毕业论文-换刀机械手及其控制系统的设计

换刀机械手及其控制系统的设计 2 摘 要 机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、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。本课题主要致力于数控机床上的换刀机械手的控制系统的设计与实现。目前，国内已有的机械手结构复杂，成本较高，大都在大型企业 中应用。 本课题针对数控机床，设计与其配套的换刀机械手，使其既能满足功能要求又具有良好的经济性。在本方案中，通过比较各种控制系统的优缺点，最终选用基于PLC的液压控制系统。机械手的全程动作选用液压传动来进行控制；通过选用普通直动液压缸和旋转液压缸作为动力源，降低选材上的成本；通过调研获取设计的参考数据；通过对机械手进行结构分析，功能分析，经济性分析来综合考虑各种设计因素。 关键词 ： 换刀机械手；控制系统；液压式 换刀机械手及其控制系统的设计 3 Abstract The manipulator can imitate the function of motion of mans hand and arm, it is the automatic operation installment that can capture and carry object or handing tools. It may replace persons heavy labor to achieve the production of mechanization and the automation, it also can operate under the adverse environment protecting the personal safety, thus, it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy. The main issue we focus on is the control system design and implementation of the tool change manipulator for CNC machine. In the current market, manipulators are more complex, have high costs, and mostly used in some large enterprises. The ATC we design for the NC machine can not only meet the functional requirements but also has a good economy. In this program, we have compared the advantages and disadvantages of various control systems, and the final selection is the hydraulic control system based on PLC. The manipulator is used by hydraulic control to achieve all actions, and by the ordinary straight cylinder and the rotating hydraulic cylinder as a power source for reducing the cost of material. Form investigation and research, we get reference data, analysis the design features of the machine identify workflow, integrated with economic precision, to consider comprehensive design factors. Keywords: ATC Manipulator; Control system; Hydraulic 4 目 录 第一章 概述 .1 1.1 引言 . 1 1.1.1 数控技术简介 . 1 1.1.2 数控机床的发展趋势 . 2 1.1.3 数控机床的特点 . 3 1.2 机械手概述 . 4 1.2.1 机械手的简介 . 4 1.2.2 机械手的分类 . 4 1.2.3 机械手的发展 . 5 1.3 本课题所涉及的软件 . 6 1.3.1 CAD 技术的应用 . 6 1.3.2 Pro/E 的应用 . 7 1.4 研究的目的、内容及意义 . 8 1.4.1 研究的目的 . 8 1.4.2 研究的内容 . 8 1.4.3 研究的意义 . 9 第二章 换刀机械手总体方案设计 . 10 2.1 原理设计 . 10 2.1.1 设计思想 . 10 2.1.2 工作流程 . 12 2.2 方案设计 . 13 2.2.1 传动方案设计 . 13 2.2.2 控制设计选择 . 13 第三章 机械系统设计 . 14 换刀机械手及其控制系统的设计 5 3.1 手部结构设计 . 14 3.1.1 设计时应考虑的几个问题 . 14 3.1.2 驱动力的计算 . 15 3.1.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 . 17 3.2 腕部的结构 . 18 3.2.1 腕部的结构形式 . 18 3.2.2 手腕驱动力矩的计算 . 19 3.3 臂部的结构 . 21 3.3.1 概述 . 21 3.3.2 手臂 直线运动机构 . 21 3.3.3 臂部运动驱动力计算 . 25 第四章 换刀机械手控制系统的设计 . 27 4.1 换刀机械手的工作原理 . 27 4.2 可编程控制器的介绍 . 28 4.2.1 可编程控制器的定义与特点 . 28 4.2.2 PLC 的结构 . 