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自动换刀机械手装置设计,自动,机械手,装置,设计
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自动换刀机械手装置设计 DESIGNE OF ATC MANIPULATOR DEVICE 摘要随着科学技术的不断发展，机械手已经发展成为柔性制造系统和柔性制造单元中一个不可或缺的组成部分。应用的场合主要是中小型产量，它可以略掉工件传输对象。这样既可以确定产品质量的稳固性能，又能好好利用以便来用于市场更新换代的需求。而换刀机械手在数控加工中起着不可替代的作用，它实现了自动换刀一体化，提高了加工的效率，节约了加工的时间。在加工中心中运用的最为广泛，且目前已经普及到各个领域中了。本次毕业设计主要通过对机械手进行各个部件的设计，研究其运动的稳定性、手臂的设计、电机的选择等。关键词：换刀机械手；加工中心；设计I徐州工程学院毕业设计AbstractWith the continuous development of science and technology, the robot has been developed into a flexible manufacturing systems and flexible manufacturing cell in a integral part. Application of occasions mainly small and medium production, it can be omitted workpiece transfer object. This is to determine the performance of a solid product quality, but also in order to take advantage of the market for replacement demand. The gripper plays an irreplaceable role in CNC machining, which implements the ATC integration, improve the efficiency of processing, saving processing time. Use of the most widely used in machining centers, and has now spread to all areas of the.The graduation project mainly through the robot design of each part, study the stability of its movement, design, selection of the motor arm.KeyWords：Gripper Processing center DesignII目 录摘要IAbstractII1绪 论11.1 研究目的及意义11.2 换刀机械手的研究现状11.3研究内容21.4 加工中心的组成21.4.1刀库及其分类21.4.2运刀装置31.4.3刀库的驱动及定位32换刀机械手整体方案设计42.1 设计任务42.2换刀装置的类型划分42.2.1刀具交换装置（机械手）52.2.2按照驱动方式对机械手划分62.3分布双爪式的实现步骤72.4机械手的稳定性82.4.1影响平稳性以及定位精度的因素82.4.2有关机械手的运动92.5机械手的控件控制与位置控制102.6电动型的控制及其位置操控102.7机械手类型确定102.8 驱动系统和电控系统的选择112.8.1合适的驱动选择112.8.2合适的电控选择112.9换刀过程133机械手零部件设计173.1 手爪部分设计173.2 手臂的设计19I3.3机械手传动结构的设计214相关部件的计算244.1 手臂弯曲计算244.2 连杆的强度计算264.3 驱动电机的选择264.4弹簧的选取与计算284.5螺栓的确定284.6 轴的设计294.7 三维建模爆炸图31结 论32致 谢33参考文献34II1绪 论1.1 研究目的及意义现阶段状况，工业机械手已经验证可以取代人们的繁重劳动，大大的降低了工人们的劳动强度与改善劳动条件。随着中国经济的不断增强，之前虽然没有被评为“世界市场经济体”但是既然有这个资格说明经济还是在上升的。众所周知，中国是被公认为世界上数一数二的制造业大国，数控技术这一领域是我们不可或缺的命脉，而带有自动换刀系统这样的高性能、高效率的加工中心我们需要的数量是越来越多。但是现在这样的换刀系统并没有运用的很普遍，甚至有些工厂并没有运用到这一技术。由于数控技术的发展越来越迅速，其中的换刀装置也是发生了质的飞越。