數(shù)控車床氣動機械手設(shè)計

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1、哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 工程碩士學(xué)位論文 數(shù)控車床氣動機械手設(shè)計 尹云龍 哈爾濱理工大學(xué) 2012年6月 國內(nèi)圖書分類號：TP241.3 工程碩士學(xué)位論文 數(shù)控車床氣動機械手設(shè)計 碩 士 研究生： 尹云龍 導(dǎo) 師： 劉獻禮 副 導(dǎo) 師： 郭 巍 申請學(xué)位級別： 工程碩士 工 程 領(lǐng) 域： 機械工程 所 在 單 位： 機械動力工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2012年6月 授予學(xué)位單位： 哈

2、爾濱理工大學(xué) Classified Index：TP241.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering Design of pneumatic manipulator of NC lathe Candidate： Yin Yunlong Supervisor： Liu Xianli Vice Supervisor: Guo Wei Academic Degree Applied for： Master of Engineering Professional Fie

3、ld： Mechanical Engineering Date of Oral Examination ： June , 2012 University： Harbin University of Science and Technology 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《數(shù)控車床氣動機械手設(shè)計》，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨立進行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究工作做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將

4、完全由本人承擔。 作者簽名：　 日期： 年 月 日 哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 《數(shù)控車床氣動機械手設(shè)計》系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所有，本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 本學(xué)位論文屬于

5、保密 ，在 3 年解密后適用授權(quán)書。 不保密 √ 。 （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打√） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 數(shù)控車床氣動機械手設(shè)計 摘 要 中國已經(jīng)逐漸成為世界制造中心，制造業(yè)的發(fā)展和競爭逐年增大，隨著用工緊缺和對加工效率的提高，自動化高效加工已經(jīng)成為未來發(fā)展的主流。數(shù)控機床，特別是普及度較廣的數(shù)控車床的工件裝卸自動化已經(jīng)成為機械加工類企業(yè)對機床的重要需求。為了滿足用戶的需求，中國許多機床制造企業(yè)已經(jīng)開始在

6、部分數(shù)控車床上陸續(xù)配置自動裝卸機械手。但現(xiàn)有機械手的驅(qū)動和控制方式主要以高精度伺服電機為主，此種設(shè)計成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度較慢、工作效率低，使得自動裝卸機械手在數(shù)控車床上的應(yīng)用難以普及。 本課題主要研究以氣缸為主體來組成模塊化的氣動機械手，該研究項目成本低、速度高，特點是以模塊化為中心進行設(shè)計，通過機械部分和驅(qū)動部分的模塊化設(shè)計，能夠完全實現(xiàn)數(shù)控車床軸類零件自動裝卸，克服伺服電機應(yīng)用中存在的成本高、效率低等實際問題。論文完成的研究工作主要包括機械手的組成及分類；數(shù)控車床裝夾機械手的構(gòu)型設(shè)計與分析；機械手模塊化設(shè)計方案；氣動驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計等幾部分。通過研究完成了數(shù)控車床裝夾機械手研發(fā)過程中所

7、涉及的技術(shù)問題，成功開發(fā)了一套以模塊化為主的氣動裝夾機械手，該成果可為工業(yè)制造業(yè)提供可行的技術(shù)示范，促進氣動機械手技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 數(shù)控車床；機械手；氣動；模塊化 目 錄 摘 要 I 第1章 緒論 1 1.1 概述 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 1.2.3 存在的問題 6 1.3 氣壓傳動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 7 1.4 本文研究的主要目的和意義 8 1.5 本文的主要內(nèi)容 9 第2章 機械手的組成分類及設(shè)計選材原則 10 2.1 機械手的組成 10 2.2 機械手分類

8、12 2.3 機械手機構(gòu)設(shè)計及選材原則 13 2.4 本章小結(jié) 14 第3章 華中CK6132數(shù)控車床用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 15 3.1 華中CK6132數(shù)控車床用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 3.1.1 機械手工作環(huán)境及設(shè)計要求 15 3.1.2 設(shè)計方案分析 17 3.2 機械手模塊化設(shè)計及功能分析 20 3.2.1 機械手模塊化設(shè)計理念 20 3.2.2 模塊化機械手結(jié)構(gòu)及設(shè)計流程 21 3.2.3 機械手模塊組成及功能分析 23 3.3 機械手在數(shù)控車床中的工作過程 27 3.4 本章小結(jié) 28 第4章 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 29 4.1 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 29

9、 4.2 氣動輔助元件的選取 30 4.2.1方向控制閥 31 4.2.2流量控制閥 31 4.2.3壓力控制閥 32 4.2.4氣動元件的選擇 32 4.3 本章小結(jié) 34 第5章 機械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 35 5.1 氣缸固定支座結(jié)構(gòu)的研究 35 5.2 氣缸防側(cè)翻結(jié)構(gòu)研究 38 5.2.1 氣缸超載運行情況研究 38 5.2.2 機械手防側(cè)翻結(jié)構(gòu)研究 40 5.3 本章小結(jié) 43 結(jié)論 44 參考文獻 46 致謝 49 個人簡介 50 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第1章 緒論 1.1 概述 機械手由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)

10、、位置檢測系統(tǒng)四部分組成。在工業(yè)生產(chǎn)中也稱為“工業(yè)機器人”。集成氣動、液壓、數(shù)控、計算機、機械等多學(xué)科的綜合技術(shù)，可通過計算機編程，設(shè)定三維空間內(nèi)任意運動軌跡，是適合自動化生產(chǎn)線的典型機電一體化設(shè)備。通過機械手工業(yè)生產(chǎn)線的引入，能夠大大提高企業(yè)生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動者工作條件。是工業(yè)企業(yè)提高自動化水平的重要途徑。 工業(yè)機器人的廣泛使用，不僅能夠替代繁重的手工勞動，而且綜合了人工勞動和機器工作兩個方面的特長。能夠同時體現(xiàn)人對工作情況中突發(fā)事件的判斷的處理能力以及機器本身具有的連續(xù)工作、加工精度穩(wěn)定的能力，同時，機器人還具有反應(yīng)時間短、功率輸出大、精度穩(wěn)定性高、信號處理方便等優(yōu)點[1，

11、2]是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的高科技產(chǎn)品，也是制造領(lǐng)域不可或缺的自動化機械設(shè)備。 機械手是模仿人手的動作過程，按編制程序、軌跡及參數(shù)要求實現(xiàn)自動抓取等操作的自動機械裝置，如圖1-1所示，此類機械手稱為類人機械手。能夠進行物料搬運等工作的，如圖1-2所示，在工業(yè)制造中應(yīng)用的機械手稱為“工業(yè)機械手”。 自動化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線中通過機械手的使用可以大大提高生產(chǎn)率，具有如下特點： 1. 在保障生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大大減輕生產(chǎn)工人的勞動強度； 2. 它能夠代替人在惡劣的環(huán)境中（易燃、易爆和灰塵大）工作，保障人身安全。 因此，機械手適用于易燃、易爆和灰塵大的場合[3]，在裝卸、運輸、機械制造

