壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說(shuō)明書(shū),咨詢(xún)Q 197216396 或 11970985數(shù)控機(jī)床自動(dòng)自動(dòng)換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)
數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)
摘 要
為了更好的應(yīng)用，機(jī)床工業(yè)中的對(duì)應(yīng)機(jī)械手獲得了廣泛的研究，然而，有限的工作空間， 比較差的靈活性，復(fù)雜對(duì)應(yīng)機(jī)械手的難于設(shè)計(jì)，導(dǎo)致人們把目光投向于少于6個(gè)自由度的對(duì)應(yīng)機(jī)械手，本篇論文描述了幾個(gè)在自由度的數(shù)量和類(lèi)型上都不相同的對(duì)應(yīng)機(jī)械手，這些對(duì)應(yīng)機(jī)械手可被用語(yǔ)對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器，運(yùn)動(dòng)模擬器和工業(yè)機(jī)器人。
關(guān)鍵詞：對(duì)應(yīng)機(jī)械手；對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械；自由度；機(jī)器人
Abstract
llel manipulators for the machine tool Industry have been studied extensively for various industrial applications. However, limited useful workspace areas, the poor mobility, and design difficulties of more complex parallel manipulators have led to mare interest in parallel manipulators with less than six degrees of freedom (DoFs). Several parallel mechanisms with various numbers and types of degrees of freedom are described in this paper, which can be used in parallel kinematics machines, motion simulators, and industrial robots.
Key words： parallel manipulator；parallel kinematic machine； degree of freedom；robot
目錄
緒論 ………………………………………………………………………………… 5
1機(jī)械手的相關(guān)介紹 …………………………………………………………………… 6
1.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 …………………………………………………………… 6
1.2 數(shù)控加工中心的基本功能 ………………………………………………………… 6
1.3 加工中心的組成部分 ……………………………………………………………… 7
1.3.1 刀庫(kù) …………………………………………………………………… 7
1.3.2 刀具交換裝置………………………………………………………………… 7
1.3.3 運(yùn)刀裝置 …………………………………………………………………… 8
1.3.4 刀具編碼裝置………………………………………………………………… 8
1.3.5 刀具識(shí)別裝置……………………………………………………………………9
1.4 刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位………………………………………………………………… 9
1.5 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r…………………………………………………………10
1.6 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) ……………………………………………………………10
2 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 11
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)…………………………………………………………………………… 11
2.2 機(jī)械手的平穩(wěn)性……………………………………………………………………11
2.3機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性分類(lèi)…………………………………………………………… 13
2.4 開(kāi)關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制………………………………………………… 13
2.5 機(jī)械傳動(dòng)行機(jī)械手的速度及位置控制……………………………………………14
2.6 機(jī)械手類(lèi)型確定…………………………………………………………………… 14
2.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電控統(tǒng)的選擇…………………………………………………………14
3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………… 19
3.1 手爪部分設(shè)計(jì)………………………………………………………………………19
3.2 機(jī)械手手臂設(shè)計(jì) …………………………………………………………………19
3.3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………………………………………………… 22
4 換刀機(jī)械手的參數(shù)和計(jì)算……………………………………………………………… 25
4.1 手臂的彎曲變形…………………………………………………………………… 25
4.2 電動(dòng)機(jī)的選擇……………………………………………………………………… 26
5 換刀過(guò)程……………………………………………………………………………… 27
致謝………………………………………………………………………………………31
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 32
緒 論
隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已越來(lái)越引起人們的重視。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中，機(jī)械加工的快速上下刀、精確的加工都使數(shù)控機(jī)床以及數(shù)控加工中心的應(yīng)用顯得十分重要。據(jù)詳實(shí)的資料統(tǒng)計(jì)，這些費(fèi)用占全部加工費(fèi)用的五分之一以上。而大規(guī)模的機(jī)械加工中，時(shí)間的節(jié)省越來(lái)越成為生產(chǎn)者和工程設(shè)計(jì)者（或者技術(shù)人員）的追求方向，這也是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。
機(jī)械手已被廣泛用于航空、航天以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并取得較好的效果。現(xiàn)今的工業(yè)機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩類(lèi)。我國(guó)目前研制的工業(yè)機(jī)械手大多還是專(zhuān)用機(jī)械手。該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性強(qiáng)，僅附屬于某臺(tái)機(jī)床。雖然其有著通用機(jī)械手無(wú)法比擬的批量大，對(duì)某些設(shè)備（或者機(jī)加零件）的加工精確性高的優(yōu)點(diǎn)，但就目前來(lái)看，專(zhuān)用機(jī)械手存在著適應(yīng)性不強(qiáng)的弊端。這就要對(duì)其進(jìn)行必要的改造，使其適應(yīng)未來(lái)的工業(yè)發(fā)展的需要。由于通用機(jī)械手改變工作程序較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。通用機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有三十年的歷史，但這些裝置在國(guó)外得到相當(dāng)重視。所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)使用數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心一類(lèi)的較為高級(jí)的機(jī)加設(shè)備是迫在眉睫的。雖然目前我國(guó)的數(shù)控加工中心等大型設(shè)備還是依賴(lài)進(jìn)口，但相信不久的將來(lái)我國(guó)必然會(huì)設(shè)計(jì)研制出自己的設(shè)備，這需要我們所有人的不懈努力。
這次設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動(dòng)作，給機(jī)床主軸提供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。
