自动换刀机械手的总功能设计【数控卧式镗铣床的自动换刀机械手】
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沈阳理工大学学士学位论文摘 要 在本论文中,首先扼要的介绍了自动换刀装置,以及将自动换刀装置发展成机械手的原因和机械手在生产中的作用;在第二部分中,介绍了工业机械手的组成和分类以及机械手的缓冲器与定位元件,并对机械手的手机身作了简单的介绍。在第三部分中我们分别就驱动系统、控制系统、执行系统论证了一些方案,并从中选出了一些合理的功能单元,最后进行最佳方案的组合。经详细的技术评价与综合方案评价后确定本论文中的方案一为最优;由于整体设计的需要,我们选择了液压系统作为驱动系统。一方面,液压传动的速度快,反应灵敏,传动平稳;另一方面是其运行精确,可以达到较高的定位精度。第四部分进行了有关机械手的计算。第五部分介绍了我所设计的滑座伸缩和回转机构。第六部分我们对工业机械手的工作顺序进行了分析。第七部分我们叙述了未来机械手的发展趋势。由此我们可以看到目前工业机械手的应用在逐渐的扩大,技术性能在不断的提高。最后,我们记录了心得体会。在设计中,我们参考了一些文摘并翻译了一篇名为“Estimation of heat fluxes during high-speed drilling”的外文。 关键词: 机械手;液压传动;刀具ABSTRACT In this dissertation, the part one introduced concisely the set that can up or down cutter automatically and it gave the reason why we developed it into the manipulator and manipulators function in the production. In the second part, it introduced the integrant and assortment about the manipulator, then it told us what is the free degree and coordinate of the manipulator. In this section, we respectively demonstrated some plan carefully about drive-system, control system, actuator system, and then selected some reasonable plans of function unit from these. At last, we decided the best way. After evaluating the brief technology and general plans, we conducted that the plan A is the best. Because of the whole designs request, we selected liquid-actuated system as actuator system. Because in one hand, the liquid-acetated is fast, reacts swift and drives steadily. On the other hand, for it has accurately movement and orientates precisely. The part three do some calculates about manipulator. The part four do some analysis on the manipulators operative order. The part five, we narrate the development tendency of the future manipulator. From the above, we can see that the application of the current industrial manipulator is expanded gradulately and the technologic capability is improved on and on. In addition,according to the information collected and the content of design, we made the animated on the basis of the cutter clear. Finally, we recorded our personal insight. We referred some literatures and translated an article named “Estimation of heat fluxes during high-speed drilling” from English into Chinese. Key