自動(dòng)換刀機(jī)械手的總功能設(shè)計(jì)【數(shù)控臥式鏜銑床的自動(dòng)換刀機(jī)械手】

自動(dòng)換刀機(jī)械手的總功能設(shè)計(jì)【數(shù)控臥式鏜銑床的自動(dòng)換刀機(jī)械手】,數(shù)控臥式鏜銑床的自動(dòng)換刀機(jī)械手,自動(dòng)換刀機(jī)械手的總功能設(shè)計(jì)【數(shù)控臥式鏜銑床的自動(dòng)換刀機(jī)械手】,自動(dòng),機(jī)械手,功能設(shè)計(jì),數(shù)控,臥式,銑床 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘 要 在本論文中，首先扼要的介紹了自動(dòng)換刀裝置，以及將自動(dòng)換刀裝置發(fā)展成機(jī)械手的原因和機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用；在第二部分中，介紹了工業(yè)機(jī)械手的組成和分類以及機(jī)械手的緩沖器與定位元件，并對(duì)機(jī)械手的手機(jī)身作了簡單的介紹。在第三部分中我們分別就驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)論證了一些方案，并從中選出了一些合理的功能單元，最后進(jìn)行最佳方案的組合。經(jīng)詳細(xì)的技術(shù)評(píng)價(jià)與綜合方案評(píng)價(jià)后確定本論文中的方案一為最優(yōu)；由于整體設(shè)計(jì)的需要，我們選擇了液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一方面，液壓傳動(dòng)的速度快，反應(yīng)靈敏，傳動(dòng)平穩(wěn)；另一方面是其運(yùn)行精確，可以達(dá)到較高的定位精度。第四部分進(jìn)行了有關(guān)機(jī)械手的計(jì)算。第五部分介紹了我所設(shè)計(jì)的滑座伸縮和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。第六部分我們對(duì)工業(yè)機(jī)械手的工作順序進(jìn)行了分析。第七部分我們敘述了未來機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)。由此我們可以看到目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用在逐漸的擴(kuò)大，技術(shù)性能在不斷的提高。最后，我們記錄了心得體會(huì)。在設(shè)計(jì)中，我們參考了一些文摘并翻譯了一篇名為“Estimation of heat fluxes during high-speed drilling”的外文。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手;液壓傳動(dòng);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 manipulator’s 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 design’s 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 manipulator’s 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 錄 摘 要 前 言 …………………………………………………………………………1 1 工業(yè)機(jī)械手的簡介 …………………………………………………………2 1.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 ………………………………………………………………2 1.2 工業(yè)機(jī)械手的分類方法簡介 ……………………………………………………2 1.3 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)身簡介 …………………………………………………………2 1.3.1 設(shè)計(jì)機(jī)身應(yīng)注意的問題 ……………………………………………………3 1.3.2 機(jī)身的結(jié)構(gòu)方案 ……………………………………………………………3 1.3.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ………………………………………………………………5 1.3.4 機(jī)身的方案評(píng)價(jià) ……………………………………………………………5 1.4 緩沖器與定位元件的設(shè)計(jì) ………………………………………………………5 1.4.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特征 …………………………………………………………6 1.4.2 開關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制 …………………………………………6 1.4.3 機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制 ………………………………………8 1.4.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 ………………………………………………8 2 自動(dòng)換刀機(jī)械手的總功能設(shè)計(jì) …………………………………………12 2.1 自動(dòng)換刀機(jī)械手的黑箱描述 …………………………………………………12 2.2 機(jī)械手功能單元的分類 ………………………………………………………12 3 自動(dòng)換刀機(jī)械手的方案確定 …………………………………………………13 3.1 總體的布置要求 ……………………………………………………………13 3.2 自動(dòng)換刀機(jī)械手各個(gè)部分的最終方案的確定 ………………………………13 3.3 自動(dòng)換刀機(jī)械手緩沖部分的原理 ……………………………………………17 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ……………………………………………………18 4.1 結(jié)構(gòu)上的總要求 ………………………………………………………………18 4.2 設(shè)計(jì)液壓動(dòng)回路 ……………………………………………………………18 4.3 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 ……………………………………………………………18 4.3.1 活塞桿的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………19 4.3.2 液壓鋼壁厚計(jì)算 …………………………………………………………21 4.3.3 液壓機(jī)械手伸縮速度的控制 ………………………………………………21 4.3.4 回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 ……………………………………………………………22 4.3.5 耗油量的計(jì)算 ………………………………………………………………22 4.4 自動(dòng)換刀機(jī)械手的液壓系統(tǒng) …………………………………………………23 5 伸縮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………………………………………………………25 5.1 伸縮回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖 ………………………………………………………………25 5.2 伸縮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理 ………………………………………………………27 6 自動(dòng)換刀機(jī)械手的自動(dòng)換刀過程 ……………………………………………28 6.1 自動(dòng)換刀裝置簡圖及介紹 ……………………………………………………28 6.2 自動(dòng)換刀過程實(shí)例 ……………………………………………………………29 7 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) ……………………………………………………………………31 致謝 …………………………………………………………………………33 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………34 附 錄：外文翻譯 - iv - 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 前 言 隨著我國工業(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，這也是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。 