 可 作回转运动 ，能有效地利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件。 手臂采用液压直动缸驱动， 作俯仰运动， 具有体积小、可集中控制、反向运动灵活等优点。 回转工作台用 齿轮传动机构， 用电动机驱动，可以利用挡块定位，且定位误差在 具有结构简单、传递扭矩大、传动效率高等特点。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 53 页 图 压机械手 本设计的液压机械手有五个自由度，包括机械手的抓取、回转，手臂的拉伸、俯仰和回转工作台的回转五个动作。其中将机械手抓取和回转运动的液压传动集成设计，既能使得设计紧凑，又能使液压油路集中控制。便于安装及维护，而且编排和改变控制程序容易，使用方便。 液压机械手主要参数设计： 液压机械手的主要参数可分为基本参数、（用于说明机械手主要性能的参数）、规格参数（标牌上标注的参数）、液压参数（液压系统设计参数）。 基本参数 ： 机械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量， 而该液压机械手是用于油机机体生产自动线上，主要的加工对象是柴油机机体， 根据柴油机的外形参数 250柴油机机体选用的材料是铸铁，密度为 华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 53 页 柴油机机体的壁厚一般为 1525以，可算出机体本身的质量为 12械手应该有一定的安全度，取安全系数为 得机械手的抓重为 15 机械手的自由度标志着机械手所具有的功能大小，自由度越大，机械手动作越灵活，适应性也越强，但是自由度多也带来了结构复杂，制造精度高等问题，一般的专业机械手具有 34 个自由度就能很好的完成专一的任 务。 根据自由度的计算公式 56n ，该设计中有机械手抓取动作的 V 级移动副，腕部和手臂以及工作台的 V 级转动副，所以： 56 6 5 5 5 5n i p 即机械手的自由度为 5。 机械手的运动速度是指机械手在全程范围内的平均速度，它反映机械手的使用频率与生产水平。机械手的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平也就越高；但是速度越高机械手在运动过程中启动和制动时会产生较大的冲击和震动，对于机械手的定位精度影响较大。在一般情况下，机械手的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性要求和定位精度要求而定。 根据柴油机机体生产自动线上的生产节拍 30，手臂工作的回转半径为 1000工过程所需时间为26此，机械手抓取和送放的运动速度为 s。 机械手臂 运动的行程范围与机械手的抓重、坐标形式、驱动方式、运动精度等多方面因素有关，对于通用型和多功能机械手，行程范围和回转范围应尽可能大些，使其适应性能大幅度地增强。机械手的手臂伸缩应与行程范围及工作半径相适应，以保证机械手的刚度，定位精度。 机械手的行程为机械手的最大工作区间，即球体的 面域。 位置精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标，它包括位置设定精度和重复定位精度。我们所说的位置精度是指重复定位精度。 位置精度的高低取决于位置的控制方式及机械书运动部件本身的精度和刚南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 53 页 度，此外，它还与机械手的抓重 及运动速度有关。目前工业机械手大多数都采用点位控制，这种控制只要求运动起点和终点的位置精度，而不管起点到终点的运动过程。因此，可以采用行程开关和电位计定电控元件，进行位置精度的控制。 液压参数 ： 计校核 液压系统参数是根据执行元件和泵的类型进行设计，根据拟定的液压系统图，计算出各个液压控制阀及辅件的压力与流量的系统参数，而液压系统参数的计算必须逐一将各工作阶段形成的参数计算出后，经过分析比对，加权折扣后才能确定系统参数。 选取系统的工作压力为 液压泵的工作压力和流量 ,考虑到进油路的压力损失取1p=106液的泄漏系数取p=取动作和回转动作所需的工作压力为 p = L/合设计的要求。 