1 換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹
1.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程
回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，六代的發(fā)展歷程。第一個(gè)階段叫做NC階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開(kāi)始小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個(gè)階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開(kāi)始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實(shí)際上從20世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專(zhuān)用封閉的系統(tǒng)，而第六代——開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
1.2數(shù)控加工中心的基本功能
帶有自動(dòng)換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機(jī)床稱(chēng)為加工中心。它通過(guò)刀具的自動(dòng)交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實(shí)現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時(shí)間，提高了機(jī)床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的數(shù)控機(jī)床。
帶有刀具自動(dòng)交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了中、小批量加工自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件。此外，它還具有生產(chǎn)率高、加工精度穩(wěn)定、產(chǎn)品成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床遂向“工序集中”，即一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機(jī)床(即加工中心)方面發(fā)展。
鉆、鏜、銑、車(chē)等單功能數(shù)控機(jī)床只能分別完成鉆、鏜、銑、車(chē)等作業(yè)，而在機(jī)械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務(wù)序加工的。在單功能數(shù)控機(jī)床的整個(gè)加工過(guò)程中，真正用于切削的時(shí)間只占30％左右，其余的大部分時(shí)間都花費(fèi)在安裝、調(diào)整刀具、搬運(yùn)、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進(jìn)行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機(jī)床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動(dòng)交換功能，零件裝夾后便能一次完成鉆、鏜、銑、攻絲等多種工序加工。
1.3加工中心的組成部分
加工中心分兩大部分：數(shù)控機(jī)床和刀具自動(dòng)交換裝置。刀具自動(dòng)交換裝置應(yīng)能滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求： ①換刀時(shí)間短； ②刀具重復(fù)定位精度高； ③識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單；④ 刀庫(kù)容量合理，占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀完整； ⑤刀具裝卸、調(diào)整、維護(hù)方便。
刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)由刀庫(kù)、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識(shí)刀器等五個(gè)部分組成。
1.3.1 刀庫(kù)
刀庫(kù)是存貯加工所需各種類(lèi)型刀具的倉(cāng)庫(kù)。它是刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來(lái)的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結(jié)構(gòu)、形狀可分為以下六種：① 圓盤(pán)式刀庫(kù)，又分為軸向式(刀具中心線與圓盤(pán)中心線平行)、徑向式(刀具中心線與圓盤(pán)中心線垂直)和多盤(pán)式(在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤(pán)刀庫(kù))。 ②轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫(kù)。④ 鏈?zhǔn)降稁?kù)。 ⑤格子式刀庫(kù)。 ⑥直線式刀庫(kù)。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫(kù)的存儲(chǔ)量。根據(jù)對(duì)車(chē)床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計(jì)表明，在加工過(guò)程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對(duì)于鉆削加工，用14把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足夠了。對(duì)于銑削加工，需要的刀具更少，用4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約90%加工，用5把不同規(guī)格的銑刀可以加工95%的工件。因此從使用角度來(lái)看，刀庫(kù)的存儲(chǔ)量一般為20~40把較為合適，多的可達(dá)60把刀，超過(guò)60把刀的很少。
1.3.2 刀具交換裝置(機(jī)械手)
它的職能是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。換刀機(jī)械手種類(lèi)繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家都可以推出自己的機(jī)械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類(lèi)。
無(wú)機(jī)械手換刀：由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。在這類(lèi)裝置中，刀庫(kù)一般為格子式，裝在工作臺(tái)上。換刀時(shí)，先使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將使用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)，然后再使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)一次，從刀庫(kù)中取出新刀。這種換刀方式的換刀時(shí)間長(zhǎng)，另外刀庫(kù)設(shè)置在工作臺(tái)上，減少了工作臺(tái)的有效使用面積。
采用機(jī)械手換刀：機(jī)械手刀具交換裝置，有單臂單手式機(jī)械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、多手式機(jī)械手。特別是雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短、動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。雙臂機(jī)械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的基本動(dòng)作為：抓刀(手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)里的刀具)；拔刀(主軸松開(kāi)，機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫(kù)中的刀具拔出)；換刀(手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換)；插刀(同時(shí)將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫(kù)，然后主軸夾緊刀具)；縮回(手臂縮回到原始位置)。機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機(jī)械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。
1.3.3 運(yùn)刀裝置
當(dāng)?shù)稁?kù)容量較大、布置得離機(jī)床較遠(yuǎn)時(shí)，就需要安排兩只機(jī)械手來(lái)完成新舊刀的交換動(dòng)作，一只靠近刀庫(kù)，稱(chēng)為后機(jī)械手，完成拔新刀、插舊刀的動(dòng)作；一只靠近主軸，稱(chēng)為前機(jī)械手，完成拔舊刀、插新刀的動(dòng)作。在前后機(jī)械手之間則設(shè)有運(yùn)刀裝置。它一方面將前機(jī)械手從主軸上拔出的舊刀運(yùn)回刀庫(kù)旁，以便后機(jī)械手將該舊刀拔出并插回刀庫(kù)；另一方面則將后機(jī)械手從刀庫(kù)中拔出的新刀運(yùn)到主軸旁，以便前機(jī)械手將該新刀拔出并插入主軸。運(yùn)刀器的職能就是在前后機(jī)械手之間來(lái)回運(yùn)送新、舊刀具。
