2-1b 毕业设计说明书(论文)1.doc

本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 1 页 共 55 页 1 1 绪论绪论 数控和工业机器人技术是制造工业现代化的重要基础 这个基础是否牢固直接 影响到一个国家的经济发展和综合国力 关系到一个国家的战略地位 因此 世界 上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业 数控机床的出现 提高了更新频繁的小批量零件和形状复杂的零件加工的生产 率及加工精度 特别是计算方法和计算机技术的迅速发展 大大推进了机械加工工 艺的进步 使工艺过程的自动化达到了一个新的阶段 目前 数控机床的工艺功能 已由加工循环控制 加工中心 发展到适应控制 加工循环控制虽可以实现每个加 工工序的自动化 但不同的工序中刀具的更换及工件的重新装夹 仍须人工来完成 加工中心是一种高度自动化的多工序机床 能自动完成刀具的更换 工件的转位和 定位 主轴和进给量的变换等 使工件在机床上只安装一次就能完成全部加工 因 此 他可以显著缩短辅助时间 提高生产率 改善劳动条件 适应控制数控机床是 一种具有 随机应变 功能的机床 他能在加工中 根据切削条件的变化 自动调 整切削条件 是机床保持最佳状态下进行加工 因而有效提高加工效率 扩大品种 更好的保证了加工质量 并达到最大的经济效率 近年发展起来的以计算机为行动中心 完成加工 装卸 运输 管理的柔性制 造系统 具有监视 诊断 修复 自动转位加工产品的功能 使多品种 中小批量 生产实现了加工自动化 大大促进了自动化的进程 尤其是将计算机辅助设计与制 造结合起来而形成的计算机集成制造系统 是加工自动化向智能化方向发展的又一 关键性技术 并进一步朝着网络化 集成化和智能化的方向发展 在我国 数控技术与装备的发展亦得到了高度重视 近年来取得了相当大的进 步 特别是在通用微机数控领域 以 PC 平台为基础的国产数控系统 已经走在了世 界前列 但是 我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题 特别是在技 术创新能力 商品化进程 市场占有率等方面情况尤为突出 在新世纪到来时 如 何有效解决这些问题 使我国数控领域沿着可持续发展的道路 从整体上全面迈入 世界先进行列 使我们在国际竞争中有举足轻重的地位 将是数控研究开发部门和 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 55 页 生产厂家所面临的重要任务 图 1 1工业机器人 随着科学技术的不断发展 我国在机械加工领域取得了日新月异的发展 机械 工业是重要的工业基础 是国民经济发展的先导 先进的技术装备与先进的制造技 术在国民经济发展中 起着至关重要的作用 而先进的技术装备与先进的制造技术 则正是由先进的机械工业提供的 早在 20 世纪初 随着机床 汽车等制造业的发 展就出现了机械手 1913 年美国福特汽车工业公司安装了第一条汽车零件加工自动 线 为了解决自动线 自动线的上下料和工件的传送 采用了专用机械手代替人工 上下料及传送工件 20 世纪 80 年代 计算机技术推动机器人技术的发展达到了新 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 55 页 的水平 上到宇宙飞船 下至海洋开发都采用了机器人作业 本文所设计的数控卧式镗铣床自动换刀机械手 将实现在数控镗铣床主机 简 称主机 的给定程序控制下 配合刀库和主机实现所有加工工序的自动装 卸刀 使单纯的数控镗铣床初步具备简单加工中心的机械制造能力 本机械手的设计完全 基于现代工业机器人设计理念 采用在主机数字控制下的液压驱动方式 在具有 4 个自由度 20 公斤抓重的同时又具有运行平稳 迅速等特点 1 1 1 1 工业机器人技术工业机器人技术 工业机器人技术已成为高技术应用领域中的重要组成部分 自从第一台工业机 器人问世以来 机器人的应用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透 机器人也从机 械手逐渐衍生出各种各样的机器人 如今机器人已经深入到人类生活的方方面面 人类科技的进步 文明的发展已经和机器人产生了密切的关系 计算机和机械手 技术的共同发展 最终实现了能满足许多困难工作所需的精确运动 但今天的遥控 机械手依然很重要 因为有些工作完全可以自动操作 但有的工作人参与部分操作 另外 对于某些工作很难由人进行全部操作 还需要复杂的控制站 机械手作为一种模仿人手的部分动作 按给定程序 轨迹和要求实现自动抓取 搬运或操作的自动机械装置 在生产中应用可以广泛提高生产的自动化水平和劳动 生产率 可以有效降低劳动强度 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环境中 机械手可代替人 进行正常的生产工作 具有重大现实意义 因此 在机械加工 冲压 铸造 锻压 焊接 热处理 电镀 喷漆 装配以激情工业 交通运输等方面得到越来越广泛的 应用 在过去的二十年里 工业上已应用机器人完成使操作人员感到厌恶和紧张的那 些单调而又不安全的操作 由于机器人完成操作要比人快 更精确 故在各种制造 工业中的应用愈来愈广泛 如小河奔腾汇入大江 机械 电气和工业技术的高度发 展与融合 终于形成了现代化的工业机器人群体 由于智能机器人的发展将赋予这 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 55 页 类机器更为广泛的通用性和超人的功能 今后机器人的拥有量会以惊人的速度持续 增长 可以有把握地推测 机器人在未来的发展 将超出我们的想象 计算机正在 逐年地向小型 新颖和廉价方向发展 