在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，需要普通車床的生產(chǎn)更為高效、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、加工性能強(qiáng)，而且還可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。這樣使之能夠適于單件、中小批量的生產(chǎn)；形狀比較復(fù)雜，精度要求高的零件加工；產(chǎn)品更新頻繁，生產(chǎn)周期短的加工。這在改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，改善工作條件，提高經(jīng)濟(jì)效益等方面，都能獲得顯著的效果。 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)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩類。我國目前研制的工業(yè)機(jī)械手大多還是專用機(jī)械手。該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，專用性強(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)，但就目前來看，專用機(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。雖然目前我國的數(shù)控加工中心等大型設(shè)備還是依賴進(jìn)口，但相信不久的將來我國必然會(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。 我們這次的設(shè)計(jì)任務(wù)是參考以往的技術(shù)資料，設(shè)計(jì)數(shù)控臥式鏜銑床的自動(dòng)換刀機(jī)械手。但由于初涉大型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，搜集的資料可能不夠全面，且缺乏實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，故設(shè)計(jì)不當(dāng)之處再所難免，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)和指正。 1 工業(yè)機(jī)械手的簡介 工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人的動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序、軌跡或其它要求實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。 1.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 ① 執(zhí)行系統(tǒng) （手部、腕部、臂部、機(jī)身、行走機(jī)構(gòu)） ② 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)） ③ 控制系統(tǒng) （檢測(cè)裝置、控制裝置） 1.2 工業(yè)機(jī)械手的分類方法簡介 ⑴ 按驅(qū)動(dòng)方式分 ① 液壓式：操縱力大，體積小，動(dòng)作平穩(wěn)。缺點(diǎn)是漏油會(huì)影響系統(tǒng)的工作性能，而且油的黏度對(duì)溫度變化敏感。 ② 氣動(dòng)式：氣源方便，維護(hù)簡單，易于獲得高速度。其缺點(diǎn)是操作力較小、體積大、空氣可壓縮性大、速度控制困難、動(dòng)作不平穩(wěn)、控制有滯后現(xiàn)象。 ③ 電動(dòng)式：動(dòng)力源方便、操作力較大，其缺點(diǎn)是需要設(shè)置減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，或者用特殊電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 ④ 機(jī)械式：一般借助動(dòng)力源，通過凸輪、連桿機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，變換程序較困難，其動(dòng)作可靠。 ⑵ 按用途分 ① 用機(jī)械手：一般指附屬于某一設(shè)備的、程序是固定的、動(dòng)作簡單的機(jī)械手。 ② 通用機(jī)械手：一般指動(dòng)作程序可變，具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械手。 ⑶ 按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式分 ① 點(diǎn)位控制：只要求準(zhǔn)確控制手部移動(dòng)的起止位置或有限的設(shè)定點(diǎn)位置，不要求控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。 ② 連續(xù)軌跡控制：要求準(zhǔn)確控制運(yùn)動(dòng)軌跡，其設(shè)定點(diǎn)是無限的，能在三維空間中做任意復(fù)雜的動(dòng)作。 1.3 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)身簡介 1.3.1 設(shè)計(jì)機(jī)身應(yīng)注意的問題 機(jī)身是支承臂部的部件。升降、回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等都裝在機(jī)身上。有關(guān)機(jī)身的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題： ① 有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 ② 運(yùn)動(dòng)要靈活。升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，一般要有導(dǎo)向裝置。 ③ 結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。 1.3.2 機(jī)身的結(jié)構(gòu)方案 ① 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用齒條活塞油缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)身。升降運(yùn)動(dòng)由活塞4驅(qū)動(dòng)，靠立柱上平鍵導(dǎo)向?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒條活塞2驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸3和油缸體6一起轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過缸體上鍵帶動(dòng)外套一起轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。圖如下： ② 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)身。升降運(yùn)動(dòng)由活塞油缸4驅(qū)動(dòng)，靠升降活塞桿內(nèi)花鍵套2導(dǎo)向?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由擺動(dòng)油缸5驅(qū)動(dòng)，其回轉(zhuǎn)角度是210度，因擺動(dòng)缸安置在升降活塞桿的上方，故活塞桿1的尺寸要加大。 ③ 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用活塞油缸帶動(dòng)齒條傳動(dòng)的機(jī)身。