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開 題 報 告
課題名稱
自動換刀機械手設計
課題來源
A
課題類型
1
導師姓名
學生姓名
班級學號
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
一、 意義及背景
換刀機械手的主要任務是：完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸與彈簧夾頭提供相對轉動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。
鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務序加工的。在單功能數(shù)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占30％左右，其余的大部分時間都花費在安裝、調整刀具、搬運、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。刀具自動交換系統(tǒng)由刀庫、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。其中，刀具交換裝置（換刀機械手）是該系統(tǒng)的核心部分。帶有自動換刀刀具交換裝置的數(shù)控機床稱為加工中心。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。
二、國內外發(fā)展現(xiàn)狀
從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉塔式沖床，美國IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制裝置）。1958年美國K&T公司研制出帶ATC（自動刀具交換裝置）的加工中心。1967年出現(xiàn)了FMS（柔性制造系統(tǒng)）。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝置，可實現(xiàn)多種工序加工的機床，步入了機床發(fā)展的黃金時代。1983年國際標準化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標準，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結構模式?，F(xiàn)在的國內機械手刀具交換裝置，有單臂單手式機械手、回轉式單臂雙機械手、雙臂機械手、多手式機械手等。機械手中最常用的幾種結構有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手等。
三、 設計的主要內容和方案
我的主要設計內容為數(shù)控鏜銑床換刀機械手設計。
方案：1、要求機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，所以選擇回轉式單臂雙爪機械手。2、采用鉤手結構，簡單可靠。3、傳動方式：換刀機械手完全采用電磁機械傳動，以求最大限度地降低自動換刀系統(tǒng)的成本造價。
四、日程安排：
1-2周 調研，了解背景、國內外現(xiàn)狀，確定設計方案，寫開題報告。
3-6周 參數(shù)設定，計算基本數(shù)據。
7-13周 具體設計，完成所有內容，包括模型，設計圖等
14周 老師檢查，攥寫說明書。
15周 答辯
五、參考文獻
1、廉元國、張永洪編著，加工中心設計與應用，北京：機械工業(yè)出版社，1985
2、愛玲主編，現(xiàn)代數(shù)控機床，北京：國防工業(yè)出版社，2003
3、良貴，機械設計，北京：高等教育出版社，2001
4、先逵主編，機械制造工藝學，北京：機械工業(yè)出版社，1995
5、侯秀珍主編，機械系統(tǒng)設計，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000
6、辛安主編，北京：機械工業(yè)出版社，1999
7、學桐主編，我國數(shù)控產業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展措施，北京：機械工業(yè)出版社，1999
8、愛珍主編，數(shù)控原理與系統(tǒng)，北京：機械工業(yè)出版社，1999
指導教師簽名： 日期：
學院意見：
學院教學指導委員會主任簽字： 日期：
填表說明：題目類型：1。工程設計;2。應用研究;3。理論研究;4。其它
題目來源: A。自擬課題B。民用科研課題C。國防科研課題
沈陽理工大學學士學位論文
自動換刀機械手設計
摘 要
為了更好的應用，機床工業(yè)中的對應機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，復雜對應機械手的難于設計，導致人們把目光投向于少于6個自由度的對應機械手，本篇論文描述了幾個在自由度的數(shù)量和類型上都不相同的對應機械手，這些對應機械手可被用語對應運動機器，運動模擬器和工業(yè)機器人。
關鍵詞：對應機械手；對應運動機械；自由度；機器人
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機械手的相關介紹 …………………………………………………………………… 6
1.1數(shù)控技術的發(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 …………………………………………………………………… 7
1.3.2 刀具交換裝置………………………………………………………………… 7