28 4.2.3 工作原理 . 29 4.2.4 编程 . 30 4.3 换刀机械手控制方案设计 . 30 4.3.1 机械手的控制形式 . 30 4.3.2 机械手控制系统的比较 . 31 4.3.3 机械手控制系统的设计 . 31 第五章 技术经济分析 . 34 第六章 结论与展望 . 37 6.1 结论 . 37 6.2 展望 . 37 参考文献 . 39 换刀机械手及其控制系统的设计 6 致谢 . 40 声明 . 41 换刀机械手及其控制系统的设计 7 第一章 概述 1.1 引言 1.1.1 数控技术简介 数控技术 ， 简称数控 （ Numerical Control） 。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控 (NC)机床。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。 现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产 技术、计算机集成制造系统等的技术集合。现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。 数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平。它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。 数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作数控机床。在加工中工零件的特点是：被加工零件经过一 次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。加工中心按主轴 在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心 。 1.1.2 数控机床的 发展 趋势 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控 机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构复杂、精度要求高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密换刀机械手及其控制系统的设计 8 复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展 的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代实际技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。 数控机床是由机械设备和数控系统组成的 适用于复杂零件加工的高效自动化机床。这种机床能装若干把刀具，在一次装夹中完成铣 、镗、钻、扩、铰等。 1952 年， 美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床 数控化，数控装置采用真空管电路。 1955 年，第一次进行了数控机床的批量制造。数控铣床是 电子技术、自动控制技术、机械技术的综合运用，使机械加工领域划时代的重大技术突破。数控机床利用编程软件，可方便的将简单工序集中起来，从而大大的提高了零件的加工效率和加工质量。 在加工复杂零件时，往往由于其工序高度集中，必须频繁的更换刀具。这样就大大的延长了加工时间。为了实现自动换刀，最早出现了转塔头立式钻镗铣床。 但是直到 1958 年，美国的一家公司首次把铣钻镗等多种工序集中一台数控铣床中，通过自动换刀装置实现连续加工，成为世界 上第一台加工中心。 数控机床在提高加工质量、提高经济效率、减少成本等方面是很显著的。与传统的机床相比 ，它可以大大的缩短加工所需的时间。世界各发达国家一些大规模的机械制造企业，早已采用高效的自动化生产设备。由于市场竞争激烈，各场家不断的改造自己的产品，以适应市场的需求。目前主要朝着高速化、高精度、智能化、复合化的方向发展。 1.1.3 数控机床的特点 1.加工精度高 数控机床的脉冲当量小，位置分辨率高 ;数控系统具备误差自动补偿功能 ;数控机床的传动系统与机床结构设计，都具有比普通机床更高的刚度和稳定性，部件的制 造、装配精度均比较高，提高了机床本身的精度与稳定性 ;数控机床采用了自动加工方式，避免了加工过程中的人为干扰 。 换刀机械手及其控制系统的设计 9 2.机床的柔性高 改变加工零件只需要新编制（更换）程序，就能实现对不同零件的加工 3.自动化程度高，劳动强度低 数控机床对零件的加工是根据事先编好的程序自动完成的。在正常加工过程中，操作者只要进行极为简单的操作，即可完成零件的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，操作者的劳动强度可大为减少。此外，数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，使操作者的劳动条件也得到了很大改善。 4.生产率高 在数控机床上，由于主轴的转速和进给量都可以任意选择，由于数控机床的结构刚性好，一般都允许进行较大切削用量的强力切削，提高了数控机床的切削效率，节省了实际加工时间 ;数控机床的移动部件的空行程运动速度大大高于普通机床， ;数控机床更换被加工零件时一般都不需要重新调整 ;数控机床加工零件的尺寸一致性好，质量稳定，一般只需要做首件检验 ; 数控机床可以实现精确、快速定位，节省了 “ 划线 ” 时间。 5.经济效益 虽然设备价格较高，分摊到每个零件的加工费用较普通机床高，但使用数控机床加工，可以通过上述优点体 现出整体效益。特别是数控机床的加工精度稳定，减少了废品，降低了生产成本；此外，数控机床还可一机多用，节省厂房面积和投资。 6.现代化管理 机床加工，能准确地计算零件加工工时和费用，简化了检验工、夹具，减少了半成品的管理环节，有利于生产管理的现代化。 