因此 拟定的液压系统方案中，油压参数定位 南华大学机械工程学院毕业设计 第 7 页 共 53 页 第 2 章 执行机构的设计 取机构的设计 抓取机构的工作原理 工业 机械手的抓取机构又称手部，是用来直接抓取工件或握持工件的部件。 本设计采用的是夹钳式机械手，通过液压缸内活塞的直线运动带动杠杆机构和手爪，紧紧的包络，用包络力和摩擦力对工件施加完全约束，使得工件相对于手爪固定，完成抓取任务。 持力的计算 当机械手水平夹持工件时 图 平夹持物体受力图 根据手指受力分析，可得： 1 ( ) 02()6HN b R b2 ( ) 012()6HN b R b R b 联立可解得： 31()2 N 夹紧工件所需的力； G 工件的重力 ； L ， H 尺寸。 根据任务书的要求，代入 G =15 并取 L =50 H =80 南华大学机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 53 页 可得： 3 5 0 1( )1 5 0 3 5 6 . 2 58 0 2N N 因工件在传输的过程中会产生惯性力，震动等影响，故实际力 12实 机械效率， =取 =K= 取1K= 2 1/K a g12 1 . 5 1 . 5= 3 5 6 . 2 5 8 9 00 . 9 压缸驱动力的 设计计算 图 液压缸驱动手爪受力图 2 l 南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 53 页 因为 ( 1 8 0 ) ( )B C B C B Ch l C O S l C O S l C O S o co 实所以 2 s i n c o s2 s i nc o s ( ) 实由结构设计可得 1 0 , 5 0 , 1 2 0 , o o 36 2 1 3 0 s i n 1 0 c o s 5 0 8 9 0 7 6 33 6 c o s 1 6 0P , 5 0 , 1 2 0 , o o 36 紧液压缸主要尺寸的确定 11 P 驱动力 , 1p 系统工作压力 取 1 N/ m 机械效率取 m =631 . 1 3 2 5 . 9 51 . 6 0 . 9D 按照 标准，取 D=30 d=10液压缸壁厚的确定 根据 2 1 . 3 1 . 6 2 . 0 8 许用应力 选取 30 钢为液压缸材料，可得 =200 数据代入： 2 . 0 8 3 0 0 . 1 52 2 0 0 据工艺的要求 ,取 10 压缸外径及长度的确定： 0 2 5 0D D m m 长度0( 2 0 3 0 ) 60l . 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 53 页 压 活塞 缸的设计 已知： 压缸 D=30 d=10 10 60l 用 30 钢材料 。 选用 45 钢， 活塞直径的 d 计算与 校核： 查机械材料手册可以得到： b=355 s=600 则 355 = 2 5 3 . 61 . 4 1 . 4b 4 4 8 9 0 1 . 82 5 3 . 6 据 2348定的活塞杆： 10D 以： 224 4 8 9 0 1 0 . 510 b活塞杆 的强度 符合 设计 要求 选用 20 钢材料。考虑到密封和紧固，将活塞设计成 如下 图 塞 密封件采用标准件，所以活塞上开槽的尺寸就可以确定了。 活塞的密封采用 Y 型密封圈， Y 型密封圈是一种密封性、稳定性和耐压性较好，摩擦力小、寿命较长的密封圈。它能用于往复运动的密封，特别是动密封处。当受到油压作用时， Y 型密封圈的二唇边就紧紧地贴压到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 11 页 共 53 页 活塞与活塞杆的连接采用 活塞杆的轴肩定位，并用调整垫片调节松紧 程度。利用开槽圆螺母将其锁紧， 圆螺母的选择：由于活塞杆的直径已确定为 10 ，轴肩的高度为 1以 采用 公称直径为 圆螺母 。