加工中心機械手結構與控制部分設計概述

加工中心機械手結構及控制部分設計概述作者：日期：摘

要機械手是自動換刀裝置中主要工具，擔負著把刀庫中的刀具傳送到主軸上，然后把主軸上不用的刀具快速返回刀庫中。思路是用機械手的動作來實現(xiàn)對加工中心的換刀，機械手的轉動是用回轉液壓缸運來完成的，它的動力是由驅動系統(tǒng)實現(xiàn)。加工中心自動換刀裝置，一般是由刀庫和機械手組成，它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關鍵環(huán)節(jié)。各加工中心制造廠家都在下大力研制動作迅速、可靠性高的自動換刀裝置，以求在激烈的競爭中取得好效益，自動換刀裝置是加工中心的重要內容，各廠家保密，很少公開相關資料，尤其是機械手部分更是如此。這些機械手的拔刀、插刀動作，大都由油缸動作來完成。根據(jù)結構要求，可以采用油缸動，活塞固定；或活塞動，油缸固定的形式。整個機械手由機械臂伸縮機構，機械爪開合機構，回轉機構及裝卸刀具直線運動機構組成。

關鍵詞：加工中心；機械手；刀庫；機械臂

AbstractManipulatorisautomaticallychangetooldevicethemaintooltoexchangetool,itbearsontheknifelibraryonthetooltospindle,andthenthespindlehasusedtoolreturnstasksontoolstore.Designideaistouserobotstoachievetheactionmachiningcenter,therotationofthemanipulatorchangecuttersareshippedturnhydrauliccylinder,itspowerisrealizedbydrivesystemimplementation.Machiningcenter,theautomaticcutterreplacementdeviceisusuallycomposedbyknifelibraryandmanipulator,itisthesymbolofprocessingcenter,itiscrucialtothesuccessoftheprocessingcenterlink.Sotheprocessingcentermanufacturesaredevelopedrapidlynextvigorously,highreliabilityofaction,inordertobeautomaticcutterreplacementdeviceinthefiercecompetitionandachievedgoodbenefit,automaticallychangetooldeviceisthecorecontentofmachiningcenter,themanufacturersareconfidential,seldompubliclyaboutmaterial,especiallymanipulatorpartisevenmoreso.Thismanipulator,asword,insertedknifeactionbyoilcylinderactionmostlytofinish.Accordingtothestructuralrequirement,canuseoilcylindermove,pistonfixed;Orthepistonmove,oilcylinderfixedstructure.Thewholemanipulator,bymechanicalarmtelescopicinstitutionofmechanicalclawopening-closinginstitutions,rotaryinstitutionsandloadingandunloadingtoollinearmotionmechanismcomposition.

Keywords:machiningcentre；manipulator；magazinetool；mechanicalarm目錄1緒論 12機械手主要參數(shù) 22.1主要參數(shù) 22.2規(guī)格參數(shù) 23機械手總體設計 43.1機械手的布局形式 43.2機械手的設計內容 44機械手機構設計 54.1機械手手部機構設計要求 54.2機械手手部類型 54.3機械手手臂的機構設計 64.3.1手臂的直線運動機構 74.3.2手臂回轉運動機構 84.3.3導向裝置 85機械手主要部件設計計算 105.1機械手裝刀與卸刀伸縮時驅動計算 105.1.1粗算機械手手部質量 115.1.2計算單臂液壓缸的質量: 115.1.3手臂伸縮運動的慣性力 145.1.4手臂伸縮時驅動力計算公式 145.1.5轉軸轉動時驅動力矩的計算 145.1.6計算絲桿驅動力矩 196機械手液壓系統(tǒng)設計 226.1

液壓系統(tǒng)的簡介 226.2機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 226.3液壓系統(tǒng)的組成 226.3.1

