液压机械手设计说明书范本

年4月19日液压机械手设计说明书范本文档仅供参考前言近年来,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。机械手虽然当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。第1章液压机械手总体方案设计1.1机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:1.1.1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1.1.1直角坐标式布局示意图1.1.2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。这种方案能够集中设计液压站,易于实现电气,油路定点连接,可是占地面积大,手臂悬伸量较大。图1.1.2立柱式机械手布局示意图1.1.3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1.1.3机座式机械手布局示意图1.2总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,经过液压缸通油,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,经过活塞的直线运动,带动腕部使其能够绕着回转销轴转动。回转运动经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,能够利用挡块定位,且定位误差在0.5~1mm。具有结构简单、传递扭矩大、传动效率高等特点。图1.21液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:1.抓重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R175柴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250X170X140mm而柴油机机体选用的材料是铸铁,密度为0.01g/mm2柴油机机体的壁厚一般为15~25mm因此,可算出机体本身的质量为12Kg,机械手应该有一定的安全度,取安全系数为1.3,可得机械手的抓重为15Kg。2.自由度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,可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3~4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,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,因此:即机械手的自由度为5。3.运动速度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;可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30min/件,手臂工作的回转半径为1000mm,加工过程所需时间为26min,因此,机械手抓取和送放的运动速度为0.1m/s。4.行程范围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。5.位置精度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度,另外,它还与机械手的抓重及运动速度有关。当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,而不论起点到终点的运动过程。因此,能够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:1.油压设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1.6MPa,液压泵的工作压力和流量,考虑到进油路的压力损失取=0.3×106Pa,油液的泄漏系数取λp=1.1,抓取动作和回转动作所需的工作压力为=1.1MPa,选用的流量为4.5L/minMPaL/min符合设计的要求。因此拟定的液压系统方案中,油压参数定位1.6MPa。第2章执行机构的设计2.1抓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,经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。2.1.1夹持力的计算当机械手水平夹持工件时图2.11水平夹持物体受力图根据手指受力分析,可得:联立可解得:夹紧工件所需的力;工件的重力;,尺寸。根据任务书的要求,代入=15Kg, 并取=50mm,=80mm。可得:N因工件在传输的过程中会产生惯性力,震动等影响,故实际力机械效率,=0.85~0.95取=0.9安全系数,=1.2~2取=1.5工作情况系数,N2.1.2液压缸驱动力的设计计算图2.12液压缸驱动手爪受力图因为因此由结构设计可得mm,mm。Nmm,mm。2.1.3夹紧液压缸主要尺寸的确定驱动力,系统工作压力取N/mm2,机械效率取=0.9按照JB-826-66的标准,取,液压缸壁厚的确定根据试验压力,MPa许用应力选取30钢为液压缸材料,可得=200MPa将数据代入:mm根据工艺的要求,取mm液压缸外径及长度的确定:长度取.2.1.4液压活塞缸的设计已知:1.活塞液压缸,,mm,mm选用30钢材料。2.活塞杆选用45钢,活塞直径的d计算与校核:查机械材料手册能够得到:b=355MPa,s=600MPa;则MPamm根据GB/T2348-1993选定的活塞杆:mm因此:mm活塞杆的强度符合设计要求3.活塞:选用20钢材料。考虑到密封和紧固,将活塞设计成如下图活塞密封件采用标准件,因此活塞上开槽的尺寸就能够确定了。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。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,轴肩的高度为1mm,能够采用公称直径为M8的圆螺母。查标准GB/T6179-1986可得:图开槽圆螺母同时,查GB/T91-与其相配合使用的是开口销2x16。材料为Q215或 Q235。图开口销4.本设计采用弹簧使抓取液压缸复位。