words: manipulator, liquid-actuated system, and cutter目 录摘 要前 言 11 工业机械手的简介 21.1 工业机械手的组成 21.2 工业机械手的分类方法简介 21.3 工业机械手的机身简介 2 1.3.1 设计机身应注意的问题 31.3.2 机身的结构方案 3 1.3.3 驱动力的计算 5 1.3.4 机身的方案评价 51.4 缓冲器与定位元件的设计 51.4.1 机械手的运动特征 61.4.2 开关型机械手的速度及位置控制 61.4.3 机械传动型机械手速度及位置控制 81.4.4 驱动系统和电控系统的选择 82 自动换刀机械手的总功能设计 122.1 自动换刀机械手的黑箱描述 122.2 机械手功能单元的分类 123 自动换刀机械手的方案确定 133.1 总体的布置要求 133.2 自动换刀机械手各个部分的最终方案的确定 133.3 自动换刀机械手缓冲部分的原理 174 液压系统的设计与计算 184.1 结构上的总要求 184.2 设计液压动回路 18 4.3 活塞杆的设计计算 184.3.1 活塞杆的设计 194.3.2 液压钢壁厚计算 214.3.3 液压机械手伸缩速度的控制 214.3.4 回转力矩的计算 224.3.5 耗油量的计算 224.4 自动换刀机械手的液压系统 235 伸缩回转机构设计 255.1 伸缩回转结构图 255.2 伸缩回转机构运动原理 276 自动换刀机械手的自动换刀过程 286.1 自动换刀装置简图及介绍 286.2 自动换刀过程实例 297 机械手的发展趋势 31致谢 33参考文献 34附 录:外文翻译 - iv -沈阳理工大学学士学位论文前 言 随着我国工业生产的飞跃发展,自动化程度的迅速提高,实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已越来越引起人们的重视。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;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,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。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。在现代工业生产自动化领域中,机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计,这些费用占全部加工费用的五分之一以上。而大规模的机械加工中,时间的节省越来越成为生产者和工程设计者(或者技术人员)的追求方向,这也是未来工业发展的趋势。在现代的工业生产中,需要普通车床的生产更为高效、精度高、适应性强、加工性能强,而且还可以减轻工人的劳动强度。这样使之能够适于单件、中小批量的生产;形状比较复杂,精度要求高的零件加工;产品更新频繁,生产周期短的加工。这在改进产品质量,改善工作条件,提高经济效益等方面,都能获得显著的效果。机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中,并取得较好的效果。现今的工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。我国目前研制的工业机械手大多还是专用机械手。该机械手的结构形式比较简单,专用性强,仅附属于某台机床。虽然其有着通用机械手无法比拟的批量大,对某些设备(或者机加零件)的加工精确性高的优点,但就目前来看,专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必要的改造,使其适应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便,特别适用于多品种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历史,但这些装置在国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口,但相信不久的将来我国必然会设计研制出自己的设备,这需要我们所有人的不懈努力。我们这次的设计任务是参考以往的技术资料,设计数控卧式镗铣床的自动换刀机械手。但由于初涉大型设计经验不足,搜集的资料可能不够全面,且缺乏实际工作经验,故设计不当之处再所难免,恳请各位老师给予批评和指正。1 工业机械手的简介工业机械手是一种模仿人的动作,按照预先设定的程序、轨迹或其它要求实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。1.1 工业机械手的组成 执行系统 (手部、腕部、臂部、机身、行走机构) 驱动系统 (驱动元件和传动机构) 控制系统 (检测装置、控制装置)1.2 工业机械手的分类方法简介 按驱动方式分 液压式:操纵力大,体积小,动作平稳。缺点是漏油会影响系统的工作性能,而且油的黏度对温度变化敏感。 气动式:气源方便,维护简单,易于获得高速度。其缺点是操作力较小、体积大、空气可压缩性大、速度控制困难、动作不平稳、控制有滞后现象。 