随着时间的推移 机器人会不会也走这条路 呢 现在 电子学 计算机 控制和能源系统方面的新成果将为机器人的设计提供 更为有效的手段 专用机器人在机械工程方面的应用将是永无止境的 机器人将在 人类认识自然 改造自然的斗争中发挥巨大的作用 而机器人是由机械手发展而来 的 并且机械手是机器人完成各种工作的主要部件 目前 机器手已广泛应用在点 焊和焊缝 装配部件 移动重物 喷漆 重复加工 城市除淤等操作中 1 1 2 2 工业机器人的分类工业机器人的分类 1 2 1 按用途分类 机械手按用途可分为专用和通用机械手两种 专用机械手是附属于主机的 具有固定程序而独立控制系统的机械装置 专用 机械手具有动作少 工作对象淡雅 结构简单 实用可靠和造价低等特点 适用于 大批量的自动化生产 如自动机床 自动线的上下料机械手和加工中心附属的自动 换刀机械手 通用机械手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 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 简易型以 开 关 式控制定位 只能是点位控制 伺服刑具有伺服定位控制系统 可以是点 位的 也可以实现连续轨迹控制 一般的伺服型通用机械手属于数控类型 1 2 2 按驱动方式分类 机械手按驱动方式可分为液压传动 气压传动 电力传动和机械传动机械手 液压传动机械手是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手 主要特点是抓 重可达几百公斤以上 传动平稳 结构紧凑 动作灵敏 但不宜在高温 低温下工 作 对密封装置的要求也很严格 否则油的泄漏将对机械手的工作性能有很大影响 若机械手采用电液伺服驱动系统 可实现连续轨迹控制 使机械手的通用性扩大 但电液伺服阀的制造精度高 油液过滤要求严格 成本高 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 55 页 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手 主要特点 是介质来源极其丰富 气体动作迅速 结构简单 成本低 但是 由于空气具有可 压缩性 工作速度的稳定性较差 而且气源压力较低 抓重一般在 30 公斤以下 适 用于高速 轻载 高温和粉尘大的环境中进行工作 机械传动机械手是由机械传动机构 如凸轮 连杆 齿轮和齿条 间歇机构等 驱动的机械手 它是一种附属于工作主机的专用机械手 其动力是由工作机械传递 的 它的主要特点是运动准确可靠 动作频率高 但结构较大 动作程序不可变 它常被用于为工作主机的上下料 电力传动机械手是由特殊结构的感应电动机 直 线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手 因不需要中间的转换机构 故结构简单 其中直线电机机械手的运动速度快 行程长 维护和使用方便 1 2 3 按控制方式分类 按控制方式的不同 机械手又可分为点位控制和连续轨迹控制两种 点位控制机械手的运动空间为空间点到点之间的移动 只能控制运动过程中几 个点的位置 不能控制其运动轨迹 若欲控制的点数很多 则必然增加电气控制的 复杂性 连续轨迹控制机械手的运动轨迹为空间的任意连续曲线 其特点是设定点为无 限的 整个移动过程处于控制之下 可以实现平稳和准确的运动 并且使用范围广 但电气控制系统复杂 1 1 3 3 工业机器人的结构组成工业机器人的结构组成 机械手主要由执行机构 驱动系统 控制系统以及位置检测装置等部分组成 各系统相互之间的关系如图所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 55 页 控制系统驱动系统执行机构被抓取工件 位置检测装置 图 1 2工业机器人的结构组成及关系 1 3 1 执行机构 执行机构包括手部 手腕 手臂和立柱等部件 有的还增设行走机构 手部是与物件接触的部分 由于与物件接触的形式不同 手部可分为夹持式和 吸附式 夹持式手部由手指 或手爪 和传力机构构成 手指与物件直接接触 传 力机构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务 吸附式手部主要由吸盘等机构 构成 它靠吸附力 如吸盘内形成负压或产生电磁力 吸附物件 手腕是连接手部和手臂的部件 起调整或改变工件方位的作用 手臂是支撑手腕和手部的部件 用以改变工件的空间位置 立柱是支撑手臂的部件 也可以是手臂的一部分 手臂的回转运动和升降 或 俯仰 运动均与立柱有亲密的联系 机械手的立柱通常为固定不动的 但因工作需 要有时也可作横向移动 即称之为可移动式立柱 行走机构是为了使机械手能完成远距离操作和扩大使用范围增设的 分为有轨 和无轨两种 机座是机械手的基础部分 机械手执行机构的各部件和驱动系统均安 装于机座上 起到支撑和连接的作用 1 3 2 驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置 常用的有液压传动 气压 传动 电力传动和机械传动等形式 1 3 3 控制系统 机械手的控制系统有电器控制和射流控制两种 常见为电气控制 它是机械手 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 55 页 的重要组成部分 支配着机械手按规定的程序运动 并记忆人们给与机械手的指令 信息 如动作顺序 运动轨迹 运动速度及时间 同时按其控制系统的信息对执行 机构发出指令 必要时可对机械手的动作进行监视 当动作有错误或发生故障时即 发出报警信号 1 3 4 位置检测装置 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置 