1.3.4 刀具編碼裝置
將加工所需的刀具自動(dòng)地從刀庫(kù)中選擇出來(lái)稱(chēng)為自動(dòng)選刀，有順序選擇和編碼選擇兩種方式。
順序選擇方式： 將在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀庫(kù)中。加工時(shí)按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識(shí)刀器，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置都非常簡(jiǎn)單，每次換刀時(shí)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)位一次即可。采用順序選刀方式時(shí)，為某一個(gè)工件準(zhǔn)備的刀具，不能在其他工件中重復(fù)使用，這在一定程度上限制了機(jī)床的加工能力。
固定地址選擇方式：這是一種對(duì)號(hào)入座的方式，又稱(chēng)為刀座編碼方式。這種方式是對(duì)刀庫(kù)的刀座進(jìn)行編碼，并將與刀座編碼相對(duì)應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對(duì)的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在加工過(guò)程中多次使用。
編碼選擇方式： 將加工某一項(xiàng)零件所需的全部刀具(或刀座)都預(yù)先編上代碼，存放在刀庫(kù)中。加工時(shí)根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒?。由于每把刀具都有自己的代碼，它們?cè)诘稁?kù)中的位置和存放順序可以與加工順序無(wú)關(guān)。每把刀具都可被多次重復(fù)使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號(hào)碼。選刀時(shí)根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號(hào)指令任意選擇所需的刀具。由于每把刀具都有自己確定的代碼，無(wú)論將刀具放入刀庫(kù)的哪個(gè)刀座中都不會(huì)影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡(jiǎn)化換刀動(dòng)作和控制線路，縮短換刀時(shí)間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。刀座編碼：在刀庫(kù)的每一個(gè)刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)是刀柄不會(huì)因尾部有編碼環(huán)而增加長(zhǎng)度；缺點(diǎn)是刀具必須對(duì)號(hào)入座，換刀時(shí)間長(zhǎng)。 編碼鑰匙：預(yù)先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。
1.3.5刀具識(shí)別裝置
通常有接觸式和非接觸式兩種。
1.4刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位
刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式。電氣驅(qū)動(dòng)可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)仍需電氣信號(hào)的配合，PC 給出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，一般通過(guò)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制，只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液動(dòng)馬達(dá)。在執(zhí)行ATC 過(guò)程時(shí)，除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外，為確保所更換的刀具準(zhǔn)確地被機(jī)械手抓住，所以刀庫(kù)的定位也是必要的功能。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)可在電機(jī)上安裝位置編碼器進(jìn)行定位,也可以在抓刀位置安裝接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)定位。液動(dòng)結(jié)構(gòu)的刀庫(kù)往往采用機(jī)電結(jié)合式的銷(xiāo)定位方式。半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的定位精度較高,其它幾種方式也足以滿(mǎn)足刀庫(kù)定位精度的要求。
1.5我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
??? 在對(duì)內(nèi)搞活，對(duì)外開(kāi)放的方針指引下，于1980年開(kāi)始引進(jìn)日本就有70年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動(dòng)技術(shù)。并于1981年開(kāi)始生產(chǎn)，到1988年又開(kāi)始引進(jìn)美國(guó)的GE和DYNAPATH公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動(dòng)技術(shù)，在上海市機(jī)床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產(chǎn)。1985年以后，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過(guò)300種，其中數(shù)控機(jī)床占40%，加工中心占27% ，其它品種為重型機(jī)床、鏜銑床、電加工機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家共有100多家，其中能批量生產(chǎn)的企業(yè)有42家，平均年產(chǎn)量40~50臺(tái)，幾家重點(diǎn)企業(yè)年產(chǎn)量可以達(dá)到400~700臺(tái)；數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)約50家，但生產(chǎn)具有一定批量的只有8家，生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計(jì)300余家，產(chǎn)品品種包括八大類(lèi)2000種以上。我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類(lèi)型，經(jīng)濟(jì)型、普及型、和高級(jí)型。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，我國(guó)具有很大優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前每年數(shù)千臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床和電加工機(jī)床的市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)上，我們正在取得進(jìn)展。當(dāng)然，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)在市場(chǎng)的開(kāi)拓上仍要盡更大的力量。新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，在技術(shù)上也有所突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進(jìn)給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術(shù)等為下一代國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
1.6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)際上，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)正朝著高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)、并聯(lián)機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。
2換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)任務(wù)
本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：自動(dòng)換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)數(shù)控鏜銑床的自動(dòng)換刀，需要換的刀具主要是BT40型刀柄，需要實(shí)現(xiàn)的工作是抓刀—換刀—松刀的動(dòng)作。
主要技術(shù)參數(shù)：刀具最大重量6kg，雙臂回轉(zhuǎn)式換刀，刀臂數(shù)量和長(zhǎng)度以及直徑主要依據(jù)配套刀庫(kù)的設(shè)計(jì)要求。換刀時(shí)間2.5S。
.