1.3.3 運刀裝置 …………………………………………………………………… 8
1.3.4 刀具編碼裝置………………………………………………………………… 8
1.3.5 刀具識別裝置……………………………………………………………………9
1.4 刀庫的驅動及定位………………………………………………………………… 9
1.5 我國數(shù)控技術的發(fā)展狀況…………………………………………………………10
1.6 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 ……………………………………………………………10
2 換刀機械手的總體方案設計…………………………………………………………… 11
2.1 設計任務…………………………………………………………………………… 11
2.2 機械手的平穩(wěn)性……………………………………………………………………11
2.3機械手的運動特性分類…………………………………………………………… 13
2.4 開關型機械手的速度及位置控制………………………………………………… 13
2.5 機械傳動行機械手的速度及位置控制……………………………………………14
2.6 機械手類型確定…………………………………………………………………… 14
2.7 驅動系統(tǒng)及電控統(tǒng)的選擇…………………………………………………………14
3 總體結構設計 ………………………………………………………………………… 19
3.1 手爪部分設計………………………………………………………………………19
3.2 機械手手臂設計 …………………………………………………………………19
3.3 機械手傳動結構的設計………………………………………………………… 22
4 換刀機械手的參數(shù)和計算……………………………………………………………… 25
4.1 手臂的彎曲變形…………………………………………………………………… 25
4.2 電動機的選擇……………………………………………………………………… 26
5 換刀過程……………………………………………………………………………… 27
致謝………………………………………………………………………………………31
參考文獻………………………………………………………………………………… 32
緒 論
隨著我國工業(yè)生產的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已越來越引起人們的重視。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率；可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產；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，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。
在現(xiàn)代工業(yè)生產自動化領域中，機械加工的快速上下刀、精確的加工都使數(shù)控機床以及數(shù)控加工中心的應用顯得十分重要。據詳實的資料統(tǒng)計，這些費用占全部加工費用的五分之一以上。而大規(guī)模的機械加工中，時間的節(jié)省越來越成為生產者和工程設計者（或者技術人員）的追求方向，這也是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢。
機械手已被廣泛用于航空、航天以及工業(yè)生產領域中，并取得較好的效果?，F(xiàn)今的工業(yè)機械手可分為專用機械手和通用機械手兩類。我國目前研制的工業(yè)機械手大多還是專用機械手。該機械手的結構形式比較簡單，專用性強，僅附屬于某臺機床。雖然其有著通用機械手無法比擬的批量大，對某些設備（或者機加零件）的加工精確性高的優(yōu)點，但就目前來看，專用機械手存在著適應性不強的弊端。這就要對其進行必要的改造，使其適應未來的工業(yè)發(fā)展的需要。由于通用機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。通用機械手在工業(yè)生產中的應用只有三十年的歷史，但這些裝置在國外得到相當重視。所以設計生產使用數(shù)控機床、數(shù)控加工中心一類的較為高級的機加設備是迫在眉睫的。雖然目前我國的數(shù)控加工中心等大型設備還是依賴進口，但相信不久的將來我國必然會設計研制出自己的設備，這需要我們所有人的不懈努力。
這次設計的換刀機械手的主要任務是，完全模擬人手的換刀動作，給機床主軸提供相對轉動實現(xiàn)夾緊、放松刀具的動作。
1 換刀機械手的相關介紹
1.1數(shù)控技術的發(fā)展歷程
回顧數(shù)控技術的發(fā)展已經經歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做NC階段，經歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開始小型計算機開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進入了第二個階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經過十多年的發(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。實際上從20世紀末期直到今天，在生產中使用的數(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用封閉的系統(tǒng)，而第六代——開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。