升降運(yùn)動(dòng)由活塞3驅(qū)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由活塞油缸7驅(qū)動(dòng)與其平行安裝的齒條5和齒輪4來實(shí)現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)多用于抓重小的情況。 ④ 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)。擺動(dòng)缸安置在立柱上部。臂部用銷軸和擺動(dòng)缸體連接，作為臂部俯仰運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)。擺動(dòng)缸的轉(zhuǎn)軸和立柱固連，擺動(dòng)缸體與轉(zhuǎn)套相連，俯仰用活塞油缸裝在轉(zhuǎn)套上。活塞桿與臂部托架用鉸鏈連接。擺動(dòng)缸工作時(shí)，缸體帶動(dòng)套筒及活塞缸和臂部一起回轉(zhuǎn)。 ⑤ 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用氣缸鏈條傳動(dòng)的機(jī)身。升降運(yùn)動(dòng)是由單作用式氣缸來實(shí)現(xiàn)的。上腔進(jìn)氣后推動(dòng)缸體上升，下降時(shí)依靠自動(dòng)由兩只氣缸6交替驅(qū)動(dòng)，鏈條5帶動(dòng)鏈輪2來實(shí)現(xiàn)的。鏈輪2通過鏈帶動(dòng)升降氣缸的活塞桿和導(dǎo)向桿同步回轉(zhuǎn)。 1.3.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)過程中不是等加速運(yùn)動(dòng)，所以最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論上平均值大一些。計(jì)算時(shí)一般取1.3倍。驅(qū)動(dòng)力矩按下式計(jì)算： Ma = 1.3 ( Mm + Mg ) N * m 式中 Mm ---- 摩擦力矩（包括各支承處的摩擦力矩） N Mg ---- 起動(dòng)時(shí)慣性力矩，一般按下式計(jì)算： Mg = Jω / t N*m 其中 J ---- 臂部對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 N ω---- 臂部回轉(zhuǎn)角速度 1 / s t ---- 臂部起動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 s 1.3.4 機(jī)身的方案評(píng)價(jià) 表1.1 加權(quán)評(píng)分表 評(píng)價(jià)要素 剛度 維修性 平穩(wěn)性 靈活性 制造性 重量 總分 取舍 要素比重 0.3 0.1 0.2 0.1 0.1 02 1 滿足程度 ① 80 70 70 70 70 50 69 舍 ② 80 80 70 70 70 80 76 舍 ③ 80 80 85 85 70 70 78.5 取 ④ 60 70 85 85 70 70 74.5 舍 ⑥ 85 70 85 85 85 85 83 取 1.4 緩沖器與定位功能單元的設(shè)計(jì) 說明： 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)，以滿足要求。 1.4.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特征 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)特性。下列為我們所選上下刀機(jī)械手所應(yīng)具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律減速較大的情形。 按照上圖的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)行，其減速過程亦可分為等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行。在等加速運(yùn)行而不等減速運(yùn)行時(shí)，由于速度形成短，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)發(fā)生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)、定位精度高的要求。 1.4.2 開關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制 說明： 用電氣開關(guān)、換向閥、節(jié)流閥及機(jī)械擋塊等控制的機(jī)械手稱為開關(guān)型機(jī)械手。 ① 液壓機(jī)械手的速度控制 開關(guān)型液壓機(jī)械手一般采用節(jié)流減速的方法，少數(shù)采用蓄能器或溢流減速的方法，也可以幾種方法同時(shí)采用。 A. 節(jié)流減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 油缸端部緩沖裝置，油路節(jié)流緩沖回路以及液動(dòng)機(jī)械手用的液壓緩沖器，都是利用節(jié)流原理，吸收機(jī)械手的能量，提高背壓控制減速，它們的設(shè)計(jì)方法相同。 減速過程中，節(jié)流口恒定的稱為恒節(jié)流，節(jié)流口不斷變化的稱為漸變節(jié)流。采用恒定節(jié)流口，在減速開始時(shí)，減速度大，沖擊大。隨后減速平滑下降，定位是稍高。該種節(jié)流口減速行程長，適用低速機(jī)械手（參見下圖）。漸變節(jié)流可獲得較好的減速特性，如緩沖柱塞開方截面拋物線節(jié)流槽（參見下圖1）可實(shí)現(xiàn)等減速，減速行程短，柱塞上開三角槽（參見下圖2）減速過程沖擊小，減速行程比恒節(jié)流短。圓錐形柱塞的減速特征比開三角柱塞的稍差。 B. 油缸端部緩沖裝置 行程固定的機(jī)械手多采用油缸端部緩沖裝置。 下圖是控制加速和減速的緩沖裝置結(jié)構(gòu)。啟動(dòng)時(shí)，油經(jīng)節(jié)流孔1，單向閥2進(jìn)入油缸，活塞5退出緩沖室3后主油口6進(jìn)油，機(jī)械手快速運(yùn)行?；钊M(jìn)入緩沖室的過程中，三角槽控制節(jié)流減速。適用于速度低于40cm / s的機(jī)械手。 該緩沖方案是油缸端部兩級(jí)節(jié)流緩沖裝置，錐度為0.5度的緩沖柱塞1進(jìn)入節(jié)流環(huán)2的過程中實(shí)現(xiàn)漸變減速。緩沖柱塞圓柱段將主油口封閉后，余油經(jīng)節(jié)流環(huán)的槽和可調(diào)節(jié)流閥擠出實(shí)現(xiàn)兩極節(jié)流緩沖。適用于慣性負(fù)荷大的機(jī)械手。 ② 液動(dòng)機(jī)械手的速度控制 A. 液動(dòng)機(jī)械手比其他的類型機(jī)械手有較多的優(yōu)點(diǎn)。但還是有一 些可壓縮性，可這也比氣動(dòng)的小的多，慣性負(fù)荷大的液動(dòng)機(jī)械手采用液壓緩沖回路。 B. 采用液動(dòng)液阻裝置。 C. 開關(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)有密切聯(lián)系，但有獨(dú)立性。例如節(jié)流減速后，既可發(fā)出指令關(guān)閉油路,定位也可以壓在擋塊上而定位。 a. 電氣開關(guān)預(yù)定位： 電動(dòng)機(jī)械手一般用電磁制動(dòng)器定位。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，行程開關(guān)發(fā)訊電控系統(tǒng)，激勵(lì)電磁制動(dòng)器而定位。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維修方便，但定位精度低。 b. 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。可分為單點(diǎn)定位或多點(diǎn)定位擋塊機(jī)構(gòu)。 1.4.3 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，一些專用機(jī)械手采用凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，特點(diǎn)是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。 通過比較緩沖方案選擇液壓緩沖器和油缸端部緩沖，定位選機(jī)械擋塊定位。 