倘若从制作它的自动换刀结构考虑，从当前已有的加工中心制造出模型把它当做标准的零部件和配件，并且从加工中心生产的组织中抽取出来。并】且因为这个技术的应用，一来把主轴给简单化了，并且加工起来也方便多了。采用主要技术的套爪卡盘和外驱动机械手，用到了一个圆形的刀柄与其帮辅系统，这样做的话就会加强其操作性能。也正是因为这样才会大大的降低了加工中心的构造成本。其中的这种机构就发挥了强大的作用，有了它就可以降低加工的时间，提高了加工效率。1.2 换刀机械手的研究现状因为中国的人数颇多，通过每个人的努力致使我国成为了制造业中的佼佼者。在试图获得后端到前端而不是全球产业转移，获得先进制造核心技术，还是新一轮产业结构的国际规则，中国的制造业将进一步出现“空芯”状态。经过发展，产品性能的可靠性有了很大的改善，渐渐的得到了市场用户的认定与许可。但是，由于系统技术含量低，附加值低的产品，并没有导入系统全面抗衡的能力，只能占据一定的中低端市场，它无法起到那种缺一不可的地步，所以我们国内的数控系统做的还是不如国外的，差距还是存在的。但是数控系统中的经济型分类中，中国还是占据很大的优势。就像我之前说的由于中国的人口多，劳动力还是比较充裕的，能占据大量的数控系统市场与份额，在自主研发的这个技术上面还是欠缺的，这点是有待提高的。不过我们正在努力中，经济也发生了转型，相信在不久的将来技术上面会有一个质的飞越，例如现在已经成熟的柔性制造记住、快速进给技术等等都为未来的高速发展奠定了一定的基础。事实上，无论国内还是国外数控系统都是属于朝阳产业，我国正在往制造的强国上面发展，所以加大力度的发展我们的数控技术还是很有必要的。大家都知道的很多行业都离不开数控系统，无论是天上飞的还是水里面游的缺一不可。放眼每个国家的数控系统都是往多元化、功能齐全性等方向上发展的。1.3研究内容本篇论文的主要研究的有以下几个方面：1）明确和敲定换刀机械手的构造类型，分析其操作的过程并明确策划的方向，确保所设计的装置的合理性和可靠性。2）做好机械手装置执行机构的策划，并包管具有：准确定位、结构紧凑、运动可靠等。3）成换刀机械手装置驱动系统的设计，以保证其可以完成转位和刀具插拔的动作要求。4）并且需要用到PRO/E这个软件对相关结构件完成立体三维的设计和装配的工作。1.4 加工中心的组成1.4.1刀库及其分类刀库顾名思义就是存储各个类型的刀具。它是自动工具交换系统，传送的一个重要部分是指具有接受工具刀片和发送给工具输送装置功能的工具。它的容量，和特定的布局结构，对整体的布局和加工中心的性能有很大的影响，根据本结构，形状可分为以下六个： 圆盘式刀库。圆盘刀库的特点如下：电动机带着刀库一起运动并旋转，根据电气落实了刀库回转的位置、检查位置的变化以及还有位置固定的限制，构造简单，工作可靠； ATC系统采用先进的凸轮结构，实现了电机共同控制；是进行了一种都是机械类的换刀，以防止在工作的时候漏掉了液压，减少了故出现非正常工作的次数。例如大型的龙门机床也会把圆盘式的转化为链式结构，刀具数目大致有60把。 34 转塔式刀库：倾斜式、水平式。 鼓轮式刀库。链式刀库。格子式刀库。直线式刀库。徐州工程学院毕业设计1.4.2运刀装置 刀库的能力强大，安排远离。当你因为操作需要负责两只手爪来完成刀具交换操作，一个是靠着刀库附近，让他来做好新的“拔刀”，插“旧刀”的动作，在这之前并设置有输送装置。一方面这将是从主轴机器手拉出放入刀库，进行交换新刀具后机械手把它拉回到刀库；另一方面，从刀库中弄出来的刀放在主轴附近，这样才方便机械手把刀具在插进主轴内。那么，运刀装置主要负责的工作就是来回运送刀具在主轴与刀库间。1.4.3刀库的驱动及定位在每次机床开机之后，刀库必须要归“零”，因为机床关机之后刀具之前的号数，例如之前换刀的号数就是利用的是“马氏机构”进行换刀，当机床关机之后就会清除之前的记忆。这里主要讲两种驱动方式：电气与液压驱动两种方式。其中电气驱动使用半闭环的伺服机构让刀进行转动的，还有一种方法就是通过机床上面的电脑控制，输入相对应的编程指令即可，只不过液压马达是其执行的机构。他是用来存储加工用的刀具以及帮辅刀具，是它成为了最重要的零部件之一，在整个换刀系统中。，正因如此，他还要有让刀具完成操作的结构来确保整个换刀过程的完整与可行性。ATC在进行换刀过程中，除了头架主轴头外面的方向和位置为了确定机械手可以明确地抓住刀，该刀库的定位也是必须需要的功能点。刀库的定位又可以分为：精定位与粗定位，其主要有几种方法：PLC控制；在抓取刀的位置安装控件来检查确定的位置；还有销钉位也可以满足刀库定位的标准。 2换刀机械手整体方案设计2.1 设计任务对数控镗铣床进行的自动换刀是本次设计的主要任务，其必须具备的一些要求如下：所需要的刀具是BT40型的刀柄；整个换刀过程的组成显而易见:抓刀 换刀 松开刀的几个动作；具备的几个主要参数：整个刀具的重量为6kg；主要采用是换刀形式是双臂回转式；其中这里的具体的数量和长度加油直径的大小是由配套的刀库而设计决定的；换刀的时间为：2.5s2.2换刀装置的类型划分所谓自动刀具交换装置（ATC）就是能自动更换加工中所用刀具的装置。