12、、等方面運用廣泛。 圖1-1類人機械手 圖1-2工業(yè)機械手 機械手的結(jié)構(gòu)形式起初比較簡單，專用性強，時僅為某臺特定機床進行上料、下料工作，是專門附屬于機床的機械手。伴隨工業(yè)技術(shù)及控制理論的不斷發(fā)展，研制了能夠按程序要求獨立的控制機械手，適用范圍廣泛的，簡稱為“通用程控機械手”。由于通用程控機械手工作程序能夠隨時改變，適應(yīng)性強，所以在加工品種多樣、批量中小的生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 上世紀60年代， Unimation公司發(fā)明第一臺工業(yè)機

13、器人，并在在美國通用公司汽車生產(chǎn)線上投入使用，是第一代工業(yè)機器人的誕生的標志。同時期日本通過調(diào)研將機器人技術(shù)引入國內(nèi)，滯后的若干年，日本的機器人技術(shù)得到了快速的發(fā)展，通過機器人技術(shù)促進日本工業(yè)的急速發(fā)展。直至今日，日本的工業(yè)企業(yè)中機器人的使用數(shù)量占世界各大工業(yè)企業(yè)機器人使用總數(shù)的50%以上。成為世界上機器人使用量、擁有量、使用率最多的國家[4，5] 。 汽車制造行業(yè)最早應(yīng)用工業(yè)機械手，如圖1-3所示，在汽車焊接、噴漆、上下料和搬運工作中被廣泛應(yīng)用。工業(yè)機械手的誕生解放了人類的雙手，極大減輕了工作量，并且可代替人從事劇毒、低溫高熱、高危等諸多惡劣環(huán)境中的工作，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大大提高工

14、業(yè)生產(chǎn)率[6]。 圖1-3 汽車制造機械手生產(chǎn)線 1962年，一臺示教型機械手在美國聯(lián)合控制公司誕生。其運動系統(tǒng)可進行多自由度控制，能夠完成轉(zhuǎn)動、升降、伸縮等形式的運動，選用液壓裝置作為其驅(qū)動控制系統(tǒng)、磁鼓做為存儲裝置?，F(xiàn)在基于這個平臺的開發(fā)了如球面坐標式一類的機械手； 同年另一種機械手在美國機械鑄造公司誕生，取名為Versatran。該機械手采用液壓傳動為驅(qū)動方式，設(shè)計能夠進行“轉(zhuǎn)動、升降、伸縮”的中央立柱，采用示教型控制系統(tǒng)。70年代，新一代的工業(yè)機器人在生產(chǎn)中相繼投入使用，與以往相比，準確可靠的定位精度是其主要的特點。同期在德國，機器人的設(shè)計開發(fā)引入的模塊化的理念，通過模塊化的設(shè)

15、計的安裝，實現(xiàn)了可根據(jù)工作需要方便進行機械手結(jié)構(gòu)改裝。形成了以立柱式結(jié)構(gòu)為主的機器人，如圖1-4所示、以門架式結(jié)構(gòu)為主的機器人，如圖1-5所示、以滑塊式結(jié)構(gòu)為主的機器人，如圖1-6所示。模塊化設(shè)計理念的引入，使工業(yè)機器人具備了結(jié)構(gòu)設(shè)計方便、設(shè)備組裝便捷、機器人動作改變靈活等優(yōu)點。但由于模塊化設(shè)計的通用性理念，此類機械手整體結(jié)構(gòu)較小，不適用于較大范圍的工作環(huán)境、在自動化生產(chǎn)線上應(yīng)用較為廣泛。 圖1-4 立柱式機器人 圖1-5 門架式機器人 圖1-6 滑塊式機器人 針對工作環(huán)境要求較大，工作范圍較廣的生產(chǎn)環(huán)境，德國研發(fā)的坐標型機

16、器人和 Scara型機器人，如圖1-7、1-8所示。此類機械手的優(yōu)點是工作范圍較大，缺點是定位精度較低，抓取力較低，不是用于大型、重量物體的抓取。一般用于小型貨物裝卸，由于工作范圍的擴大，可以在特定工作環(huán)境下使用。 圖1-7 坐標型機器人 圖1-8 Scara型機器人 除此之外，世界上其它從事機器人研發(fā)制造的企業(yè)針對不同行業(yè)和領(lǐng)域的需求，分別升級推出不同的機器人產(chǎn)品。其代表產(chǎn)品有：瑞士 ABB 公司的IRB 340 Flex Picker機器人[7] 如圖 1-9所示，其最大速度達到11m/s，通過其真空系統(tǒng)，可對1.5kg以上的重物

17、進行搬運工作。瑞士 SIG 公司的SIG XR22[機器人8]，如圖1-10所示，末端加速度提高到12G，負載也超過了1kg。 圖1-9 IRB 340 Flex picker機器人 圖1-10 SIG XR22機器人 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 本世紀初期，隨著我國數(shù)控技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了相當?shù)某晒鸞9]。上世紀末，國內(nèi)一些機器人研發(fā)機構(gòu)開發(fā)出多種工業(yè)機器人。第一套自動化制造系統(tǒng)在南京理工大學(xué)SMC氣動技術(shù)中心誕生，該系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，包括加工、裝配等。各子系統(tǒng)可以進行自主工

18、作，并可以同時集成控制，能夠同時進行裝料、傳輸和卸料等工作。其設(shè)計中包括一個氣動機械手，如圖1-11所示，該機械手主要對貨物進行的翻轉(zhuǎn)和搬運工作，通過機械手上各位置自由度即手腕臂腰四聯(lián)動，模仿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，完成抓取物品、移動物品、翻轉(zhuǎn)物品等動作 [10，11]。同期北京理工大學(xué)開發(fā)出一種能夠進行自由回轉(zhuǎn)機器人手臂[12]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)出一種六自由度氣動機器人手臂 [13]。這類機器人手臂具有靈活性高、結(jié)構(gòu)簡易、自由度多、柔性高、抓取力小等特點，能夠抓取型小質(zhì)輕的物品，一般用于教學(xué)和實驗。 工業(yè)機器人隨著液壓、氣動等技術(shù)的發(fā)展成熟，其實用性也逐漸提高。目前國內(nèi)外研究機構(gòu)正在研究通過智能控制等

19、現(xiàn)代控制理論提高工業(yè)機器人的實用性，為工業(yè)機器人的廣泛使用搭建的更高的平臺[14] 。 圖1-11氣動關(guān)節(jié)型操作機械手 1.2.3 存在的問題 通過以上的分析，機械手產(chǎn)品現(xiàn)階段一ing比較成熟，設(shè)計制造也在向集成化、模塊化的方向發(fā)展。我國機械手的制造生產(chǎn)現(xiàn)階段還是以進口組裝為主，主要是由于兩個原因：一是我國機械制造產(chǎn)業(yè)相對落后，二是設(shè)計理念和設(shè)計能力相對落后，還沒有形成一套系統(tǒng)化的設(shè)計理念。現(xiàn)階段機械手定位精度低、使用壽命短、穩(wěn)定性能差，導(dǎo)致成本過高，普及率較低。隨著中國加入WTO，中國市場已逐漸轉(zhuǎn)化為國際市場，國內(nèi)的機械手生產(chǎn)企業(yè)不僅要面向國內(nèi)市場，同時還要考慮到國際市場的競