1.2數(shù)控加工中心的基本功能
帶有自動換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機床稱為加工中心。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，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)控機床中產量最大、應用最廣的數(shù)控機床。
帶有刀具自動交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設備。數(shù)控機床實現(xiàn)了中、小批量加工自動化，改善了勞動條件。此外，它還具有生產率高、加工精度穩(wěn)定、產品成本低等一系列優(yōu)點。為了進一步發(fā)揮這些優(yōu)點，數(shù)控機床遂向“工序集中”，即一臺數(shù)控機床在一次裝夾零件后能完成多任務序加工的數(shù)控機床(即加工中心)方面發(fā)展。
鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務序加工的。在單功能數(shù)控機床的整個加工過程中，真正用于切削的時間只占30％左右，其余的大部分時間都花費在安裝、調整刀具、搬運、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動交換功能，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)控機床和刀具自動交換裝置。刀具自動交換裝置應能滿足以下幾個方面的要求： ①換刀時間短； ②刀具重復定位精度高； ③識刀、選刀可靠，換刀動作簡單；④ 刀庫容量合理，占地面積小，并能與主機配合，使機床外觀完整； ⑤刀具裝卸、調整、維護方便。
刀具自動交換系統(tǒng)由刀庫、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識刀器等五個部分組成。
1.3.1 刀庫
刀庫是存貯加工所需各種類型刀具的倉庫。它是刀具自動交換系統(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、布局和具體結構對整個加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結構、形狀可分為以下六種：① 圓盤式刀庫，又分為軸向式(刀具中心線與圓盤中心線平行)、徑向式(刀具中心線與圓盤中心線垂直)和多盤式(在一根旋轉軸上分設幾層圓盤刀庫)。 ②轉塔式刀庫，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫。④ 鏈式刀庫。 ⑤格子式刀庫。 ⑥直線式刀庫。 應當根據被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫的存儲量。根據對車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計表明，在加工過程中經常使用的刀具數(shù)目并不很多，對于鉆削加工，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。因此從使用角度來看，刀庫的存儲量一般為20~40把較為合適，多的可達60把刀，超過60把刀的很少。
1.3.2 刀具交換裝置(機械手)
它的職能是將機床主軸上的刀具與刀庫或刀具傳送裝置上的刀具進行交換，其動作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。換刀機械手種類繁多，可以說每個廠家都可以推出自己的機械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。
無機械手換刀：由刀庫與機床主軸的相對運動實現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫一般為格子式，裝在工作臺上。換刀時，先使工作臺與主軸相對運動，將使用過的舊刀送回刀庫，然后再使工作臺與主軸相對運動一次，從刀庫中取出新刀。這種換刀方式的換刀時間長，另外刀庫設置在工作臺上，減少了工作臺的有效使用面積。
采用機械手換刀：機械手刀具交換裝置，有單臂單手式機械手、回轉式單臂雙機械手、雙臂機械手、多手式機械手。特別是雙臂機械手刀具交換裝置具有換刀時間短、動作靈活可靠等優(yōu)點，應用最為廣泛。雙臂機械手中最常用的幾種結構有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機械手進行一次換刀循環(huán)的基本動作為：抓刀(手臂旋轉或伸出，同時抓住主軸和刀庫里的刀具)；拔刀(主軸松開，機械手同時將主軸和刀庫中的刀具拔出)；換刀(手臂轉180°，新、舊刀交換)；插刀(同時將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫，然后主軸夾緊刀具)；縮回(手臂縮回到原始位置)。機械手的手爪，大都采用機械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機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 運刀裝置
當?shù)稁烊萘枯^大、布置得離機床較遠時，就需要安排兩只機械手來完成新舊刀的交換動作，一只靠近刀庫，稱為后機械手，完成拔新刀、插舊刀的動作；一只靠近主軸，稱為前機械手，完成拔舊刀、插新刀的動作。在前后機械手之間則設有運刀裝置。它一方面將前機械手從主軸上拔出的舊刀運回刀庫旁，以便后機械手將該舊刀拔出并插回刀庫；另一方面則將后機械手從刀庫中拔出的新刀運到主軸旁，以便前機械手將該新刀拔出并插入主軸。運刀器的職能就是在前后機械手之間來回運送新、舊刀具。