2.2機(jī)械手的平穩(wěn)性
工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械手工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高。應(yīng)注意其影響因素，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足要求。
1、影響平穩(wěn)性以定位精度的因素
（1）、慣性力的影響
圖 2.1 慣性曲線
機(jī)械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動(dòng)、部件松動(dòng)、零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)歸路變化，同時(shí)，在保證剛度的前提下，減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件的重量。
（2）、結(jié)構(gòu)剛度的影響
零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動(dòng)。不但降低定位精度，而且降低機(jī)械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。
（3）、定位方法的影響
常用的定位方法中，電氣開(kāi)關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機(jī)械擋塊的定位最高。
（4）、控制系統(tǒng)的影響
電控系統(tǒng)的誤差，閥類(lèi)泄漏，檢測(cè)元件失靈，擋塊偏移等會(huì)降低定位失靈。
（5）、驅(qū)動(dòng)源的影響
液壓、氣壓、電壓及油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。
2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性
深入分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。下面為我們所選工業(yè)機(jī)械手所具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在減速較大時(shí)的情形。
圖 2.2 運(yùn)動(dòng)特性曲線
按上圖的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)動(dòng)，其減速過(guò)程亦分為等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行，在呈等加速運(yùn)行，而不等減速運(yùn)行時(shí)，由于速度行程短，故有利于提高機(jī)械手的工作速度。
特點(diǎn)：速度變化基本上連續(xù)，運(yùn)動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，可以滿(mǎn)足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。
2.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性的分類(lèi)
1氣動(dòng)機(jī)械手
氣動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用氣缸端部節(jié)流緩沖裝置、氣路節(jié)流緩沖回路、液壓緩沖氣等。定位系統(tǒng)采用機(jī)械擋塊或多點(diǎn)定位幾機(jī)構(gòu)定位精度。
2液壓機(jī)械手
液壓機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用油缸端部節(jié)流緩沖裝置及緩沖回路、減壓節(jié)流繼續(xù)能緩沖系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。定位系統(tǒng)采用關(guān)閉電磁換向閥定位精度、機(jī)械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。
3電動(dòng)機(jī)械手
電動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用反接制動(dòng)電路、減速電路、凸輪或連桿機(jī)構(gòu)等。定位系統(tǒng)采用電磁制動(dòng)器、脈沖電路定位精度、機(jī)械擋塊定位精度等。
4機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手
機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連桿機(jī)構(gòu)。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點(diǎn)、連桿極限位置。
2.4開(kāi)關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制
用電氣開(kāi)關(guān)、換向閥、節(jié)流閥和機(jī)械擋塊等來(lái)控制的機(jī)械手稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型機(jī)械手。
一、 液壓機(jī)械手的速度控制
開(kāi)關(guān)型液壓機(jī)械手一般采用截流減速方法，少數(shù)采用蓄能器或溢流閥減速方法，也可以幾種方法一起采用。
二、 氣動(dòng)機(jī)械手的速度控制
氣動(dòng)機(jī)械手有很多優(yōu)點(diǎn)，但氣動(dòng)的壓縮性大，阻尼效果差。符合大的氣動(dòng)機(jī)械手采用液壓緩沖回路。
一般采用的裝置是氣動(dòng)-液阻裝置。
三、 開(kāi)關(guān)型機(jī)械手的定位系統(tǒng)
定位系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)有密切的關(guān)系，但他們都有其獨(dú)立性，例如，節(jié)流減速后既可以發(fā)出指令關(guān)閉油路定位，也可以壓在擋塊上而定位。
1、 電氣開(kāi)關(guān)定位
電動(dòng)機(jī)械手一般采用電磁制動(dòng)器定位。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信息給電控系統(tǒng)，激勵(lì)電磁制動(dòng)器而定位。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維修方便，但定位精度低。
2、機(jī)械擋塊定位
一般是在減速后，驅(qū)動(dòng)壓力將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠缸蓋而定位，定位精度較高?？煞譃閱吸c(diǎn)定位或多點(diǎn)定位的擋塊機(jī)構(gòu)。
2.5機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制
為了便于控制機(jī)械手的速度及位置，一些專(zhuān)用機(jī)械手采用凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
特點(diǎn)：工作速度可以提高而且與主機(jī)同步工作而不產(chǎn)生誤動(dòng)作。
通過(guò)以上論述和比較，選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式，定位選用機(jī)械擋塊定位。
2.6 機(jī)械手類(lèi)型確定
根據(jù)以上的介紹，通過(guò)比較我確定選用電動(dòng)機(jī)械手。這樣選擇的原因主要是根據(jù)精度和成本的原因。由于是個(gè)單獨(dú)的部件大量生產(chǎn)，成本是非常主要的原因，氣動(dòng)和液壓機(jī)械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而電動(dòng)機(jī)械手作為發(fā)展得最為完善的機(jī)械手，在精度滿(mǎn)足需要的同時(shí)，成本是最低的，所以選擇了電動(dòng)機(jī)械手。
2.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇
一、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇
機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：液壓驅(qū)動(dòng)、電壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，可以只用一種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。