并随时将执行机构的实际位置 反馈给控制系统 并与设定的位置进行比较 然后通过控制系统进行调整 从而使 执行机构以一定的精度达到设定位置 1 1 4 4 工业机器人的运动特性工业机器人的运动特性 工业机器人的运动特性就是指其运动行程 运动速度和加速度随时间变化的规 律 分析 研究机器人运动特性的目的是在于根据工作条件来选择适当的运动特性 图 1 3 中列出来了几种特性曲线 图 1 3工业机器人运动特性曲线 按曲线 1 运动时 是等加速 等速 等减速运动 启动加速及减速时间短 有 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 55 页 利于提高工作速度 但由于加 减 速变化不连续 定位时有柔性冲击 按曲线 2 运动时 启动加速度逐渐增大 然后按等速运动 减速度峰值出现在 减速初期 定位时减速度趋于零 不发生明显的冲击 有利于提高定位精度 但减 速时间较长 平均速度较低 按曲线 3 运动时 加速度和减速度都按正弦曲线变化 加 减速度的峰值都很 大 但它处于连续变化中 不会发生冲击现象 可允许中间段的运动速度很高 这 种运动性能能满足工作速度快 运动平稳 定位精度高的要求 然而 一般开关型 机器人很难获得这种运动特性 机器人的运动特性可不完全按上述某一种运动规律运动 有些机器人可综合 运用这种减速规律 其应用原则是 启动时将加速度植限制在不引起机械结构振动 的数值范围之内 定位瞬间 减速度植越小越好 因启动时一部分能量消耗于克服 静态惯性及摩擦阻力 又因用高速油路 气路 电路直接驱动 其加速度值多在允 许范围内 故一般不需要加速度控制系统 减速时 机器人运动部件有相当大的动 能 若紧急制动必定产生剧烈冲击 所以一定要设置减速缓冲控制系统 本设计采用节流减速缓冲等方法 能够很好的实现运动的缓冲和准确定位 1 1 5 5 我国工业机器人技术发展概况我国工业机器人技术发展概况 我国工业机器人起步于 70 年代初期 经过 20 多年的发展 大致经历了 3 个阶 段 70 年代的萌芽期 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期 70 年代是世界科技 发展的一个里程碑 人类登上了月球 实现了金星 火星的软着陆 我国也发射了 人造卫星 世界上工业机器人应用掀起一个高潮 尤其在日本发展更为迅猛 它补 充了日益短缺的劳动力 在这种背景下 我国于 1972 年开始研制自己的工业机器人 进入 80 年代后 在高技术浪潮的冲击下 随着改革开放的不断深入 我国机器人技 术的开发与研究得到了政府的重视与支持 七五 期间 国家投入资金 对工业机 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 55 页 器人及其零部件进行攻关 完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发 研制出 了喷涂 点焊 弧焊和搬运机器人 1986 年国家高技术研究发展计划 863 计划 开始实施 智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿 经过几年的研究 取得了 一大批科研成果 成功地研制出了一批特种机器人 从 90 年代初期起 我国的国民 经济进入实现两个根本转变时期 掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮 我国的工业机器人又在实践中迈进一大步 先后研制出了点焊 弧焊 装配 喷漆 切割 搬运 包装码垛等各种用途的工业机器人 并实施了一批机器人应用工程 形成了一批机器人产业化基地 为我国机器人产业的腾飞奠定了基础 工业机械手 是当代自动控制技术的一个新兴领域 它涉及到电子技术 控制论 通讯技术 电 视技术 无线电控制 液压集成技术等 可以说是当代自动控制技术水平的标志之 一 1 1 6 6 工业机器人领域发展趋势工业机器人领域发展趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和维修 而单机价格不断下降 平均单机价格从 91 年的 10 3 万美元降至 97 年的 6 5 万美 元 2 机械结构向模块化 可重构化发展 例如关节模块中的伺服电机 减速机 检测系统三位一体化 由关节模块 连杆模块用重组方式构造机器人整机 国外已 有模块化装配机器人产品问市 3 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展 便于标准化 网络化 器件集成度提高 控制柜日见小巧 且采用模块化结构 大大提高了系统 的可靠性 易操作性和可维修性 4 工业机器人中的传感器作用日益重要 除采用传统的位置 速度 加速度等 传感器外 装配 焊接机器人还应用了视觉 力觉等传感器 而遥控机器人则采用 视觉 声觉 力觉 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 多传 感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 5 虚拟现实技术在工业机器人中的作用已从仿真 预演发展到用于过程控制 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 55 页 如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵工业机器人 6 当代遥控工业机器人系统的发展特点不是追求全自治系统 而是致力于操作 者与工业机器人的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作 系统 