20、爭。轉(zhuǎn)變以客戶需求為目標，通過技術(shù)革新和技術(shù)升級，提高產(chǎn)品品質(zhì)，提升競爭力。 通過市場調(diào)研，深入研究現(xiàn)階段數(shù)控機床中配套產(chǎn)品的使用情況，發(fā)現(xiàn)機械手主要配套于高端數(shù)控機床，由于其精度、結(jié)構(gòu)、通用性方面要求較高，而國內(nèi)數(shù)控機床相應(yīng)配套產(chǎn)品較少，導(dǎo)致國外機械手產(chǎn)品價格昂貴。隨著市場的需求的不斷提升，迫切需對數(shù)控機床進行升級換代，配套于中端數(shù)控機床的低精度機械手產(chǎn)品需求大大增加[15]。 1.3 氣壓傳動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 氣壓傳動技術(shù)(Pneumatics)是以壓縮空氣為介質(zhì)，對機械運動進行能量傳遞及控制的一門技術(shù)[16]，簡稱為氣動技術(shù)。氣動技術(shù)近年發(fā)展迅速，其關(guān)鍵部分是氣動元件。通過氣動

21、元件的不同組合，形成氣動控制、傳動系統(tǒng)。氣動技術(shù)傳遞信號和能量的介質(zhì)主要是空氣，通過空氣壓縮產(chǎn)生的氣壓進行控制的一門技術(shù)，主要是氣動控制和氣壓傳動兩部分內(nèi)容[17，18]。氣動技術(shù)突破原有理念，在汽車、機械、醫(yī)療等多個領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用[19] ，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。 液壓與氣動是兩種應(yīng)用廣泛的傳動技術(shù)，兩者相對比，各有優(yōu)缺點，氣動技術(shù)相對于液壓技術(shù)具有以下優(yōu)點： 1．以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場合， 2．綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會造成二次污染，配件價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用更換成本較低。 3．維護修理簡單，

22、勞動者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。 4．氣缸具有模塊性，方便對現(xiàn)有機器進行改裝。 5．能夠儲存能量，以便應(yīng)急使用。 6．自身具備過載保護。能持續(xù)進行工作，過載工作時能自動減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會對機構(gòu)產(chǎn)生影響。 7．運動速度較高。 氣動技術(shù)相對于液壓技術(shù)缺點如下： 1．壓縮空氣使用前需要進行過濾，除去其雜質(zhì)并進行干燥。 2．系統(tǒng)使用壓縮空氣效率相對較低，穩(wěn)定性相對較差，不利于進行精確的位置控制和速度控制。 3．設(shè)備運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大噪音。 4．信號傳遞速度相對較低，延遲、失真情況明顯，不宜用于需要高速、精確傳遞，信號傳送距離有限。 國外將氣動稱為“

23、廉價技術(shù)、自動化技術(shù)”。氣動裝置在現(xiàn)今自動化工業(yè)中地位十分重要。氣動技術(shù)具有抗燃、無污染、原料易獲得等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究[20]，由于氣動技術(shù)本身具備的特性，特別是其優(yōu)點突出，使其在各工業(yè)自動化部門應(yīng)用日益廣泛。氣動技術(shù)與液壓、電器等新興技術(shù)共同成為自動化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的先進技術(shù)。其發(fā)展趨勢正在向微型化、模塊化方向發(fā)展 [21] 。 1.4 本文研究的主要目的和意義 自從 1953 年，美國空軍和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了世界上第一臺數(shù)控機床，自此，經(jīng)幾十年的發(fā)展數(shù)控機床已從最初的單坐標發(fā)展到三坐標聯(lián)動，進而到發(fā)展到現(xiàn)今多軸（四、五軸）聯(lián)動加工中心，加工范圍從單一加工功能發(fā)

24、展到車、銑、磨等多功能綜合進而發(fā)展到具有特種加工功能[22]。目前數(shù)控車床中機械手驅(qū)動方式主要是采用伺服電機驅(qū)動，也是相對成熟的驅(qū)動技術(shù)，系統(tǒng)在直線、運動、旋轉(zhuǎn)運動時能夠保證定位精度。不同功率值通過機械設(shè)計重新組合而得以實現(xiàn)，使用普及度較高。其缺點是價格高、效率低，又限制其更為廣泛的應(yīng)用?？赏ㄟ^技術(shù)革新、功能開發(fā)、降低成本、提高效率等諸多方法解決這一問題。 出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣的一種驅(qū)動器是氣動肌肉，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡、容控制易等優(yōu)點，在各種機器人中應(yīng)用廣泛。通過氣動肌肉，變化長度較小的缺點得以克服，轉(zhuǎn)動位移增大，具有仿生關(guān)節(jié)剛度高、控制獨立等優(yōu)點[23] 模塊化機械手由于其成本低廉、抗干擾

25、性能強等優(yōu)點突出[24]，已經(jīng)在數(shù)控機床中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[25，26]，此類氣動機械手定位精度相對較低，常用于特定零件的裝卸。針對數(shù)控車床自動裝卸機械手的研究相對較少。本課題著眼于大跨度結(jié)構(gòu)、氣動驅(qū)動、模塊化安裝的平面坐標式自動裝卸機械手，經(jīng)過前期的研究，主要崔在兩個難點： l．考慮到實際機床的尺寸，氣缸結(jié)構(gòu)跨度較大，由于數(shù)控機床中對工件精度的要求，還要保證其定位精度，需要氣缸進行多位置高精度定位，包括大跨度位移氣缸中保證精度的機械結(jié)構(gòu)形式的問題需要研究和驗證。 2．根據(jù)氣動機械手在數(shù)控車床上應(yīng)用的情況，對氣缸安裝方式進行了設(shè)計，后經(jīng)計算，當超額定負載情況下運行時此安裝方式有可能會造成

26、氣缸側(cè)翻，后又進行計算分析，對氣缸的安裝形式進行了改進，為氣缸的正常工作從結(jié)構(gòu)上提供了安全保障，擴展了氣缸的使用范圍。 1.5 本文的主要內(nèi)容 本課題針對通用性中端數(shù)控車床進行研究，開發(fā)出一套一模塊化設(shè)計理念為中心的氣動機械手，研究內(nèi)容主要有以下四個方面： 1．分析常見模塊化機械手的組成分類及設(shè)計選材原則 從機械手的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)等幾方面介紹了機械手的組成。按照用途、驅(qū)動方式、控制方式的不同對機械手進行了分類。為本文選擇對機械手的結(jié)構(gòu)提出了參考方案。 2．華中CK6132數(shù)控車床用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 通過數(shù)控車床具體情況，設(shè)定模塊化機械手

27、的尺寸參數(shù)，根據(jù)數(shù)控機床工件裝卸的特點，確定模塊化機械手的設(shè)計方案，將機械手整體分為三個模塊即手部模塊、腕部模塊和臂部模塊，并進行設(shè)計組裝。 3．機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 模塊化機械手的控制系統(tǒng)在設(shè)計過程中需要考慮到的幾個問題：確保機械手有精確的定位精度；機械手與機床加工工件之間配合協(xié)調(diào)；速度適中、時間盡量縮短、成本盡量降低。 4．機械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 機械手的基座是具有一定高度的支架，基座的設(shè)計要綜合考慮機械手與機床的位置不發(fā)生干涉以及足夠的剛度和強度，保證氣缸在運行時不發(fā)生變形。為防止快速運動下產(chǎn)生側(cè)翻，又針對此研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，對防側(cè)翻技術(shù)進行了研究和分析。 第2章 機械