1.3.4 刀具編碼裝置
將加工所需的刀具自動地從刀庫中選擇出來稱為自動選刀，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中。加工時按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識刀器，刀庫結構及其驅動裝置都非常簡單，每次換刀時控制刀庫轉位一次即可。采用順序選刀方式時，為某一個工件準備的刀具，不能在其他工件中重復使用，這在一定程度上限制了機床的加工能力。
固定地址選擇方式：這是一種對號入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對刀庫的刀座進行編碼，并將與刀座編碼相對應的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結構簡化，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)點是刀具可以在加工過程中多次使用。
編碼選擇方式： 將加工某一項零件所需的全部刀具(或刀座)都預先編上代碼，存放在刀庫中。加工時根據程序尋找所需要的刀具。由于每把刀具都有自己的代碼，它們在刀庫中的位置和存放順序可以與加工順序無關。每把刀具都可被多次重復使用。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)編上自己的號碼。選刀時根據穿孔帶所發(fā)出的刀號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，無論將刀具放入刀庫的哪個刀座中都不會影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡化換刀動作和控制線路，縮短換刀時間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應用。刀座編碼：在刀庫的每一個刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點是刀柄不會因尾部有編碼環(huán)而增加長度；缺點是刀具必須對號入座，換刀時間長。 編碼鑰匙：預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刀具識別裝置
通常有接觸式和非接觸式兩種。
1.4刀庫的驅動及定位
刀庫的旋轉可分為電氣驅動和液壓驅動兩種方式。電氣驅動可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅動刀庫的轉動，也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運轉信號控制電機的運轉來帶動刀庫旋轉。液壓驅動仍需電氣信號的配合，PC 給出運轉信號，一般通過電磁閥來實現(xiàn)前級控制，只是執(zhí)行機構是液動馬達。在執(zhí)行ATC 過程時，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確地被機械手抓住，所以刀庫的定位也是必要的功能。電氣驅動時可在電機上安裝位置編碼器進行定位,也可以在抓刀位置安裝接近開關來檢測定位。液動結構的刀庫往往采用機電結合式的銷定位方式。半閉環(huán)伺服驅動刀庫的定位精度較高,其它幾種方式也足以滿足刀庫定位精度的要求。
1.5我國數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
??? 在對內搞活，對外開放的方針指引下，于1980年開始引進日本就有70年代末期水平的微處理器數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服拖動技術。并于1981年開始生產，到1988年又開始引進美國的GE和DYNAPATH公司的數(shù)控系統(tǒng)和拖動技術，在上海市機床研究所和遼寧精密儀器廠組織生產。1985年以后，我國的數(shù)控機床的可供品種已超過300種，其中數(shù)控機床占40%，加工中心占27% ，其它品種為重型機床、鏜銑床、電加工機床、磨床、齒輪加工機床等。目前我國數(shù)控機床生產廠家共有100多家，其中能批量生產的企業(yè)有42家，平均年產量40~50臺，幾家重點企業(yè)年產量可以達到400~700臺；數(shù)控系統(tǒng)生產企業(yè)約50家，但生產具有一定批量的只有8家，生產數(shù)控機床配套產品的企業(yè)共計300余家，產品品種包括八大類2000種以上。我國的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類型，經濟型、普及型、和高級型。在經濟型數(shù)控系統(tǒng)中，我國具有很大優(yōu)勢，在當前每年數(shù)千臺經濟型數(shù)控車床和電加工機床的市場上，國產數(shù)控系統(tǒng)占據了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場上，我們正在取得進展。當然，擁有自主知識產權的數(shù)控系統(tǒng)在市場的開拓上仍要盡更大的力量。新開發(fā)的國產數(shù)控機床產品大部分達到國際80年代中期水平，部分達到90年代水平，在技術上也有所突破，如高速主軸制造技術、快速進給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術等為下一代國產數(shù)控技術的發(fā)展奠定了基礎。