当前，运用的相当普遍的ATC 装置主要按照机械手的种类来划分有以下几种：无手式：该刀库和主轴（或刀架）ATC 直接的方式之间。在没有机器手的状态下，使得结构简单。必须让已经使用过的刀具回到ATC刀库，然后采取出新的刀具从库中。但是前面说到的2个运动形式不会再一个时间内动作的，因此换刀过程较为复杂，增加了刀库的变化时间。 单爪式：该类型的手臂上面只安装了独一无二的爪，它主要的运动形式是手臂的回转运动。但正是因为只有一只爪来操作主轴和刀库间的运动所以它浪费的时间也是比较久的，运动不是很快速。双爪式：该种类型上面是有一对爪，它们各司其职做着自己不同的事情，两上夹爪有所分工，一只是爪的任务是：取下之前的旧的刀送进去刀库；另外一只主要是要弄出新的刀具从到库中并且把它送 到主轴上面。跟前面的单爪的比较这个类型的花费的时间要少的多。当然这个双爪的还分为：同步的和分步。上面介绍的几种类型，其中的换刀难易程度主要呈现递增的状态。依据刀具退回到刀库的动作行为来考虑的话，大致上能够分为：固定式、随机式刀位、混合还刀方式这三个。固定刀位式：是指刀库中所使用的机床有它自己所确定的准确的位置（刀袋），也就是向下从主轴工具保持架改变必须返回到原来的地方。随机刀位式：它也特指为撤退到刀库地方是随便确定的（附近）。混合还刀式：则是集合了上面的合成“固定位置刀片”其优点也是在该刀库的工具所在的地方是很明确的，刀库的一目了然的分配的操作者，他们可以直接根据在加工程序装载到工具T代 码后面的数字在刀套相应数量，编程的T人员也可以直接在指令处理程序根据该杂志分发工具写;运营商也不需要再自己动手检 查与改装刀具，给用户带来了极大的简便。“固定刀位”也会存在一定的缺点，就是需要再还刀的时候找到刀的位置。对运行的速度产生了一定的影响。“随机刀位式”还刀的优势是还刀速度，缺点是刀库的电流分布不直观（袖珍工具数量随时间变化），运营商必须找到“支架/刀号表”，以确定刀库的位置与T命令处理程序（刀具号）一致；自己动手安刀，你必须仔 细检验并改装“持有人/工具数表”，倘若不这样就可能会引起“错误”意外。2.2.1刀具交换装置（机械手）它的主要作用是工具和机床主轴或刀库的刀具交换装置，其作用周期的转移：即，拔出刀具新老刀具交换装刀。市面上有很多种类型的手爪，各个厂商都会展现出自己生产的机械手。可见下面的两种情况。无机械手换刀：他的换刀方式就是轴和刀库这两个之间的运动方式。由于这个装置是没有机械手参与换刀，所以运行的过程相对而言比较简单一点。其主要过程是：主轴准停，装夹刀具的卡爪打开-刀具定位把卡爪夹紧主轴内部自动释放刀具-此时刀库伸出，拔出刀具-刀库转位，要把已经初选的刀放到垂直位置一下，压缩空气进入主轴锥孔吹净-刀库退回，同时将新的刀具插入主轴锥孔-主轴下降到加工的位置然后开始下一步的工作。但是刀库在回转的时候是非切削进行的，对加工精度没有什么致命的影响，无机械手换刀只适用于40号以下的刀柄的小型加工中心，因为不需要考虑太多的换刀时间的问题。有机械手换刀：有机械手进行刀具交换，由于他与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活，动作快，采用机械手进行刀具方式是应用最广泛的。考虑到刀具交换的形式不一样，机械手也可以分成多种形式。从手臂的类型来分：双臂机械手。这些都可以完成抓刀-拔刀-回转-插刀-返回等一系列的动作。为了预防刀具从刀爪中掉下来，各种机械手的活动手指都会自己带有锁定的机构、由于双臂回转式结构的动作相比较而言较简单。并可以同时抓住和放下机器中的正在运动的刀具、这样一来就会进一步的减少换刀时间。常用的双臂机械手有如下几种结构形式，如下图所示： a）钩手 b）抱手 c）伸缩手 d）叉手 图2-1 双臂式机械手2.2.2按照驱动方式对机械手划分根据运动特性可以将其划分成四种类型的机械手：液动机械手：可以抓取重达几千克的物体，而且运输的时候很平稳，其结构也很紧凑，动作相当灵活。但对于有较高要求的密封装置，或许其对对机械手的性能有非常大的影响。并且不应当高温、低温下运行。如果 使用该机构使用电动液压动结构，可落实持续的路径控制，所以应当扩大机械手的广泛的应用性。但高精度的电 动液压伺服 阀的制造中，油液是需要过滤的，要求苛刻价格昂贵。气动机械手：主要是根据压缩空气的压力来驱动其来换刀的；介质的源头是很容易获得的，传输的功率是很低的，快速的运作。简易操作与较低的成本。但是，因为气体的特性不一般，稳定性固然不好，所以导致运动的速度差，具备较大的影响。由于与大的气压比起来他的结构比较大，应用在高温、高速的环境下。