电动式:动力源方便、操作力较大,其缺点是需要设置减速机构,结构较复杂,或者用特殊电机驱动。 机械式:一般借助动力源,通过凸轮、连杆机构等实现规定的动作,变换程序较困难,其动作可靠。 按用途分 用机械手:一般指附属于某一设备的、程序是固定的、动作简单的机械手。 通用机械手:一般指动作程序可变,具有独立控制系统的机械手。 按运动轨迹控制方式分 点位控制:只要求准确控制手部移动的起止位置或有限的设定点位置,不要求控制其运动轨迹。 连续轨迹控制:要求准确控制运动轨迹,其设定点是无限的,能在三维空间中做任意复杂的动作。1.3 工业机械手的机身简介 1.3.1 设计机身应注意的问题机身是支承臂部的部件。升降、回转和俯仰运动机构等都装在机身上。有关机身的设计应注意以下几个问题: 有足够的刚度和稳定性。 运动要灵活。升降运动的导套长度不宜过短,否则可能产生卡死现象,一般要有导向装置。 结构布置要合理,便于装修。1.3.2 机身的结构方案 回转运动采用齿条活塞油缸驱动的机身。升降运动由活塞4驱动,靠立柱上平键导向。回转运动由齿条活塞2驱动齿轮,带动配油轴3和油缸体6一起转动,再通过缸体上键带动外套一起转动而实现的。图如下: 回转运动采用摆动油缸驱动的机身。升降运动由活塞油缸4驱动,靠升降活塞杆内花键套2导向。回转运动由摆动油缸5驱动,其回转角度是210度,因摆动缸安置在升降活塞杆的上方,故活塞杆1的尺寸要加大。 回转运动采用活塞油缸带动齿条传动的机身。升降运动由活塞3驱动。回转运动由活塞油缸7驱动与其平行安装的齿条5和齿轮4来实现的。这种结构多用于抓重小的情况。 回转运动由摆动缸驱动。摆动缸安置在立柱上部。臂部用销轴和摆动缸体连接,作为臂部俯仰运动的支点。摆动缸的转轴和立柱固连,摆动缸体与转套相连,俯仰用活塞油缸装在转套上。活塞杆与臂部托架用铰链连接。摆动缸工作时,缸体带动套筒及活塞缸和臂部一起回转。 回转运动采用气缸链条传动的机身。升降运动是由单作用式气缸来实现的。上腔进气后推动缸体上升,下降时依靠自动由两只气缸6交替驱动,链条5带动链轮2来实现的。链轮2通过链带动升降气缸的活塞杆和导向杆同步回转。1.3.3 驱动力的计算回转运动时,由于起动过程中不是等加速运动,所以最大驱动力矩要比理论上平均值大一些。计算时一般取1.3倍。驱动力矩按下式计算:Ma = 1.3 ( Mm + Mg ) N * m 式中 Mm - 摩擦力矩(包括各支承处的摩擦力矩) N Mg - 起动时惯性力矩,一般按下式计算: Mg = J / t N*m其中 J - 臂部对其回转轴线的转动惯量 N- 臂部回转角速度 1 / st - 臂部起动时所需的时间 s1.3.4 机身的方案评价表1.1 加权评分表评价要素刚度维修性平稳性灵活性制造性重量总分取舍要素比重0.30.10.20.10.1021满足程度80707070705069舍80807070708076舍80808585707078.5取60708585707074.5舍85708585858583取1.4 缓冲器与定位功能单元的设计说明: 工业生产要求机械手工作速度快,运动平稳,定位精度高。应注意其影响因素,设计合理结构,以满足要求。 1.4.1 机械手的运动特征深入分析机械手的运动特点,有利于根据工作条件选择适宜的运动特性。下列为我们所选上下刀机械手所应具有的运动规律减速较大的情形。 按照上图的运动,机械手的速度变化呈等加速或不等加速运行,其减速过程亦可分为等减速运行和不等减速运行。在等加速运行而不等减速运行时,由于速度形成短,故有利于提高机械手的工作速度。特点: 速度变化基本上连续,运动中不会发生冲击,可以满足高速、平稳、定位精度高的要求。1.4.2 开关型机械手的速度及位置控制说明: 用电气开关、换向阀、节流阀及机械挡块等控制的机械手称为开关型机械手。 液压机械手的速度控制开关型液压机械手一般采用节流减速的方法,少数采用蓄能器或溢流减速的方法,也可以几种方法同时采用。A. 节流减速系统的设计油缸端部缓冲装置,油路节流缓冲回路以及液动机械手用的液压缓冲器,都是利用节流原理,吸收机械手的能量,提高背压控制减速,它们的设计方法相同。减速过程中,节流口恒定的称为恒节流,节流口不断变化的称为渐变节流。采用恒定节流口,在减速开始时,减速度大,冲击大。随后减速平滑下降,定位是稍高。该种节流口减速行程长,适用低速机械手(参见下图)。渐变节流可获得较好的减速特性,如缓冲柱塞开方截面抛物线节流槽(参见下图1)可实现等减速,减速行程短,柱塞上开三角槽(参见下图2)减速过程冲击小,减速行程比恒节流短。圆锥形柱塞的减速特征比开三角柱塞的稍差。B. 油缸端部缓冲装置行程固定的机械手多采用油缸端部缓冲装置。下图是控制加速和减速的缓冲装置结构。启动时,油经节流孔1,单向阀2进入油缸,活塞5退出缓冲室3后主油口6进油,机械手快速运行。活塞进入缓冲室的过程中,三角槽控制节流减速。适用于速度低于40cm / s的机械手。 该缓冲方案是油缸端部两级节流缓冲装置,锥度为0.5度的缓冲柱塞1进入节流环2的过程中实现渐变减速。缓冲柱塞圆柱段将主油口封闭后,余油经节流环的槽和可调节流阀挤出实现两极节流缓冲。适用于惯性负荷大的机械手。 液动机械手的速度控制A. 液动机械手比其他的类型机械手有较多的优点。