28、手的組成分類及設(shè)計選材原則 2.1 機械手的組成 機械手由控制部分、驅(qū)動部分、執(zhí)行部分及位置檢測部分四部分組成，之間關(guān)系如圖2-1所示[24]。 圖2-1機械手各部分關(guān)系圖 1. 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要進行機械手運動軌跡控制反饋工作。控制系統(tǒng)一般分為程序控制、電機控制、機械控制等幾類。依據(jù)控制系統(tǒng)給出指令，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制，并對其運行軌跡進行反饋分析，當產(chǎn)生錯誤，軌跡不符時產(chǎn)生報警提示。 2.驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的裝置，通常由控制調(diào)節(jié)器、動力源、輔助裝置等組成。機械傳動、氣壓傳動、電力傳動和液壓傳動均為常用的驅(qū)動系統(tǒng)。 3. 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)主要由手部

29、、腕部、手臂三個模塊組成，根據(jù)需要還可增設(shè)行走機構(gòu)。 （1）手部模塊 主要進行物料抓取工作。根據(jù)抓取形式的不同，分為夾持式和吸附式兩種。 夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)構(gòu)成。平移式和回轉(zhuǎn)式兩種形式是常用的手指運動形式?；剞D(zhuǎn)式由于結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，故應(yīng)用范圍較廣范。平移式手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，應(yīng)用較少。使用平移式手指夾持棒料時，軸心的位置不受直徑變化的直接影響，適用于直徑變化范圍較大的圓柱形物料的夾持。被抓取物件表面形狀、抓取形式(內(nèi)通孔或外輪廓)、重量、尺寸直接影響到手指結(jié)構(gòu)設(shè)計。按不同要求指形分為平面、V形面、曲面等幾種；手指分為外夾式及內(nèi)撐式；手指指數(shù)有兩指式、三指式、多指

30、式等。 吸附式手部由吸盤構(gòu)成，分為電磁盤式和負壓吸盤式兩類。對于重量輕、尺寸小的薄片零件、耗材，一般使用負壓式吸附盤。具有導(dǎo)磁性零件，一般采用電磁式吸盤，電磁式吸盤的吸力由電磁鐵產(chǎn)生。 （2）腕部模塊 手部通過腕部模塊是與手臂相連，被抓取物件通過腕部模塊來調(diào)整工件的方位和角度。 （3）手臂模塊 手臂模塊是用來支承手腕、手部、被抓物件。其作用是控制手部模塊抓取物料，按程序?qū)⑵溥\送到指定位置。通常由運動部件與驅(qū)動源組合實現(xiàn)手臂運動，如下所示: （4）立柱模塊 由立柱與手臂連接件完成手臂的轉(zhuǎn)動和升降運動，一般情況下立柱為固定不動的結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計需要，也可設(shè)計為在基座上進行水平移動，

31、稱為移動式立柱。 （5）機座 機械手所有部件、驅(qū)動裝置全部安裝于機座上，起到對整個機械手結(jié)構(gòu)的固定作用。 （6）行走機構(gòu) 機械手工作環(huán)境較大，行程較遠的情況下，通過在基座上安裝滑輪，使基座能夠帶動機械手整體進行行走和移動，擴大了機械手的使用半徑。 4.位置檢測裝置 對機械手運動位置進行檢測反饋，將運動的位置信息反饋到控制系統(tǒng)，與控制系統(tǒng)給出的指令相對比，偏出的進行調(diào)整，保障最終位置精度要求。 2.2 機械手分類 在工業(yè)自動化中廣泛應(yīng)用的機械手種類繁多，在此按使用范圍不同、驅(qū)動方式不同和控制系統(tǒng)不同進行分類說明。 1.根據(jù)用途不同分類 （1）專用機械手。程序固定，不能進行無獨

32、立控制。一般用于特定動作指令，其動作少、工作對象單一，在單件大批量生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。如注塑機專業(yè)機械手等，如圖2-2所示。 圖2-2 注塑機專用機械手 （2）通用機械手。程序可進行獨立控制、動作多樣。其動作程序在規(guī)格性能范圍內(nèi)可隨時調(diào)整，針對不同需要應(yīng)用于不同場合，驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)相對獨立。其動作指令可設(shè)，工作對象復(fù)雜，在單件小批量生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，如圖2-3為通用圓形機械手。一般按機械手控制方式不同分為簡易式機械手和伺服式機械手，一般伺服式機械手采用數(shù)控技術(shù)控制其運動[27] 圖2-3 通用圓形機械手 2.根據(jù)驅(qū)動方式不同分類 （1）液壓驅(qū)動機械手。機械手執(zhí)行機

33、構(gòu)是以液壓驅(qū)動運動的。其特點是：抓重較高、反應(yīng)靈敏、傳動穩(wěn)定。但要求嚴格密封裝置的密封性，液壓油泄漏會產(chǎn)生對機械手及周圍環(huán)境十分巨大的影響，且成本高。 （2）氣壓驅(qū)動機械手。機械手執(zhí)行機構(gòu)是以壓縮空氣驅(qū)動運動的。其特點是以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場合。綠色環(huán)保，空氣使用后可直接排放，不會造成二次污染，配件價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，使用更換成本較低。維護修理簡單，勞動者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。氣缸具有模塊性，方便對現(xiàn)有機器進行改裝。能夠儲存能量，以便應(yīng)急使用。自身具備過載保護。能持續(xù)進行工作，過載工作時能自動減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不

34、會對機構(gòu)產(chǎn)生影響。運動速度較高。 （3）機械驅(qū)動機械手。機械手執(zhí)行機構(gòu)由機械傳動機構(gòu)(如連桿、凸輪等)驅(qū)動運動的。其特點：附屬于主機之上，由工作機械進行動力傳遞。運動準、動作大、結(jié)構(gòu)大、程序固定。通常用于設(shè)備工作主機的上料、下料工作。 （4）電力驅(qū)動機械手。機械手執(zhí)行機構(gòu)使用感應(yīng)電機、步進電機或直線電機直接驅(qū)動運動的。其特點：無需轉(zhuǎn)換機構(gòu)、簡易結(jié)構(gòu)、行程較長、維護簡單。 3.根據(jù)控制方式不同分類 （1）點位控制。運動軌跡為兩點間的直線運動，通過確定幾個點位置來控制整個運動軌跡控制點數(shù)越多，電氣控制系統(tǒng)越復(fù)雜。但由于該方法控制簡單，目前被廣泛使用于專用機械手和通用機械手中。 （2）軌跡

35、控制。運動軌跡不受點位制約，可以在空間范圍內(nèi)進行任意曲線運動，控制器控制整個運動過程，運動過程平穩(wěn)且準確，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計繁瑣，此類機械手主要采用計算機輔助控制，應(yīng)用范圍廣泛。 2.3 機械手機構(gòu)設(shè)計及選材原則 1.機械手機構(gòu)設(shè)計原則 在機械零件設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)同時考慮到零件的設(shè)計要求和工藝要求。產(chǎn)品的質(zhì)量和成本會受到工藝要求的影響。一般應(yīng)滿足以下要求： （1）在設(shè)計時應(yīng)完全保證零件尺寸標準化和互換性。便于后期的維修更換。 （2）零件尺寸基準選擇要合理規(guī)范，尺寸標注之前應(yīng)首先考慮，同時注意設(shè)計基準和工藝基準要重合、設(shè)計基準同定位基準盡量保證重合。 （3）在滿足零件設(shè)計要求的基