. 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表“2-1”。
比較內(nèi) 容
驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)械傳動(dòng)
電機(jī) 驅(qū)動(dòng)
氣壓傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)
異步電機(jī)，直流電機(jī)
步進(jìn)或伺服電機(jī)
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大
液體壓力高，可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步
控制性能較差，慣性大，步易精確定位
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大
要油減速裝置，體積較大
體積較小
體積較大
在輸出力相同的條件下體積小
維修使用
維修使用方便
維修使用方便
維修使用較復(fù)雜
維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小
維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火
應(yīng)用范圍
適用于自由度少的專(zhuān)用機(jī)械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專(zhuān)用機(jī)械手
可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手
中小型專(zhuān)用通用機(jī)械手都有
中小型專(zhuān)用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用
成本
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低
液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜
表2-1
考慮到精度和結(jié)構(gòu)的要求，我選擇了伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。
二、 電控系統(tǒng)的選擇
機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類(lèi)型，除專(zhuān)用機(jī)械手外，大多數(shù)要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
比較內(nèi)容
控制系統(tǒng)
固定系統(tǒng)
可編程序
繼電器線路
半導(dǎo)體邏輯電路
順序控制器
示數(shù)再觀成計(jì)算機(jī)
動(dòng)作程序容量
動(dòng)作程序較少
動(dòng)作程序可以較多
動(dòng)作順序一般為16步可擴(kuò)展為32部或更多
動(dòng)作程序較多通常為200步可擴(kuò)展更多
控制的參數(shù)
1、動(dòng)作程序
2、動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間
3、夾放信息
4、連鎖信息
這些信息固定于線路之中不能任意變動(dòng)
1、 動(dòng)作程序
2、 動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間
3、 時(shí)間信息
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 程序終了信息
這些信息可以任意安排
1、 動(dòng)作程序
2、 時(shí)間信息
3、 動(dòng)作應(yīng)到達(dá)位置或時(shí)間
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 運(yùn)動(dòng)速度信息
7、 定位精度信息
8、 程序終了信息
編排程序范圍大，可裝各種傳感器
制造與維護(hù)
維護(hù)簡(jiǎn)單方便體積較大，制造簡(jiǎn)單
制造簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，體積小
一般由專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專(zhuān)業(yè)知識(shí)人員維修
線路復(fù)雜，制造，維護(hù)調(diào)整均較困難，需專(zhuān)業(yè)人員維修
行程檢測(cè)元件
行程開(kāi)關(guān)，機(jī)械擋塊
行程開(kāi)關(guān)，機(jī)械擋塊
行程開(kāi)關(guān)，電位器
電位器，旋轉(zhuǎn)變壓器，光柵等
使用壽命
壽命低
壽命較高
壽命較高
壽命較高
成本
便宜
較便宜
成本較高
成本較高
使用范圍
用于動(dòng)作少，速度低的專(zhuān)用機(jī)械手
用于速度快節(jié)拍短的專(zhuān)用機(jī)械手
適用于動(dòng)作較多，速度變化多即一般機(jī)械手
動(dòng)作多，程序復(fù)雜的高級(jí)通用機(jī)械手適用
表2-2
我們可設(shè)繼電器線路為方案1，半導(dǎo)體邏輯線路為方案2，順序控制器為方案3，示數(shù)再現(xiàn)成計(jì)算器為方案4。
設(shè)備的技術(shù)評(píng)價(jià)特性
方案1-4的分?jǐn)?shù)
1
2
3
4
理想的
控制通用性
2
2
3
3
4
范圍
2
2
3
3
4
制造方便
3
3
2
1
4
程序容量
3
2
2
2
4
總分?jǐn)?shù)
10
9
10
9
16
技術(shù)價(jià)X
0.625
0.5625
0.625
0.5625
1.00
表2-3
設(shè)備的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)特性
方案1-4的分?jǐn)?shù)
1
2
3
4
理想的
成本（元件）
3
3
2
1
4
制造與維護(hù)成本
3
3
2
1
4
壽命
2
3
2
3
4
元件耗費(fèi)
2
2
3
3
4
總分?jǐn)?shù)
10
11
9
8
16
經(jīng)濟(jì)價(jià)Y
0.625
0.6875
0.5625
0.5
1.00
表2-4
顯然可以知道方案1比較適合，即采用繼電器線路進(jìn)行控制。
3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 手爪部分設(shè)計(jì)
手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了鉤手的結(jié)構(gòu)，這樣選擇的原因是鉤手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝拆卸方便，不需要額外的驅(qū)動(dòng)，抓刀方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。
圖3.1 鉤手結(jié)構(gòu)示意圖
如圖3.1所示，當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，鉤手與刀柄先接觸，由于機(jī)械手繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，刀柄對(duì)頂柱有擠壓作用，頂柱的后面是彈簧，并且定位頂柱沒(méi)有鎖定，所以頂柱收縮到機(jī)械手臂內(nèi)，刀柄順利進(jìn)入鉤手內(nèi)，旋轉(zhuǎn)結(jié)結(jié)束，頂柱通過(guò)彈簧的彈力恢復(fù)原位，定位頂柱鎖頂，頂柱不能移動(dòng)，卡住刀具，抓刀結(jié)束。
刀具重量的范圍，由于溝手結(jié)構(gòu)的刀爪抓刀后，刀具的重量集中在刀爪內(nèi)圈的突起上，頂柱受力不到刀具重量的1/10，所以當(dāng)?shù)蹲ψサ逗螅啥ㄎ豁斨峁┑耐屏h(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂柱所受到的力，所以肯定能把刀具固定住，而不用擔(dān)心刀具會(huì)在機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的時(shí)候掉下來(lái)。
3.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)
機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)位置應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這樣可以提高機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，可以提高機(jī)械手適用的可靠性，并提高使用壽命。