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段 美国发射到火星上的 索杰纳 机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 7 机器人化机械开始兴起 从 94 年美国开发出 虚拟轴机床 以来 这种新 型装置已成为国际研究的热点之一 纷纷探索开拓其实际应用的领域 2 2 设计思想设计思想 2 12 1 设计准则设计准则 1 各机械部分需依据工程力学和材料力相关理论 要求结构牢固耐用 运转正 常且达到或优于预定设计要求 2 机器手整体结构在能够实现预定工作要求 且不出现各部件相互干涉现象的 同时 尽量作到结构优化 顺畅而精确的实现所要求的运动 3 液压油路的布置和设计要求布置合理 密封可靠 且不影响其它机械部分的 强度和性能 能够和各机械部分实现很好的配合 4 要求液压驱动系统的选择能够给机械部分提供足够动力 和整个机械结构配 合完善 5 要求位置控制系统安装位置合适 能准确控制机器手运动行程 实现机械手 的精确定位 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 55 页 2 22 2 设计要求设计要求 2 2 1 刚度 为了防止各机械结构在运动过程中产生过大的变形 运动部件的截面形状要合 理选择 如 工字形截面弯曲弯度刚度一般比圆截面大 空心管的弯曲刚度和扭曲 刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多 所以采用钢管做臂杆及导向杆 工工字钢和槽 钢做支承板 2 2 2 速度 机械手各运动部件的运动速度是机械手的主要参数之一 它反映机械手的生产 水平 一般根据生产的节拍的要求来决定 确定了生产节拍和形成范围 就确定了 手臂的运行速度 或角速度 在一般情况下 手臂的移动和回转 俯仰均要求匀速 运动 和 为常数 但在手臂的启动和终止瞬间 运动是变化的 为了减少冲 击 要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大 否则引起冲击和振动 减小冲 击和振动的一个方式是在行程中点的加速度为零 停止瞬间是无冲击的但其速度是 变化的 设计比较复杂 减少冲击的另一个途径是增加阻尼系数 因此 机械手各运动部件要尽力做到速度高 惯性小 2 2 3 阻力 为减少手臂运动件之间的摩擦阻力 尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦 对于悬 臂式的机械手 其传动 导向件和定位件布置应合理 使手臂运动过程尽可能平衡 以减少对升降支承轴线的偏心矩 特别是要防止发生 卡死 现象 自锁现象 为 此 必须计算使之满足不自锁的条件 2 2 4 精度 一般来说 直角和圆柱坐标式机械手位置精度要高 关节式机械手的位置最难 控制 故精度最差 在手臂上加设定位装置和检测机构 能较好地控制位置精度 检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动 啮合件的间隙 丝杠螺母传 动其位移具有较高的准确性 由于丝杠螺母机构是连续的面接触 传动中不会产生 冲击 传动平稳 无噪音 且能自锁 因丝杠的螺旋升降角较小 所以用较小的驱 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 55 页 动力 可获得较大的牵引力 此外丝杠螺母的旋转面之间的摩擦为滑动摩擦 故传 动效率低 如果采用滚珠丝杠可以提高效率 而且传动精度和定位精度均很高 在 传动时灵敏度和平稳性亦很好 由于磨损小 使用寿命比较长 2 2 5 布局 总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置 并使装置有一个协 调完美的造型 总体布局的依据是工件尺寸 形状 重量 加工方法及工艺要求 2 2 6 联系尺寸 装置的总体布局要通过联系尺寸来体现 联系尺寸也是结构设计的关键 初步 确定的联系尺寸是个部件的设计依据 并通过部件的设计 还应对联系尺寸进行必 要的修改 最后确定装配总图 联系尺寸包括 1 机械手的外型尺寸 长宽高 及各部分的轮廓尺寸 2 各部件的连结 配合和相关位置尺寸 3 移动部件的行程和极限位置 调整位置 4 驱动装置和控制器以及执行器的位置和间距等 2 2 7 其它 除以上各点要求之外 还要求机械手的通用性要好 能适应多种作业的要求 工艺性好 便于加工和安装 用于热加工的机械手 还要考虑隔热 冷却 用于作 业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等 2 32 3 总体分析总体分析 机械手主要用于实现在数控镗铣床主机 简称主机 的给定程序控制下 配合 刀库和主机实现所有加工工序的自动装 卸刀 它由自动换刀机械手升降机构 滑 座伸缩回转机构 装卸刀手和液压驱动系统组成 装卸刀运动的完成需要由四个分 运动实现 分别是滑座带动装卸刀手的升降 伸缩和回转运动 以及装卸刀手的伸 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 55 页 缩运动 采用液压驱动的形式作为原动力 通过数控镗铣床的数控系统根据具体程 序控制各机构的具体运动 各机构的极限位置判断是通过行程开关将位置信息反馈 给机床控制系统 从而实现各运动的位置控制 机械手各运动机构主要以 45 号钢为 制造材料 壳体和支架采用 HT200 铸造成形 采用这种设计形式可以使各机构运动 平稳 结构简单 在保证高可靠性的同时有效降低机床改造成本 3 3 设计方案设计方案 3 13 1 设计参数设计参数 抓重 20 公斤 自用度数 4 个 坐标型式 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 