机械联动机械手：运动准确和可靠性，可以操作操作的次数不受限制，然而需要更大的结构，动作的一系列流程不能改变。它通常被用来切割的主机上的工作。定位系统利用的是：凸轮的基圆和他的最上面的点还有连杆最大范围的地方。电动机械手：该机械手主要是由一些电动机进行控制的，由于中间不需要一些转换的结构所以用起来比较简单，但是目前用此种类型的机械手不是很广泛。通过利用电磁停止脉冲来确定它的准确度，以及挡块还有脉冲电路这些都是可以用来定位的。2.3分布双爪式的实现步骤图2-2 换刀时序图根据ATC动作周期表（其详细描述了换刀过程的步骤序列和动作命令的每一个步骤和结束后的位置检测器的状态的各种机械部件的输出step命令）。这里面列为各步操作的步骤的状态，运用该标记，除了发出完成相应的机械结构零件的地点检查的状态，其操作命令。这一步完成后，同步状态下也涵盖了一些之前完工的，以确保下一步骤的位置检测器的状态的机械部件的安全操作。举例说明一些典型的换刀步骤：S01:刚刚开始运行起来，此时的换刀臂处于中间位置并且带刀夹紧。S04：S10：此时的状态是一个过度的状态，回到了换刀位置，主轴明确方向，右爪 放开，刀库门开，左爪是夹紧的手臂处于中间位置，且回到初始位置，定向结束了，右爪放开了，刀库的门打开。S11: 换刀臂转到边的时候，右爪放松，刀库开门。 S16:手臂插入，左爪夹紧，右爪夹紧，此时到了换刀点，手臂收回S20：这个时候的刀库门是打开的状态，左边运动的手指处于夹紧状态。S28:当左爪做夹紧状态时，手臂处在中心位置，而当手臂收回时，左手是放开的。2.4机械手的稳定性在一般的生产中对机械手还是会有较高的要求：工作速度要快、确定位置的准确性能也要高。为了满足要求要考虑到它的影响因素，设计的是否合理等的因素。 2.4.1影响平稳性以及定位精度的因素1、图 2-3 惯性曲线机械手的快速变化率，加（减）速度是不相连在一起的，就会对惯性发生巨大的影响力，以及工件的滑动，松动的部分，虚线部分。固定位置的时候，大型动作往返的手臂速度发生了变化，其定位的准确度被影响到了。是以，理应当依据其独特的运动特性来看，运用到恰当的操控系统中，增加或者减少返回操作的变化所需的速率。与此同时，为保证其刚度，应当减少移动机械手部件的重量，质量减少的同时刚度也会增加的。2、驱动源的影响液压油的温度和电压波动会降低稳定性和定位精确度，有需要的时候，用稳定剂诸如液压蓄能器，压力，电压，油温控制用加热器和冷却器。3、定位的因素几种定位方式里面定位精度比较低的是电器开关的伺服系统，当然也有比较高的-机械定位块。4、控制系统的影响错误的电子控制系统，阀门泄漏检测装置是无效的，停止偏移等会降低定位无效。5、结构刚度的影响若部件结构刚性较差，有一个大的间隙和机器的固有频率低，通过惯性冲击的影响较小，此时就会产生振震动。不仅降低了其定位精度，同时也减少了它的寿命。所以应选择合理结构，这样的话就会增加机械手固定的频率和遭受惯性载荷的性能。 2.4.2有关机械手的运动对其采取深入的运动特性来分析与研究，这样有利于选用适当的操作环境。在这里，我们选择了工业机器手已存在的运动，在大减速的情况下。图2-4 运动特性曲线图根据如上所述的图2-4表示，变速操纵显示相等或不等的加速度加速，减速也被划分为不等的等减速运动，加速度等没有减速的被运行着，因为行程短的速度，这将有助于提高机器手操作速度。特征：速度上面的变化差不多是连续的，基本上不会产生太大的影响，符合运动的精度、定位精度等等2.5机械手的控件控制与位置控制所谓开关型的机械手就是以电器开关、转换位置的阀门以及节流阀还有机械挡块来作为控制元件的部件。机械挡块定位：通常情况下发生在速度减缓之后的，使其运动的力施压在挡块上面，还有一个就是施压在活塞盖上面来进行有效的定位，这样可以快速找到对应的位置在运行过程中。这里的挡块可以 划分成：单点的与多点的两种。气动机械手的速度控制：它具备了很多优势，但无论什么设备肯定会存在短处的，他也不例外，他的压缩性能 很大，随之而带的阻尼效果也不明显。所以比较适合这一特征的缓冲回路就是液压缓冲。电气开关定位：通常被用来定位电动的机械手配置就是电磁制动器这一装置。一旦机械手运行达到它的所在位置点的时候，这个时候行程开关就会发出需要定位的信号让其进行工作。液压机械手的速度控制：对于速度控制一般采用的是控件控制的，这里用到的是节流降低速度方法。很少会有人用其他的办法例如：蓄能器与溢流阀。当然这里也可以用几种混合在一起使用。气液组合的液压结构是一般常用的配置，也是生产中比较常见的。开关型机械手的定位系统：都有其独立性。总结：这个办法又有点也有缺点。优点就是：大致的结构比较简单易懂，操作起来比较安全可信赖，如果坏掉的话可以及时的维修而且简单方便。缺点就是：不能准确的定位，比较耗时。2.6电动型的控制及其位置操控我们在进行操作的时候为了更加方便地操作机械手的速度以及位置变化，一般运用到的驱动装置是：凸轮机构、连杆机构。