根据弹簧设计计算公式:图弹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,能够按照第三类弹簧来考虑,现选用弹簧钢丝为C级,并根据估计弹簧的直径为3mm,查表可得MPa,能够算得MPa选取旋绕比C=6则由:选取=4mm,查得不变,故不变,取mm则计算得=1.26与原值相近,因此取=4mm弹簧的大径mm取MPa则取5弹簧校核:根据:综合上述两式可得:=106.48<150符合设计的要求。极限工作应力:取极限工作载荷:MPa查标准GB/T1239.6-1992选取弹簧的截面直径为mm,中径为mm,自由高度为mm。有效圈数为5圈。选用弹簧的材料为65Mn,弹簧硬度要达到45~50HRC.图弹簧5.抓取液压缸端盖:图液压缸端盖O型密封圈具有结构简单,截面尺寸小,密封性能好,摩擦系数小,容易制造等特点,可用于静密封和滑动密封。其结构简单紧凑,摩擦力比其它密封圈小,安装方便,价格便宜,可在-40~120°C温度范围内工作,使用的速度范围是0.005~0.3m/s。适用于本设计,因此采用O型圈密封。聚四氟乙烯是一种新型塑性材料,摩擦系数极小,耐磨性好,而且能在干性和油性的环境下工作。因此添加了聚四氟乙烯制成的密封导向环,不但能够阻隔各种杂物,还能起到密封的效果。端盖采用的是法兰式的连接,这种结构简单,加工方便,连接可靠。缸筒端部可用铸造。管道尺寸的计算和确定:油管的内径是根据管内允许的流速和所经过的流量来确定的:即:式中:——经过油管的流量;——油管中允许的流速。而压力管道内的流速取m/s。计算所得根据GB/T1047-1995可得到管径为mm6.管接头的选择:扩口式管接头适用于薄壁钢管,接头采用55°密封管螺纹,由内外螺纹的配合能够具有密封性。查GB/T3747.1-1983可得:图管接头回转缸设计本设计采用单叶片式回转缸,它由定子块,缸体,叶片,回转轴组成,其中定子块固定在缸体上,叶片和回转轴固定在一起。当液压油从一个入口进入缸体的时候,叶片被推动并带动回转轴转动,同理,从相反的入口进入能使其逆向转动。单叶片式回转缸结构紧凑,输出的扭矩大,能够用于中低压的系统作往复运动。考虑到摆动缸的容积效率和机械效率,叶片式摆动缸轴输出扭矩式中:叶片数;叶片宽度;缸体内孔直径;叶片轴直径;缸的进口压力;缸的出口压力;缸的输入量。该设计选用1.6MPa的油压,而出口的回油压力约为0.2MPa。为了方便固定叶片,叶片轴的直径初步定为=25mm图回转缸剖面图叶片与叶片轴之间采用销进行定位,为了方便拆装和维修,选用内螺纹圆锥销,底部的螺纹孔可起到拔销的作用。查GB/T118-选取A型内螺纹圆锥销,GB/T1186X24图内螺纹圆锥销本设计采用伸缩缸和回转缸复合,回转缸的回转轴是由活塞缸的后端部构成的,这种设计结构紧凑,操作方便,特别是对于液压系统能够集中控制。图0机械手抓取机构如图所示,液压叶片回转缸的回转轴与液压活塞缸做成一个整体,使得结构非常紧凑,轴向尺寸小,液压系统的油路布置清晰,密封的环节能够集中处理,便于检修和维护。2.2机械手手腕部设计:图2.2.1机械手腕部外观图液压机械手的腕部利用销轴铰接在机械手臂上,使其能够绕着销轴转动。为了保证销轴回转精度和延长使用寿命,在销轴与手臂之间设一个耐磨的青铜轴套,轴套与机械手臂之间的配合采用基孔制,而轴套与轴之间回转的过程中会产生热量,引起销轴的变形,因此,选用的配合。腕部采用液压活塞缸驱动,固定在腕部的连杆与液压活塞缸的活塞杆相连接,经过活塞杆的直线运动来驱动机械手腕部转动。伸缩缸选择:考虑到该设计手腕部所需的回转扭矩较小,拟选用YY_CA_B32-100-0.0001液压缸活塞杆外端形式选择:图2.2.2活塞杆接头安装的结构为铰制接头,孔径为mm,活塞杆的直径为mm。液压缸用双耳环支座安装:图2.2.3液压缸安装支座双耳环支座的参数如图所示。2.3机械手臂设计俯仰运动时驱动力的计算图2.3.1手臂受力图()而作用于活塞上的驱动力;P液压缸的工作力;D活塞缸的内径;密封装置的摩擦阻力非工作缸的油压(背压)当手臂处在俯角的位置时,驱动力矩为:当手臂处在水平位置时,,驱动力矩为手臂俯仰时的驱动力矩,应克服手臂部件及工件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩、手臂启动时的惯性力矩以及各回转副的摩擦力矩,即手臂作俯仰运动时的偏心力矩,手臂上仰为正,下俯为负;手臂做俯仰运动的惯性力矩;手臂作俯仰运动时,各运动副的摩擦力矩;能够初步确定机械手臂的尺寸。图2.3.2手臂对手臂受力进行计算图2.3.3手臂受力校核手臂在水平方向上的力平衡:同理,在竖直方向上的力平衡:手臂上的所有力对于O点力矩平衡:NN2.4机械手底座机身设计底座机身设计有安装耳环,液压缸的耳环与机身底座经过销轴铰接,用螺栓锁死。既能够满足液压缸在机身上的定位要求,又能够保证液压缸在回转和直线运动中不会偏转。机身的设计如图所示:图2.4.1机械手底座具体设计机身底座的参数如下:图2.4.2底座2.5回转工作台设计回转工作台安装:回转工作台的箱体设计有光孔,并安底座。因此机械手的底座能够安放在工作台上或支架平台上。箱体材料为HT200中等强度的灰铸铁,需时效处理。定位方式:该设计采用行程开关与机械挡块相结合进行定位。当机械手臂回转到设定的角度时,碰上挡铁,压下行程开关,经过压力继电器发出信号给时间继电器,使得机械手停留一段时间再开始下一个的动作。停留的时间由时间继电器来调定的。挡铁的设置主要是保证回转角度的精度。齿轮传动:图2.5.1圆锥直齿轮传动用轴交角=90°的一对圆锥直齿轮将扭矩由沿水平方向转换成竖直方向。选取齿轮材料为45钢,经调质处理后表面淬火,硬度达到40~50HRC。采用直尺锥齿轮,它具有齿形简单,制造容易,成本较低等特点。齿轮的轴向定位要保证正确啮合,齿轮在轴上的位置应该可靠,空套齿轮和固定在轴上的齿轮的轴向定位可采用隔套定位。利用齿轮压板将齿轮进行轴向定位和紧固。图2.5.2齿轮轴向定位轴:传动轴除应满足强度要求外,还应满足刚度要求。强度要求保证轴在重复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。回转台的主传动系统精度要求不高,允许有少量的变形,因此,疲劳强度一般不是主要矛盾,除载荷很大的情况下,能够不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形(弯曲,失稳,转角)。若刚度不足,轴上的零件如齿轮,轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作,或产生振动和噪声,发热,过早磨损而失效。因此,必须保证轴有足够的刚度。能够先扭转刚度估算轴的直径,再根据受力情况,结构布置和有关尺寸,验算弯曲刚度。