80 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 55 页 位置监测与定位方式 滑座伸缩 手架回转和装卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测 由挡块 或活塞与端盖 定位 手架升降运动采用无触点行程开关进行位置 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 用换接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 切断油路减速缓冲 驱动方式 液压驱动 控制方式 数字控制 3 23 2 总体组成总体组成 自动换刀机械手由升降丝杠 1 滑座 2 横梁 3 油马达 4 装刀手 5 手架 6 卸刀手 7 组成并与刀库 8 由四排带刀套的链条组成 每排链条上均有 15 个刀套 本设计不包括此部分 组成自动换刀装置 其配置如图 3 1 所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 55 页 图 3 1自动换刀机械手总体结构图 1 刀库 2 手架升降机构 3 装 卸刀机械手 4 手架伸缩与回转机构 3 33 3 手架升降机构手架升降机构 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 55 页 图 3 2手架升降机构总体结构图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 55 页 如图所示 它由油马达 1 滚珠丝杠 2 螺旋副间隙调整垫 3 导向柱 4 减速 齿轮 5 和无触点行程开关 6 等组成 当接受使手架上升或下降 找刀排 指令后 压力油进到油马达 1 中 油马达 带动滚珠丝杠 2 转动 使手架带着装 卸刀手升降 因刀库有四排刀排 手架可上 下移动 3X420 毫米的距离 当手架上下运动接近所选刀排位置时 其上的悬臂感应 块 图中未示出 使安装在刀排相应位置的无触点行程开关发信 控制手架升降油 路的调速阀作用使手架减速 当到达所选刀排要求准确定位置时 装在减速齿轮上 的感应块使无触点行程开关 12XK 或 20XK 发信 切断手架升降油路 油马达停止 转动 手架即停在所规定的位置上 滚珠丝杠和螺母间隙 可用修磨调整垫 3 来达 到 导向柱 4 除起导向作用外 还有使滚珠丝杠在传动中免受弯曲力矩的作用 使 手架升降运动平稳可靠 图 3 3机械手与刀库刀排的位置关系图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 55 页 3 43 4 滑座伸缩和手架回转机构滑座伸缩和手架回转机构 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 55 页 图 3 4滑座伸缩和手架回转机构总体结构图 如图 3 1 所示 它由滑座 1 其上加工有油缸 活塞杆 2 转柱 3 回转油缸 4 滚柱组 5 滚柱按十字交叉位置放置 预紧螺钉 6 定位螺钉 7 定位块 8 和 V 形导轨 9 等组成 滑座伸缩 当油管 13 14 分别向滑座 1 上的油缸两腔通压力油时 驱动滑座 因活塞杆 2 固定在横梁上 使滑座在十字交叉放置的滚柱和 V 型滚动导轨 9 上往 复运动 滑座就带动手架来完成拔 插刀运动 其行程位置的监测由安装在横梁上 的行程开关完成 在活塞杆 2 上的活塞两端加工成圆锥形 配合油缸端部起截流缓 冲作用 图 3 5滑座伸缩机构液压系统图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 55 页 图 3 6手架回转机构液压系统图 手架回转 当油管 15 16 分别通压力油到回转油缸 4 的两腔时 推动动片连同 转轴一起转动 通过平键使转柱 3 和手架 两者用螺栓相连 回转 其回转角度的 检测由行程开关发信 见 E 向视图 并用定位螺钉 7 和定位块 8 来定位 该手架在 图示位置 见 F F 剖面 为手架转向主轴时的位置 图 3 7手架回转机构液压油路剖面图 回转油缸的端盖进出油口分别有 3 对 即 a b c 和 a b c 当接到手 架转向刀库指令后 三位四通电磁滑阀换向 油管 16 进压力油 从油孔 c 进到回 转油缸工作腔使动片启动一定角度后 动片将油孔 a 打开进油 快速回转 回油 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 55 页 腔油液从 a b 孔排出 待将 a 孔堵住后 油液从 b 孔排出 动片回转速度降低达到 减速缓冲 减速程度的大小可通过回转油缸端盖上的调节螺钉进行调节 图 3 8手架回转油缸剖面图 3 53 5 装 卸刀手手臂和手部结构装 卸刀手手臂和手部结构 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 55 页 图 3 9装 卸刀手手臂和手部总体结构图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 23 页 共 55 页 装刀手和卸刀手对称配置在手架上 其结构和尺寸完全相同 只是几个主要零 件形状相反 故此处置介绍卸刀手结构和动作原理 卸刀手手臂伸缩运动机构由手 架 1 手臂油缸 2 手指座 3 和活塞杆 17 等组成 如图所示 活塞杆 17 一端固定在手架上 当压力油从 油孔 9 和 10 分别进到油缸 2 的两腔时 推动油 缸 2 的缸体在燕尾形导轨上往复运动 其行程 位置由装在手架上的行程开关进行检测 采用 油缸端部锥面节流缓冲 端盖和活塞端面相碰 定位 图 