36、礎(chǔ)上，同時考慮到零件制造、加工、裝配的整體工藝路線。 （4）零件尺寸精度按照零件功能的要求進行設(shè)定，設(shè)定過低影響產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計過高會增加成本。 2.機械手部件選材原則 機械手的設(shè)計再考慮到零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，還要考慮到其材料工藝的選擇。選材要考慮到其零件的使用性、制造過程及成本等幾個方面，應(yīng)滿足以下要求： （1）使用性 在機器零件的設(shè)計上，通過分析零件工作條件和失效形式，對力學(xué)性能進行分析，是使用性能的一個重點。 （2）工藝性 通過工藝性能分析，對加工形式進行分析設(shè)定。在滿足使用性能的前提下，選擇更易加工的材料能夠大大降低加工難度。這項指標也會對經(jīng)濟型產(chǎn)生影響。 （3）經(jīng)濟性

37、 選材應(yīng)保證其整體成本最低。零件壽命、重量、研究費、加工費、維修費都會涉及總體成本，材料價格的高低是選材重要的經(jīng)濟性指標。確保零件的使用、工藝性能基礎(chǔ)之上，降低材料價格，壓縮成本以增加經(jīng)濟效益更大化，提高市場上產(chǎn)品競爭力，是工程設(shè)計中一貫堅持的重要原則。 2.4 本章小結(jié) 本章針對現(xiàn)階段機械手現(xiàn)階段發(fā)展情況，從組成、分類及設(shè)計與選材原則三個方面對機械手進行了全面的介紹，確定機械手由執(zhí)行部分、驅(qū)動部分、控制部分、檢測部分四部分組成；按照用途、驅(qū)動方式、控制方式的不同進行了分類；對機械手機構(gòu)設(shè)計原則、機械手部件的選材原則進行了分析，為機械手整體結(jié)構(gòu)的確定提供了參考依據(jù)。 第3章 華中CK6

38、132數(shù)控車床用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 3.1 華中CK6132數(shù)控車床用機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1.1 機械手工作環(huán)境及設(shè)計要求 本課題參照華中CK6132數(shù)控車床為載體進行機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3-1所示。表3-1為CK6132數(shù)控車床技術(shù)參數(shù)。 圖3-1 CK6132機床（華中） 表3-1 數(shù)控車床技術(shù)參數(shù) 序號 項目 技術(shù)參數(shù) 備注 1 床身最大回轉(zhuǎn)直徑 ￠320mm 2 托板最大直徑 ￠160mm 3 最大工件長度 750/1000mm 4 主軸轉(zhuǎn)速范圍 100-300rpm 5 主軸通孔直徑 ￠38

39、mm 6 主軸內(nèi)孔錐度 MT5 7 主軸外端椎體錐度 D4 8 刀架刀位數(shù) 4 9 車刀刀桿最大尺寸 1818mm 10 電機最小設(shè)定單位 步進/伺服 Z向 0.01/0.001mm X向 0.005/0.001mm 11 刀桿快移速度 步進/伺服 Z向 3m/7.6m/min X向 3m/7.6m/min 12 尾座套筒內(nèi)孔錐度 MT3 13 主電機功率 2.2kw 14 車床外形尺寸 1800/20509501680mm 15 車床毛重 800/900kg

40、 通過分析數(shù)控車床自身特點，結(jié)合零件抓取時對機械手的技術(shù)要求，CK6132數(shù)控車床用機械手應(yīng)滿足表3-2的設(shè)計參數(shù)，并滿足裝夾時機械手與卡盤的隊中精度要求，同時考慮到機械手的經(jīng)濟性能。 表3-2設(shè)計參數(shù)表 3.1.2 設(shè)計方案分析 根據(jù)以上要求，共設(shè)計兩種機械手安裝方案： 1． 將機械手機構(gòu)的基座安裝在數(shù)控車床身后，采用地面支撐的形式，在 基座上安裝機械手支架，支架連接懸空機械手手臂，如圖3-2； 圖3-2 方案一原理圖 方案一通過氣動系統(tǒng)控制機械手運動，機械手爪可進行旋轉(zhuǎn)運動和水平移動，通過傳感器定位，最大程度保證對中精度。

41、 2．基座采用門架支撐結(jié)構(gòu)，機械手放置在數(shù)控機床上空，如圖3-3； 1-工件裝卸臺 2-車床床身 3-車床卡盤 4-手爪 5-機械手直臂 6-機械手橫臂 7-固定支架 圖3-3 方案二原理圖 方案二通過氣動系統(tǒng)控制機械手；機械手爪應(yīng)可以在xy平面移動，并可以實現(xiàn)夾持動作；擬采用傳感器進行數(shù)控車床的工件定位，以保證其對中精度。 從圖3-3中可以看出， Yc位置在機械手裝配調(diào)整后不再變動，通過保證起、終點的定位精度和位置精度，來保證定位和重復(fù)定位精度，即為靜態(tài)定位精度。其間運動若干個點的距離和位置控制Zs定位精度，與靜態(tài)定位精度不同，一般為動態(tài)定位精度。采用伺服電機雖然在精度上能滿足

42、要求，但往往導(dǎo)致提高經(jīng)濟成本，。 方案一與方案二相比較具有以下特點： 1．方案一占據(jù)空間小，方案二占據(jù)空間較大； 2．方案一、方案二經(jīng)濟成本基本相同； 3．方案二精度可靠，實用性較高。 綜合三方面實際情況綜合考慮，最終確定方案二為設(shè)計方案。 基于這樣的分析和實際要求，再考慮氣動執(zhí)行元件的特點和當前的技術(shù)性能，可以獲得這樣的認識： 氣缸對于運行過程中的起點位置和終點位置能夠進行有效控制，保證定位精度?？梢酝ㄟ^氣動技術(shù)作為控制方式，相比較伺服電機控制將有效降低成本。 再深一步分析，幾個問題仍然存在： 1．定位精度要求能夠通過機械式氣缸實現(xiàn)，但在距離較長、跨度較大的情況下使用尚無先

43、例，尚需研究和驗證Z方向的精度及其機械結(jié)構(gòu)。 2．定位精度原理上已經(jīng)得以滿足，實際使用過程中， Yf調(diào)整應(yīng)該在裝配初期就已完成，對中精度的保證，通過調(diào)整Yc即機械手的行程距離來完成，調(diào)整行程的精確是相對困難的；機械手支架具有一定高度，在安裝后需要重新精確調(diào)整行程十分困難。 以上兩個問題是阻礙氣動技術(shù)在自動裝卸機械手中運用的主要技術(shù)難題，如果能夠得到圓滿的解決，就可以考慮在機械手上采用氣動控制方式，完成對工件進行自動裝卸。 按照上面的分析，解決該技術(shù)難題考慮用以下3個技術(shù)方案： 1．保證卡盤的對中距離Yc精度 通過微調(diào)裝置進行精度調(diào)整。在手爪部位安裝精密微調(diào)裝置，操作者可自地面進行對微