但还是有一些可压缩性,可这也比气动的小的多,惯性负荷大的液动机械手采用液压缓冲回路。B. 采用液动液阻装置。C. 开关型机械手的定位系统定位系统与速度控制系统有密切联系,但有独立性。例如节流减速后,既可发出指令关闭油路,定位也可以压在挡块上而定位。a. 电气开关预定位: 电动机械手一般用电磁制动器定位。当机械手运动到定位点时,行程开关发讯电控系统,激励电磁制动器而定位。特点: 结构简单、工作可靠、维修方便,但定位精度低。b. 机械挡块定位: 一般是在减速后,驱动压力将运动件压在机械挡块上或驱动压力将活塞压靠缸盖而定位,定位精度较高。可分为单点定位或多点定位挡块机构。1.4.3 机械传动型机械手速度及位置控制为了便于控制机械手的速度及位置,一些专用机械手采用凸轮机构和连杆机构驱动,特点是工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。通过比较缓冲方案选择液压缓冲器和油缸端部缓冲,定位选机械挡块定位。1.4.4 驱动系统和电控系统的选择 驱动系统的选择机械手驱动系统有液压驱动、气压驱动、电机驱动和机械驱动四种。机械手的驱动方式,可以只用一种方式驱动,也可以采用几种方式联合驱动。表1.2 各种驱动方案特点比较及初选比较内容驱动方式特点比较机械传动电机驱动气压驱动液压驱动异步电机直流电机步进或伺服电机输出力输出力较大输出力较大输出力较小气体压力小,输出力较小,如需输出力较大,则结构尺寸较大输出压力高,可以获得较大的输出力控制性能速度可高,速度与加速度均由机构控制。定位精度高,可与主机严格同步控制性能较差,惯性大,不易精确定位控制性能好,可以精确定位但控制系统复杂可高速,气体压缩性大,阻尼效果差,冲击较严重,精确定位差,低速不易控制油液压缩性较差。压力流量均容易控制,可无级调速,反应灵敏,实现连续轨迹控制体积当自由度多时,机构复杂,体积也较大要有减速装置,体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下,体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用复杂维修简单,能在高温粉尘等恶劣环境中使用,泄露影响小维修方便,液体对温度变化敏感,油液泄露易着火应用范围应用于自由度少的专用机械手,高速、低速均能适用使用于抓重大和速度低的机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用,通用机械手都能用中小型专用,通用机械手都有应用,特别是重型机械手,多为液压驱动成本结构简单,成本低,一般工厂可以自己制造成本低成本较高结构简单,能源方便,成本低液压元件成本高,油路也比较复杂取舍取取舍取取 电控系统的选择机械手的电控系统有多种类型,除专用机械手外,大多数要专门进行电控系统的设计,各种电控系统特点范围如下:表1.3 各种电控系统特点比较比较内容控制系统固定程序可编制程序继电器线路半导体逻辑线路顺序控制器示教再现或计算机动作程序容量动作程序较少动作程序可以较多动作程序可以为16步,也可以扩展为32步以上动作程序较多,200步或更多控制参数 动作程序 动作到达位置或时间 夹放信息 联锁信息这些信息固定于线路之中,不能任意变动 动作程序动作到达位置或时间 时间信息夹放信息联锁信息 程序终了信息这些信息可以任意编排 动作程序动作到达位置或时间 夹放信息 联锁信息 时间信息 运动速度信息 定位精度信息 程序终了信息编排程序范围大,可安装各种传感器制造与维修制造简单,维修方便,体积较大维护简单,制造方便,体积小一般由专业工厂生产供应,需具有一定专业知识的人员维修线路复杂,制造调整均较困难,需要专业人员维护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、数码盘、光栅等使用寿命寿命低寿命较高寿命较高寿命较高成本便宜较便宜成本较高成本最高使用范围决定用于动作少、速度低的专用机械手用于速度快、节拍短的专用机械手用于一般通用机械手用于动作多、程序复杂的高级通用机械手取舍取舍取舍2 自动换刀机械手的总功能设计2.1 自动换刀机械手的黑箱描述总功能分解成若干个功能元素:分为: 夹持 - 松开 上升 - 下降伸 - 缩 转位 - 复位 2.2 机械手功能单元的分类 根据仿生学的原理,机械手的功能单元可以分为:A: 手指 - 夹紧、松开工作。B: 手腕 - 回转、平移、俯仰等功能。C: 手臂 - 伸缩使工件沿直线运动。D: 底座 - 升降手臂、回转手臂。E: 缓冲器与定位: 回转、升降、伸缩、缓冲、定位。F: 液压控制部分: 控制各部分协调动作。3 自动换刀机械手总方案确定3.1 结构上的布置要求机械手工作中运动速度较高,在结构位置上应保证运动平稳,这样可以提高机械手运动的平稳性,可以提高机械手使用的可靠性,并提高使用寿命。 部要防止偏重通常臂部处于悬臂的工作状态,在设计臂部、腕部和手部结构时,尽量使其总的重心在支撑中心,防止对支撑中心的偏重,偏重将会产生附加的弯矩,引起立柱的导向的变形,工作中引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中,偏重对回转轴附加有动压力,其方向不断的变化,特别是高速及速度突然变化时更为明显,这些引起机械手的振动,严重时会造成卡死。