壓力控制回路 226.3.2

速度控制回路 236.3.3

方向控制回路 246.4

機械手液壓傳動系統(tǒng) 246.5機械手手爪伸縮油缸設計 246.5.1確定油缸直徑 246.6油缸臂原的設計 256.6.1活塞桿的計算 256.7手臂回轉油缸選擇 256.8滑座伸縮油缸設計計算 256.9活塞桿直徑的計算 266.10絲杠升降時液壓馬達參數(shù)，規(guī)格的選定 266.11油缸的泄露與密封 266.11.1機械手往復運動油缸的密封圈 266.12.2回轉油缸的密封與泄露 266.13液傳動機械手的緩沖與定位精度 276.13.1機械手的運動平穩(wěn)與定位精度 276.13.2油缸緩沖裝置 276.13.3回轉油缸緩沖裝置 276.13.4液壓機械手定位 276.14機械手液壓控制閥的選擇 276.15管件的選擇 287機械手控制系統(tǒng)設計 297.1pc控制范圍與現(xiàn)象 297.2確定pc控制圖 307.3可編程序控制器的維護和安裝 307.3.1pc安裝避免的場合 307.3.2連線 30參考文獻 33總結 34致謝 351緒論加工中心換刀機械手的設計實現(xiàn)手架伸縮和旋轉，手指夾緊，手臂伸縮，自由度分析，系統(tǒng)設計，確定驅動機構，手指夾緊力的分析，關鍵部位的校核。能模仿人手和手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：1.機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。2.在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。3.可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。4.可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。5.宇宙及海洋的開發(fā)。2機械手主要參數(shù)2.1主要參數(shù)1、抓重一般10公斤左右。2、自由度與坐標形式根據(jù)具體情況。3、運動速度根據(jù)生產(chǎn)拍節(jié)的長短，精度，生產(chǎn)平穩(wěn)性。4、行程范圍坐標形式，抓重大小，使用性能，驅動方式有關，一般為500～1000毫米內。2.2規(guī)格參數(shù)1、抓重2、自由度與坐標形式3、運動參數(shù)4、定位5、驅動6、手指的握力7、接受信號8、程序編程9、質量10、輪廓數(shù)據(jù)3機械手總體設計3.1機械手的布局形式加工中心自動換刀機械手是機床的一部分，所以存在機械手與機床的位置關系的合理性。本次設計為臥式加工中心機械手的設計。由于機床主軸水平放置，需要機械手將刀具直接送到機床主軸中心線上，機床的夾緊裝置為立即夾緊。刀庫為四排六十把刀，機械手需要放置在刀庫和機床主軸之間，抓刀后回轉180度，本設計機械手采用固定的落地式機械手。3.2機械手的設計內容1、機械手的移動形式機械手應該具備回轉，上下移動，滑座和手臂的伸縮，所以四個自由度才能實現(xiàn)刀具從刀庫移出精確定位到主軸上。如圖3.1圖3.1機械手運動簡圖2、機械手的坐標形式機械手位于機床刀具與主軸之間，所以需要占地面積較小，機構應該簡單，然而主軸與刀具之間距離達到了1140毫米機械手回轉中心在主軸與刀庫中間，因此機械手的活動范圍比較大，并且機械手的定位精度較高為了能夠準確卸刀與裝刀，綜上所述，選用圓柱坐標比較合理。3、機械手的參數(shù)確定a、抓重一般額定抓重有1，1.6，2.5，4，6.3，10，25，40，63，100參照基本關系確定抓重手部夾緊力的計算如圖3.2圖3.2系統(tǒng)結構圖按公式N=0.5G確定抓重。即:N=0.5X15=7.5kg=75NN-機械手夾緊力NG-刀具質量kg刀庫中的刀具最大質量15kg，所以夾緊力G為75N，機械手手指的夾緊用彈簧實現(xiàn)，所以夾緊力為彈簧的拉伸力。按額定抓重選大于10kg的彈簧力的彈簧。機械手手部機構見機械圖第四頁。b、機械手自由度有4個，坐標形式為圓柱坐標形式。c、機械手行程機械手升降行程1260mm，機械手手部伸縮最大行程195mm，滑座伸縮行程155mm，旋轉回轉角0～180°。