其工作的特征是运行速度可同步而不会出现错误的运作轨迹。通过以上叙述与对照，选择的要领，定位选用机械挡块定位。综上所述，通过对比得出结论，缓冲方式选择为：液压缓冲器和油缸一段的部位，用机械挡块对其进行定位。2.7机械手类型确定综上所述，我觉得选择电动机械手比较合适本次的设计。至于为什么我会这样的选择原因有两点：精度跟成本。因为是单个的零件多数的生产，所以我们很有必要考虑到成本的问题。上面所提到的那个气动与液压控制的机械手对于制作上面的规定还是比较高的，这样的话那么制作的成本相对比较高。到目前为止，电动的机械手发展的还算是完美的而且精度和成本还是很划算的。2.8 驱动系统和电控系统的选择2.8.1合适的驱动选择据我所知道的几种驱动系统：液压、气压、电机驱动、机械式这个四个类型。机械手仅仅可以选择一个驱动来用，当然也可以在几个方面联合 驱动器一起使用，每个驱动的特征都是不一样的，应该要根据实际设计的与其特征对应最后选出合适的。考虑到各种因素使得伺服电机是我最终选择的设计路线。其特征标书如下所示：1、 主要分为异步电机与直流电机，输出的力矩比较大2、 其控制性能与其他的比起来略差一些3、 需要配置减速装置，其体积略微的大一些4、 维修起来比较方便5、 成本低2.8.2合适的电控选择机械手电子控制系统有许许多多的类型，除此之外还有专门使用的机械手，具体的电控系统应该放在实际操作中去运行，有些还是需要专门进行设计的.下表2-1就是各种方式的比较方式。 表2-1控制系统的比较比较内容控制系统固定系统可编程序继电器线路半导体逻辑电路顺序控制器示数再观成计算机动作程序容量动作程序较少 动作程序可以较多通常情况下是十六的但是也可以加大为三十二或者比这个还要多控制的参数1、动作程序 2、动作到达的位置或时间3、夹放信息4、连锁信息 5、这些信息固定于线路之中不能任意变动1、 动作程序2、 动作到达的位置或时间3、 时间信息4、 夹放信息5、 联锁信息6、 程序终了信息这些信息可以任意安排1、 动作程序2、 时间信息3、 动作应到达位置或时间4、 夹放信息5、 联锁信息6、 运动速度信息7、 定位精度信息8、 程序终了信息编排程序范围大，可装各种传感器制造与维护后期的保养比较容易操作简单制造简单，维护方便，体积小跟买回来的厂商签订协议，维护人员要具备一定的维修知识里面的内部构造比较复杂，维护起来是一个难点行程检测元件行程开关，机械挡块行程开关，机械挡块行程开关，电位器电位器，旋转变压器，光栅等使用寿命寿命比较短短寿命比较高寿命比较高寿命比较高成本便宜较便宜成本较高成本较高根据以上的信息，把方案一假设成继电器路线；方案二假定为半导体逻辑路线；方案三是顺序控制的路线；方案四是示数展现，如下表2-2所示。表2-2设备技术评价得分方案1-4的分数 1 2 3 4理想的控制通用性 2 2 3 3 4领域 2 2 3 3 4制造方便 3 3 2 1 4程序容量 3 2 2 2 4总分数 10 9 10 9 16技术价X 0.625 0.5625 0.625 0.5625 1.00 表2-3设备经济评价得分设备的经济评价特性 方案1-4的分数 1 2 3 4理想的成本（元件） 3 3 2 1 4制造与维护成本 3 3 2 1 4寿命 2 3 2 3 4元件耗费 2 2 3 3 4总分数 10 11 9 8 16经济价Y 0.625 0.6875 0.5625 0.5 1.00 选项1显然更适合本设计的思路，控制电路中就使用继电器来实现2.9换刀过程整个的换刀过程如下图2-5、2-6、2-7所示：1. 备刀：当机器准备开始运作的时候，根据T代码的操作命令对数控机床进行必要更换新的刀具，调换到指定位置，为了做好刀具“预选”的行为变化做好充分的预备。2. 主轴定向准停：换刀命令后，第一就要为主轴找到准确的位置来把当前的动作停掉，定向和定位的反向与主轴一致。此时，Z轴迅速向上移动到换刀的位置，刀杯旋转90，从而让平行于主轴轴线的刀具轴在一个水平位置上面。3. 回转并且抓刀：当主轴达到一定的位子，而在90度结束后的动作刀库到达了换刀位置。电机带动着换刀机构运作，机械手80度转驱动ATC凸轮机构，双方被抓爪抓到了换刀位置。实行了机械手的回转并且抓刀的动作。4. “卸刀”：经过上面的机械手做好了夹刀操作之后，刀库和主轴里面的刀具加紧装置一起释放。放开了刀具，电机带动着换刀机构，向下的方向伸出其手爪，此时就可以把需要的刀具取出来了，完成卸下刀的过程。5. 交换刀具：上面的动作结束之后，电机带动着换刀系统，机器手旋转180度的刀库端刀具和。6. “装刀”：完成上一个动作之后，电机带动着换刀机构。机器手往上面退回时，将刀库与主轴一旁的刀具一起装进到对应的位置，从而，这两个的固定不放的设备也一起被夹住了。7. 撤回装置：该刀库并在夹紧刀具主轴夹紧完成专项任务后，电机驱动来进行换刀，机器80度反向旋转回起始位置（当臂180度，夹持器互换两侧旋转），完整的ATC动作此时就结束了。