1.4.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇 ① 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)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四種。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，可以只用一種方式驅(qū)動(dòng)，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。 表1.2 各種驅(qū)動(dòng)方案特點(diǎn)比較及初選 比較內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)比較 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng) 異步電機(jī) 直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸出力 輸出力較大 輸出力較大 輸出力較小 氣體壓力小，輸出力較小，如需輸出力較大，則結(jié)構(gòu)尺寸較大 輸出壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度與加速度均由機(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，不易精確定位 控制性能好，可以精確定位但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，阻尼效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位差，低速不易控制 油液壓縮性較差。壓力流量均容易控制，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，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，體積也較大 要有減速裝置，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 維修使用復(fù)雜 維修簡單，能在高溫粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄露影響小 維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄露易著火 應(yīng)用范圍 應(yīng)用于自由度少的專用機(jī)械手，高速、低速均能適用 使用于抓重大和速度低的機(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 中小型專用，通用機(jī)械手都能用 中小型專用，通用機(jī)械手都有應(yīng)用，特別是重型機(jī)械手，多為液壓驅(qū)動(dòng) 成本 結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低 液壓元件成本高，油路也比較復(fù)雜 取舍 取 取 舍 取 取 ② 電控系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機(jī)械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各種電控系統(tǒng)特點(diǎn)范圍如下： 表1.3 各種電控系統(tǒng)特點(diǎn)比較 比較內(nèi)容 控制系統(tǒng) 固定程序 可編制程序 繼電器線路 半導(dǎo)體邏輯線路 順序控制器 示教再現(xiàn)或計(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)作程序可以為16步，也可以擴(kuò)展為32步以上 動(dòng)作程序較多， 200步或更多 控制參數(shù) ⒈ 動(dòng)作程序 ⒉ 動(dòng)作到達(dá)位置或時(shí)間 ⒊ 夾放信息 ⒋ 聯(lián)鎖信息 這些信息固定于線路之中，不能任意變 動(dòng) ⒈ 動(dòng)作程序 ⒉動(dòng)作到達(dá)位置或時(shí)間 ⒊ 時(shí)間信息 ⒋夾放信息 ⒌聯(lián)鎖信息 ⒍ 程序終了信息 這些信息可以任意編排 ⒈ 動(dòng)作程序 ⒉動(dòng)作到達(dá)位置或時(shí)間 ⒊ 夾放信息 ⒋ 聯(lián)鎖信息 ⒌ 時(shí)間信息 ⒍ 運(yùn)動(dòng)速度信息 ⒎ 定位精度信息 ⒏ 程序終了信息編排程序范圍大，可安裝各種傳感器 制造與維修 制造簡單，維修方便，體積較大 維護(hù)簡單，制造方便，體積小 一般由專業(yè)工廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專業(yè)知識(shí)的人員維修 線路復(fù)雜，制造調(diào)整均較困難，需要專業(yè)人員維護(hù) 行程檢測(cè)元件 行程開關(guān)、機(jī)械擋塊 行程開關(guān)、機(jī)械擋塊 行程開關(guān)、電位器 電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、數(shù)碼盤、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 成本最高 使用范圍 決定用于動(dòng)作少、速度低的專用機(jī)械手 用于速度快、節(jié)拍短的專用機(jī)械手 用于一般通用機(jī)械手 用于動(dòng)作多、程序復(fù)雜的高級(jí)通用機(jī)械手 取舍 取 舍 取 舍 2 自動(dòng)換刀機(jī)械手的總功能設(shè)計(jì) 2.1 自動(dòng)換刀機(jī)械手的黑箱描述 總功能分解成若干個(gè)功能元素： 分為： 夾持 ----- 松開 上升 ----- 下降 伸 ----- 縮 轉(zhuǎn)位 ----- 復(fù)位 2.2 機(jī)械手功能單元的分類 根據(jù)仿生學(xué)的原理，機(jī)械手的功能單元可以分為： A： 手指 ---- 夾緊、松開工作。 B： 手腕 ---- 回轉(zhuǎn)、平移、俯仰等功能。 C： 手臂 ---- 伸縮使工件沿直線運(yùn)動(dòng)。 D： 底座 ---- 升降手臂、回轉(zhuǎn)手臂。 E： 緩沖器與定位： 回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、緩沖、定位。 F： 液壓控制部分： 控制各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作。 。 3 自動(dòng)換刀機(jī)械手總方案確定 3.1 結(jié)構(gòu)上的布置要求 機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)位置上應(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)械手使用的可靠性，并提高使用壽命。 ⑴ 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，偏重將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩，引起立柱的導(dǎo)向的變形，工作中引起導(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，其方向不斷的變化，特別是高速及速度突然變化時(shí)更為明顯，這些引起機(jī)械手的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成卡死。 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 合理分布臂部上各零件的重量和增加平衡重，使臂部平衡。 ③ 某些機(jī)械手結(jié)構(gòu)上無法避免偏重，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，盡力減輕偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。 ⑵ 加強(qiáng)臂部的剛度 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，常采用導(dǎo)向形式，如本設(shè)計(jì)所用。 ⑶ 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。沖擊有兩種：一種是機(jī)械沖擊。