措施: 减轻腕部、手部的重量,并尽量减少偏心载荷。可采用铝合金制造腕部和手部。 合理分布臂部上各零件的重量和增加平衡重,使臂部平衡。 某些机械手结构上无法避免偏重,则应加强导向支撑,尽力减轻偏重对运动的影响。 加强臂部的刚度提高臂部刚度是减少手部颤动的关键,有利于提高定位精度,常采用导向形式,如本设计所用。 改进缓冲装置和提高配合精度机械手的缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。冲击有两种:一种是机械冲击。它是在臂部运动中与定位装置相碰而产生的。可用缓冲装置来消除。另一种是液压系统工作时产生的冲击(如换向动作)作用于管路之中,会引起机械手的振动,要靠改进液压系统设计来解决。措施: 提高部件的配合精度,减少间隙有利于运动平稳,特别是高速运动的机械手更需要保证加工精度和间配。 机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用必须采用防松措施。3.2 自动上下刀机械手各个部分方案的最终评定 原则: 成本低。 尽量减少冲击振动的影响。 运动定位精确,速度快。 要求控制灵敏。 夹持紧,杜绝出现“掉体”现象。采用方案组合法,根据以上的对执行系统、驱动系统、控制系统各功能的方案论证结果进行总的方案组合。表3.1部件方案序号名称ABCD1两指单支点回转型双支点回转型带平移的双支点夹紧型2手臂带双导向杆的手臂3座体摆动油缸,驱动机身水平回转和俯仰机身升降运动为方框形滚珠导轨气缸链条传动的机身4驱动方式机械传动直流电机驱动气压驱动液压驱动5控制系统及缓冲系统加速及快速控制系统气路节流调速系统油路节流调速系统电路调速装置凸轮连杆机构减速缓冲装置液压缓冲装置油缸端部节流缓冲装置反接制动电路连杆机构6定位形式机械挡块定位多点定位机构端部定位7定控制系统继电器线路顺序控制器液压缓冲器进行最佳方案组合即: Pij(C1A2C3D4C5A6) 两指 选用C方案 手臂 选用A方案 座体 选用C方案 驱动方式 选用D方案 加速及快速控制 选用C方案 减速缓冲装置 选用C方案 定位形式 选用A方案 Pij(B1A2B3D4B5B6) 两指 选用B方案 手臂 选用A方案 座体 选用B方案 驱动方式 选用D方案 加速及快速控制 选用B方案 减速缓冲装置 选用B凡案 定位形式 选用B方案 Pij(B1A2B3A4D5B6) 两指 选用B方案 手臂 选用A方案 座体 选用B方案 驱动方式 选用A方案 加速及快速控制 选用D方案 减速缓冲装置 选用D凡案 定位形式 选用B方案表3.2 方案具体评价方案效果估计(10分制)决策可靠性维修性加工性安全性重量外观性能合计A8998891060取B97887.58856.5取C999797859取方案的综合评价表3.3 连乘评分表评价项目评价方案要素等级标准标准分ABC产品功能1能满足用户要求33332基本能满足用户要求23仅能满足最低要求1销售成本1低于同类先进产品水平332低于原有产品水平223与原有产品成本相当11销售市场1销路广3332销路中等223销路差1资金利用率125%以上333220%以上22310%以上1社会要求1符合国家要求32符合当前社会要求223需进一步改进能满足111环境保护1基本无公害或能消除32燥声能控制在规定范围之内2223污染燥声较大1连乘积72932412108经详细技术评价与综合方案评价后确定方案A为最优方案。3.3 自动上下刀机械手缓冲部分的原理伸缩用液压缓冲器原理图:手臂伸缩升降用的液压缓冲器是两级节流阻尼的液压缓冲器。在缓冲器缸体上安装了a和b两个节流阀。每个节流阀各并联了两个单向阀组成。第一级缓冲油路由节流阀c组成;第二级节流缓冲油路由手臂运动到定位前的减速位置时伸缩为运动定位前的(2040mm),升降为定位前的(1530mm)运动部件碰缓冲器的活塞杆,使油腔左(右)侧的油液流经节流阀a,单向阀d,e(节流阀b,单向阀f、g)进入右侧油腔(左)。当活塞杆5的活塞堵住油口A时,左腔中油液B进入C进入油腔,实现油液受阻并最后定位。4 液压系统的设计和计算4.1 结构上的总要求 运动上: 要求手臂升降迅速、平稳,回转升降定位精度高,升降采用机械挡块定位,回转采用液压缓冲器定位。 动力上: 要求振动小,升降回转力适宜,故尽量布置合理,减轻重量。 自动化要求: 采用固定程序控制系统的继电器线路。 工作环境: 要求工作在40摄氏度之间,且地基采用抗震减震阻尼。4.2 设计液压动回路方法: 采用直观设计法,见图5.1“机械手液压系统工作原理图”。 手臂升降缸速度控制采用的是单作用缸速度控制回路,调速方法采用的是调节节流开速来调速。 手臂1、2伸缩液压缸速度控制采用的是二位五通双电控的快速往复回路,快速排液阀安装的是加速往返的。 手指1、2夹紧液缸,采用的是单作用缸速度控制回路。调速方法同。 挡块升降液缸采用的是二位五通双电控回路。特点: 采用双电控双作用换向回路。 手臂回转液缸,采用三位五通双电控阀控制回路。特点: 该回路除了可以控制回转缸动片携轴一起回转外,还可以有中间排气位置,使缓冲活塞杆得以推挡块液缸挡在受较小外力下复位。 