最后换刀结束了，这个时候主轴只要向下运动就可以举行下个动作，此时的刀套是需要往上旋转90的。图2-6 刀盘、主轴、位置图图2-7 机械手和主轴的位置图3机械手零部件设计3.1 手爪部分设计机械手手爪捕获和释放的作用是工作的一部分，并确保该刀具不从抓刀换刀过程中飞走。到此刻为止，加工中心夹具夹持器品种繁多，应当说是每个制造商展现出来带有自己特色的机械手。市场上使用的最频繁的就是下面的四种机械手了：单臂单手。“回转式的单臂的双手机械手”：180度的平行线，手的类型比较多。比较经常见的有：牢固的双手式、可伸缩的双手式、剪刀式等。这种类型机械手可以进行的动作主要是：抓住刀具、拉出道具，和该刀库中插入在刀具主轴中（或转运）。跟单臂的相比，换刀时间能够被缩短。像这样一类的机械手始终得到最广泛的使用，他所形成的方式也是最宽广的。“单臂单手式的机械手”：这样的机械手的运动轨迹是直线往复的类型，他一般情况下的状态是保持这两个之间是平行的。机器手插补运动轴的特征是通过他的各种运动加上刀具的移动都是做的是水平直线运动。由于旋转运动而产生的一种引力，使得机械手能容纳一个刀部没有离心力比较方便操作，只要两个弹簧卡刀夹住就可以了。但是需要对刀具进行挨 个换刀动作，而且用时不可以重叠，这样一来的话就会产生较长的换刀时间。举个例子比如说带刀库的转塔头换刀结构，它的主轴不工作的时间与其工作的时间重叠。这种类型的机械手可以被考虑一下，价值还是可观的。多手式机械手：这种类型的机械手是被挨个使用的，这个可以是独立主轴机床（刀库与机器手是一个整体），并且自带转塔头刀库与两个主轴。一般的厂商是很少用这个形式的。双手式机械手：它的手臂一般具有两种运动的形式。一种是仅做来回直线运动的，使之具有双手并行和手折叠样式。该类型机械手可以作为运输工具，使用大容量远行运动。从主轴，特别是分置式刀库和ATC来说。另外一个是机械手有回转运动的。由于这两个运动形式可以再主轴正在进行工作的时候进行换刀或者还刀，所以它的换刀时间还是相对比较少的。节省了大量的换刀时间。综上所述，选择了第一个类型的机械手作为我的手爪部分的设计，在装夹刀的上面我用的是钩手。这样选的原因很简单主要是他的构造比较简单易懂、装卸容易，不需要额外的驱动来操作，以及其他特点。其简图如下所示。图3-1 钩手结构图根据3-1的图可以知道，当它在运作的过程中，第一次接触的是与钩手，因为机械手做的是连续运转，刀把对顶柱有压缩的作用。顶柱的顶端后部紧接着的为一个弹簧，而且位于顶柱并未被锁住，因此这个时候顶柱收入到手臂里面。所述平滑柄钩到旋转端的顶部，此时旋转完成了。而顶柱是被弹力给弹回原处的，瞄准顶柱锁顶，顶栏不能行走，卡住，抓取刀就完成了。考虑到刀具负重的领域，由于钩刀爪抓刀后的结构中，工具重量集中在内侧爪刀投影，不连续到工具1/10的列权重的顶。因此抓完刀后，通过准确牢固的位置的 顶柱供给的推力超过由顶部获得的力，所以它必须能够固定住刀具，而不必担心该刀具在做旋转运动的时候他会掉落下来的因素。手爪的三维建模图如下：3.2 手臂的设计由于其工作的时候速率较高，在系统中的定位方向应确保其操作时的平稳性。依照这样的话就大大的提高它的工作效率、工作性能等其他方面而且也会增强其使用的寿命。在设计的过程中需要注意的事项主要有一下几点：1.避免臂部重心不均匀通常的时候，悬臂活动于手臂，手腕与其手爪部分的策划，尽力使其支持中心的运动，避免偏离正中心。只要出现物体侧重于一边的现象，它会造成额外的弯矩，使其引导设备造成不平均的磨损。在旋转轴重心附动压，改变它的运动方向，尤其是当速度产生突然变化的时候这个状态尤为明显。这将导致机械手进行不间断的震动，会导致致命的卡死。避免发生该情况的方法：（1) 无法防止一些机械手构造的加重应加强向导功能，最大限度地减少偏重对于运动时产生的影响。（2）部件的合理分配，增加上臂配重的重量，以便手臂平衡。（3）减少手腕，手部的重量，而且要尽力可能降低偏心负载。可以用钢材来制造该类型的手臂以及手爪2.加强臂部刚度加强手臂的强度主要就是要降低手部的颤抖，有助于增加找到固定位置的准确度，通常使用的是导向，以确定定位的准确形式。3.改善精度与缓冲缓冲设备是主要的机械手装置，来保证在运动过程中的稳定性能，减缓运动的时候带来的震动。“机械冲击”：这是一个手臂的移动和定位装置相撞而产生的。是能够用来与缓冲设备相抵消的。4.对应的措施用精密部件提高，减少了空隙，有助于稳定的运动，尤其是在他在需要运动特别快的时候，一定要保持高的准确度和配合度。 机械手的固定件在操作的时候会受到变化的负载的施压，所以一定要用到防松的方法。根据上面说到内容，我当使用一个完全对称的中央机构，并通过调改变螺栓的松紧来改变整个手臂是否处于水平的位置中。由于该轴的直径小的原因，以使机器手臂工具更换也比较小，所以不适合于键来进行两者的相接。