它是在臂部運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相碰而產(chǎn)生的?？捎镁彌_裝置來消除。另一種是液壓系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊（如換向動(dòng)作）作用于管路之中，會(huì)引起機(jī)械手的振動(dòng)，要靠改進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)來解決。 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間配。 ③ 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。 3.2 自動(dòng)上下刀機(jī)械手各個(gè)部分方案的最終評(píng)定 原則： ① 成本低。 ② 盡量減少?zèng)_擊振動(dòng)的影響。 ③ 運(yùn)動(dòng)定位精確，速度快。 ④ 要求控制靈敏。 ⑤ 夾持緊，杜絕出現(xiàn)“掉體”現(xiàn)象。 采用方案組合法，根據(jù)以上的對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)各功能的方案論證結(jié)果進(jìn)行總的方案組合。 表3.1 部件 方案 序號(hào) 名稱 A B C D 1 兩指 單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 帶平移的雙支點(diǎn)夾緊型 2 手臂 帶雙導(dǎo)向桿的手臂 3 座體 擺動(dòng)油缸， 驅(qū)動(dòng)機(jī)身 水平回轉(zhuǎn)和俯仰機(jī)身 升降運(yùn)動(dòng)為方框形滾珠導(dǎo)軌 氣缸鏈條傳動(dòng)的機(jī)身 4 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng) 5 控制系統(tǒng)及緩沖系統(tǒng) 加速及快速控制系統(tǒng) 氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 電路調(diào)速裝置 凸輪連桿機(jī)構(gòu) 減速緩沖裝置 液壓緩沖裝置 油缸端部節(jié)流緩沖裝置 反接制動(dòng)電路 連桿機(jī)構(gòu) 6 定位形式 機(jī)械擋塊定位 多點(diǎn)定位機(jī)構(gòu) 端部定位 7 定控制系統(tǒng) 繼電器線路 順序控制器 液壓緩沖器 進(jìn)行最佳方案組合即： ㈠ Pij(C1A2C3D4C5A6) ⑴ 兩指 選用C方案 ⑵ 手臂 選用A方案 ⑶ 座體 選用C方案 ⑷ 驅(qū)動(dòng)方式 選用D方案 ⑸ ① 加速及快速控制 選用C方案 ② 減速緩沖裝置 選用C方案 ⑹ 定位形式 選用A方案 ㈡ Pij(B1A2B3D4B5B6) ⑴ 兩指 選用B方案 ⑵ 手臂 選用A方案 ⑶ 座體 選用B方案 ⑷ 驅(qū)動(dòng)方式 選用D方案 ⑸ ① 加速及快速控制 選用B方案 ② 減速緩沖裝置 選用B凡案 ⑹ 定位形式 選用B方案 ㈢ Pij(B1A2B3A4D5B6) ⑴ 兩指 選用B方案 ⑵ 手臂 選用A方案 ⑶ 座體 選用B方案 ⑷ 驅(qū)動(dòng)方式 選用A方案 ⑸ ① 加速及快速控制 選用D方案 ② 減速緩沖裝置 選用D凡案 ⑹ 定位形式 選用B方案 表3.2 方案具體評(píng)價(jià) 方案 效果估計(jì)（10分制） 決策 可靠性 維修性 加工性 安全性 重量 外觀 性能 合計(jì) A 8 9 9 8 8 9 10 60 取 B 9 7 8 8 7.5 8 8 56.5 取 C 9 9 9 7 9 7 8 59 取 方案的綜合評(píng)價(jià) 表3.3 連乘評(píng)分表 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng)價(jià)方案 要素 等級(jí) 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)分 A B C 產(chǎn)品功能 1 能滿足用戶要求 3 3 3 3 2 基本能滿足用戶要求 2 3 僅能滿足最低要求 1 銷售成本 1 低于同類先進(jìn)產(chǎn)品水平 3 3 2 低于原有產(chǎn)品水平 2 2 3 與原有產(chǎn)品成本相當(dāng) 1 1 銷售市場(chǎng) 1 銷路廣 3 3 3 2 銷路中等 2 2 3 銷路差 1 資金利用率 1 25%以上 3 3 3 2 20%以上 2 2 3 10%以上 1 社會(huì)要求 1 符合國家要求 3 2 符合當(dāng)前社會(huì)要求 2 2 3 需進(jìn)一步改進(jìn)能滿足 1 1 1 環(huán)境保護(hù) 1 基本無公害或能消除 3 2 燥聲能控制在規(guī)定范圍之內(nèi) 2 2 2 3 污染燥聲較大 1 連乘積 729 324 12 108 經(jīng)詳細(xì)技術(shù)評(píng)價(jià)與綜合方案評(píng)價(jià)后確定方案A為最優(yōu)方案。 3.3 自動(dòng)上下刀機(jī)械手緩沖部分的原理 伸縮用液壓緩沖器原理圖： 手臂伸縮升降用的液壓緩沖器是兩級(jí)節(jié)流阻尼的液壓緩沖器。在緩沖器缸體上安裝了a和b兩個(gè)節(jié)流閥。每個(gè)節(jié)流閥各并聯(lián)了兩個(gè)單向閥組成。第一級(jí)緩沖油路由節(jié)流閥c組成；第二級(jí)節(jié)流緩沖油路由手臂運(yùn)動(dòng)到定位前的減速位置時(shí)伸縮為運(yùn)動(dòng)定位前的（20~40mm）,升降為定位前的（15~30mm）運(yùn)動(dòng)部件碰緩沖器的活塞桿，使油腔左（右）側(cè)的油液流經(jīng)節(jié)流閥a,單向閥d,e(節(jié)流閥b,單向閥f、g)進(jìn)入右側(cè)油腔（左）。當(dāng)活塞桿5的活塞堵住油口A時(shí)，左腔中油液B進(jìn)入C進(jìn)入油腔，實(shí)現(xiàn)油液受阻并最后定位。 4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1 結(jié)構(gòu)上的總要求 ⒈ ⑴ 運(yùn)動(dòng)上： 要求手臂升降迅速、平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)升降定位精度高，升降采用機(jī)械擋塊定位，回轉(zhuǎn)采用液壓緩沖器定位。 ⑵ 動(dòng)力上： 要求振動(dòng)小，升降回轉(zhuǎn)力適宜，故盡量布置合理，減輕重量。 ⑶ 自動(dòng)化要求： 采用固定程序控制系統(tǒng)的繼電器線路。 ⒉ 工作環(huán)境： 要求工作在±40攝氏度之間，且地基采用抗震減震阻尼。 4.2 設(shè)計(jì)液壓動(dòng)回路 方法： 采用直觀設(shè)計(jì)法，見圖5.1“機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理圖”。 ⑴ 手臂升降缸速度控制采用的是單作用缸速度控制回路，調(diào)速方法采用的是調(diào)節(jié)節(jié)流開速來調(diào)速。 ⑵ 手臂1、2伸縮液壓缸速度控制采用的是二位五通雙電控的快速往復(fù)回路，快速排液閥安裝的是加速往返的。 ⑶ 手指1、2夾緊液缸，采用的是單作用缸速度控制回路。調(diào)速方法同⑴。 ⑷ 擋塊升降液缸采用的是二位五通雙電控回路。 特點(diǎn)： 采用雙電控雙作用換向回路。 ⑸ 手臂回轉(zhuǎn)液缸，采用三位五通雙電控閥控制回路。 特點(diǎn)： 該回路除了可以控制回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片攜軸一起回轉(zhuǎn)外，還可以有中間排氣位置，使緩沖活塞桿得以推擋塊液缸擋在受較小外力下復(fù)位。 ⑹ 回路緩沖器用的是液壓線路。 