回路缓冲器用的是液压线路。4.3 活塞杆的设计计算4.3.1 活塞杆的设计 按强度条件校核活塞杆直径 L: 活塞杆的计算长度 L = 184 mm d: 空心活塞杆大径 d = 22 mm (粗取) d0 : 活塞杆的空心内径 d0 = 10 mm (粗取) S: 安全系数 S = 6 8 , 取S = 8因为 L 10d所以按强度计算(此处选抗拉强度,而抗压强度抗拉强度) 4.1又 F = 0 得 F D2P/4 = 0 4.2由 、 得 4.3其中 P = 600 106 / 8 = 7.5 107 N / m20.04241.0131000.5 / 4 (d2 d02) 600 106 /80.0000033945 (d2 d02)根据设计要求,油液缸内径 D = 0.04 m,把粗选 d1 = 0.022 m ,d2 = 0.010 m 代入,得:d2 d02 = 0.0222 0.0102 = 0.000384 m2 0.0000033945 m2 所以足以满足强度要求。 按纵向弯曲应力校核活塞杆的稳定性参数: I - 活塞杆断面惯性矩 I = (d4 d04)/ 64 =3.14 x(0.0224 0.0104 )/ 64 4.4= 0.000018849 m2 。K = 活塞横截面回转半径K =(d2 + d02)1/2/4 =(0.0222 + 0.0102 )1/2/4 = 0.00604 m 4.5L - 活塞杆的计算长度 L = 0.184 m n- 系数为: n = 1/4E - 材料的弹性模量,对钢 E = 2.1 1011 Pa F - 材料的强度实验值,对钢 F = 4.9 108 Pa a- 系数,对钢 a = 1/5000A1 - 空心杆的截面面积 A1 = (d22 d02)/4此处为危险截面 d0 - 空心活塞杆小径 d0 = 0.01 md2 -空心活塞杆大径 d2 = 0.022 m按纵向弯曲极限力计算,带入上参数,由L/K = 0.184/0.00604 = 30.46 85 n1/2 = 85 0.251/2 = 42.5故长细比: L/K = 30.46 42.5从而 Fk = Fa1 / 1+a(1/k)2/n 4.6= 49107 (0.022-0.012)/1+(0.184/0.00604)2/(50004)= 141228.813 Pa = 1.413105 Pa 横向力:F = D2P/4 = 0.04241.013105 0.5 4.7 = 254.59 N = 255 N 横向力 F 1.3 Mn需要满足 Mn Mg/1.3即 Mn 72 N*m注: 为完善回转速度控制在“机械手液压系统工作原理图”中的手臂回转部分换向回路改为换向节流回路。以保持一定的运动速度、加速度。4.3.5 耗油量的计算 试确定伸缩缸按流速满足伸缩 4.14 式中: qv1 - 伸缩油量的消耗量 m3/s D - 伸缩液缸的内径 m S - 伸缩最大行程 m t1 - 液缸伸缩时完成全程所需的时间 s 对回转缸转位90度,所需时间为0.6 s,并令 4.15所以 qv2 - 回转液缸所用油液量 m3/sR - 回转缸内径 mr- 回摆小轴与动片连接处到中心线距离 mL - 动片轴向长度 mt2 - 回转90度所用时间,设定为0.6s4.4 自动换刀机械手的液压系统图3.1 自动换刀机械手液压系统原理图自动换刀机械手的液压系统采用双联叶片泵供油,它具有功率损失小,油箱的温升小,泵的寿命高,成本低等优点。双联叶片泵的工作用溢流阀(YF-B20B)、卸荷阀(X4F-B20B)、单向阀(DIF-L20HD)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,大泵2输出油进入卸荷阀,此时电磁铁(15DT)不通电,管道通过电液滑阀(24DY-B20H)、单向阀(DF-B20K3)和油箱相通,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,各油缸所需油量较小,由高压小油量泵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的比溢流阀的低5公斤/平方厘米,卸荷阀被打开,单向阀(DIF-L20HD)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的输出油推开单向阀(DIF-L20HD)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(ISDT)通电时,系统处于等待工作的状态。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,在高压油液经单向阀(a或b)和溢流阀c流回油箱,以缓和油液压力的波动,使手架由快速平滑的变换到慢速。缓冲阀处的溢流阀c调定压力应比系统工作压力高30%左右。5 伸缩回转机构设计5.1 伸缩回转结构图 滑座 活塞杆 转轴 回转油缸 横梁 行程开关 动片轴 行程开关 滚动导轨 定位螺钉 定位块5.2 伸缩回转机构运动原理手架伸缩运动能实现装、卸刀手的拔、插刀动作;手架回转运动能改变装、卸刀手的位置(即手由主轴转向刀库,或手架由刀库转向主轴)。