44、調(diào)裝置的調(diào)整。此方案重點在于微調(diào)裝置設(shè)計簡單、安裝方便、使用便捷，還要控制成本。 2．保證裝夾深度Zs的技術(shù)方案 本方案中機械手需要保證多點重復(fù)定位，通過機械式無桿氣缸與控制器結(jié)合使用，以保證水平裝夾定位精度。 3．保證水平移動距離水平Zt 的技術(shù)方案 為了防止由于氣缸變形而導(dǎo)致對精度的影響，采用在機床上空設(shè)置門架的方式來固定安裝水平氣缸，保證其工作范圍。如圖3-4所示，為氣動裝卸機械手整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3-4氣動裝卸機械手總體結(jié)構(gòu)示意圖 3.2 機械手模塊化設(shè)計及功能分析 3.2.1 機械手模塊化設(shè)計理念 隨著現(xiàn)今快節(jié)奏、多樣化的新要求，傳統(tǒng)的制造方式和設(shè)計思想

45、已難以適應(yīng)。模塊化設(shè)計理念隨之誕生。模塊化理念是通過設(shè)計使機構(gòu)中相獨立的部分成為獨立功能單元。針對不同的需求，通過不同單元的組合，來形成最終的整體方案。體現(xiàn)了發(fā)展模塊化氣動機械手和實用性[28]。一個優(yōu)秀的機構(gòu)設(shè)計應(yīng)該能夠保持機構(gòu)中每項功能及部件的獨立性。在設(shè)計中盡可能使機構(gòu)中形成每個基本功能及部件互相獨立。在的模塊化設(shè)計的早期理念中，主要是根據(jù)兩個特征來定義模塊化產(chǎn)品設(shè)計的，一是保證功能結(jié)構(gòu)具有一定相似性和物理結(jié)構(gòu)具有一定相似性；二是保證部件間具有相互協(xié)調(diào)、相互銜接的遞進關(guān)系。 1．模塊劃分的一般原則 對機構(gòu)進行模塊化的獨立設(shè)計，一般從以下五個方面進行劃分[29]： （1）增多組合方案

46、，提高適用范圍； （2）模塊數(shù)量盡量少，減輕組裝工作量； （3）模塊成本需要合理； （4）充分考慮產(chǎn)品的精度、剛度對模塊的影響； （5）各模塊自身相對獨立、完整。 2. 模塊設(shè)計的一般方法 同一個系統(tǒng)即存在功能體系，又同時存在構(gòu)造體系。功能體系與構(gòu)造體系兩者之中，更為本質(zhì)的是功能體系。在系統(tǒng)中一種功能在另一種功能的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，我們稱之為功能的上下關(guān)系也或是功能的前后級關(guān)系。一般用下位功能定前者，用上位功能定為后者。一個功能對于不同角度，既可以定位為上位功能，又可以定位為下位功能。還有一種功能，即由一個功能的產(chǎn)生而同時出現(xiàn)的幾個功能，且這幾個功能不存在上下關(guān)系，我們稱之為并列功能。

47、 3．機械手模塊及組成 模塊式機械手是根據(jù)作業(yè)的要求，分離能夠完成機械手基本功能的單元模塊，組合成通用的部件。將底座作為模塊化機構(gòu)基礎(chǔ)，配備不同的組合模塊和控制功能，完成不同的功能要求。通過對部分部件的重新設(shè)計和簡單改動，完成產(chǎn)品的變化需求，能夠快速、高效的投入到生產(chǎn)，并且節(jié)省成本。 機械手一般由底座、立柱、手臂等通用部件組成。并且將互換性、繼承性理念貫穿于連接件和關(guān)節(jié)之中，使之能夠能通過一部分功能模塊的增加或改變來滿足不同的工作要求。 3.2.2 模塊化機械手結(jié)構(gòu)及設(shè)計流程 采用模塊化的設(shè)計方式設(shè)計氣動裝卸機械手的結(jié)構(gòu)，機械手分為三個模塊: 臂部模塊（直臂模塊和橫臂模塊）、腕部模

48、塊和手部模塊，圖3-5所示。 圖3-5機械手各部分模塊 機械手的設(shè)計流程圖如圖3-6所示： 圖3-6 機械手的設(shè)計流程圖 3.2.3 機械手模塊組成及功能分析 1．手部模塊的組成及功能分析 （1）功能及結(jié)構(gòu)分析 機械手抓取工件主要是通過手指來完成的，氣動機械手的氣爪是目前在抓取技術(shù)中應(yīng)用最普遍的方式。氣爪一般分為2指、3指和多指氣爪。氣動機械手氣爪優(yōu)點：自動對中、抓取雙向、高精度、力恒定等。 機械手抓取數(shù)控車床的工件主要是以棒料為主，例如設(shè)計規(guī)格￠806Omm的圓柱型工件。根據(jù)上面對工件抓取時的特點，考慮到抓取過程的穩(wěn)定性和可靠性，圓柱形工件一般選

49、用3手指氣爪來進行抓取。以設(shè)計規(guī)格￠806Omm棒料為例，擬選用MHS3-63D-Y59AL型號，缸徑63mm的氣爪，如圖3-7所示。 圖3-7機械手三手指氣爪實體圖 圖3-8手指直徑變化范圍圖 （2）聯(lián)接件的設(shè)計 如圖3-8所示，氣爪運行是的極限位置為D1 和D2，最小直徑28mm，最大直徑44mm，通過連接件，擴大手指抓取直徑，聯(lián)接手指如圖3-9所示。設(shè)計時應(yīng)使手指在行程中途進行工件夾持。滿足夾持￠80mm工件的要求。 圖3-9氣爪及連接件 圖3-10氣爪夾持點示意圖 聯(lián)接件設(shè)計時需要同

50、時考慮到氣爪的夾持點。采用具有自動對中功能的3指氣爪?？梢圆捎闷矫婊驁A弧面做為手指聯(lián)接部分表面形狀，圖3-11給出了幾種手指連接部分表面形狀，剖視圖中實心小圓點、粗實線為實際接觸部分。 a）平面夾持 b）圓弧面夾持 c）圓弧面夾持 d）圓弧面夾持 （工件直徑小于直徑） （工件直徑等于直徑）（工件直徑大于直徑） 圖3-11手指夾持面分析 通過對以上幾種情況分析，得出如下結(jié)論： a)方案為單線接觸，特點是對中性好，可靠性低； b)方案b圓弧面夾持，為三線接觸，對中性好，可靠性較高； c)方案c理論上為面接觸

51、，實際上不能達到完全面接觸，特點是對中性不高。 d)方案d聯(lián)接件通過六條線與工件接觸，特點是對中性差，可靠性高。 通過分析，決定采用方案b。 （3）氣爪的承載能力分析 本設(shè)計方案氣爪為外夾持，夾持力方向指向圓心，如圖3-12所示，F(xiàn)=335N。 圖3-12 抓取力示意圖 氣爪的設(shè)計材料為鋼制，摩擦系數(shù)，計算工件與氣爪間最大靜摩擦力為： N 工件的規(guī)格為￠806Omm，通過重量公式計算其重力為 N 設(shè)安全系數(shù)為2，通過上式可得： 可得：選取直徑為63mm的氣爪能夠滿足實際要求 2．腕部模塊的組成及功能分析 圖3-13 擺動氣缸旋轉(zhuǎn)示意圖 由擺動氣缸、聯(lián)接件