轴选用的材料为45钢,经过调质处理,使硬度达到200~240HBS轴1的直径:计算剖面处轴的直径(mm)轴的许用应力(MPa)轴传递的额定扭矩(N·mm2)查表得:=35MPa=9550000计算可得轴的直径=18mm取安全系数=1.5因此=27mm将轴径进行圆整,取=30mm按许用弯曲应力来校核该轴:计算面上的工作应力计算截面上的合成弯矩轴计算面上的转矩根据转应力变化的校正系数许用疲劳应力根据Kwr/min对于轴的受力情况,在轴向受到转应力为脉动循环,因此取-=0.7查手册可得=60-=9550000=19.860MPa按照刚度校核轴:轴的弯曲变形的条件和允许值机床的主传动轴的弯曲刚度验算,主要验算轴上装齿轮和轴承出的挠度y和倾角。各类轴的挠度y,装齿轮和轴承处的倾角,应小于弯曲刚度的许用值和,即。轴的弯曲变形的允许值:轴的类型允许挠度变形部位允许倾角一般传动轴(0.0003~0.0005)装轴承处,装齿轮处0.00250.0001刚度要求较高的轴0.00021装单列圆锥滚子轴承0.0006安装齿轮的轴(0.01~0.03)装滑动轴承处0.001该设计的回转工作台要求的回转精度不高,经过挡铁定位,对于运动的平稳性要求也不高,且转速不高。因此,设计结构简单,定位可靠,轴上不需要开槽、钻孔和切制螺纹,因此不影响轴的疲劳强度,而且结构重量轻。图2.5.3轴对于回转台回转所需的扭矩较大,轴上采用花键来传递扭矩。本设计选用矩形花键,以其承载能力高、定心性及导向性好。矩形花键轴:平均直径=(D+d)/2当量直径=惯性矩:I=花键的校核:花键的受力是在侧面,因此,其主要的失效形式是表面被压溃,花键的连接强度为:根据GB/T1144-选取轻系列的8X32X36X6;8X42X46X8二种类型的花键。为了避免齿轮在花键上滑移而影响定位精度,可在轴上开螺纹孔,经过螺栓将齿轮固定在花键上。滚动轴承计算与选择a,寿命计算公式:滚动轴承的寿命计算公式如下:式中:L—额定寿命(x)转C—额定动载荷(Kgf)P—当量负载荷(Kgf)——寿命指数,对球轴承=3对滚子轴承=10/3在实际计算中,一般采用工作小时数表示轴承的额定寿命,这时上试可变为:=式中:—额定寿命(h)n—轴承的计算转速(r/min)当量动载荷P=X+Y式中:—径向负荷(Kgf)—轴向负荷(Kgf)X—径向系数Y—轴向系数(2)按照负载荷选择轴承按额定静负载选择轴承的基本公式如下:=式中:—当量静负荷(Kgf)按下列两式计算,取大值—额定静负荷(kgf)—安全系数电机选择:电动机一般由专业工厂按标准系列成批大量生产.在机械设计中,根据工作载荷、工作要求、工作环境、安装要求及尺寸、重量有无特殊限制等条件从产品目录中选择电动机的类型和结构型式、容量和转速、并确定其具体型号.一般将电动机的选择分三个步骤选择电动机的类型和结构型式。选择电动机的容量。确定电动机的转速。1)步进电机的工作原理:步进电机有转子、定子和定子绕组。定子绕组分若干相,每相的磁极上有极齿,转子在轴向上有若干个齿。当每相定子绕组通以直流电激磁以后便能够吸引转子的齿与定子上的极齿对齐,因此它是按照电磁体的作用原理进行工作的。步距角,其中m为相绕组,z为转子齿数,k为通电方式系数。2)步进电机的工作特点:A、步进电机受脉冲电流的控制,其转子的角位移和角速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,改变通电顺序能够改变步进电机的旋转方向;B、维持控制绕组的电流不变,电机便停在某个位置上不动,即步进电机有自整的能力,不需要机械制动;C、有一定的步距精度,没有累积误差;D、其缺点是效率低、拖动负载的能力不变、脉冲当量(步距角)不能够太小、调速范围不大、最高输入频率一般不超过18000HZ。步进电机选择a、计算步进电机的负载转矩(N·cm)式中:————脉冲当量(mm/step);————进给牵引力(N);————步距角,初选双拍制为0.75°;————电机——丝杠的传动效率,为齿轮、轴承、丝杠效率之积,分别为0.98,0.99,0.99和0.94。N·cmb、估算步进电机的起动转矩N·cmc、计算最大静转矩查表取五相十拍,则N·cmd、计算步进电机运行频率和最高起动频率HzHz试中:————最大切削进给速度(m/min);这里为1.5m/min;————最大快移速度(m/min),这里为2.4m/min;————脉冲当量,取0.01mm/step。e、初选步进电机型号根据估算出的最大静转距查得110BF004最大静转距为784>,能够满足要求,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130BF001步进电机,查得130BF001步进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。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()能够按下试计算:Kg·cm2⑴试中:——步进电机转子转动惯量(Kg·cm2)——工作台及工件等移动部件的重量(N);,——齿轮的转动惯量;初选反应式步进电机130BF001,其转子转动惯量为:=4.65Kg·cm2对于轴、轴承、齿轮、联轴节等圆柱体的转动惯量计算公式为:(Kg·cm2)对于钢材,材料密度为代入上式,有:Kg/cm2式中:——圆柱体质量(kg);——圆柱体直径(cm);——圆柱体长度(cm);因此:=Kg·cm2=Kg·cm2=Kg·cm2代入式⑴考虑步进电机与传动系统惯性匹配问题:／基本满足惯性匹配的要求。第3章液压驱动、控制系统的设计3.1液压驱动回路设计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:1.1调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3.1.1调压回路1.2调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,经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,溢流阀在工作时为常开,经过溢流出多余的油液而维持系统压力的基本平衡。经过中间缸活塞二边的运动保持两缸的流量基本相等。图3.1.2调速回路1.3保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3.1.3保压回路1.4换向回路采用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3.1.4三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,可是仍要保持一定的压力。此时能够将三位四通阀处在中间位置,经过中立加压能使整个回路转化为差动电路,不但能为下步的油缸的运动加速,还能起到密封的功能。