1.2 机械手概述 1.2.1 机械手的简介 在工业生产和其它应用领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温，腐蚀，有毒气体以及人的有限体能等种种劣势的限制，工作效率很低。自从机械手问世以来，相应的各种难题应刃而解。机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而 且不受体能的限制，非常方便。 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，换刀机械手及其控制系统的设计 10 实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；而可编程控制器（ PLC）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便等众多优点，在工业控制中有着广泛的应用。 1.2.2 机械手的分类 1.按驱动方式分类 按驱动方式的动力源，机械手可分为： a.液压式。其驱动系统是由液动机、伺服阀、油泵、油箱等组成。通常它具有很大的抓举能力，其特点是结构紧凑，动作平稳，耐冲击，耐震 动，防爆好，但液压组件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。 b.气动式。其驱动系统是由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是电源方便，动作迅速，结构简单，造价较低，维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。 c.电动式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机以及交流伺服电机。由于电机速度高，通常必须采用减速机构。 2.按用途分类 机械手可分为专 用机械手和通用机械手两种 。 a.专用机械手。它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。 b.通用机械手。它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在允许的性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用。其显著特点就是驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小 批量自动化的生产。 1.2.3 机械手的发展 近 20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，换刀机械手及其控制系统的设计 11 控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。 从各国的 行业统计资料来看，近 30多年来，气动行业发展很快。 20世纪 70年代，液压与气动元件的产值比约为 9:1，而 30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到 6:4，甚至接近 5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从 20世纪 80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达 20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、 PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一 10。 在机械加工中，大部分零件都要进行多种工序加工。在一般 的数控机床的整个加工过程中，真正用于切削的时间只占整个工作时间的 30%左右，其余大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。为充分发挥数控机床的作用，数控机床配有自动换刀装置。 自动换刀装置的形式是多种多样的，其主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置等。虽然换刀过程、 选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程控制器控制下，由电机、液压或气动机构来驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。 自动换刀装 置 应满足换刀时间短，刀具重复定位精度高，识刀、选刀可靠，换刀动 作简单可靠，体积小，便于安装与维修等要求。 我国制造加工技术起步较晚，对 ATC 的研究也较少。 进入 90 年代以来，北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一有限公司、北京密云所、大河机床厂、青海机床厂等都对自动换刀装置进行了研究，目前已经取得了很大的成就 。例如济南第一机床有限公司对立卧两用换刀机械手进行了全液压式的开发与研究。 1.3 本课题所涉及的软件 1.3.1 CAD 技术的应用 在现代的设计过程中， CAD(计算机辅助设计 )技术已经完全渗透进来了，它给换刀机械手及其控制系统的设计 12 人们的设计工作带来了极大的方便，人们不在想过去一样，用 图板和铅笔进行效率很低的设计工作。有了 CAD 技术，不论是对设计工作还是对以后的制造技术，都是一个非常大的优化。因而其也被视为 20 世纪最杰出的成就之一，它的应用和发展引起了社会和生产的巨人变革。在本课题中，对 CAD 的应用也很突出。 画形，然后老老实实地填色，填色还得讲究技巧，通常情况会花去数小时时间，但如果在计算机上用平面设计软件如 CoreDRAW 或者 AUTO CAD 完成这项工作，一般熟练程度，几分钟便可，而且效果更好。