4.3 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.3.1 活塞桿的設(shè)計(jì) ⑴ 按強(qiáng)度條件校核活塞桿直徑 L： 活塞桿的計(jì)算長度 L = 184 mm d: 空心活塞桿大徑 d = 22 mm (粗取) d0 ： 活塞桿的空心內(nèi)徑 d0 = 10 mm (粗取) S: 安全系數(shù) S = 6 ~8 ， 取S = 8 因?yàn)? L ≤ 10d 所以按強(qiáng)度計(jì)算（此處選抗拉強(qiáng)度，而抗壓強(qiáng)度>抗拉強(qiáng)度） ……………………………………………………………4.1 又 ΣF = 0 得 F –ΠD2P/4 = 0 …………………………………………………………4.2 由 ①、② 得 ………………………………………………4.3 其中 σP = 600 106 / 8 = 7.5 107 N / m2 Π0.04241.0131000.5 / 4 ≤（d2 – d02） 600 106 /8 0.0000033945 ≤ （d2 – d02） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，油液缸內(nèi)徑 D = 0.04 m，把粗選 d1 = 0.022 m ，d2 = 0.010 m 代入，得： d2 – d02 = 0.0222 – 0.0102 = 0.000384 m2 >> 0.0000033945 m2 所以足以滿足強(qiáng)度要求。 ⑵ 按縱向彎曲應(yīng)力校核活塞桿的穩(wěn)定性 參數(shù)： I ---- 活塞桿斷面慣性矩 I = Π （d4 – d04）/ 64 =3.14 x（0.0224 – 0.0104 ）/ 64 ……………………4.4 = 0.000018849 m2 。 K = 活塞橫截面回轉(zhuǎn)半徑 K =（d2 + d02）1/2/4 =（0.0222 + 0.0102 ）1/2/4 = 0.00604 m ……………………4.5 L ---- 活塞桿的計(jì)算長度 L = 0.184 m n---- 系數(shù)為： n = 1/4 E ---- 材料的彈性模量，對(duì)鋼 E = 2.1 1011 Pa F ---- 材料的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼 F = 4.9 108 Pa a----- 系數(shù)，對(duì)鋼 a = 1/5000 A1 --- 空心桿的截面面積 A1 = （d22 – d02）Π/4 此處為危險(xiǎn)截面 d0 ---- 空心活塞桿小徑 d0 = 0.01 m d2 ----空心活塞桿大徑 d2 = 0.022 m 按縱向彎曲極限力計(jì)算，帶入上參數(shù)，由 L/K = 0.184/0.00604 = 30.46 85 n1/2 = 85 0.251/2 = 42.5 故長細(xì)比： L/K = 30.46 < 42.5 從而 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 橫向力：F = ΠD2Pη/4 =Π 0.04241.013105 0.5 …………………………4.7 = 254.59 N = 255 N 橫向力 F << Fk ,故不會(huì)發(fā)生活塞桿失穩(wěn)的現(xiàn)象。 在1-2接觸面處的接觸應(yīng)力應(yīng)小于1-2接觸面處的活塞桿的許用應(yīng)力。即： σ≤ [σ] σ= F/ A2 = F/[Π（d2 – d02）/4] …………………………………………………4.8 其中： F ---- 橫向力最大值，F(xiàn)=255 N d ---- 最大接觸面直徑即活塞桿外徑，d = 0.022 m d0 ---- 最小接觸面直徑即活塞桿內(nèi)徑，d0 = 0.01 m 代入上式有： σ= F/[Π（d2 – d02）/4]=255/[Π（0.0222-0.012）/4] = 8.455105 Pa 又因?yàn)榛钊麠U材料為45#鋼，其中σ= 355 MPa 所以 [σ]= σs /s = 355/8 = 44.375 MPa 因?yàn)? σ≤ [σ]，所以接觸面處滿足要求。 4.3.2 液壓鋼壁厚計(jì)算 δ= DPt/2[σ]=D0Pt/(2Gs/S) …………………………………………………………4.9 = 0.0441.0131051.5(2355/8106 )=0.2739 mm Pt : 氣缸實(shí)驗(yàn)壓力一般為1.5 Pa P： 氣缸工作壓力 Pa [σ]： 缸筒材料的許用應(yīng)力 Pa 對(duì)45#鋼其[σ]=355/8=44.375 MPa 由表可知：壁厚為δ=10mm,足以滿足設(shè)計(jì)要求。 4.3.3 液壓機(jī)械手伸縮速度的控制 根據(jù)設(shè)計(jì)的伸縮155mm來確定其行程，以a=1m/s2 等加速度行進(jìn)。全等加速度行為125mm,緩沖為30mm。 由 S=at112/2, ………………………………………………………………………4.10 有： t11 =（2s/a）1/2=0.5 s t11 ： 等加速伸出所用時(shí)間。 t12 ： 緩沖過程以平均減速度a`運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間。 a ： 初始伸出的等加速度 （m/s2 ） a`： 緩沖行程的平均減速度 （m/s2 ） 加速完畢后的速度v1(瞬時(shí)速度) v1 = at11 =10.5=0.5 m/s …………………………………………………………4.11 平均加速度a`： 2 a`L=V22-V12=0-V12 ………………………………………………4.12 所以 a`=-0.52/（20.03）=-4.167 m/s2 估算到終點(diǎn)的時(shí)間為t12 ，則 V2-V1 = a` t12 所以： t12 =- V1 / a`=-0.15/-4.167=0.1199 s 考慮到緩沖中的振動(dòng)問題，將t12 延時(shí)到0.3s,以便使其有足夠時(shí)間靜止下來，以不至于影響下一步動(dòng)作。 4.3.4 回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 對(duì)攜動(dòng)片的回轉(zhuǎn)力矩為： ………………………………………………………………………4.13 要使 Mg > 1.3 Mn 需要滿足 Mn < Mg/1.3 即 Mn < 72 N*m 注： 為完善回轉(zhuǎn)速度控制在“機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理圖”中的手臂回轉(zhuǎn)部分換向回路改為換向節(jié)流回路。以保持一定的運(yùn)動(dòng)速度、加速度。 4.3.5 耗油量的計(jì)算 ⑴ 試確定伸縮缸按流速滿足伸縮 ………………………………………………………………4.14 式中： qv1 ---- 伸縮油量的消耗量 m3/s D ---- 伸縮液缸的內(nèi)徑 m S ---- 伸縮最大行程 m t1 ---- 液缸伸縮時(shí)完成全程所需的時(shí)間 s ⑵ 對(duì)回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)位90度，所需時(shí)間為0.6 s，并令 ……………………………………4.15 所以 qv2 ---- 回轉(zhuǎn)液缸所用油液量 m3/s R ---- 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 m r---- 回?cái)[小軸與動(dòng)片連接處到中心線距離 m L ---- 動(dòng)片軸向長度 m t2 ---- 回轉(zhuǎn)90度所用時(shí)間，設(shè)定為0.6s 4.4 自動(dòng)換刀機(jī)械手的液壓系統(tǒng) 圖3.1 自動(dòng)換刀機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖 自動(dòng)換刀機(jī)械手的液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)葉片泵供油，它具有功率損失小，油箱的溫升小，泵的壽命高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。雙聯(lián)葉片泵的工作用溢流閥（YF-B20B）、卸荷閥（X4F-B20B）、單向閥（DIF-L20HD）三個(gè)閥聯(lián)合控制。泵啟動(dòng)后兩個(gè)泵的輸出油分別進(jìn)入它們的管道，大泵2輸出油進(jìn)入卸荷閥，此時(shí)電磁鐵（15DT）不通電，管道通過電液滑閥（24DY-B20H）、單向閥（DF-B20K3）和油箱相通，管路中壓力很低，溢流閥和卸荷閥都關(guān)閉。在裝、卸刀手手臂伸縮或滑座伸縮或手架回轉(zhuǎn)等單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，各油缸所需油量較小，由高壓小油量泵1供油，管路內(nèi)油壓上升到溢流閥所確定的壓力，由于卸荷閥的壓力調(diào)的比溢流閥的低5公斤/平方厘米，卸荷閥被打開，單向閥（DIF-L20HD）被溢流閥的油壓鎖住，大泵2的輸出油通過卸荷閥流經(jīng)冷卻器回到油箱。