52、組成機械手腕部模塊，機械手手抓可進行90旋轉(zhuǎn)，如圖3-13所示。 腕部模塊設(shè)計方案，通過聯(lián)接件1連接擺動氣缸與高精度柔性調(diào)節(jié)機構(gòu)；通過聯(lián)接件2連接擺動氣缸與與兩氣爪，聯(lián)接件如圖3-14所示，設(shè)計了槽與軸相配合的孔，安裝采用鍵聯(lián)接方式，氣缸與孔相連接。為防止鍵的軸向移動，采用螺釘緊固，并將其突起部分焊接在主體部分上。兩個氣爪分別安裝在主體部分兩端，對稱通孔是為了減輕聯(lián)接件自重，以使對中精度得以保證。 圖3-14 連接件設(shè)計圖 3．手臂模塊組成與功能分析 （1）橫臂模塊組成與功能分析 如圖3-15所示，橫臂模塊由MLZB氣缸、導(dǎo)軌、聯(lián)接件組成，安裝于門架結(jié)構(gòu)的橫梁之上，可以進行

53、水平移動。機械手橫臂和直臂通過連接件進行連接，機械手連接在連接件的四個螺紋口上。 圖3-15 模塊化機械手手臂模塊（橫臂） （2）直臂模塊組成與功能分析 如圖3-16所示，由MGPM導(dǎo)桿氣缸、MGGMF導(dǎo)桿氣缸、柔性調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，通過高精度柔性調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)整，以保證機械手氣爪與機床卡盤對中精度[30]。 圖3-16 模塊化機械手手臂模塊（直臂） 3.3 機械手在數(shù)控車床中的工作過程 針對設(shè)計方案簡單分析一下單手爪機械手在數(shù)控車床上的操作循環(huán)過程，如圖3-17所示： 1-工件裝卸臺 2-車床床身 3-車床卡盤 4-手爪 5-直臂 6-機械手橫臂 7-固定

54、支架 圖3-17 機械手工作流程示意圖 循環(huán)步驟： 1．機械手到工件放置臺處抓取工件，之后直臂升到高端位置Yu，沿水平Z方向向右運動Zt距離； 2．機械手的直臂模塊從高端位置Yu降到低端位置Yc，使手爪與車床的卡盤中心滿足對中精度要求，進而沿Z水平向左運動距離Zs將被夾工件送入卡盤中心并滿足定位精度要求； 3．工件夾緊后，機械手沿水平Z向右運動距離Zs，升到高端位置Yu； 4．機械手最后運動到工件放置臺上方開始下個抓取循環(huán)。 3.4 本章小結(jié) 本章首先確定機械手設(shè)計基礎(chǔ)為華中數(shù)控CK6132數(shù)控車床，針對數(shù)控機床的自身尺寸、使用環(huán)境的要求和工件裝卸的特點對機械手進行了設(shè)計。要同

55、時保證對中精度和運動過程中的重復(fù)定位精度，并要考慮到整體的經(jīng)濟性。通過分析提出了兩種設(shè)計方案，一種是將機械手放置在數(shù)控機床身后，通過高空懸臂進行機械手的控制；另一種是通過大跨度門架結(jié)構(gòu)，將機械手吊于數(shù)控機床上空。通過兩種方案對比，指出各方案存在的利弊及技術(shù)難題，并考慮了解決的技術(shù)方案，確定后者為本次設(shè)計方案。最后對氣動裝卸機械手的總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，設(shè)計采用模塊化的方式，把機械手分為三個模塊，對其結(jié)構(gòu)、聯(lián)接方式進行了設(shè)計。完成了機械手的整體結(jié)構(gòu)以及各模塊的設(shè)計工作。 第4章 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 通過設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)來確定執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。為滿足驅(qū)動系統(tǒng)定位精度要求，使機械手工作穩(wěn)定、維

56、護方便，根據(jù)物料搬運機械手各機構(gòu)的運動特點來設(shè)計機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，并選型與校核各驅(qū)動元件。 4.1 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 分析機械手搬運物料過程中的運動軌跡，機械手驅(qū)動系統(tǒng)主要有轉(zhuǎn)動和直線運動兩種運動形式。如圖4-1和圖4-2所示為機械手驅(qū)動系統(tǒng)原理圖和氣路實物連接圖。 圖4-1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 執(zhí)行元件采用2位5通先導(dǎo)式雙電控電磁換向閥來控制方向，信號為短脈沖信號。采用調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)速度。 圖4-2 氣路實物連接圖 4.2 氣動輔助元件的選取 為了全面監(jiān)測機床主軸的徑向跳動量可采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)[36]。本節(jié)主要將分析組態(tài)軟件構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和監(jiān)

57、測系統(tǒng)的具體設(shè)計方案。 氣源需通過壓縮后方可在氣壓傳動系統(tǒng)中使用，方向和流量的控制主要靠氣動控制元件來實現(xiàn)。氣動控制元件按其用途、控制方式、結(jié)構(gòu)形式、連接形式的不同，可分為以下幾類。 1． 按用途分類 （1） 方向控制閥（如單向閥、換向閥）； （2） 壓力控制閥（如溢流閥、減壓閥、順序閥）； （3） 流量控制閥（如節(jié)流閥、調(diào)速閥）。 2． 按控制方式分類 （1） 開關(guān)或定值控制閥； （2） 比例控制閥； （3） 伺服控制閥； （4） 電液數(shù)字控制閥。 3． 按結(jié)構(gòu)形式分類 （1） 滑閥； （2） 錐閥； （3） 球閥； （4） 轉(zhuǎn)閥； （5） 噴嘴擋板閥； （

58、6） 射流管閥。 4． 按安裝連接形式分類 （1） 螺紋式（管式）安裝連接； （2） 板式安裝連接； （3） 集成塊式連接； （4） 疊加式安裝連接； （5） 法蘭式安裝連接； 插裝式安裝連接。 4.2.1方向控制閥 方向控制閥的主要作用是控制系統(tǒng)中流體的流動方向，其工作原理是利用。閥芯和閥體之間相對位置的改變來實現(xiàn)通道的接通或斷開，以滿足系統(tǒng)對通道的不同需求。 1．單向閥， 按其功能分為普通單向閥、液壓單向閥、梭閥、雙壓閥、和其它閥等。 2. 換向閥， 是借助閥芯和閥體之間相對位置，使閥體連接的各通道之間實現(xiàn)連通或斷開而改變流體流動方向的閥。按其結(jié)構(gòu)可分為座閥式換向

59、閥（錐閥式、球閥式等）、滑閥式換向閥和轉(zhuǎn)閥式換向閥三種。 4.2.2流量控制閥 流量控制閥是通過改變節(jié)流口通流面積的大小或通流通道的長短來改變局部阻力的大小，從而實現(xiàn)對流量的控制。常用的流量控制閥有節(jié)流閥、調(diào)速閥和分流集流閥。 1．節(jié)流閥 具有螺旋曲線開口的閥芯與閥套上的窗口相配合，構(gòu)成具有一定截面形狀的節(jié)流孔，實現(xiàn)對流量的控制。 2．調(diào)速閥 調(diào)速閥是由定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)而成的組合閥。節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)通過的流量，定差減壓閥則自動補償負載變化的影響，使節(jié)流閥前后的壓差為定值，消除了負載變化對流量的影響。 4.2.3壓力控制閥 用于實現(xiàn)系統(tǒng)壓力控制的閥同城為壓力控制閥。常用的壓力