此外，如果需要哪怕一点儿修改，手工就可能要全部重来，而用计算机则不过是几分钟甚至几秒钟的工 夫。这只是一个极小的例子。这种优越性在我们需要完成大工作量时会体现得尤为突出。而且，在做机械手设计的过程中，有些尺寸在理论上是需要非常精准的，某个稍有误差，则会影响到整个机械手的设计，但在我们设计中用到 CAD，就避免了上述问题。 在现代工业设计中，因为有了二维设计软件，我们不仅可以快速地 “ 画 ” 出效果图，还能逼真地模拟出产品的实际效果 (包括表面质感和光影等 )和准确的透视，从不同的角度展示产品的各个方向和结构部件的效果，因而有时可以省掉做手工模型这一低效率的环节，大大缩短了产品开发的周期。 本课题也是对 CAD 的 一次很好的应用，正是 CAD 的使用，让我们在整个设计过程中受益匪浅。设计中出现的错误，我们可以通过 CAD 技术进行快速的修正，其二维的图形给人的视觉效果也很好，很直观形象，同时缩短了设计的周期。 计算机对设计起着非常重要的辅助作用，具体主要体现在以下儿个方面： 计算机作图速度快； 修改方便 (这是传统手工设计所无法比拟的 )； 在很多时候能得到比纯手工设计更好的效果，更高的精度。以设计制作一个标志为例，在以前，就算脑子里己经有了很成熟的构思，要把它表达出来我们先得一笔一笔地 1.3.2 Pro/E 的应用 Pro ENGINEER 自 1988 年问世以来，目前已成为世界范围内广泛应用的 3D CAD CAM 系统之一。现已广泛应用于电子、通讯、 机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各行业。 Pro E可谓是个全方位的 3D 产品开发软件，整合了零件设计、产品组、模具开发、 NC 加工、钣金设计、 铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机械设计、动态仿真、应力分析、产品 数据库管理、协同设计开发等功能于一体，其模块众多，功能强大。 模型机械手采用 Pro/E 软件进行设计，在原机械手的基础上按照一定比例缩换刀机械手及其控制系统的设计 13 小。在设计过程 中采用了自上而下的设计方法，根据机械各关节运动的分析，得出目标机械手的概念，并设计和绘制装配草图（骨架 skeleton），然后对各零部件进行详细设计（建模 Part），再完成具体装配设计（装配 Assembly），最后再做运动分析检验（机构 Mechanism）。在这个过程中装配图和零件图是相互关联的。由粗略到反复细化和充实的过程不产生矛盾。使用 自顶而下 （ TOP-DOWN）的设计。符合了装配图和相关零件图的一致性设计，大大优化了设计过程。 在 Pro/E环境中，不仅能在实体制造前完成虚拟装配，避免安装尺寸错误， 避免干涉，而且还能在加工制造的同步通过运动仿真分析其机械手的动作，回归分析功能得到所需部件速度、时间、位置等关系曲线，通过轨迹功能完成机械手的轨迹规划。对后续的上位机调试机械手具体动作给出各种参考物理量和轨迹曲线。给后续具体动作的控制代码的编辑带来了方便，减少了实际的测试调试时间，提高机械手的动作效率和精度。 本课题中虽然没有对其机械手成品进行专门的三维建模，但是在实际的设计中，为解决一些空间结构问题而对部分零件进行了建模，以辅助我们的设计工作，让设计出来的零部件结构更为合理。所以虽然我们并没有最终进行成品 建模，但它是我们设计过程中一个不可或缺的工具 。为我们能够及时的发现问题提供了很好的保障。 1.4 研究的目的、内容及意义 1.4.1 研究的 目的 随着我国工业自动化水平的不断提高，在机械加工与制造领域，以及各种装配与包装自动化生产线上，机械手的应用已相当普遍。机械手通常担负着上料、下料，搬动或装卸零件的重复动作等，以实现生产自动化。由于 PLC 顺序控制具有系统简单、可靠、控制灵活方便等特点，而且 PLC 从诞生之日起，最基本，最普遍的应用领域就是在工业环境下的顺序控制，因此，基于 PLC 顺序控制的机械手在工业自动化领 域中得到广泛的应用。 本课题中所研究的机械手是指工业机械手，它是一种能模仿人手动作，按给定的程序或要求实现自动地完成对象传送或操作作业，并具有可改变的和反复编程的自动机械装置。此外，机械手还是一种能够在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。机械手的诞生和应用是换刀机械手及其控制系统的设计 14 生产和社会发展的需要，同时又是在现代化生产和科学技术发展的基础上出现的新一代机器人。可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产 ;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，使 用机械手更具有显着的优越性。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。它已成为实现生产过程自动化，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，促进柔性化生产过程的实现不可缺少的自动化设备，因此，它对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 1.4.2 研究的内容 前期 准备工作： 1.查阅资料； 2.熟悉 CAD Pro/E CAXA 等软件，为后期画图作好准备； 3.学习 PLC 可编程控 制器的编程等，为控制设计作好准备。 主要研究内容： 1.综合考虑各种因素，通过比较确定机械手的最佳控制方案； 2.对机械手进行结构分析，全方位考虑结构安排的合理性，可靠性，稳定性； 3.确定机械手的最佳安放位置； 1.4.3 研究的意义 首先，机械手可代替人类来进行工作，一方面在很大程度上减轻了人们的体力劳动，让我们可以把所节省下来的时间用到其他的工作方面，来创造更大的价值。另一方面，由于是机器作业，故而可以在比较恶劣的条件下进行工作，而人们由于自身的条件所限，在某些环境下不易工作，甚至不能工作。在高温、高 空和空气质量比较差甚至有毒的环境下，就应该减少人直接参与进行工作。