d、機械手運動參數(shù)機械手速度范圍如下:伸縮速度50mm/s～500mm/s上升速度40mm/s～500mm/s下降速度80mm/s～800mm/s回轉速度30°/s～90°/s加速度最大值5m/s∧2減速度最大10m/s∧2為了確保機械手運動平穩(wěn)精確，機械手各部分速度上升速度0.3m/s下降速度0.3m/s滑座伸縮0.2m/s轉軸回轉60°/s滑座伸縮0.2m/s加速度2m/s2回轉角速度10rad/s2f、機械手定位精度定位精度±0.2mmg、控制方式可編程控制器h、位置檢測行程開關與微動開i、驅動方式液壓4機械手機構設計4.1機械手手部機構設計要求手部設計要求:夾緊力適中，有足夠的開合范圍，不宜磨損工件，穩(wěn)定變形小。機構簡單，體積小，質量輕。并且手指有一定的剛度和強度。4.2機械手手部類型機械手手部簡圖如圖4.1，采用了手指回轉型彈簧傳力機構。由活動抓1與固定抓7構成，并且活動抓1可以繞2進行回轉，其中另一端在彈簧塞6作用下，支靠于銷3上，調整螺釘5保持手部適當?shù)膴A緊力，鎖緊銷4使活動抓1牢固抓緊刀柄，為了防止刀具松動，鎖緊銷4可以軸向移動，放松活動抓1為了方便插刀或從刀柄V型槽中退出。成45°一個手臂抓新刀，另一個手臂抓舊刀，手部的直線運由液壓缸來實現(xiàn)。機械手采用了雙臂交叉式機械手，它是由卸刀手和裝刀手構成，二手臂可以往返運動，并交叉。圖4.1機械手手部機構圖4.3機械手手臂的機構設計機械手手臂的作用是將工件傳送到指定位置上，手臂一般有3個自由度，手臂的伸縮，升降和回轉。手臂的伸縮由滑座與直線運動液壓缸實現(xiàn)的，手臂的升降是由立柱與驅動機構實現(xiàn)的，手臂的回轉由導柱和擺動液壓缸來實現(xiàn)的。因此機械手采用雙臂交叉式機械系，如圖4.2所示。圖4.2手臂結構圖4.3.1手臂的直線運動機構直線運動機構直線往返運動采用液壓驅動的活塞缸，活塞缸優(yōu)點體積下，質量輕傳動平穩(wěn)。機械手伸縮運動參考圖紙第4頁，機械手伸縮運動液壓缸采用活塞桿固定，液壓缸帶動機械手往返運動。油路通過回轉架和支座引入液壓缸。液壓缸二端都有節(jié)流緩沖回路。液壓油進入液壓缸前腔與后腔時，剛體帶動卡爪前后運動。前后位置有調整螺釘，可觸動微型開關，方便執(zhí)行下一個運動。機械手水平滑座伸縮由液壓缸來完成的采用活塞固定，液壓缸做直線運動，油路采用活塞桿內走管，為了減小工作油腔的體積，使結構緊湊。手臂升降機構采用滾珠絲杠螺母機構。滾珠絲杠螺母機構的優(yōu)點有位移有較高的準確性，且為連續(xù)的接觸，精度保持性好，傳動沖擊小，驅動力矩小，運動平穩(wěn)，壽命長，無噪音，螺旋升角小，可將螺旋運動轉化成直線運動。絲杠支撐一端采用角接觸球軸承與止推軸承，承受軸向力，另外一端采用深溝球軸承。滾珠絲杠為內循環(huán)方式，內反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器采用圓柱鍵反向器。螺母內進出口裝有擋珠器，螺母外裝有套筒。滾珠絲杠消除間隙與預緊采用雙螺母法。調整墊片厚度也可以用來消除間隙與預緊。4.3.2手臂回轉運動機構為了實現(xiàn)機械手手臂回轉運動，機構一般選用葉片式回轉油缸，連桿，鏈輪傳動機構，齒輪轉動機構等。機械手手臂采用單葉片回轉油缸，優(yōu)點回轉角一般小于360°結構簡單，體積小，可以得到無極變速的回轉運動。擺動液壓缸的定片固定于缸蓋上，隔板固定在剛體上，當有壓力油通入后，在液壓作用下液壓缸帶動轉軸轉動，轉軸和液壓缸用雙鍵鏈接，左端和機械手回轉固定，轉軸正轉180°時碰觸微動開關，發(fā)出信號，在完成下一個動作。轉軸內部有四條油路通向回轉架，引到卸刀手與裝刀手中，采用內部走管使機構整齊緊湊。滾珠絲杠的制動采用牙嵌式定位離合器實現(xiàn)的，離合器與絲杠之間傳遞用齒輪來完成的，并且大小齒輪比為3:1,原因是為了與預先制定機械手升降從一排刀庫換刀位置之間的距離為420mm，絲杠導程10mm，所以絲杠要轉動42圈，大齒輪轉動14圈。定位離合器上部和下部的端齒只有一個嚙合位置，這樣才能使絲杠準確聽了在換刀位置。4.3.3導向裝置機械手手臂進行伸縮與升降運動時，為保證手部準確方向，增加手臂剛度，防止手臂繞著軸線方式轉到，使活塞桿不用承受較大的彎曲力矩，所以手臂機構采用導向裝置。機械手升降運動的導向裝置采用雙導向柱形式，以便手臂受力均衡，裝配在手臂升降機構兩側。