一、 臂部要防止偏重
通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計(jì)臂部、腕部和手部結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量使其總的重心在支撐中心，防止對(duì)支撐中心的偏重。一但偏重，將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩，引起導(dǎo)向裝置不均勻的磨損。在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，偏重對(duì)回轉(zhuǎn)軸附加有動(dòng)壓力，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時(shí)更加明顯，這些都將引起機(jī)械手的振動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)造成卡死。
預(yù)防的措施：
1、 減輕腕部、手部的重量，并盡量減少偏心載荷?？刹捎娩X合金制造腕部和手部。
2、 合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。
3、 某些機(jī)械手結(jié)構(gòu)上無(wú)法避免偏重，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，盡量減輕偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。
二、 加強(qiáng)臂部剛度
提高臂部剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，有利于提高定位精度，故常采用導(dǎo)向形式來(lái)加強(qiáng)定位。
三、 改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度
機(jī)械手的緩沖裝置是保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和減少振動(dòng)的主要措施。
機(jī)械沖擊，它是在臂部運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的。它可用緩沖裝置來(lái)消除。
四、采取的措施：
1、 提高部件的配合精度，減少間隙，有利于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，特別是高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手更需要保證加工精度和提高配合。
2、 機(jī)械手的緊固件在運(yùn)動(dòng)中受變載荷的作用必須采用防松措施。
綜合以上所述，我在設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂的時(shí)候采用了完全中心對(duì)稱(chēng)的機(jī)構(gòu)，并且通過(guò)調(diào)整螺栓來(lái)調(diào)整機(jī)械手手臂的水平。因?yàn)檎w的尺寸很小，所以機(jī)械手換刀臂的軸的直徑比較小，并不適合采用鍵連接來(lái)傳動(dòng)，所以采取了脹縮環(huán)這一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)連接機(jī)械手換刀臂和機(jī)械手換刀臂的軸。脹縮環(huán)具有非常好的對(duì)中性，并且能夠傳遞非常大的轉(zhuǎn)距，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常適用在機(jī)構(gòu)尺寸小的結(jié)構(gòu)中。機(jī)械手換刀臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.2所示。
這個(gè)手臂的形狀，完全按照中心對(duì)稱(chēng)的方式設(shè)計(jì)，但是為了適應(yīng)不同型號(hào)的刀柄，兩邊的刀爪是可以拆卸調(diào)換的。
圖3.2
3.3機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)第2章的介紹，我選擇凸輪換刀裝置作為傳動(dòng)方案。
凸輪機(jī)械手換刀裝置是目前加工中心常用的機(jī)構(gòu)之一，與傳統(tǒng)的氣動(dòng)、液壓換刀機(jī)構(gòu)相比，它具有換刀速度快、換刀可靠、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。近年來(lái)加工中心得到了廣泛的應(yīng)用。凸輪機(jī)械手換刀裝置通常由2個(gè)凸輪以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)組成，其中，一個(gè)平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)，用來(lái)完成“裝刀”與“ 拔刀”動(dòng)作；另一個(gè)弧面凸輪帶動(dòng)凸輪分度機(jī)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動(dòng)作。
圖3.3 凸輪機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)原理圖
1— 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 2—減速器 3—錐齒輪 4—平面凸輪
5—弧面凸輪 6—連桿機(jī)構(gòu) 7—機(jī)械手 8—滾動(dòng)盤(pán) 9—電氣信號(hào)盤(pán)
凸輪換刀裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1、減速器2、平面凸輪4、弧面凸輪5、連桿6、機(jī)械手7等部件構(gòu)成。換刀時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1連續(xù)回轉(zhuǎn)，通過(guò)減速器2與凸輪換刀裝置連接，提供裝置的動(dòng)力；并通過(guò)平面凸輪、弧面凸輪以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的間歇運(yùn)動(dòng)。
圖3.3中，平面凸輪4通過(guò)錐齒輪3和減速器2連接，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)6，帶動(dòng)機(jī)械手7在垂直方向作上、下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在主軸上的“拔刀”、“裝刀”動(dòng)作?；∶嫱馆?和平面凸輪4相連，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)滾動(dòng)盤(pán)8（共6個(gè)滾珠）帶動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)動(dòng)，花鍵軸帶動(dòng)機(jī)械手7在水平方向上作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動(dòng)作。電氣信號(hào)盤(pán)9中安裝有若干開(kāi)關(guān)，以檢測(cè)機(jī)械手實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)電氣互鎖。
弧面凸輪轉(zhuǎn)角
平面凸輪轉(zhuǎn)角
圖3.4 平面凸輪和弧面凸輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程
平面凸輪與弧面凸輪的動(dòng)作配合曲線如圖3.4所示。
在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，弧面凸輪在7.5°～57.5°的范圍內(nèi)，完成機(jī)械手80°的轉(zhuǎn)位動(dòng)作。在57.5°～72.5°的范圍內(nèi)弧面凸輪、平面凸輪均不產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，用于松開(kāi)刀具。