當(dāng)手架快速升降時(shí)，由于小泵1的流量不夠，使系統(tǒng)壓力下降，卸荷閥關(guān)閉，大泵2的輸出油推開單向閥（DIF-L20HD）和泵1的輸出油一起進(jìn)入系統(tǒng)，保證了手架的快速升降運(yùn)動(dòng)。 二位四通電液滑閥（24DY-B20H）起開關(guān)作用，當(dāng)電磁鐵（ISDT）通電時(shí)，系統(tǒng)處于等待工作的狀態(tài)。 在手架升降支路系統(tǒng)，裝有緩沖閥。當(dāng)手架升降運(yùn)動(dòng)由快速轉(zhuǎn)換成慢速時(shí)，由于其慣性在回油路內(nèi)引起很高的沖擊壓力，在高壓油液經(jīng)單向閥（a或b）和溢流閥c流回油箱，以緩和油液壓力的波動(dòng)，使手架由快速平滑的變換到慢速。緩沖閥處的溢流閥c調(diào)定壓力應(yīng)比系統(tǒng)工作壓力高30%左右。 5 伸縮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 伸縮回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖 ⒈ 滑座 ⒉ 活塞桿 ⒊ 轉(zhuǎn)軸 ⒋ 回轉(zhuǎn)油缸 ⒌ 橫梁 ⒍ 行程開關(guān) ⒎ 動(dòng)片軸 ⒏ 行程開關(guān) ⒐ 滾動(dòng)導(dǎo)軌 ⒑ 定位螺釘 ⒒ 定位塊 5.2 伸縮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理 手架伸縮運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)裝、卸刀手的拔、插刀動(dòng)作；手架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能改變裝、卸刀手的位置（即手由主軸轉(zhuǎn)向刀庫，或手架由刀庫轉(zhuǎn)向主軸）。 上圖所示為手架伸縮、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。 手架的伸縮是由滑座的伸縮實(shí)現(xiàn)的?；?（其上加工有油缸）安裝在滾珠組（滾珠按十字交叉位置放置）和V形滑道組成的滾動(dòng)導(dǎo)軌8上，活塞桿2固定在橫梁5上。當(dāng)壓力油從油管13進(jìn)入油缸左腔時(shí)，推動(dòng)滑座1前伸（即拔刀運(yùn)動(dòng)）；若壓力油經(jīng)油管14進(jìn)入到油缸右腔時(shí)，滑座縮回（即插刀運(yùn)動(dòng)）。滑座1的行程位置由安裝在橫梁5上的行程開關(guān)10和11進(jìn)行檢測(cè)。為了緩和沖擊，此油缸采用端部節(jié)流緩沖，并靠活塞端面與油缸端面相碰而定位。 手架的回轉(zhuǎn)是由安裝在滑座內(nèi)的回轉(zhuǎn)油缸4來實(shí)現(xiàn)。手架與轉(zhuǎn)軸3固連，轉(zhuǎn)軸3通過鍵與回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片軸相連。當(dāng)壓力由通過油管15（或16）進(jìn)到回轉(zhuǎn)油缸的工作腔時(shí)，推動(dòng)動(dòng)片軸9，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3回轉(zhuǎn)，手架即回轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)位置由行程開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)軸3上的定位塊7與定位螺釘6相接觸時(shí)而回轉(zhuǎn)。 在回轉(zhuǎn)油缸的端蓋上，加工有3對(duì)進(jìn)出油口（即a、b、c和a’、b’、c’），當(dāng)接到手架回轉(zhuǎn)指令后，壓力油經(jīng)油管（例如16），從油孔c進(jìn)到回轉(zhuǎn)油缸工作腔，使動(dòng)片啟動(dòng)一定角度后，動(dòng)片將油口a打開進(jìn)油，動(dòng)片軸快速旋轉(zhuǎn)，回油腔油液從油口a’、b’排出，當(dāng)動(dòng)片將油口a’堵住后，油液從b’孔排出，油液受到節(jié)流阻尼的作用，動(dòng)片回轉(zhuǎn)速度降下來，以達(dá)到減速緩沖。減速度的大小或緩沖效果可通過回轉(zhuǎn)油缸端蓋上的調(diào)節(jié)螺釘K進(jìn)行調(diào)節(jié)。 6 自動(dòng)換刀機(jī)械手自動(dòng)換刀過程 6.1 自動(dòng)換刀裝置簡圖及介紹 ⒈ 升降絲杠 ⒉ 滑座 ⒊ 橫梁 ⒋ 油馬達(dá) ⒌ 裝刀手 ⒍ 手架 ⒎ 卸刀手 ⒏ 刀庫 刀庫由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上有15個(gè)刀套，刀庫能存放60把刀具。安裝刀套的四條鏈條由油馬達(dá)通過齒輪組帶動(dòng)而同步轉(zhuǎn)動(dòng)。 找刀（刀具識(shí)別），采用刀套編號(hào)方式。由于四排刀套鏈中，各排刀套的位置一一對(duì)應(yīng)，因此找刀是由兩部分運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，即手架升降找刀排，刀鏈轉(zhuǎn)動(dòng)在一排內(nèi)選刀。 換刀機(jī)械手的作用是：在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床實(shí)現(xiàn)所有加工工序的自動(dòng)裝刀和卸刀。 6.2 自動(dòng)換刀過程實(shí)例 如圖所示，設(shè)現(xiàn)在正進(jìn)行第五工序，主機(jī)的主軸上正T05號(hào)刀進(jìn)行切削，第六工序用T09號(hào)刀，第七工序用T46號(hào)刀，P05是T05號(hào)刀的刀套，已停在換刀位置，裝刀手已抓取T09號(hào)刀，開始自動(dòng)換刀前的狀態(tài)見圖a。 第五工序最后的程序是：使主機(jī)立柱退到最后位置（Z軸原點(diǎn)），主油箱升到最高位置（Y軸原點(diǎn)），主軸定向，并使自動(dòng)換刀控制部分作好換刀準(zhǔn)備。 第六工序開始的第一個(gè)指令是選刀指令Z46，控制部分得到選刀指令后開始自動(dòng)換刀循環(huán)，其循環(huán)分為三個(gè)階段。第一階段完成向主軸上換刀，包括十個(gè)動(dòng)作（需要約8秒）： ⑴ 手架轉(zhuǎn)向主軸，見圖b。 ⑵ 卸刀手前伸，抓取主軸T05號(hào)刀，見圖c。 ⑶ 主軸箱拉刀機(jī)構(gòu)松開，主軸孔吹氣。 ⑷ 卸刀手縮回，見圖e。 ⑸ 滑座前伸拔刀，見圖d。 ⑹ 裝刀手前伸，見圖f。 ⑺ 滑座后退，把T09號(hào)刀插入主軸孔，見圖g。 ⑻ 主軸箱拉刀機(jī)構(gòu)拉緊，停止吹氣。 ⑼ 裝刀手縮回，見圖h。 ⑽ 手架轉(zhuǎn)向刀庫，見圖I。 手架轉(zhuǎn)向刀庫后，機(jī)床即開始第六工序的加工，同時(shí)自動(dòng)換刀循環(huán)進(jìn)入第二階段，把T05號(hào)刀送回刀庫，包括五個(gè)動(dòng)作： ⑴ 橫梁下降找二排刀鏈，見圖j。 ⑵ 滑座前伸。 ⑶ 卸刀手前伸。 ⑷ 滑座后退，把T05號(hào)刀插入P05刀庫中。 ⑸ 卸刀手后退。 然后轉(zhuǎn)入第三個(gè)階段，使自動(dòng)換刀裝置變成下一次換刀的換刀前狀態(tài)，包括六個(gè)動(dòng)作： ⑴ 刀套鏈順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，把T46號(hào)刀送到換刀位置，橫梁下降找到第三排刀鏈，見圖k。 ⑵ 裝刀手前伸，取T46號(hào)刀。 ⑶ 滑座前伸拔刀。 ⑷ 裝刀手后退。 ⑸ 滑座后退。 ⑹ 橫梁上升到最高位置，刀鏈反轉(zhuǎn)，把P09刀套送到換刀位置，見圖1。 這樣，就完成了整個(gè)自動(dòng)換刀循環(huán)。 7 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時(shí)間較短，人們對(duì)它有一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過程，機(jī)械手在技術(shù)上還有一個(gè)逐步完善的過程，其目前的發(fā)展趨勢(shì)是： ⑴ 擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用 目前國內(nèi)機(jī)械手應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。