查标准 6179得： 图 开槽圆螺母 同时， 查 91其相配合使用的是开口销 2材料为 图 口销 南华大学机械工程学院毕业设计 第 12 页 共 53 页 据弹簧 设计 计算公式： 图 簧受力图 根据弹簧的强度条件选择弹簧钢丝的直径： 因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按照第三类弹簧来考虑，现选用弹簧钢丝为 C 级， 并根据2 2 8 2 5 3 估计弹簧的直径为 3 查表可得 1570B 以算得 0 . 8 0 . 5 6 2 8B 取旋绕 比 C=6 则由： 4 1 0 . 6 1 5 4 6 1 0 . 6 1 5 1 . 2 54 4 4 6 4 6C 2 8 0 0 1 . 2 5 6 1 . 6 1 . 6 3 . 9 2628F K 选取 d =4查得B不变，故 不变，取 25D 25 6 4C 计算得 K = 2 8 0 0 1 . 2 6 6 . 2 5 1 . 6 1 . 6 3 . 8 8628F K 与原值相近，所以 取 d =4簧的大径 2 2 5 4 2 9D 1218 0 0 1 8 0 6 7 . 81 7 7 . 5 南华大学机械工程学院毕业设计 第 13 页 共 53 页 取 82000G 33448 2 0 0 0 3 . 2 4 . 68 8 2 5 1 6 . 8 取 n 5 弹簧校核：根据：0 1 1 k 00 38 d 综合上述两式可得：0=以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能 使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量 ，决定采用 130进电机，查得 130进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 31 页 共 53 页 校 核步进电机转距 a、等效转动惯量计算 传动系统折算到电机轴撒谎能够的总的转动惯量 2可以按下试计算： 22 01122( ) ( ) ( ) 2z J J 试中： 步进电机转子转动惯 量 (G 工作台及工件等移动部件的重量（ N）； 1J，2J 齿轮1, 2 初选反应式步进电机 130转子转动惯量为： g 于轴、轴承、齿轮、联轴节等圆柱体的转动惯量计算公式为： 28(对于钢材，材料密度为 537 0 ( / ) ,k g c m 代入上式，有： 430 . 7 8 1 0J D L Kg/中： 圆柱体质量（ D 圆柱体直径（ L 圆柱体长度（ 因此： 31 1 10 . 7 8 1 0J d L = 34( 0 . 7 8 1 0 7 . 2 2 ) 4 . 2 2 2 20 . 7 8 1 0J d L = 34( 0 . 7 8 1 0 9 2 ) 1 0 . 2 3 3 30 . 7 8 1 0J d L = 34( 0 . 7 8 1 0 4 1 3 2 . 5 ) 2 6 . 4 华大学机械工程学院毕业设计 第 32 页 共 53 页 代入式 22 01122( ) ( ) ( ) 2z J J 224 0 4 8 9 2 . 1 6 0 . 64 . 6 5 4 . 2 ( ) ( 1 0 . 2 2 6 . 4 ) ( ) 5 0 9 . 8 23 5 . 2 考虑步进电机与传动系统惯性匹配问题： . 6 5 / 3 5 . 2 0 . 1 3 2基本满足惯性匹配的要求。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 33 页 共 53 页 第 3 章 液压驱动、控制系统的设计 压 驱动回路设计 1. 液压系统回路 分析 本机械手采用液压驱动系统是由一些基本的回路组成，主要有以下回路： 压回路 液压系统的压力必须与负载相适应，以减少动力消耗和减少发热。本机械手采用双联定量泵供油，用溢流阀来调定压力，使系统在恒定的或限制的最高压力下工作。 溢流阀所起到的作用：起安全阀的作用（防止液压系统过载）在系统正常工作的情况下，阀关闭不溢流，系统的压力决定于外载荷。当系统的压力达到阀的调定压力时，阀开启溢流。 此时系统的压力就是阀的调定压力。 图 压回路 速回路 由于俯仰运动采用的是双联同步运动的液压缸，因此要保证液压缸以相同的位移和速度运动。本设计采用分流阀控制同步回路，通过保证进入液压缸的流量相等来实现速度的同步，精度可达 2%5%。 