3 10 手部活塞与油路结构剖面 图 装刀手和卸刀手手臂移动导轨的方向相交成 45 度角 其焦点即是装刀手 卸刀 手前伸移到终点时手指的夹紧中心 卸刀手手部有手指座 3 刀具定向键 4 固定手指 5 顶销 6 卡销 7 弹簧 9 10 活动手指 12 挡块 A 形 14 和销轴 15 等组成 它属于弹簧夹持式手部 手指分为固定指和活动指 并属于一支点回转型手指 在手臂伸出抓刀时 活动指 应能自由张开 抓住刀后 特别是在运刀过程中活动指应夹紧并锁住 因此手指内 有自锁机构 在镗铣床主轴套筒的端面和滑座悬伸支架 如图 上均设有使手指松 开的导板 共 4 块 分 A 型和 B 型两种 刀具在手指中不允许有转动 以免刀柄的 键槽错位 故在固定手指上装有定位键 4 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 24 页 共 55 页 图 3 11 装卸刀手位置关系与自锁机构剖面图 卸刀时 卸刀手手臂前伸 当卡销 8 碰到挡块 A 型 14 的 a 面时 使卡销缩 回 碰到 b 面顶销 6 可自由运动 手指碰上刀柄便能自动张开插入梯形槽中 当碰 到 c 面时 卡销被弹簧 9 弹出 锁紧活动指 12 将刀柄抓牢 以后进行拔刀等动作 如装刀完毕 即滑座缩回 做插刀运动 将刀具的刀柄插入机床主轴孔内 使 卡销 8 被挡块 13 B 型 的 b 面压入 顶销 6 能自由活动 手臂油缸 2 缩回时 手指就从刀柄的梯形槽中自动滑脱 当卡销 8 移到挡块 13 的 a 面时 弹簧 9 将卡 销弹出将活动指锁住 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 25 页 共 55 页 图 3 12 装卸刀手夹持部分及挡块卡销位置关系图 3 63 6 液压系统液压系统 自动换刀机械手液压系统 采用双联叶片泵供油 它具有功率损失小 油箱的 升温小 泵的寿命高 成本低等优点 双联叶片泵的工作是用溢流阀 YF B20B 卸荷阀 X4F B20B 单向阀 DIF L20H1 三个阀联合控制 泵启动后两个泵的输 出油分别进入它们的管道 小泵 1 的输出油经过过滤器后进入溢流阀 大泵 2 的输 出油进入卸荷阀 但此时电磁铁 15DT 不同线 管道通过电液滑阀 24DY B20H 单 向阀 DF B20K3 和油箱相同 管路中压力很低 溢流阀和卸荷阀都关闭 在装 卸刀手手臂伸缩或滑座伸缩或手架回转等单独运动时 各油缸所需油液流量较小 由高压小流量油泵 1 供油 管路内油压上升到溢流阀所确定的压力 由于卸荷阀的 压力调得比溢流阀的压力低 50Kpa 卸荷阀被打开 单向阀 DIF L20H1 被溢流阀 的油压锁住 大泵 2 的输出油通过卸荷阀流经冷却器回到油箱 当手架快速升降时 由于小泵 1 的流量不够 使系统压力下降 卸荷阀关闭 大泵 2 的输出油推开单向 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 26 页 共 55 页 阀 DIF L20H1 和泵 1 的输出油一起进入系统 保证了手架的快速升降运动 二位 四通电液滑阀 24DY B20H 起开关作用 当电磁铁 15DT 通电时 系统处于等待工作 的状态 当机械手手架快速升降时 升降速度为 10 米 分 液压马达转速为 1000 转 分 所需输入的压力油液的流量为 27 2 升 分 由于高压小流量油泵 1 的流量不够 使 系统压力下降 卸荷阀关闭 低压大流量油泵 2 的输出油液推开单向阀 DIF L20H1 和油泵 1 的输出油液一起进入液压系统 保证手架的快速升降 机械手的手架做升降运动找刀排时 为了使手架准确地停在要求的刀排位置上 在手架接近所选刀排位置时 悬臂感应块使无触点行程开关发出信号 电磁铁 8DT 吸合 回油路与调速阀接通 使手架减速 手架到了准确的刀排位置时 液压马达 带动滚珠丝杠端部减速箱内的大齿轮轴上的感应块 使无触点行程开关发出定位信 号 使电磁铁 6DT 或 7DT 8DT 同时断开 液压马达停转 在手架升降支路系统装有缓冲阀 当手架升降运动由快速转换成慢速时 由于 其惯性在回油路内引起很高的冲击压力 高压油液经单向阀 a 或 b 和溢流阀 c 流 回油箱 以缓和油液压力的波动 使手架由快速平滑地变换到慢速 缓冲阀处的溢 流阀 c 的调定压力应比系统工作压力高 30 左右 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 27 页 共 55 页 表 3 1自动换刀机械手动作与电磁铁通断电情况报 动作名称动作名称 6DT6DT7DT7DT8DT8DT9DT9DT10DT10DT11DT11DT12DT12DT13DT13DT14DT14DT15DT 手架上升 找刀排 手架上升减速 手架上升缓冲定位 手架下降 找刀排 手架下降减速 手架下降缓冲定位 滑座伸出 拔刀 滑座缩回 插刀 手架转向刀库 手架转向主轴 装刀手手臂伸出 装刀手手臂缩回 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 28 页 共 55 页 图 3 13 液压系统原理图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 29 页 共 55 页 3 73 7 控制系统控制系统 自动换刀机械手和刀库及卧式镗铣床 简称主机 相配合完成加工 换刀等自 动循环 其控制系统采用机床主机数字控制系统的统一控制 3 83 8 机械手自动换刀过程实例机械手自动换刀过程实例 如图所示 设现在正在进行第五工序 主机的 主轴上正用 T05 号刀进行切割 第六工序用 T09 号 刀 第七工序采用 T46 号刀 P05 是装 T05 号刀的 刀套已停在换刀位置 装刀手已抓取 