因熱加工作業(yè)的物件重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等，給機(jī)械手的設(shè)計(jì)、制造帶來不少困難，這就需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，使機(jī)械手更好的為熱加工作業(yè)服務(wù)。同時(shí)，在其他行業(yè)和工業(yè)部門，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用。 ⑵ 提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能 機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常的應(yīng)用于生產(chǎn)中。機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個(gè)指標(biāo)，是決定機(jī)械手能否保質(zhì)保量的完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。因此要解決好機(jī)械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求價(jià)廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手上。 ⑶ 發(fā)展組合式機(jī)械手 從機(jī)械手本身的特點(diǎn)來說，可變程序的機(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高，專用機(jī)械手價(jià)廉，但是適用范圍又受到限制。因此，對(duì)一些特殊用途場(chǎng)合，就需要專門設(shè)計(jì)、專門加工，這樣就提高了產(chǎn)品的成本。為了適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域分門別類的要求，可將機(jī)械手是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以組合的形式。組合式機(jī)械手是將一些通用部分根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定的機(jī)能的單元部件，以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。它可以簡化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計(jì)上的通用性，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)和組織專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價(jià)，是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。 ⑷ 研制具有“視覺”和“觸覺”的所謂的“智能機(jī)器人” 對(duì)于需用人工進(jìn)行的靈巧操作及需要進(jìn)行判斷的工作場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)械手很難代替人的勞動(dòng)。如在工作過程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等，機(jī)械手不能自動(dòng)分辨糾正，而只能停機(jī)，待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此，人們對(duì)機(jī)械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能，使之對(duì)物件進(jìn)行判斷、選擇，能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應(yīng)變化的條件，并能進(jìn)行“手—眼”協(xié)調(diào)動(dòng)作。這就需要一個(gè)能處理大量信息的計(jì)算機(jī)，要求人與機(jī)器“對(duì)話”進(jìn)行信息交流。 這種帶“視覺”、“觸覺”反饋的，由計(jì)算機(jī)控制的，具有人的部分“智能”的機(jī)械裝置稱為“智能機(jī)器人”。所謂“智能”是包括：識(shí)別、學(xué)習(xí)、記憶、分析判斷的功能。而識(shí)別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”認(rèn)識(shí)對(duì)象的。 具有感覺功能的機(jī)器人，其工作性能是比較完善的，能夠準(zhǔn)確的夾持任意方位的物件，判斷物件重量，越過障礙物進(jìn)行工作，自動(dòng)測(cè)出夾緊力的大小，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于從事復(fù)雜、精密的操作，如裝配作業(yè)，它有著一定的發(fā)展前途。 智能機(jī)器人是一種新興的技術(shù)，對(duì)它的研究將涉及到電子技術(shù)、控制論、通訊技術(shù)、電視技術(shù)、空間技術(shù)和仿生機(jī)械學(xué)等學(xué)科。它是當(dāng)代自動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)新興的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人將會(huì)代替人做更多的工作。 致謝 經(jīng)過兩個(gè)多月的緊張的學(xué)習(xí)和生活，對(duì)我們來說至關(guān)重要的畢業(yè)設(shè)計(jì)在老師、同學(xué)的共同努力下就要結(jié)束了?；叵肫鹜盏囊荒荒?，真是別有一番滋味在心頭。 在本次的設(shè)計(jì)中，為了對(duì)機(jī)械手有一個(gè)初步的了解，我查閱了許多資料，我們還專門去中捷友誼廠進(jìn)行了實(shí)物參觀。從中我較為深刻的了解到世界工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)和概況，以及我國在此方面的落后的現(xiàn)實(shí)。在對(duì)各種傳動(dòng)方式進(jìn)行研究時(shí)，我發(fā)現(xiàn)其中每一種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，單方面評(píng)價(jià)某種方法的好與壞是不可取的。因?yàn)槊恳环N方案在一定的條件下都能呈現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)來。當(dāng)借鑒和參考了前人的設(shè)計(jì)方法和思路時(shí)，才感覺到這項(xiàng)工作的精確和細(xì)膩。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，設(shè)計(jì)時(shí)我也盡可能的將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到其中，嘗試用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)來指導(dǎo)這次設(shè)計(jì)。由于機(jī)械手是集電、機(jī)、氣、液動(dòng)等技術(shù)知識(shí)為一體的裝置，因此我們?cè)阱e(cuò)綜復(fù)雜的各門學(xué)科中選擇了能夠起到畫龍點(diǎn)睛作用的部分形成了本次設(shè)計(jì)的論文。由于我的知識(shí)面有限，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，難免有很多設(shè)計(jì)不當(dāng)之處，懇請(qǐng)老師批評(píng)指正。 在設(shè)計(jì)中我遇到很多難題，有時(shí)侯真的很難弄懂，在陸老師和同學(xué)們的幫助下我度過了一個(gè)又一個(gè)的難關(guān)。因?yàn)樗麄兊膸椭也庞薪裉斓某煽?。在次，我?duì)他們表示誠摯的謝意。 參考文獻(xiàn) ⑴ 機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì) 《機(jī)械工程手冊(cè)》第十卷 機(jī)械工業(yè)出版社 1982年10月 ⑵ 天津《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》編寫組 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