三位四通阀能经过电磁控制,因此,能够经过设定的程序来调控电信号的变化,从而经过三位四通电磁阀改变油路的变化。1.5缓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。图3.15缓冲回路3.2控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,经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,在系统中经过反馈校正来改进控制系统的性能。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3.2.1反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。3.3液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,也能够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。两泵能够经过溢流阀调定的压力来控制。选用双联叶片泵,其型号为YB-6/40,系统的压力为1.6~2.5MPa,电动机的功率为5.5Kw.同步转速为1500r/min。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1.6~2.5MPa,为一般液压系统,液压系统中固体颗粒的大小约为25~50μm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:Y6-60;单向阀:Y10B;调速阀:Q63B;节流阀:L-25B;换向阀:34E-63B。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=6.3Mpa则:缸筒内径D=mm,按JB2183-77,选取D=40mm;由活塞杆直径d=0.45D=0.4540=18mm。按JB2183-77,选取d=20mm。驱动缸外径及行程:按GB1068-67得D’=60mm;由GB2349-80选取缸的行程S=650mm。强度校核:A、壁厚校核:由于,故可视为薄壁,=≈2.4mm;显然=10>2.4mm,故壁厚安全。B、活塞杆的稳定性校核:活塞杆断面回转半径k=20/4=5mm;m=85,由于两端铰链n=1;故细长比l/k=630/7=90,而=85;故l/k>,因mm4此时P==1005kN;而实际使用时,为了保证活塞杆不产生纵向弯曲,则P≤P/nF=1005/4=251.3kN。(nF=4)参考文献[1]天津大学<工业机器手设计基础>编写组.工业机器手设计基础[M],天津;天津科技出版社,1980[2]华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学,主编.机床设计图册［M］,上海;上海科学技术出版社,1981.5[3]何存兴.液压元件[M],北京;北京机械工业出版社,1982[4]王占林.近代液压控制[M],北京;北京机械工业出版社,1997[5]<机械设计手册>编辑组编.机床设计手册［M］.北京:机械工业出版社,1986.12[6]雷天觉.新编液压工程手册[M],北京;北京理工大学出版社,1998[7]濮良贵,纪名刚．机械设计第七版[M]．北京:高等教育出版社,．5[8]卜炎．机械传动装置手册[M]．北京:机械工业出版社．1998．12[9]陈宏钧．实用机械加工工艺手册第二版[M]．北京机械工业出版社,．1[10]哈尔滨工业大学理论力学教研室编．理论力学第六版[M]．北京:高等教育出版社,．4[11]刘鸿文．材料力学第四版[M]．北京:高等教育出版社,．3[12]张利平．液压传动系统及设计[M]．北京化学工业出版社,北京工业装备与信息工程出版社,．8[13]马纲,王之栎,韩松元．一种新型搬运码垛机械手的设计[J]．北京:北京航空航天大学,100083

[14]章跃,张国生．机械制造专业英语[M]．北京机械工业出版社,1999．12[15]杨叔子杨克冲．机械工程控制基础第五版[M]．武汉:华中科技大学出版社,．7[16]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理第七版[M]．北京:高等教育出版社．5[17]李广弟,朱月秀,冷祖祁.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,.6[18]李建勇.机电一体化[M].北京:科学出版社,谢辞本次设计是对自己大学四年来所学东西的一次总结,在设计中出现过许多的状况,也从中学习了许多。从分析论文的任务要求,到搜索相关的资料,拓展自己的知识面,一步步收获颇多。我最初做了一套设计方案,但到后来做到一定的程度时,我发现最初的设计有很大的缺陷,”从头再来”。这无疑是对自己设计的一次挑战和创新,我接受了颜老师给我的建议,从她的身上,我学到了许多,一种以身作则,一种负责的态度,一种豁达的人生观。一种学机械就必须按照一定的标准来衡量一切事物的方法论。感谢颜竟成老师对我的精心指导。英文翻译ACutterOrientationModificationMethodfortheReductionofNon-linearityErrorsinFive-AxisCNCMachiningABSTRACTInthemachiningofsculpturedsurfaces,five-axisCNCmachinetoolsprovidemoreflexibilitytorealizethecutterpositionasitsaxisorientationspatiallychanges.Conventionalfive-axismachiningusesstraightlinesegmentstoconnectconsecutivemachiningdatapoints,anduseslinearinterpolationtogeneratecommandsignalsforpositionsbetweenendpoints,Duetofive-axissimultaneousandcoupledrotaryandlinearmovements,theactualmachiningmotiontrajectoryisanon-linearpath.Thenon-linearcurvesegmentsdeviatefromthelinearlyinterpolatedstraightlinesegments,resultinginanon-linearitymachiningerrorineachmachiningstep.Thesenon-linearityerrors,inadditiontolinearityerror,commonlycreateobstaclestotheassuranceofhighmachiningprecision.Inthispaper,anovelmethodologyforsolvingthenon-linearityerrorsprobleminfive-axisCNCmachiningispresented.Theproposemethodisbasedonthemachinetype-specifickinematicsandthemachiningmotiontrajectory.Non-linearityerrorsarereducedbymodifyingthecutterorientationswithoutinsertingadditionalmachiningdatapoints.Anoff-lineprocessingofasetoftoolpathdataformachiningasculpturedsurfaceillustratesthattheproposedmethodincreasesmachiningprecision.KeywordNon-linearerror;Machinekinematics;Machiningmotiontrajectory.INTRODUCTIONInconventionalfive-axismachining,atoolpath,representedbythecutterlocationsdata(CLDATA),consistsofthespatiallyvaryingcutterpositionsanditsaxisorientations.TheseCLDATAaregeneratedbasedsolelyonthegeometricalpropertiesofthemachinedsurfacesandthecutter.TheseCLDATAarefurtherprocessedintoNC-codeswhichisspecifictoaparticularmachineconfiguration.Linearinterpolationisthenusedtogeneratetherequiredcommandsforpositionsalonglinesegmentconnectingthemachiningdatapoints.Thesimultaneouslinearandrotarymovementsareinvolvedinfive-axismachiningsinceevernewcutteraxisorientationrequiresthemotionatleastoneotheraxis.Therearealsocouplingeffectsofthecutteraxiswillaffectthepositionofthecutter.Thesesimultaneousandcoupledmovementscausethecuttercontractpoint(CCpoint)tomoveinanon-linearmanner.Asaresult,themachiningerrorineachmotionstepismadeupofnotonlythelinearsegmentationapproximationerrorbutalsoanadditionalmachiningerror.Asshowninfigure1formachiningiseitheraconcavesurfaceoraconvexsurface,alinesegmentisusedtoconnecttwoconsecutivemachiningdatapoints(thespindlechunkisthemachinecontrolpointMCP).Linearinterpolationgenerateintermediatepositionsalongthelinesegment.Thedesiresurfaceisdesigncurve(eitherconcaveorconvex).Thelinearsegmentapproximatestodesigncurveresultinginthelinearityerror,δt.Apartfromthelinearityerror.Thenon-linearCCpointtrajectorydeviatesfromthestraightlinesegment(thecuttergagelengthisconstantandMCPisinterpolatedalongthelinesegment)resultinanadditionalmachiningerror,referredtoasthenon-linearityerror,δn.Inthecasethatthedesiresurfaceisconcave(seefigure1a),thetotalmachiningerrorisdifferenceofthenon-linearityerrorandthelinearityerror:δtotal=δt-δn.Thenon-linearityerror,inthiscase,compensateforthetotalmachiningerror(AIGPPost-processor,1996;Liu,1994).Onthecontrary,forthemachiningofconvexsurfaceasshowninfigure1b,thenon-linearityerroraddsontothelinearityerrorandenlargesthemachiningerror:δtotal=δt+δn(AIGPPost-processor,1996;Liu,1994).figure1.Themulti-axisCNCmachiningerrorConsequentlythenon-linearityerrorhavecauseddifficultiesforensuringultra-precisionmachiningrequirements.Inthemachiningofairfoilsurface,forexample,themachiningofthecontoursurfaceofairfoiltotheedgesisproblematic.Thesurfacecurvatureontheseareachangesabruptly,andthusthecutterorientationvariesinconsistentlyfromonecuttertothenext.Theseabruptcutterorientationvariationsinconsistentlyfromonecutterlocationtothenext.Theseabruptcutterorientationareatypicalnon-linearityerrorproblem.Inordertosolvethefive-axisCNCmachiningerrorproblem,effortshavebeenmadetotreatnon-linearityerrorsingenerateNCcodes.Someresearchersandpostprocessorproducersused”linearizationprocesses”forthispurpose.Thebasicfunctionof”linearizationprocesses”areinsertingmachiningdatapointsbetweenNCcodeswherethetotalmachiningerrorisoutofthespecifiedtolerancerange.Takeuchietal.(1990)insertedpointsbysubdividingthelinesegmentwithequallyspacedinterval.Choetal.(1993)inserteddatapointsbylimitingthemaximummachiningerrorwithinthelineintervalfromthestartpointtotheinsertedpointtobethetolerance.And,bothofthemsetthecutterorientationsvaryinglinearlyinsuccessivepositions.IntheAutomationIntelligenceGeneralizationPostprocessor(AIGP)(1996),a”linearizationprocesses”calculatesthemiddlepoint(MP)betweenadjacentNC-codesandinsertstheMPasanadditionaldataintheNCcode.TheinsertioncanbeperformedfurtherbetweentheconsecutiveNC-codeduntileitherallpointsarewithinthemachiningtoleranceoruntilamaximumof63pointsareinsertedbetweentheconsecutivedatapoint.Thecurrentpost-processors,suchastheVanguardCustomPost-processorGenerator(1996),theOminimillCustomPostprocessor(1992),theAIXNumericalControlPostGenerator(1996),areallhavingthesimilar”linearizationprocesses”asintheAIGP.InthecurrentCAD/CAMsoftware.Unigraphics(),theUG/postpostprocessorsinsertsdatapointsbetweenadjacentNC-codes,therebysimulatingastraightlinewithseriesofsmallcurves.Thenumberoftheinsertedpointsisdeterminedbasedonthemaximumallowabledeviationandaniterationmethodisusedtosegmentthemove.Intheextremecase,namelyafterlooping20times,ifthedeviationbetweenthesegmentedarcsandthelinearestilloutofthespecifiedtolerancelimit,theprocessisaborted.”linearizationprocesses”discussedabovemanipulateNC-codesbyinsertingextramachiningdatapoints.AlthoughtheproducedNC-codessatisfythemachiningrequirement,theymaycontaindensesetsofnon-equallyspaceddatawithconstantorlinearlyvaryingcutterorientation.Consequently,thelinearizationprocesshasraisedthefollowingproblems.Inthemachiningofcomplexcontoursurface,thecutterorientationvariesfromonecutterlocationtothenext.Thecutterpositionchangesinthiscasecannotbetoosmallsincethemachinewillproduceeitherjerkmotionorrandomrotarymovements.Asinanindustrialprocedureofmachiningairfoilsurfaceofanimpeller,alinearizationprocesswasusedtoreducethenon-linearityerrors.ManydatapointswereinsertedbetweenapairofNC-codes.Theinsertionofmanydatapointscausedthecutterpositionchangetobenearlyequaltozerowhilethecutterorientationchangedabruptly.Asaconsequence,themachinerotarymovementswererapidwithinfinitefeedrate.Randomrotarymovementsresultedandtheworkpiecewasdamaged.Theinsertionofmachiningdatapointscanalsocausenon-constantfederatealongthecuttingcurve.Theinsertionofadditionaldataresultsinnon-equallyspacedsegment,whileaccelerationanddecelerationstepsarerequiredforeachsegment.Thus,thefeederatevariesineachsegmentandmayneverreachthedesiredvalue.Theresultofvaryingfeederatecausesanonsmoothsurfacefinishandtheunreachablefeedrateincreasesoverallmachiningtime.Inaddition,theinsertionofconstantcutterorientationvariationalsocausessevereroughnessaroundtheendpointsalongthesurface.Linearlyinaccuratelysincethechangeincutterorientationisnotnecessarilylinear.Thenon-linearityerrorproblemarisesfromthefactthatfive-axismachiningmotiontrajectoriesarenon-linearcurvesegments.Thesimultaneousandcoupledrotaryandtranslationmovementsgeneratethenon-linearitymotiontrajectory,andthelinearinterpolationtechniqueisnotcapabletocurvefitthenonlinearpath.Onesolutiontoistodesignnewinterpolationmethods.Liangetal.()presentedacombine3Dlinearandcircular(3DL&C)interpolationtechnique.Thenew3DL&Cinterpolationcanon-linedrivetherotationmovementpivotalongapre-designed3Dcurvepath,sothattheCCpointmotiontrajectoryisaviaastraightlineconnectingmachiningdatapoints,thus,thenon-linearityerrorcanbeeliminated.Five-axismachiningmovementsarekinematicallyrelatedtothecutterlocationdata.Inotherword,thenon-linearmotiontrajectorydependsonthecutterorientationchangesandnon-linearityerrorsarerelatedtothetoolpathgeneration.Thus,anothersolutiontothenon-linearityerrorproblemcanbeapproachedfromtoolpath(CLDATA)generationwiththerequirementsthatthemachiningerrorsareminimizedandthereisnointerferencebetweentheworkpieceandthecutter.Intoolpathgeneration,varioustechniquesfordifferentsurfacerepresentationshavebeenusedbytheCAD/CAMpackageproducers(CLDATA,1996;Unigraphics,1990)andresearchers.HuangandOliver(1992).Bedietal.(1997)presentedaprinciplecurvaturealignmenttechniqueforfive-axismachiningusingatoroidalshapedtool.Liu(1995)presentedthesinglepointoffsetandthedoublepointoffsetalgorithmsforfive-axisflankmillingtoolpathgenerationbasedondifferentialgeometryandanalyticalgeometry.Morishgeetal.(1999)presentedatoolpathgenerationmethodforfive-axisCNCmachining,whichappliestheC-space(a3Dconfigurationspace)todeterminecollision-freecutterpositionsanditsorientation.Theseresearchworkontoolpathgenerationareallbasedexclusivelyonthegeometricofthemachinedsurfacesandthecutter,withoutconsideringthemachining-specificmachiningkinematics.Asaresult,thegeneratedtoolpaths(themachiningNC-codestransformedfromtheseCLDATA)commonlycauseobstaclesformeetingtheultra-precisionmachiningrequirements,particularlyforthecutterorientationgenerationinfive-axismachining.Thus,theproblemwithpresentoff-linetoolpathgenerationapproachesisthattherealmachiningkinematicsisnotdirectlyincorporated.Toensuremachiningprecision,cutterorientationgenerationshouldbebasednotonlyonthegeometryofthemachinedsurfacesbutalsoonthemachinetype-specifickinematics.Inthispaper,anovelmethodologyforsolvingthenon-linearityerrorprobleminfive-axismachiningispresented.ThemethodoptimizestheCLDATAbasedonmachine