T09 号刀 开 始自动装刀前的状态见图 a 图 a 自五工序的最后程序是 只主机立柱退到最后位置 Z 轴原点 主轴箱升到最 高位置 Y 轴原点 主轴定向 并使自动换刀控制部分做好换刀准备 第六工序开始的第一个命令是选刀指令 Z46 控制部分得到选刀指令后开始自动换刀循 环 其循环分三个阶段 第一阶段完成向主轴 上换刀 包括十个动作 需要时间约 8s 手架转向主轴 见图 b 图 b 卸刀手前伸 抓取主轴上 T05 号刀 见图 c 主轴箱拉刀机构松开 主轴孔吹气 滑座前伸拔刀 见图 d 卸刀手缩回 见图 e 装刀手前伸 见图 f 图 c 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 30 页 共 55 页 滑座后退 把 T09 号刀插入主轴孔 见图 g 主轴相拉刀机构拉紧 停止吹气 装刀手缩回 见图 h 手架转向刀库 见图 i 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 31 页 共 55 页 手架转向刀库后机床就开始第六工序的加工 同时自动换刀循环进入第二阶段 把 T05 号刀送回刀库 包括五个动作 横梁下降找第二排刀链 见图 j 滑座前伸 卸刀手前伸 滑座后退 把 T05 号刀插入 P05 刀套中 卸刀手后退 然后进入第三阶段 使自动换刀装置便成下一次换刀的换刀前状态 包括六个 动作 刀套链顺时针方向转动 把 T46 号刀送到换刀位置 横梁下降找到第三排刀链 套 见图 k 装刀手前伸 取 T46 号刀 滑座前伸拔刀 装刀手后退 滑座后退 横梁上升到最高位置 刀链反转 把 P09 刀套送到换刀位置 见图 l 这样 就完成整个自动换刀过程 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 32 页 共 55 页 4 4 设计计算设计计算 4 14 1 机械手驱动力及液压部分的计算机械手驱动力及液压部分的计算 4 1 1 理论驱动力的计算 本论文中所设计的机械手手部属于夹持式手部 计算夹持式手部的驱动力时 如果仅考虑被夹持刀具的重量 G 工件被夹持的方 位以及传力机构的形式 则所求得的驱动力称为理论驱动力 P 理论驱动力 P 的计算步骤如下 1 根据被夹持刀具的重量 G 以及夹持方式 计算手指能够把刀具家住的夹紧力 N 由 工业机械手设计基础 中提供的方法可确定本机械手属于 V 型手指夹持圆 料 类型中的 手指水平位置夹持水平位置放置的工件 情况 因此夹紧力为 N 0 5G 0 5 20 9 8 98N 2 根据夹紧力 N 机所采用的传动机构 计算出理论驱动力 P 经查 本机械手 采用弹簧自锁方式夹持刀具 故理论驱动力 P N 98N 夹持式手部在工作过程中 其实际驱动力的大小 除按理论驱动力 P 计算外 还应考虑传力机构的效率 以及刀具运送过程中所产生的惯性力等因素的影响 实际驱动力计算公式为 P K1 K2 K3G K1 安全系数 通常取 1 2 2 0 在此取 1 6 K2 工作情况系数 主要考虑惯性力的影响 K2 可近似按下式估算 K2 1 a g 其中 a 运载工件时重力方向的最大上升加速度 g 重力加速度 g 9 8m s2 a vmax t响 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 33 页 共 55 页 vmax 运载工件时重力方向的最大上升速度 t响 系统达到最高速度时的时间 根据设计参数选取 一般取 0 03 0 5 在此取 0 06 秒 由此可知 a 0 06 0 1 0 6 G 被抓取工件所受重力 N G 9 8 20 196 N 由此可知 K2 1 0 6 1 6 K3 方位系数 根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行 选定 在此选取 K3 1 03 由此可知 FN K1 K2K3G 1 6 1 6 1 03 196 516 813 N 4 1 2 手部液压缸的设计计算 查表可知驱动力公式为 P 2bFNtga c 代入数据可得 F计算 2 60 516 813 tg300 26 1936 61N 取 0 85 F实际 F计算 2904 92 0 85 1377 145 N 确定液压缸的直径 D 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 34 页 共 55 页 F实际 D 4 2 d2 p 取活塞杆直径 d 0 7 D 压力油的工作压力 p 8 5 105 D 7 01 4 实际 p F 0 0493m 75 0 10 5 8 14 3 145 1377 4 5 根据液压缸内径系列 JB826 66 选取液压缸内径为 D 50 mm 则活塞杆直径为 d 50 0 7 35 mm 取活塞杆的直径为 35 mm 4 1 3 回转机构的设计计算 1 回转支撑处的摩擦力矩 M摩 M摩 FR1D1 FR21D2 2 f 式中 FR1 FR2 轴承处支反力 可由静力平衡求得 D1 D2 轴承直径 m f 轴承的摩擦系数 对于滚动轴承 f 0 02 为了简化计算 取 M摩 0 1M 总阻力矩 回转部分及手部各部件的质量 回转油缸后盖 体积为 110 2 2 4 162 2 2 1002 924020 质量为 924 02018 cm3 7g cm3 6 4680 kg 根据以上计算原则计算可得 回转缸体为 4 507kg 回转缸前盖 2 0938kg 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 35 页 共 55 页 活塞为 0 8790 kg 夹紧缸体为 10 3268kg 手臂 两个 共 22 178 kg 动片和静片分别为 0 