此时，溢流阀的作用是维持系统压力恒定 。在本节流调速回路中，溢流阀在工作南华大学机械工程学院毕业设计 第 34 页 共 53 页 时为常开，通过溢流出多余的 油液而维持系统压力的基本平衡。通过中间缸活塞二边的运动保持两缸的流量基本相等。 图 速回路 压回路 本设计采用复合式泵的保压回路，当系统压力较低时，低压大泵和高压小泵同时供油；当系统压力升高到卸荷阀调定的压力时，大泵卸荷，小泵供油保持溢流阀调定的压力值。由于保压状态下液压缸只需要微量位移，仅用小泵供给，便减少系统发热，减低能耗。 图 压回路 南华大学机械工程学院毕业设计 第 35 页 共 53 页 向回路 采用 O 型机能的三位四通换向阀，滑阀在中间位置时油路全封闭，液压缸锁紧。由于液压缸充满液压油，故能从静止到启动较平稳，且换向冲击小，换向复位精准。 图 位四通换向阀 当 液压伸缩缸带动手爪夹持工件时须停留一段时间，这时活塞杆不需要 移动，但是仍要保持一定的压力。此时可以将三位四通阀处在中间位置，通过中立加压能使整个回路转化为差动电路，不仅能为下步的油缸的运动加速，还能起到密封的功能。三位四通阀能通过电磁控制，因此，能够通过设定的程序来调控电信号的变化，从而通过三位四通电磁阀改变油路的变化。 冲回路 本设计采用蓄能器减少冲击，当液压回路压力升高时，蓄能器吸收能量，减少冲击，实现缓冲。 当液压系统工作时，由于泵的故障或突然断电等原因使得油泵不能正常供油时，为了确保工作安全，蓄能器 可作应急动力源，向回路释放 压力油，使工件不会脱落。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 36 页 共 53 页 图 缓冲回路 制系统方案设计 该设计采用的是机械内在反馈开环控制系统方案。 内在反馈系统内部各参数之间互为因果关系，这对动态性能有非常重要的影响，而且难以控制。此时，系统按照一定的规律联系相关的元素，通过信号的传输和交换。系统表现出处在运动状态下，是由于元素之间有着联系，有信息的传输与交换。因此，在系统中通过反馈校正来改善控制系统的性能。采用校正系统后，除了能收到校正效果外，还能消除系统的不可变部分中为反馈所包围的那部分环节的参数波动对系统的影响。当系统一些参数，特别是压力，随着工作条件的改变而发生大幅度的变化时，系统能够取出适当的反馈信号， 即有条件采用反馈校正，是恰当的。 下图为反 馈校正框图： 图 馈框图 开环系统的优点是系统简单、成本低，但缺点是精度 不高 。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 37 页 共 53 页 压泵及液压原件选择 液压泵选择 在 机械手工作过程中，手爪的伸缩和手臂的回转速度变化范围大，为了节省能量，减少系统发热，选用双联叶片泵供油。其中一个为小流量泵，另一个为大流量泵，两泵可分别向系统提供一定量的压力油，也可以同时向系统供应较大流量的液压油，以满足执行器对速度的要求。两泵可以通过溢流阀调定的压力来控制。选用双联叶片泵，其型号为0，系统的压力为 动机的功率为 液压泵站的油箱容量为 25L。在油箱处还应设置滤油器，滤油器在液压系统中，滤除外部或者系统运转中内部产生的液压油的固体杂质，使液压油保持清洁，延长液压原件的使用寿命，保证液压系统的工作可靠性。该设计中液压系统的压力为 一般液压系统，液压系统中固体颗粒的大小约为 2550 m 选取的普通网式滤油器，装在液压泵的吸油管路上。该滤油器具有结构简单、通油能力大，清洗方便，容易拆换等特点。 液压系统原件的选择 溢流阀： 单向阀： 调速阀： 节流阀： 换向阀： 34 南华大学机械工程学院毕业设计 第 38 页 共 53 页 驱动缸的选定： 驱动缸的内径和活塞杆外径 的计算 由方案设计得驱动缸的内径即为回转缸内直径，设此工作压力 P= 缸筒内径 D= PF 按 取 D=40 由活塞杆直径 d=D=40=18 按 取 d=20 驱动缸外径及行程： 按 =60 由 =650 强度校核： A、壁厚校核： 由于 105/50/ D ,故可视为薄壁， 2 0200 显然 =10壁厚安全。 B、活塞杆的稳定性校核： 活塞杆断面回转半径 k=20/4=5 m=85,由于两端铰链 n=1； 故细长比 l/k=630/7=90,而 85； 故 l