1.6數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
國際上，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢正朝著高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開放性、網絡化數(shù)控系統(tǒng)、并聯(lián)機床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。
2換刀機械手的總體方案設計
2.1設計任務
本次設計的主要任務是：自動換刀機械手，實現(xiàn)數(shù)控鏜銑床的自動換刀，需要換的刀具主要是BT40型刀柄，需要實現(xiàn)的工作是抓刀—換刀—松刀的動作。
主要技術參數(shù)：刀具最大重量6kg，雙臂回轉式換刀，刀臂數(shù)量和長度以及直徑主要依據配套刀庫的設計要求。換刀時間2.5S。
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2.2機械手的平穩(wěn)性
工業(yè)生產要求機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，定位精度高。應注意其影響因素，設計合理結構，以滿足要求。
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
機械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會產生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動、部件松動、零件破裂。定位時，大的減速度使臂部往復振動，直接影響定位精度。因此，應根據機械手的運動特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運動歸路變化，同時，在保證剛度的前提下，減輕機械手運動件的重量。
（2）、結構剛度的影響
零件結構剛度性差，配合間隙大及整機固有頻率低時，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動。不但降低定位精度，而且降低機械手壽命。應選擇合理結構，提高機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，電氣開關的定位精度最低，伺服定位較高，機械擋塊的定位最高。
（4）、控制系統(tǒng)的影響
電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測元件失靈，擋塊偏移等會降低定位失靈。
（5）、驅動源的影響
液壓、氣壓、電壓及油溫波動都會降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時，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 機械手的運動特性
深入分析機械手的運動特點，有利于根據工作條件選擇適宜的運動特點。下面為我們所選工業(yè)機械手所具有的運動規(guī)律，在減速較大時的情形。
圖 2.2 運動特性曲線
按上圖的運動，機械手的速度變化呈等加速或不等加速運動，其減速過程亦分為等減速運行和不等減速運行，在呈等加速運行，而不等減速運行時，由于速度行程短，故有利于提高機械手的工作速度。
特點：速度變化基本上連續(xù)，運動中不會產生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。
2.3機械手運動特性的分類
1氣動機械手
氣動機械手的加速或調節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調速系統(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)采用機械擋塊或多點定位幾機構定位精度。
2液壓機械手
液壓機械手的加速或調節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調速系統(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)采用關閉電磁換向閥定位精度、機械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。
3電動機械手
電動機械手的加速或調節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用反接制動電路、減速電路、凸輪或連桿機構等。定位系統(tǒng)采用電磁制動器、脈沖電路定位精度、機械擋塊定位精度等。
4機械聯(lián)動機械手
機械聯(lián)動機械手的加速或調節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機構，控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連桿機構。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點、連桿極限位置。
2.4開關型機械手的速度及位置控制
用電氣開關、換向閥、節(jié)流閥和機械擋塊等來控制的機械手稱為開關型機械手。
一、 液壓機械手的速度控制
開關型液壓機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、 氣動機械手的速度控制
氣動機械手有很多優(yōu)點，但氣動的壓縮性大，阻尼效果差。符合大的氣動機械手采用液壓緩沖回路。
一般采用的裝置是氣動-液阻裝置。