3 kg 支座 1 9600 kg 重心的计算 夹紧缸重心 如下图所示以夹紧缸左侧的交点为原点建立坐表系 由公式 i cii A xA Xc 可得夹紧缸的中心计算公式为 4321 4433211 Xc AAAA lAlAlAlA 将数据代入公式可得 059 996552088118 10200996084 059 99655 5 1272088116318 10200919896084 Xc 138 7mm 回转机构的力的计算 建立方程 FE1 G1 G2 G3 FR2 0 FR2 l G1 l1 G2l2 G3l3 0 代入公式可得 FR1 706 55 N FR2 1166 N 由公式 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 36 页 共 55 页 M摩 FR1D1 FR2D2 N m 2 f 已知 D1 35mm D2 75mm 将数据代入公式可得 M摩 706 55 0 035 1166 0 075 2 02 0 1 122 N m2 为了减化计算假设机械手在工作时工件的重心与手腕中线重合 则工件引起的偏置力矩为 0 腕部启动时的惯性阻力矩 M 惯 已知回转角速度 rad s 2 夹紧缸体的转动惯量为 粗略计算 J 0 0037054 kg m2 刀具的转动惯量为 刀具的长度为 已知刀具材料为 7 8 g cm3 155 cm 刀具重量为 20 kg 刀具半径为 50 mm 则刀具的转动惯量为 0 62 kg m2 则 M惯 0 0037054 0 62 3 0 2 3 2643 N m 回转须克服上述 3 种力矩 故回转力矩至少为 M M摩 M偏 M惯 N m 考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素 一般将 M 取大一些 可取 M 1 2 M摩 M偏 M惯 N m 则 M 1 2 1 1220 3 2643 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 37 页 共 55 页 5 2636 N m2 4 1 4 滑座伸缩部分的设计计算 伸缩液压缸的设计计算 作水平伸缩直线运动液压缸的驱动力 液压缸活塞的驱动力的计算 F F模 F密 F 回 F惯 式中 F摩 摩擦阻力 F密 密封装置处的摩擦阻力 F 回 液压缸回转腔低压油液所造成的阻力 F惯 起动或制动时活塞杆所受的平均惯性力 F模的计算 横梁的质量为 45 18 94 2 76 20 94 2 256 18 94 152280 285760 433152 8710192kg 则横梁的质量为 8710 192 7g cm3 60 098 kg 导向杆的质量为 302 252 1279 32 10 6 7 5g cm3 8 285 kg 活塞杆的质量为 625 1183 52 10 6 7 5 g kg 17 42 kg 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 38 页 共 55 页 则手臂参与运动的零部件的总重量为 99 kg 估算 L 为 100 mm 导向杆支撑长度 为 334 mm 的计算 已知 2 4 1 27 1 57 取 0 2 则有 1 3 0 2 0 26 则有 F摩 G总 L2 0 26 99 9 8 334 3341002 403 N F密的计算 本设计采用 O 型密封圈 其计算公式为 F密 F风 1 Ff 封 2 F封 3 F风 1 Ff 封 2 0 03F F 为驱动力 则 F风 1 Ff 封 2 0 03F F 50 10 3P F封 3 P dl 其中 P 工作压力 P 15 d l 所以需要进行活塞杆稳定性的校核 F k k n F 式中 Fk 临界力 可按材料力学有关公式计算 nk 2 4 大柔度杆的临界力 Fk 当 1 时 临界力 Fk 为 i l Fk J 2 2 E 式中 活塞杆的计算长度 m 液压缸支承情况和活塞杆末端 部支承情况不同 活塞杆的计算长度 i 活塞杆截面积的惯性半径 m i 6 25 F J 4 d J 活塞杆截面积对中性轴的惯性矩 m4 J 代入数据可得 J 64 4 d 64 2514 3 4 19165 m4 E 弹性模量 E 210GPa 长度折算系数 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 42 页 共 55 页 1 特定的柔度值 1 p 为柔度系数 p E 则 132 25 6 11807 0 则 Fk 1 2 107 N 由此可知 F Fk 由此可知塞杆满足强度要求 4 24 2 机器手的动力分析机器手的动力分析 机器手的动力学研究机器手运动数学方程的建立 操作机动态方程是一组描述 操作机动态特性的数学方程 对于机器人运动的计算机仿真 机器人控制方程的设 计以及机器人结构和运动设计的计算 运动方程是很有用的 一般说来 操作机的 动态性能直接取决于操作机动力学模型和控制算法的效率 控制问题包括实际机器 人系统动力学模型的建立和选定相应的控制定律或策略 以达到预定的系统响应和 性能要求 工业机器人的运动系统是复杂的动力学系统 为了分析它的动态特性 需要采 用非定系统的方法 可以用动静法 牛顿 欧拉法 牛顿 拉格朗日法来建立动力学 方程 也可以用拉格朗日力学方法 工业机器人的动力学方程把力 力矩与位置 速度及加速度联系起来 形成以力或力矩为输入量 以机器人的某构件的位移 速 度 加速度为输出量的关系式 该动力学方程是非线性微分方程 一般情况下 很 难求解这些方程 但当以矩阵的形式得到这些方程后 将其简化处理就可以求解取 得控制所需要的必要信息 下面以拉格朗日力学方程来讨论 布局拉格朗日力学方程 拉格朗日力学方程 拉格朗日算子被定义为系统的