當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到72.5°～137.5°的范圍內(nèi)，平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)；其中，在72.5°～117.5°范圍內(nèi)，只有平面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手作向下的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手同時(shí)拔出主軸、刀庫(kù)中的刀具；在117.5°～137.5°的范圍內(nèi)，因刀具已經(jīng)脫離主軸的刀座，兩凸輪同時(shí)動(dòng)作，即：在機(jī)械手繼續(xù)向下的過(guò)程中，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行180°轉(zhuǎn)位，以提高換刀速度。
在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到117.5°～242.5°的范圍內(nèi)，弧面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行180°轉(zhuǎn)位，完成主軸與刀庫(kù)的刀具交換；當(dāng)進(jìn)入222.5°～242.5°的范圍時(shí)，兩凸輪同時(shí)動(dòng)作，平面凸輪已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行向上運(yùn)動(dòng)，以提高換刀速度。
從222.5°起，平面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手向上運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手同時(shí)將主軸、刀庫(kù)中的刀具裝入刀座；這一動(dòng)作在222.5°～287.55°范圍，完成“裝刀”動(dòng)作。接著的287.55°～302.5°范圍內(nèi)，弧面凸輪、平面凸輪均不產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，機(jī)床進(jìn)行刀具的“夾緊”動(dòng)作，這一動(dòng)作由機(jī)床的氣動(dòng)或液壓機(jī)構(gòu)完成。
在302.5°～360°的范圍內(nèi)，弧面凸輪完成機(jī)械手80°反向轉(zhuǎn)位動(dòng)作，在機(jī)械手回到原位，換刀結(jié)束。
4換刀機(jī)械手的參數(shù)和計(jì)算
4.1手臂的彎曲變形
手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以會(huì)有彎曲變形，如果彎曲太大，就會(huì)造成換刀時(shí)手臂和刀具的干涉，造成機(jī)器的損壞。
手臂的自身重力可以通過(guò)簡(jiǎn)化的方式轉(zhuǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)度為410mm，寬90mm，高35mm的長(zhǎng)方體來(lái)計(jì)算，G=mg=7.8×10×41×9×3=86346N=86.346KN≈87KN
刀具的重量F=10×6=60KN
手臂材料的抗拉強(qiáng)度 []=460MPa
屈服強(qiáng)度 []=235MPa
圖4.1
手臂的受力可以簡(jiǎn)化為圖4.1所示
如上圖所示，可簡(jiǎn)化為懸臂梁來(lái)處理，
則任意橫截面上的彎矩為：
M=-60(l-x) =-60×（205-x） ………………………………4.1
得撓曲線方程
刀具重力所造成的彎曲：
………………………………4.2 刀臂自重所造成的彎曲：
………………………………4.3
其中=30×÷12=1822500×=1.8225×
E=2.2
最大撓度為
刀具重力所造成的彎曲：
………………………………4.4
刀臂自重所造成的彎曲：
………………………………4.5
端截面轉(zhuǎn)角為
刀具重力所造成的彎曲
………………………………4.6
刀臂自重所造成的彎曲：
………………………………4.7
計(jì)算得
刀具重量所造成的彎曲：
=-60××÷（3×2.2×1.8225×）
4.3×m
=-60××÷（2×2.2×1.8225×）
3.1×
刀臂自身重量所造成的彎曲：
=-87×××（3×205-102.5）÷（3×2.2 ×1.8225×）3.9×m
3.9×m
=-87××÷（2×2.2×1.8225×）
1.1×
通過(guò)以上的計(jì)算可知，換刀機(jī)械手的手臂的彎曲非常小，根本不會(huì)對(duì)實(shí)際工作造成任務(wù)影響，所以是符合要求的。
4.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，錐齒輪的傳動(dòng)比為62/210=31/105，大齒輪每2.5S轉(zhuǎn)一圈，所以小齒輪每2.5×（31/105）=0.738S轉(zhuǎn)一圈。 速度為82rad/min，電動(dòng)機(jī)沒(méi)有這個(gè)轉(zhuǎn)速的，所以要通過(guò)減速系統(tǒng)減速來(lái)達(dá)到要求轉(zhuǎn)速。
假設(shè)減速比為1/10，通過(guò)咨詢(xún)和調(diào)查，決定選擇MCN ELECTRICAL廠家生產(chǎn)的CF22型號(hào)伺服電機(jī)，具體參數(shù)如下：
制造商 ： MCN ELECTRICAL
型號(hào) ： CF22
電源，電壓： ： 3相，200V
額定功率 ； 400W
轉(zhuǎn)速 ： 1000rpm
5 換刀過(guò)程
整個(gè)換刀的過(guò)程和關(guān)系如圖5.1、5.2、5.3所示。
（1） 刀具預(yù)備 在機(jī)床進(jìn)行加工的同時(shí)，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)作出的T代碼指令，把需要換的新刀回轉(zhuǎn)到指定位置，完成刀具的“預(yù)選”動(dòng)作，為刀具交換做好準(zhǔn)備。
（2） 主軸定向準(zhǔn)停 在換刀指令發(fā)出后，首先進(jìn)行主軸定向準(zhǔn)停，使主軸上的定位鍵方向和刀庫(kù)位鍵一致。與此同時(shí)，Z軸快速的向上運(yùn)動(dòng)到換刀點(diǎn)，刀杯旋轉(zhuǎn)90°，使刀具軸線與主軸軸線平行。
（3） 機(jī)械手回轉(zhuǎn)夾刀 當(dāng)主軸箱到達(dá)換刀位置，同時(shí)刀庫(kù)上的刀具完成旋轉(zhuǎn)90°動(dòng)作后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，是機(jī)械手進(jìn)行80°轉(zhuǎn)位，兩邊的刀爪分別夾持刀庫(kù)換刀位以及主軸上的刀具。
（4） 卸刀 在機(jī)械手完成夾刀動(dòng)作后，刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具加緊裝置同時(shí)放松，刀具被松開(kāi)，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手向下伸出同時(shí)娶出刀庫(kù)和主軸上的刀具，進(jìn)行卸刀。
（5） 刀具換位 卸刀完成后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行刀庫(kù)側(cè)刀具和主軸側(cè)刀具的換位。
（6） 裝刀 刀具完成換位后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手向上縮回，將刀庫(kù)側(cè)刀具和主軸側(cè)刀具同時(shí)裝入刀座和主軸，并且刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊裝置同時(shí)夾緊。
（7） 機(jī)械手返回 刀庫(kù)以及主軸內(nèi)的刀具夾緊專(zhuān)職完成夾緊后，凸輪換刀機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手反向旋轉(zhuǎn)80°回到起始位置（這時(shí)手臂旋轉(zhuǎn)過(guò)180°，兩邊手爪互換），完成換刀動(dòng)作。
換刀完成后，主軸箱向下運(yùn)動(dòng)即可進(jìn)行下一把刀的加工，同時(shí)刀杯向上旋轉(zhuǎn)90°。
圖5.1機(jī)械手換刀順序圖
圖5.2 刀盤(pán)和機(jī)械手位置圖
圖5.3機(jī)械手和主軸的位置圖
致謝
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙?lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書(shū)館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。這對(duì)我以后的工作有很大的幫助,今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)，我切實(shí)體會(huì)到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員的艱難性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題，有的是知識(shí)方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面不足導(dǎo)致的。這些問(wèn)題有時(shí)使得我束手無(wú)措，不過(guò)在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計(jì)。