三、 開關型機械手的定位系統(tǒng)
定位系統(tǒng)與速度控制系統(tǒng)有密切的關系，但他們都有其獨立性，例如，節(jié)流減速后既可以發(fā)出指令關閉油路定位，也可以壓在擋塊上而定位。
1、 電氣開關定位
電動機械手一般采用電磁制動器定位。當機械手運動到定位點時，行程開關發(fā)出信息給電控系統(tǒng)，激勵電磁制動器而定位。
特點：結構簡單，工作可靠，維修方便，但定位精度低。
2、機械擋塊定位
一般是在減速后，驅動壓力將運動件壓在機械擋塊上或驅動壓力將活塞壓靠缸蓋而定位，定位精度較高?？煞譃閱吸c定位或多點定位的擋塊機構。
2.5機械傳動型機械手速度及位置控制
為了便于控制機械手的速度及位置，一些專用機械手采用凸輪機構和連桿機構進行驅動。
特點：工作速度可以提高而且與主機同步工作而不產生誤動作。
通過以上論述和比較，選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式，定位選用機械擋塊定位。
2.6 機械手類型確定
根據以上的介紹，通過比較我確定選用電動機械手。這樣選擇的原因主要是根據精度和成本的原因。由于是個單獨的部件大量生產，成本是非常主要的原因，氣動和液壓機械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而電動機械手作為發(fā)展得最為完善的機械手，在精度滿足需要的同時，成本是最低的，所以選擇了電動機械手。
2.7 驅動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇
一、 驅動系統(tǒng)的選擇
機械手驅動系統(tǒng)有：液壓驅動、電壓驅動、電機驅動和機械驅動四種。一臺機械手的驅動方式，可以只用一種方式進行驅動，也可采用幾種方式聯(lián)合驅動。
. 機械手的驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅動，各種驅動的特點見表“2-1”。
比較內 容
驅動方式
機械傳動
電機 驅動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機，直流電機
步進或伺服電機
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，結構尺寸過大
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構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步
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)復雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，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，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當自由度多時，機構復雜，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
維修使用較復雜
維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小
維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火
應用范圍
適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機械手
可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手
中小型專用通用機械手都有
中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用
成本
結構簡單，成本低，一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結構簡單，能源方便，成本低
液壓元件成本較高，油路也較復雜
表2-1
考慮到精度和結構的要求，我選擇了伺服電機作為驅動。
二、 電控系統(tǒng)的選擇
機械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機械手外，大多數(shù)要專門進行電控系統(tǒng)的設計。
比較內容
控制系統(tǒng)
固定系統(tǒng)
可編程序
繼電器線路
半導體邏輯電路
順序控制器
示數(shù)再觀成計算機
動作程序容量
動作程序較少
動作程序可以較多
動作順序一般為16步可擴展為32部或更多
動作程序較多通常為200步可擴展更多
控制的參數(shù)
1、動作程序
2、動作到達的位置或時間
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
1、 動作程序
2、 動作到達的位置或時間
3、 時間信息
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、 動作程序
2、 時間信息
3、 動作應到達位置或時間
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 運動速度信息
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
維護簡單方便體積較大，制造簡單
制造簡單，維護方便，體積小
一般由專業(yè)廠生產供應，需具有一定專業(yè)知識人員維修
線路復雜，制造，維護調整均較困難，需專業(yè)人員維修
行程檢測元件
行程開關，機械擋塊