上图所示为手架伸缩、回转运动机构的结构图。手架的伸缩是由滑座的伸缩实现的。滑座1(其上加工有油缸)安装在滚珠组(滚珠按十字交叉位置放置)和V形滑道组成的滚动导轨8上,活塞杆2固定在横梁5上。当压力油从油管13进入油缸左腔时,推动滑座1前伸(即拔刀运动);若压力油经油管14进入到油缸右腔时,滑座缩回(即插刀运动)。滑座1的行程位置由安装在横梁5上的行程开关10和11进行检测。为了缓和冲击,此油缸采用端部节流缓冲,并靠活塞端面与油缸端面相碰而定位。手架的回转是由安装在滑座内的回转油缸4来实现。手架与转轴3固连,转轴3通过键与回转油缸的动片轴相连。当压力由通过油管15(或16)进到回转油缸的工作腔时,推动动片轴9,并带动转轴3回转,手架即回转,其回转位置由行程开关进行检测,当安装在转轴3上的定位块7与定位螺钉6相接触时而回转。在回转油缸的端盖上,加工有3对进出油口(即a、b、c和a、b、c),当接到手架回转指令后,压力油经油管(例如16),从油孔c进到回转油缸工作腔,使动片启动一定角度后,动片将油口a打开进油,动片轴快速旋转,回油腔油液从油口a、b排出,当动片将油口a堵住后,油液从b孔排出,油液受到节流阻尼的作用,动片回转速度降下来,以达到减速缓冲。减速度的大小或缓冲效果可通过回转油缸端盖上的调节螺钉K进行调节。6 自动换刀机械手自动换刀过程6.1 自动换刀装置简图及介绍 升降丝杠 滑座 横梁 油马达 装刀手 手架 卸刀手 刀库刀库由四排带刀套的链条组成,每排链条上有15个刀套,刀库能存放60把刀具。安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动。找刀(刀具识别),采用刀套编号方式。由于四排刀套链中,各排刀套的位置一一对应,因此找刀是由两部分运动来实现,即手架升降找刀排,刀链转动在一排内选刀。换刀机械手的作用是:在给定的程序指令下,配合刀库和卧式镗铣床实现所有加工工序的自动装刀和卸刀。6.2 自动换刀过程实例 如图所示,设现在正进行第五工序,主机的主轴上正T05号刀进行切削,第六工序用T09号刀,第七工序用T46号刀,P05是T05号刀的刀套,已停在换刀位置,装刀手已抓取T09号刀,开始自动换刀前的状态见图a。第五工序最后的程序是:使主机立柱退到最后位置(Z轴原点),主油箱升到最高位置(Y轴原点),主轴定向,并使自动换刀控制部分作好换刀准备。第六工序开始的第一个指令是选刀指令Z46,控制部分得到选刀指令后开始自动换刀循环,其循环分为三个阶段。第一阶段完成向主轴上换刀,包括十个动作(需要约8秒): 手架转向主轴,见图b。 卸刀手前伸,抓取主轴T05号刀,见图c。 主轴箱拉刀机构松开,主轴孔吹气。 卸刀手缩回,见图e。 滑座前伸拔刀,见图d。 装刀手前伸,见图f。 滑座后退,把T09号刀插入主轴孔,见图g。 主轴箱拉刀机构拉紧,停止吹气。 装刀手缩回,见图h。 手架转向刀库,见图I。手架转向刀库后,机床即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刀库中。 卸刀手后退。然后转入第三个阶段,使自动换刀装置变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,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1。这样,就完成了整个自动换刀循环。7 机械手的发展趋势目前工业机械手的应用逐步扩大,技术性能在不断提高。由于发展时间较短,人们对它有一个逐步认识的过程,机械手在技术上还有一个逐步完善的过程,其目前的发展趋势是: 扩大机械手在热加工行业上的应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中较多,而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等,给机械手的设计、制造带来不少困难,这就需要解决技术上的难点,使机械手更好的为热加工作业服务。同时,在其他行业和工业部门,也将随着工业技术水平的不断提高,而逐步扩大机械手的应用。 提高工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣,决定着它能否正常的应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标,是决定机械手能否保质保量的完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求,除了从解决缓冲定位措施入手外,还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀,将伺服控制系统应用于机械手上。 发展组合式机械手从机械手本身的特点来说,可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求,但是它的成本高,专用机械手价廉,但是适用范围又受到限制。因此,对一些特殊用途场合,就需要专门设计、专门加工,这样就提高了产品的成本。为了适应应用领域分门别类的要求,可将机械手是结构设计成可以组合的形式。