雖然我的設(shè)計(jì)存在很多不足的地方，但在這兩個(gè)多月的時(shí)間里，我學(xué)到了很多有用的知識(shí)，也積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些對(duì)于我即將要走向社會(huì)工作崗位，將起到很關(guān)鍵的作用。
在此衷心感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師4年來(lái)給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝易廣建我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予的諸多指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版.北京:高等教育出版社,1999.
[2] 廖念釗,莫雨松,李碩根,楊興駿.互換性與技術(shù)測(cè)量第四版.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2000.
[3] 陳錦昌,劉就女,劉林.計(jì)算機(jī)工程制圖.廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.
[4] 馮辛安,黃玉美,杜君文.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[5] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.
[6] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社,1995.
[7] 龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,1995.
[8] 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程:應(yīng)用與設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.
[9] 吳宗澤,羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:高等教育出版社,2002.
[10] 鄭堤,唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.
[11] 張鐵,謝存禧.機(jī)器人學(xué).廣州:華南理工大學(xué)出版社,2001.
[12] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué).北京:高等教育出版社,1997.
[13] 余達(dá)太,馬香峰.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程.北京:冶金工業(yè)出版社,2001.
Parallel Mechanisms with Two or Three Degrees of Freedom
Christiaan J.J. Paredis, H. Benjamin Brown, Pradeep K. Khosla
Introduction
Mechanical systems that allow a rigid body to move with respect to a fixed base play a very important role in numerous applications. A rigid body can move in various translational or rotational directions which are called degrees of freedom (DoFs). The total number of degrees of freedom for a rigid body cannot exceed six, for example, three axes, A robot includes a system to control several degrees of freedom of an end – effector.
The last few years have witnessed important developments in the use of industrial robots, mainly due to their flexibility. However, the mechanical architecture of the most common robots is not well adapted to certain tasks. Other types of architectures have, therefore, recently been developed for industrial use, including parallel manipulators.
A parallel manipulator, which is a closed-loop mechanism, typically consists of a moving platform that is connected to a fixed base by several limbs or legs. Typically, the number of limbs is equal to the number of degrees of freedom such that every limb is controlled by one actuator and all the actuators can be mounted at or near the fixed base. For this reason, parallel manipulators. Because the external load can be shared by the actuators, parallel manipulators tend to have a large load-carrying capacity. Parallel manipulators are always presented as having very good performance in terms of accuracy, rigidity and the ability to manipulate large loads. They have been used in a large number of applications ranging from astronomy to flight simulators, and are becoming increasingly popular in the machine-tool industry,
The conceptual design of parallel manipulators can be dated back to 1947, when Gough established the basic principles of a mechanism with a closed-loop kinematic structure to control the position and orientation of a moving platform to test tire wear and damage. He built a prototype in 1955 (Fig, 1a) where the moving element was a hexagonal platform whose vertices were all connected to links by ball-and-socket joints. The other end of the link was attached to the base by a universal joint. Six linear actuators modified the total link length. Stewart designed a platform manipulator as an aircraft simulator in 1965 (Fig, 1b), in which the moving element was a triangular platform