因此，采取了膨胀环与标准连接到机械手与手臂ATC 臂轴。它具有很好的对称性，并且能提供很高的扭矩，构造体系容易，体积小，是理想的类型。手臂的形状完全是参照书上的资料画的，基本上是满足要求的。下图就是手臂和刀爪的结构简图：图3-2 换刀臂的结构图它的换刀过程是这样的：在它的两边各自有一个手爪，刀具被弹簧的力道顶住一个顶柱顶靠在固定装置中。当顶柱被弹簧弹起来的时候刀具就被夹紧了，不能撤退到后面去，保证机械手活动过程中，手爪中的刀具不会被扔出去。当手臂垂直轴转过一定的角度的时候，顶柱被挡块压下去，这个时候的另一个顶柱就可以运动了，让机械手可以抓、放刀具，这样方式的换刀简便多了。3.3机械手传动结构的设计依照上面的介绍我用的是凸轮驱动。现在加工中心经常会应用到的机构就是。与旧式的系统（气动），油液换刀，其具有快的进行换刀，换刀的可行度比较高，流畅的运动特性。以至于使其得到了广泛的应用。；另一是用凸轮机构来进行“抓刀”与“换刀”行为。原理见下图5-弧面凸轮 6- 连杆机构 7-机械手 8-滚动盘 9- 电气信号盘3-3凸轮换刀原理图它的结构原理想必都是了解的，它主要由这几个组成的分别是：连接杆、机械手、电动机、减速器、平面与弧面凸轮结构等组成。在换刀的过程中，连续旋转驱动马达由一个凸轮齿轮单元和换刀的装置连接到电源，供给电力。并且利用平面凸轮、弧面凸轮及其相对应的机械构造，驱动电机组建成机械手间歇运动抵消了原来的连续式动作。如上图所示看出，平面凸轮与锥齿轮经过与减速器的连接。为了实现机械手的主轴上面的运动“抓刀”、“换刀”，一旦电动机启动的时候，就会通过连杆6联动机械手一起运作，这个动作是在垂 直方向上的上、下运动。两个不同面的凸轮相接在一起，通过电机的带动的下做的是往复旋转运动，而此时的花键是被滚动盘带着一起运动的，花键的轴带着电动动机械手7在平面方向上做旋转运动。从而落实了从机械手转位，这里也用到了电气的互锁。弧面凸轮转角平面凸轮转角 由上图3-4可知：由驱动电机，弧面凸轮在7.5度57.5度的领域内运动，以至于完成了操作机械手80度的换位。在57.5度72.5弧凸轮度的领域内，凸轮面不会发生的运动，而是释放刀具。随着凸轮继续72.5度到137.5度，平面凸轮由一个连杆机构操纵器向下移动驱动的领域内旋转；这下，在72.5度到117.5度，只有平面凸轮驱动以在同一时间的机器手的向下移动的操作领域内拉出刀库中的主轴刀具；两个凸轮在一个时间内操作，即：继续下行，机械手的过程中，他已经开始180度旋转换位，目的是为了快速的进行换刀。在凸轮从117.5度到242.5度的领域内的旋转，弧形凸轮从动机械手180度标引，完整了主轴和刀库的换刀；等到了了222.5度到242.5度的领域内，这两个凸轮同时操作，平面凸轮已开始被由机械手的向上运动通过连杆机构来执行的，这样做是为了增加刀具的换刀V（速度）。到了222.5度这时候，其驱动对应的装置做向上的动作，而主轴，刀库装刀的装置；这个步骤的领域内的222.5度到287.55度以可以结束“装刀”操作。在287.55度到302.5度下，圆弧凸轮的领域内，这两个凸轮不会发生这个一个运作，机身“夹紧”操作中的刀具，这个步骤是通过机器的“气动”与业压系统来达到目的。最后在302.5度360度这个领域区间内，其驱动机械手做好了向相反的方向转动的这一操作，这个时候的手臂是返回到初始的位置并且整个刀具交换的这一过程也意味着完工了。4相关部件的计算4.1 手臂弯曲计算手臂或多或少会在进行换刀的时候存在弯曲变形，这个也是我所考虑到的地方。受到这样的变化主要有来源于两种因素：自重与其他的元素。假如弯曲太大的话，也许造成换刀臂与工具干扰，使得机器损坏。重力臂通过简化的方式进化为410毫米的长度，宽度90毫米，高度35毫米的矩形来进行简便的运算， 刀具的质量所受的力 手臂材料的抗拉强度 屈服强度 图4-1臂的受力图手臂的荷载情况可以简化为上图所示如图所示，可简化为悬臂梁来进行解决相关的问题，那么任何一个横截面上的弯矩为： 式（5.1） 得挠曲线方程刀具重力所造成的弯曲： 式（5.2） 式中 F 杆上任意一点到固定端的距离 指物料的 其自身重力所造成的弯曲： 式（5.3） 其中刀具的重力所引起的弯曲： 式（5.4） 刀臂自重所引起的弯曲： 式（5.5）端截面转角为由于刀具重力所引起的弯曲: 式（5.6）刀臂自重所造成的弯曲： 式（5.7）计算得刀具重量所造成的弯曲： 3.1刀臂自身重量所造成的弯曲： = 根据以上的计算，弯曲换刀具手臂是很小的，不会导致其在该任务的实际工作中的影响，是满足要求的。4.2 连杆的强度计算这里是将其等换成一种悬臂梁，其承受负载的变化如下图。图4-2悬臂梁的受力。将轴等同是一圆孔的大小是为50毫米，长是560毫米的圆柱型来换算的存在风险的断面发生在B上，且 抗弯截面系数:定义断面的高度为H,宽度（B）的矩形计算如下 式（5.8）通过上面的计算可以得到 因此该种的选择是正确的不会产生不必要的意外。