组合式机械手是将一些通用部分根据作业的要求,选择必要的能完成预定的机能的单元部件,以机座为基础进行组合,配上与其相适应的控制部分,即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构,兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性,便于标准化、系列化设计和组织专业化生产,有利于提高机械手的质量和降低造价,是一种有发展前途的机械手。 研制具有“视觉”和“触觉”的所谓的“智能机器人”对于需用人工进行的灵巧操作及需要进行判断的工作场合,工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等,机械手不能自动分辨纠正,而只能停机,待人们排除意外事故后才能继续工作。因此,人们对机械手提出了更高的要求,希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能,使之对物件进行判断、选择,能连续调节以适应变化的条件,并能进行“手眼”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机,要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉”、“触觉”反馈的,由计算机控制的,具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”是包括:识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。具有感觉功能的机器人,其工作性能是比较完善的,能够准确的夹持任意方位的物件,判断物件重量,越过障碍物进行工作,自动测出夹紧力的大小,并能自动调节,适用于从事复杂、精密的操作,如装配作业,它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术,对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间技术和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴的领域。随着科学技术的发展,智能机器人将会代替人做更多的工作。致谢经过两个多月的紧张的学习和生活,对我们来说至关重要的毕业设计在老师、同学的共同努力下就要结束了。回想起往日的一幕幕,真是别有一番滋味在心头。在本次的设计中,为了对机械手有一个初步的了解,我查阅了许多资料,我们还专门去中捷友谊厂进行了实物参观。从中我较为深刻的了解到世界工业机械手的发展趋势和概况,以及我国在此方面的落后的现实。在对各种传动方式进行研究时,我发现其中每一种方式都有其优缺点,单方面评价某种方法的好与坏是不可取的。因为每一种方案在一定的条件下都能呈现出其优势来。当借鉴和参考了前人的设计方法和思路时,才感觉到这项工作的精确和细腻。毕业设计是大学四年所学知识的综合运用,设计时我也尽可能的将所学的知识运用到其中,尝试用现代设计方法学来指导这次设计。由于机械手是集电、机、气、液动等技术知识为一体的装置,因此我们在错综复杂的各门学科中选择了能够起到画龙点睛作用的部分形成了本次设计的论文。由于我的知识面有限,设计经验不足,难免有很多设计不当之处,恳请老师批评指正。在设计中我遇到很多难题,有时侯真的很难弄懂,在陆老师和同学们的帮助下我度过了一个又一个的难关。因为他们的帮助我才有今天的成绩。在次,我对他们表示诚挚的谢意。参考文献 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会 机械工程手册第十卷 机械工业出版社 1982年10月 天津工业机械手设计基础编写组 工业机械手设计基础 天津科学技术出版社 1980年8月 工业机械手图册编写组 工业机械手图册 机械工业出版社 1978年9月 成大先 机械设计手册(第三版) 化学工业出版社 1985年4月 黄靖远、龚剑霞、贾延林 机械设计学 机械工业出版社 1999年5月 左健民 液压与气压传动 机械工业出版社 1998年10月 张玉、刘平 几何量公差与测量技术基础 东北大学出版社 1999年9月 巩云鹏、田万鹏、张祖力、黄秋生 机械课程设计 东北大学出版社 2000年12月 孙桓、陈作模 机械原理 高等教育出版社 1998年5月 王德玺、裴垠欣 机械设计 煤炭工业出版社 1999年1月 刘鸿文 材料力学 高等教育出版社 1979年4月 大连理工大学工程化教研室 机械制图(第四版) 高等教育出版社 1974年3月 孙玉安 液压技术在工程中的应用 江苏科学技术出版社 1986年10月 朱龙根、黄雨华 机械系统设计 机械工业出版社 1996年5月 机械设计手册联合编写组 机械设计手册(第二版) 石油化学工业出版社 1978年8月第 页 共 36 页
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数控卧式镗铣床的自动换刀机械手
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