行程開關，機械擋塊
行程開關，電位器
電位器，旋轉變壓器，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
用于動作少，速度低的專用機械手
用于速度快節(jié)拍短的專用機械手
適用于動作較多，速度變化多即一般機械手
動作多，程序復雜的高級通用機械手適用
表2-2
我們可設繼電器線路為方案1，半導體邏輯線路為方案2，順序控制器為方案3，示數(shù)再現(xiàn)成計算器為方案4。
設備的技術評價特性
方案1-4的分數(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
總分數(shù)
10
9
10
9
16
技術價X
0.625
0.5625
0.625
0.5625
1.00
表2-3
設備的經濟評價特性
方案1-4的分數(shù)
1
2
3
4
理想的
成本（元件）
3
3
2
1
4
制造與維護成本
3
3
2
1
4
壽命
2
3
2
3
4
元件耗費
2
2
3
3
4
總分數(shù)
10
11
9
8
16
經濟價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行控制。
3 總體結構設計
3.1 手爪部分設計
手爪部分的結構我選擇了鉤手的結構，這樣選擇的原因是鉤手具有結構簡單，安裝拆卸方便，不需要額外的驅動，抓刀方式簡單等特點。結構如圖3.1所示。
圖3.1 鉤手結構示意圖
如圖3.1所示，當機械手旋轉的時候，鉤手與刀柄先接觸，由于機械手繼續(xù)旋轉，刀柄對頂柱有擠壓作用，頂柱的后面是彈簧，并且定位頂柱沒有鎖定，所以頂柱收縮到機械手臂內，刀柄順利進入鉤手內，旋轉結結束，頂柱通過彈簧的彈力恢復原位，定位頂柱鎖頂，頂柱不能移動，卡住刀具，抓刀結束。
刀具重量的范圍，由于溝手結構的刀爪抓刀后，刀具的重量集中在刀爪內圈的突起上，頂柱受力不到刀具重量的1/10，所以當?shù)蹲ψサ逗?，由定位頂柱所提供的推力遠遠大于頂柱所受到的力，所以肯定能把刀具固定住，而不用擔心刀具會在機械手旋轉的時候掉下來。
3.2 機械手手臂的設計
機械手工作中運動速度較高，在結構位置應保證運動平穩(wěn)，這樣可以提高機械手運動的平穩(wěn)性，可以提高機械手適用的可靠性，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)，在設計臂部、腕部和手部結構時，盡量使其總的重心在支撐中心，防止對支撐中心的偏重。一但偏重，將會產生附加的彎矩，引起導向裝置不均勻的磨損。在回轉運動中，偏重對回轉軸附加有動壓力，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時更加明顯，這些都將引起機械手的振動，嚴重的會造成卡死。
預防的措施：
1、 減輕腕部、手部的重量，并盡量減少偏心載荷。可采用鋁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、 某些機械手結構上無法避免偏重，則應加強導向支撐，盡量減輕偏重對運動的影響。
二、 加強臂部剛度
提高臂部剛度是減少手部顫動的關鍵，有利于提高定位精度，故常采用導向形式來加強定位。
三、 改進緩沖裝置和提高配合精度
機械手的緩沖裝置是保證運動平穩(wěn)和減少振動的主要措施。
機械沖擊，它是在臂部運動中與定位裝置相碰撞而產生的。它可用緩沖裝置來消除。
四、采取的措施：
1、 提高部件的配合精度，減少間隙，有利于運動平穩(wěn)，特別是高速運動的機械手更需要保證加工精度和提高配合。
2、 機械手的緊固件在運動中受變載荷的作用必須采用防松措施。
綜合以上所述，我在設計機械手手臂的時候采用了完全中心對稱的機構，并且通過調整螺栓來調整機械手手臂的水平。因為整體的尺寸很小，所以機械手換刀臂的軸的直徑比較小，并不適合采用鍵連接來傳動，所以采取了脹縮環(huán)這一個標準件來連接機械手換刀臂和機械手換刀臂的軸。脹縮環(huán)具有非常好的對中性，并且能夠傳遞非常大的轉距，結構簡單，非常適用在機構尺寸小的結構中。機械手換刀臂的結構簡圖如圖3.2所示。
這個手臂的形狀，完全按照中心對稱的方式設計，但是為了適應不同型號的刀柄，兩邊的刀爪是可以拆卸調換的。
圖3.2
3.3機械手傳動結構的設計
根據第2章的介紹，我選擇凸輪換刀裝置作為傳動方案。
凸輪機械手換刀裝置是目前加工中心常用的機構之一，與傳統(tǒng)的氣動、液壓換刀機構相比，它具有換刀速度快、換刀可靠、運動平穩(wěn)的特點。近年來加工中心得到了廣泛的應用。凸輪機械手換刀裝置通常由2個凸輪以及相應的機構組成，其中，一個平面凸輪通過連桿機構，用來完成“裝刀”與“ 拔刀”動作；另一個弧面凸輪帶動凸輪分度機構，用來實現(xiàn)機械手的轉位，完成“抓刀”和“換刀”動作。
圖3.3 凸輪機械手換刀機構原理圖
1— 驅動電動機 2—減速器 3—錐齒輪 4—平面凸輪
5—弧面凸輪 6—連桿機構 7—機械手 8—滾動盤 9—電氣信號盤
凸輪換刀裝置的結構原理如圖1所示，它主要由驅動電動機1、減速器2、平面凸輪4、弧面凸輪5、連桿6、機械手7等部件構成。換刀時，驅動電動機1連續(xù)回轉，通過減速器2與凸輪換刀裝置連接，提供裝置的動力；并通過平面凸輪、弧面凸輪以及相應的機構，將驅動電動機的連續(xù)運動轉化為機械手的間歇運動。
圖3.3中，平面凸輪4通過錐齒輪3和減速器2連接，在驅動電動機轉動時，通過連桿機構6，帶動機械手7在垂直方向作上、下運動，以實現(xiàn)機械手在主軸上的“拔刀”、“裝刀”動作?；∶嫱馆?和平面凸輪4相連，在驅動電動機回轉時，通過滾動盤8（共6個滾珠）帶動花鍵轉動，花鍵軸帶動機械手7在水平方向上作旋轉動作，以實現(xiàn)從機械手轉位，完成“抓刀”和“換刀”動作。電氣信號盤9中安裝有若干開關，以檢測機械手實際運動情況，實現(xiàn)電氣互鎖。