4.3 驱动电机的选择如何选择合适的电机：1.根据施加到驱动电机轴的载荷转矩TL负荷转矩选定，电动机可能没有超过额定不间断的转矩T扭矩的产生是机械手手臂重量不均衡的原因，手臂的形状是导致这一现象的主要原因。还有摩擦的力的也是负载转矩的产生的一个缘由。非均匀平衡的质量，据以实现在所述机器手臂的两头进行运算，其刀具的均匀质量是所述刀具的质量中心，运动的圆一半距离可以根据其质心，从设备到轴之间的长度来进行运算。接触所引起的摩擦力矩锥齿轮计算的标准按照接触表面压力来。根据上面的计算，相当于负载转矩来计算转动电机主要公式为 式(5.9) 式中 i传动比 传动时的实效为了切合比较真实的情况，计算复合物的条件组电动机额定转矩T负载转矩应倍以上计算出的负载转矩，相当于计算转动电机轴，即 式(5.10)2.TL，即 式 (5.11)负载转距TL的计算方法，在前面已论述。加速转距Ta按下式计算： 式 (5.12)式中 转子的转速 加速的时间 表示电机的转子惯量，是在机械手册上面查的 负载惯性折算到电动机上的惯量提高速度的时候应该满足下面的条件，即 式 (5.13)3.检查计算成效是不是符合下列关系式 式 (5.14)综上所述，最后决定选用型伺服电机的型号为MCN家的CF22电机。，详细的参数如下：额定电压，额定功率。启动转距为，转速15001800rpm，它的运行功率大小是22瓦，运行电流的大小是0.24安培。4.4弹簧的选取与计算按照承受载荷的大不相同，弹簧有很多种分类：拉伸式、压缩式、扭转式与弯曲弹式，这里我主要选择的是普通的圆柱压缩弹簧，类型是。为了让其可靠的工作，用时应具有韧性跟塑性。选用的材料是60Si2Mn,许用切应力为选择的环绕比C=8，所以对于圆截面弹簧丝可以按照如下的计算来： 式 (5.15) 式中选择弹簧的中径为 计算弹簧丝直径 式(5.16)式中d弹簧丝直径 C环绕比4.5螺栓的确定为了更好的将机械手的各个部分相连接，我采用的连接方式是螺栓连接，用的是比较普通的，对一个来进行验证 式 (5.17)式中 F摩擦参数的表示 I结合的面的个数，这里取值为2 K防滑系数，这里取1.2 式 (5.18) 查的工程材料一书上面得出，螺栓的材料为Q235，它的许用拉伸应力为所以计算结果如下： 这里经过大致的运算我选择的是d=14mm,因为是要选择大一点的,所以采用的是M14这个螺栓。4.6 轴的设计轴是组成一个传动部分的重要部件，它的主要功能是传递运动与动力支持，并且制成回转零部件。所以运动形式为回转的或者是需要传递一定的动力就需要用到轴。轴的材料主要有两种：优质碳素钢与合金钢。两种钢材都各自有自己的特点，合金钢主要是硬度高且淬火性好；而碳素钢在对内部应力变化方面的灵敏性比较低，且容易购买、成本低廉、制作工艺简单等特点。1. 轴的材料选择综合考虑各种因素，选用的为45钢较为合适。2.按照扭转强度条件计算这个方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用应力的办法予以考虑。轴的扭转强度条件为 式 (5.19)式中 扭转切应力，MPa； 轴所受的扭矩，N.mm； 轴的抗扭矩截面系数，mm3； 转速，r/min；许用扭转切应力见表4-1表4-1轴的材料Q235、20Q275、354540Cr、SiMn15-2520-3525-4535-55 A0149-126135-112126-103112-97由式5.18可得轴的直径 式 (5.20） 由表格4-1可以知道，A0取值为126-103，即为1103. 明确其转速 由于整个换刀的动作所需要的时间为0.25秒，转速n= 最后根据一系列的计算得出来d 图4-3 轴4.7 三维建模爆炸图图4-4 三维建模图结 论 本毕业设计论文中介绍的题干主要包括几个方面：数控系统；加工中心；ATC机械手，具体的过程如下：1. 机械手的手爪抓取刀具和它的如何运转是我设计的主要部分。对于如何选择的传动方式我是通过几种对比的方法来弄的，上面说到了几个方案。最后 ，我选择的是凸轮联动机构作为传动。因为气 动与液压的对于加 工的精度要求都是比较高的而且运算的成本也比较高。由此，我了解到了凸轮机构它的传动简单易懂要求并不是像前面两个的那么苛刻。结论就是凸轮联动最适合作为我的传动形式。2.凸轮驱动联动型最重要的特点是它的两个凸轮，另一个是一个平面的 凸轮。其中，所述平面的部分是轮组件，推杆在主轴和由受控凸轮盘弹簧夹或夹紧工具被固定在主轴的前端。ATC槽凸轮控制反相关特征研究，可借鉴工具，或插入到工具主轴的运动。电弧控制凸轮换刀转动，使该杂志与主轴之间的CAN通讯工具。当刀具加工中心提供的交流
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