-specifickinematicsandmachiningmotiontrajectory,wherebythecutterorientationsaremodifiedtoreducethenon-linearityerrorsprovidedthatthereisnointerferencebetweenthecutterandtheworkpiece.Asoftwareprogramforimplementingtheproposedmethodispresented.Asanapplicationofproposedmethod,acasestudyispresented,whichshowsanincreaseinmachiningprecisionascomparedwiththoseprocessedbytheexistingAIGP’smethod.PROPOSEDTOOLPATHGENERATIONMETHODThemachiningnon-linearityerrorsdependupontheactualCCpointtrajectory,sinceaCCpointtrajectoryisafunctionofthemachinerotaryvariables,eachactualCCpointtrajectorycanbemanipulatedwithinthetolerancelimitbychangingthemachinerotaryvariables,providedthatthereisnointerferencebetweentheworkpieceandthecutter.Furthermore,becauseofthemachinerotaryvariablesarekinematicallyrelatedtothecutterorientationchanges,thenon-linearityerrorproblemcanbeapproachedbymanipulatingcutterorientations.Toproposedmethodreducesthenon-linearityerrorsbydeterminingtheacceptablemachinerotaryvariablesemployingthemachinemotiontrajectorymodel,andbymodifyingthecutterorientationthroughthemachinekinematicrelations.Itmustbeemphasizedthatthemachinekinematicpropertiesandmotiontrajectoryaremachinetype-specific.Hence,themodificationofCLDATAhastobecarriedoutinteamsofmachinevariablesandsubsequentuseofthekinematictransformationtodeterminethemodifiedCLDATA.TheprocedureoftheproposedmethodstartswiththetransformationoftheCLDATAtomachiningNC-codesbyemployingthemachine-typespecificinversekinematicmodel.Inteamsofmachinevariables,theactualmachiningmotiontrajectoryisdeterminedbyusingthespecificmachinemotiontrajectorymodel.Then,themachiningerrorsaredetermined.Thelinearityerrorisafunctionofsurfacelocalcurvatureonthecuttingcurveandthestep-forwarddistance.Fromthecubicsplinecuttingcurvefunction,thesurfacelocalcurvaturecanbedetermined.ThelinearityerrorforeachmovethencanbecomputedfromtheadjacentCCpointdataandthesurfacelocalcurvature.Byknowingthelinearityerror,theallowablenon-linearityerrorcanbedeterminedasthedifferenceofthelinearityerrorfromthespecifiedmachiningtolerance.Usingthemachinetrajectorymodelandthelinesegmentequation,themaximumdeviationcanbedetermined.BytakingsamplepointsonbothoftheCCnon-linearcurveandthelinesegments,themaximumchorddeviationisthemaximumnon-linearityerror.Inthestepswherethemaximumnon-linearityerrorexceedstheallowablenon-linearityerror,theproposedmethodmodifiesthemachinerotaryvariablechanges.Themodificationiscarriedoutbyincreasing/decreasingamachinerotaryvariablevariationasmallangleintheplanecontainingthetwooriginalcuttervectors,andbyadding/subtractingtheangletotheoriginalmachinerotaryvariables.Thenewrotaryvariablesarethenusedtocalculatetheresultantnon-linearityerror,whichinturniscomparedagainwiththeallowablenon-linearityerror.Thus,byusingthedifferencebetweentheallowablenon-linearityerrorandmodifiednon-linearityerrorasthecriterion,theacceptablemachinerotaryvariablescanbedetermine