弧面凸輪轉角
平面凸輪轉角
圖3.4 平面凸輪和弧面凸輪的運動過程
平面凸輪與弧面凸輪的動作配合曲線如圖3.4所示。
在驅動電動機的帶動下，弧面凸輪在7.5°～57.5°的范圍內，完成機械手80°的轉位動作。在57.5°～72.5°的范圍內弧面凸輪、平面凸輪均不產生機械手運動，用于松開刀具。
當凸輪繼續(xù)轉動到72.5°～137.5°的范圍內，平面凸輪通過連桿機構帶動機械手進行向下運動；其中，在72.5°～117.5°范圍內，只有平面凸輪帶動機械手作向下的運動，機械手同時拔出主軸、刀庫中的刀具；在117.5°～137.5°的范圍內，因刀具已經脫離主軸的刀座，兩凸輪同時動作，即：在機械手繼續(xù)向下的過程中，已經開始進行180°轉位，以提高換刀速度。
在凸輪轉動到117.5°～242.5°的范圍內，弧面凸輪帶動機械手進行180°轉位，完成主軸與刀庫的刀具交換；當進入222.5°～242.5°的范圍時，兩凸輪同時動作，平面凸輪已經開始通過連桿機構帶動機械手進行向上運動，以提高換刀速度。
從222.5°起，平面凸輪帶動機械手向上運動，機械手同時將主軸、刀庫中的刀具裝入刀座；這一動作在222.5°～287.55°范圍，完成“裝刀”動作。接著的287.55°～302.5°范圍內，弧面凸輪、平面凸輪均不產生機械手運動，機床進行刀具的“夾緊”動作，這一動作由機床的氣動或液壓機構完成。
在302.5°～360°的范圍內，弧面凸輪完成機械手80°反向轉位動作，在機械手回到原位，換刀結束。
4換刀機械手的參數(shù)和計算
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，所以會有彎曲變形，如果彎曲太大，就會造成換刀時手臂和刀具的干涉，造成機器的損壞。
手臂的自身重力可以通過簡化的方式轉化為一個長度為410mm，寬90mm，高35mm的長方體來計算，G=mg=7.8×10×41×9×3=86346N=86.346KN≈87KN
刀具的重量F=10×6=60KN
手臂材料的抗拉強度 []=460MPa
屈服強度 []=235MPa
圖4.1
手臂的受力可以簡化為圖4.1所示
如上圖所示，可簡化為懸臂梁來處理，
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×
通過以上的計算可知，換刀機械手的手臂的彎曲非常小，根本不會對實際工作造成任務影響，所以是符合要求的。
4.2 電動機的選擇
根據設計要求，錐齒輪的傳動比為62/210=31/105，大齒輪每2.5S轉一圈，所以小齒輪每2.5×（31/105）=0.738S轉一圈。 速度為82rad/min，電動機沒有這個轉速的，所以要通過減速系統(tǒng)減速來達到要求轉速。
假設減速比為1/10，通過咨詢和調查，決定選擇MCN ELECTRICAL廠家生產的CF22型號伺服電機，具體參數(shù)如下：
制造商 ： MCN ELECTRICAL
型號 ： CF22
電源，電壓： ： 3相，200V
額定功率 ； 400W
轉速 ： 1000rpm
5 換刀過程
整個換刀的過程和關系如圖5.1、5.2、5.3所示。
（1） 刀具預備 在機床進行加工的同時，根據數(shù)控系統(tǒng)作出的T代碼指令，把需要換的新刀回轉到指定位置，完成刀具的“預選”動作，為刀具交換做好準備。
（2） 主軸定向準停 在換刀指令發(fā)出后，首先進行主軸定向準停，使主軸上的定位鍵方向和刀庫位鍵一致。與此同時，Z軸快速的向上運動到換刀點，刀杯旋轉90°，使刀具軸線與主軸軸線平行。
（3） 機械手回轉夾刀 當主軸箱到達換刀位置，同時刀庫上的刀具完成旋轉90°動作后，凸輪換刀機構通過電動機驅動，是機械手進行80°轉位，兩邊的刀爪分別夾持刀庫換刀位以及主軸上的刀具。
（4） 卸刀 在機械手完成夾刀動作后，刀庫以及主軸內的刀具加緊裝置同時放松，刀具被松開，凸輪換刀機構在電動機的驅動下，機械手向下伸出同時娶出刀庫和主軸上的刀具，進行卸刀。
（5） 刀具換位 卸刀完成后，凸輪換刀機構在電動機驅動下，機械手旋轉180°進行刀庫側刀具和主軸側刀具的換位。
（6） 裝刀 刀具完成換位后，凸輪換刀機構在電動機的驅動下，機械手向上縮回，將刀庫側刀具和主軸側刀具同時裝入刀座和主軸，并且刀庫以及主軸內的刀具夾緊裝置同時夾緊。
（7） 機械手返回 刀庫以及主軸內的刀具夾緊專職完成夾緊后，凸輪換刀機構在電動機驅動下，機械手反向旋轉80°回到起始位置（這時手臂旋轉過180°，兩邊手爪互換），完成換刀動作。
換刀完成后，主軸箱向下運動即可進行下一把刀的加工，同時刀杯向上旋轉90°。
圖5.1機械手換刀順序圖
圖5.2 刀盤和機械手位置圖
圖5.3機械手和主軸的位置圖
致謝
在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。經過本次設計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設計人員的艱難性。在設計過程中，我經常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導致的，有的是設計經驗方面不足導致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設計。
雖然我的設計存在很多不足的地方，但在這兩個多月的時間里，我學到了很多有用的知識，也積累了一定的設計經驗，這些對于我即將要走向社會工作崗位，將起到很關鍵的作用。
在此衷心感謝學校、學院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別要感謝易廣建我的畢業(yè)設計期間給予的諸多指導。
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