而机械手这时就可以大显神通，由于是机器作业，更能适应很多复杂而又危险的环境。 其次，我们这次课题主要是针对数控机床，设计与其配套的小型换刀机械手，我们知道，在机械加工中真正用于切削的时间只占整个工作时间的 30%左右，其余大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上。而采用自动换刀装置可以缩短由于换刀及调整刀具所花费的辅助时间，这样可以 提高生产率，降低生产成本。 换刀机械手及其控制系统的设计 15 再者，我国的工业起步比较晚，机械手行业更是如此，与美国 ，日本，德国等发达国家相比，还有想当大的差距，通过本课题的研究，可以更近一步的认识这种差距，也更熟悉这一方面的发展情况，对于后续的设计与发展也是一次很好的铺垫。 换刀机械手及其控制系统的设计 16 第二章 换刀机械手总体方案设计 本章主要 主要针对换刀机械手的总体设计方案进行论证，分别从原理设计、方案设计、手部结构设计、腕部的结构设计及臂部的结构设计进行了设计，并且对其中出现的细节部分进行了比较细致的设计，这一章的设计是本次课题设计的关键也是后面的控制系统的设计的前提。 2.1 原理设计 2.1.1 设计思想 1.机械手的设计主要 涉及三个方面：执行机构，驱动机构，控制系统。 我们主要设计的是控制系统。但控制的设计与实现必须以 搞清其执行与驱动机构为基础，所以我们将简要的对执行与驱动机构 予以介绍。 2.对于驱动机构，主要有四种：液压驱动，气压驱动 ,电气驱动与机械驱动。 我们选择的是液压驱动，这是在综合考虑了各种驱动方式的优缺点后得出来的。 液压驱动的优点： （ 1）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 （ 2）体积小、运动惯性小、反应速度快。 （ 3）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000： 1）。 （ 4）可自动 实现过载保护。 （ 5）很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 （ 6）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。 （ 7）响应速度和传递精度高。 这些优点，正是我们选择液压驱动的原因，也是中小型企业所看重的理由。尽管液压驱动不可避免的存在泄露，沿程压力损失的缺点。但对于数控机床的换刀机械手，只要将误差控制在允许的范围内，那么这些缺陷所带来的影响是不会影响其基本的工作性能的。 3.关于控制系统，这是研究的重点，我们采用 PLC 控制，具体 控制设计将在第四 章进行详细介绍。 换刀机械手及其控制系统的设计 17 2.1.2 工作流程 A B C D图2- 1 换刀流程图（主视图）O图 2-2 换刀流程图（主视图） 注：图 2-2 中 A 为刀库区， D 为刀架， O 是旋转中心 。（此轨迹线为机械手运动的轨迹。） （ 1）在 D 处取回旧刀，此时与刀架在同一水平线上，处于最低位置。 （ 2）抓刀缸缩回，手抓此时位于位置 C。 （ 3）装刀缸缩回。（避免旋转时与机床发生干涉） （ 4）旋转缸动作， 手抓移至 B 位置。 （ 5） 升降缸动作，弥补刀架与刀库的高度差。 （ 6）装刀缸伸长。（使手抓与刀库中心线平 齐） （ 7）抓刀缸伸长，处于 A 位置，将旧刀具放入刀库。 （ 8） 抓刀缸缩回。（便于刀库旋转，以换取新的刀具） （ 9）抓刀缸伸长，处于 A 位置，从刀库中取出新的刀具。 （ 10）抓刀缸缩回，手抓此时位于位置 B。 （ 11）装刀缸缩回。（避免旋转时与刀库发生干涉） （ 12）旋转缸动作，手抓移至 C 位置。 （ 13）升降缸动作，弥补刀架与刀库的高度差。 （ 14）装刀缸伸长。（使手抓与刀架处于同一水平线） （ 15）抓刀缸伸长，处于 D 位置，将新刀具放入刀架上 （ 16）机械手回到初始位置。（完成一个换刀循环） 换刀机械手及其控制系统的设计 18 2.2 方案设计 2.2.1 传动方案设计 本机械手传动方案一律采用液压传动。动力源其实还有很多，比如气压，电马达驱动，之所以选择液压传动，因为此小型机械手中手爪的夹紧力和驱动力都不是很大，但精度要求较高，液压传动完全可以满足性能要求，再加上液压传动有以下优点： （ 1）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 （ 2）体积小、运动惯性小、反应速度快。 （ 3）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000： 1）。 （ 4）可自动实现过载保护。 （ 5）很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 （ 6）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。 （ 7）响应速度和传递精度高。 所以我们选择液压传动。 2.2.2 控制设计选择 数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时 ,数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床） ,其特点是 ,机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动 ,即准确控制移动部件的终点位置 ,但并不考虑其运动轨迹 ,在移动过程中刀具不切削工件。 实现数控系统点位控制的通 常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置 ,这种装置功能十分完善 ,但其价格却很昂贵 ,而且许多功能对点位控制来说是多余的 ;二是采用单板机或单片机控制 ,这种方法除了要进行软件开发外 ,还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路 ,特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。 （ 1）点位控制型机械手的运动轨迹是空间两个点之间的连接。控制点数越多，性能越好。它基本能满足各种要求，结构简单。 点位控制系统质控制刀具对工件的定位，有某一定点向下定位运动时不进行切削，对运动路径没有严格要求。直线切削控制系统控制刀具沿坐标轴方向运动，并对工件 进行切削加工。在加工过程中，换刀机械手及其控制系统的设计 19 不但要控制切削进给的速度，还要控制运动按规定点路径到达终点，所以直线切削控制系统又称点位 /直线切削控制系统。 （ 2）连续轨迹控制型机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间里做很复杂的动作，工作性能完善，但控制部分较复杂。 轮廊控制系统又称连续切削控制。具有这种控制能力的数控机床用来加工各种外形复杂的零件。一个连续切削控制的数控系统除了是工作台准确定位外，还必须控制刀具对工件以给定速度沿着制定路径运动，切削零件轮廊，并保证切削工程中每一点的精度和要求的表面粗糙度。 对于设 计的用于数控机床上的换刀机械手来说，由于机械手只在刀具 库，数控机床上的 刀架等几个固定位置轮回旋转，因此，选择设计点位控制型机械手。 换刀机械手及其控制系统的设计 20 第 三 章 机械 系统 设计 3.1 手部结构 设计 3.1.1 设计时应考虑的几个问题 应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带 V 形面的手指，以便自动定心。 应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所 产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 3.1.2 驱动力的计算 换刀机械手及其控制系统的设计 21 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图 2-3 滑槽杠杆式手部受力分析 如图 2-3 所示为滑槽式手部结构。在拉杆 3 作用下销轴 2 向上 的拉力为 P，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 P1、 P2，其力的方向垂直于滑槽中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点， P1 和 P2 的延长线交 O1O2 于 A 及 B，由于 O1OA 和 O2OA 均为直角三角形，故 AOC= BOC= 。根据销轴的力平衡条件，即 Fx=0,P1=P2; Fy=0 P=2P1cos P1=P/2cos 销轴对手指的作用力为 p1 。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力 的大小相等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡条件，即 m01(F)=0 得 P1 h=Nb 因 h=a/cos 换刀机械手及其控制系统的设计 22 所以 P=2b(cos )2 N/a 式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力 P 一定时， 角增大则握力 N 也随之增加，但 角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及 手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取 =30 40 。这里取角 =30 度。 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基础中表 2-1 可知， V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式 N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 P 实际应按以下公式计算，即： P 实际 =PK1K2/ 式中 手部的机械效率，一般取 0.850.95； K1 安全系数，一般取 1.22 K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响， K2 可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度， g 为重力加速度。 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米 /秒，移动加速度为 1000 毫米 /秒 2 ，工件重量 G 为 98 牛顿， V 型钳口的夹角为 120 , =30时，拉紧油缸的驱动力 P 和 P 实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计 算公式 N=0.5G 把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（ N） 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cos )2 N/a 得 P=P 计算 =2*45/27(cos30 )2 *49=122.5(N) P 实际 =P 计算 K1K2/ 取 =0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810 1.1 则 P 实际 =122.5*1.5*1.1/0.85=238(N) 换刀机械手及其控制系统的设计 23 3.1.3 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 图 2-4 带浮动钳口的钳爪 钳口与钳爪的连接点 E 为铰链联结 ,如图示几何关系 ,若设钳