60、控制閥有溢流閥、減壓閥、順序閥和壓力繼電器等。它們都是利用流體的壓力與閥內(nèi)的彈簧力相平衡的原理來工作的。 1．溢流閥。溢流閥有多種用途，但其基本功能有兩種：一是保證系統(tǒng)壓力恒定，二是在系統(tǒng)中作為安全閥使用，對系統(tǒng)其過載保護作用。 2.減壓閥。主要用于降低系統(tǒng)某一支路的油液壓力，使同一系統(tǒng)能有兩個或是多個不同壓力的回路。 3．順序閥。在液壓系統(tǒng)中猶如自動開關(guān)，用來控制多個執(zhí)行元件的順序動作。它以進口壓力或是外來壓力為信號，當信號壓力達到調(diào)定值時，進行自動連接。 4.2.4氣動元件的選擇 根據(jù)以上分析，對氣動元件的選擇如下: 1．空氣壓縮機 氣壓系統(tǒng)的動力源裝置是空氣壓縮機?？諝鈮嚎s

61、機在選型時，對氣壓的特性要符合氣壓系統(tǒng)要求，空氣壓縮機類型的選擇，是根據(jù)氣動系統(tǒng)中各氣缸耗氣量和所需氣壓進行的，通過空氣壓縮機的輸出壓力和吸入流量的確定，最終選擇合適型號的空氣壓縮機。 氣缸耗氣量計算[31，32] 耗氣量Q與氣缸的行程S、直徑D、缸動作的時間以及換向閥到氣缸管道的容積有關(guān)。當忽略氣缸管道的容積時，氣缸在單位時間內(nèi)消耗空氣的量可以按下式進行計算: 或 ， （4-1） 式中： 為壓縮空氣在單位時間內(nèi)的消耗量()； 為無活塞桿端進入氣缸時空氣的消耗量()； 為有活塞桿端進入氣缸時空氣的消耗量()； D為氣缸內(nèi)徑(m)； d為活塞桿直徑(m)；

62、 分別為氣缸活塞桿伸出和縮回過程所需要的時間(s)； S為氣缸的行程(m)； 橫臂耗氣量計算 缸徑D=10mm，行程S=60mm，時間 t=0.6s，依據(jù)公式得 直臂耗氣量的計算 水平缸缸徑D=30mm，行程S=70mm，時間 t=0.5s，依據(jù)公式得： 所以靜音空氣壓縮采用上海日豹，LB：0.017/8；220V/50HZ；0.245KW；0.8Mpa；配內(nèi)螺紋直通，接管外徑￠6。 2．方向控制閥 方向控制閥采用兩位五通電磁換向閥，采用Airtac的4Vl20-M5-DC24V型5個，Airtac型號的 4V110-M5-DC24V一個[33]。 3．調(diào)速閥 進

63、氣節(jié)流和排氣節(jié)流是調(diào)速閥的兩種連接方式。采用排氣節(jié)流式，外牙，牙徑M5，用于接￠4的軟管。 4．消音器 通過消聲器來減少氣壓回路中的噪音，同時又不能影響氣流在通道中順利通過。本機械手采用外牙牙徑PTI/4的消音器。 5．調(diào)壓過濾器 將氣壓系統(tǒng)中增加調(diào)壓過濾器，既可將空氣壓縮機排出氣流的脈動消除，更平緩的排出氣流，又可將氣源管道中的壓力穩(wěn)定下來，減輕由于壓縮空氣流量提高而對整個系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。 6．氣源處理套件[34] 氣源處理套采用的是多功能并且堅固的三連件。三連件是模塊化的結(jié)構(gòu)。包含過濾調(diào)壓閥、安全啟動閥、自動排水閥以及帶安全架。 4.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了物料搬運機械

64、手氣動驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其中，具體介紹了氣動回路的工作原理和完成了氣動回路設(shè)計，通過計算對驅(qū)動原件進行了分析和選型，完成了物料搬運機械手氣動驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動部分的設(shè)計工作。 第5章 機械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 機械手通過試驗運行，出現(xiàn)了兩個影響到實用性和精度的問題： 1．由于氣缸的固定在門架結(jié)構(gòu)之上，由于其剛自身重量對門架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個載荷的作用，在運動過程中的反復(fù)作用，會使氣缸產(chǎn)生變形的可能，導(dǎo)致整體精度受到影響。 2.機械手直臂采用正面連接的方式進行安裝，在運動過程中由于重心不在同一條豎直直線上，會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，在反復(fù)運動的過程中這個轉(zhuǎn)矩的作用會使門架結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)翻，嚴重影響機械手的使用性能。

65、 5.1 氣缸固定支座結(jié)構(gòu)的研究 氣動機械手橫臂進行水平方向運動，并在橫臂上需要進行多次重復(fù)定位，通過大跨度氣缸來滿足這一要求。為了保證其定位使得精度要求，須對固定支撐結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計[35-37]。 如圖5-1所示，若把氣缸直接固定在門架兩端，氣缸會受到向下的重力載荷影響，導(dǎo)致氣缸整體產(chǎn)生向下的變形，使水平方向上的定位精度受到影響。 圖5-1 氣缸變形向下彎曲示意圖 圖5-2 門式支架示意圖 l．門架結(jié)構(gòu)的設(shè)計 為解決氣缸變形而影響到定位精度這一問題，在設(shè)計方案中提出了門式的支架結(jié)構(gòu)，在門架水平橫梁上放置氣缸，以保證氣缸承載后不會產(chǎn)生變形

66、。門架結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。由三部分即橫梁部分、立柱部分和基座部分組成[38] 門架橫梁的焊接示意圖如圖5-3所示，橫梁剖視圖如圖5-4所示。為防止其變形，通過兩根槽鋼焊接而成，兩端通過螺栓固定于立柱之上。 圖5-3 門架橫梁焊接圖 圖5-4 門架橫剖視圖 立柱部分采用雙槽鋼、雙鋼板焊接而成，防止在單根槽鋼上產(chǎn)生壓力。鋼板寬度與橫梁寬度相等，該結(jié)構(gòu)使立柱的穩(wěn)定性大大提高。將15mm厚的鋼板焊接于其頂部，螺栓通過螺紋孔聯(lián)接橫梁槽鋼2。10mm厚的鋼板焊接于立柱底部，門架立柱結(jié)構(gòu)如圖5-5，門架立柱截面如圖5-6所示。 圖5-5 門架立柱結(jié)構(gòu) 圖5-6 門架立柱截面 門架結(jié)構(gòu)腳座如圖5-7所示，門架放置機械手后會因其自重產(chǎn)生載荷和扭矩，為保證門架固定在地面上的穩(wěn)定性，需通過腳座進行連接，通過地腳螺栓和水泥基礎(chǔ)將整體結(jié)構(gòu)固定于地面之上。由于橫梁、立柱部分均為螺栓連接，為保證其對中要求，在腳座部分需設(shè)置調(diào)節(jié)槽，通過調(diào)整，使得整體機構(gòu)的組裝能夠順利進行。 圖5-7 門架腳座與立