水平滑座的伸縮運動的導向裝置是V形導軌。V形導軌的精確度與導向性較高，當導軌有磨損后會自動下沉來補償磨損量，導軌間隙的調整依靠導軌上的螺釘來完成。卸刀和裝刀的液壓缸伸縮運動的導向采用燕尾導軌。燕尾導軌優(yōu)點接觸面積小，間隙調整方便，可承受顛覆力矩。該導軌間隙采的調整采用沿導軌方向發(fā)布的四個調整螺釘來實現(xiàn)。5機械手主要部件設計計算5.1機械手裝刀與卸刀伸縮時驅動計算機械手伸縮受力如圖5.1機械手采用液壓傳動，忽略密封裝置的摩擦阻力，系統(tǒng)背壓力用一個參數(shù)表示圖5.1機械手伸縮運動受力圖式中:kf—摩擦情況系數(shù),kf=(1+2ll0)fI—啟動運動時移動部件含有抓重的重心移動方向到導向裝置前端或者是導向裝置的前支撐中心距離。f—摩擦系數(shù)I0—導向裝置寬度或者是到鄉(xiāng)裝置的后端支撐中心到錢支撐中心距離：ka—工作情況系數(shù)，公式ka=ag+sina—啟動時手臂運動的最大加速度cm/s2;kp—背壓力情況系數(shù)，存在kp=1，不存在kp=-1;ks—安全系數(shù)，ks=1.5～3,液壓驅動時取較小值;t—啟動時間，t=0.01～0.53s;G—包括抓重在捏的伸縮部分質量（kgf）;pec啟動運動的慣性力，pe=GVgtv—伸縮運動的速度;g—重力加速度:g=981cm/s2;θ—伸縮運動的手臂軸線向上水平面以上傾斜角度5.1.1粗算機械手手部質量圖5.2粗算手部質量圖粗算手部質量，機械手部按三角形計算，如5.2，高h=650mm，底長a=520mm，寬度94mm，密度ρ=7.8×103kg/m3質量m=ρabh=7.8×103×0.52×0.65×0.5×0.094=120kg5.1.2計算單臂液壓缸的質量:粗計算時按圖5.3所示，由于伸縮運動由液壓缸的運動完成的，因此機械手伸縮時間承受摩擦力為液壓缸同導軌和活塞之間的摩擦力。圖5.3液壓缸活動構建的質量包括液壓缸包括液壓缸，機械手爪和刀具質量。液壓缸質量:mt=7.8×103×(0.0352-0.0252)×π×0.3=4.4kg圖5.4手爪部分質量技術圖手爪部分質量如5.4，手爪質量m2=7.8×103×0.16×0.12×0.094=14kg刀具最大質量m3=12kg圖5.5摩擦力計算圖手臂伸縮運動摩擦力公式為：F1=(u1+u2)Mgsin其中：F1—摩擦力u1u2—摩擦系數(shù)M—活動件質量，M=m1+m2+m3因此：M=m1+m2+m3=4.4+14+12=30.4kgu1=0.06活塞與液壓缸摩擦系數(shù)u2=0.08液壓缸與導軌摩擦系數(shù)θ=22.5°機械手上升摩擦力：F1=(u1+u2)Mgsinθ=(0.06+0.08)×30.4×9.81×sin與手臂運動方向相反的重量的分力公式：F2=Mgcos其中M=m1+m2+m3=30.4θ=22.5F2=Mgcosθ=2755.1.3手臂伸縮運動的慣性力Pe=GV液壓缸直線運動速度0.2m/s,啟動時間0.2sPe=GVgt=30.4×9.81×0.25.1.4手臂伸縮時驅動力計算公式：Pd=kskp(kf+ka)G+peKa=ag+sinθa=2m/s2θKa=ag+sinθ=29.81液壓系統(tǒng)存在背壓,背壓系數(shù)kp=1.1，安全系數(shù)ks=2移動部件質量：G=(m1+m2+m3)=30.4×9.81=298.2N慣性力pe=30.4N摩擦情況系數(shù):kf=(1+2ll0)f移動部件重心到導向裝置前端距離I=140mm導向裝置寬度l0=240mm導軌和液壓缸間摩擦系數(shù)f=0.06θ=22.5°kf=（1+140240×2）×0.06驅動力估算公式:Pd=kskp(kf+ka)G+pe=489.6N有因素影響取Pd=500N5.1.5轉軸轉動時驅動力矩的計算轉軸轉動時驅動力矩計算式：Md=（1.2～1.1）（Mm+Mp+Mg）Nm。Mm—轉軸轉動支撐處的摩擦力矩，公式：Mm=f2（N1D1+N2D2）Nmf—軸承摩擦系數(shù)，滑動軸承f=0.01，滾動軸承f=0.02。N1N2—軸承處的支反力N。D1D2—軸承直徑。Mp—克服工件重心偏置需要的力矩Mp=GeNm。G—工作質量。e—偏心距。Mg—克服腕部啟動時需要的慣性力矩Mg=JwtNmt—啟動過程需要的時間。J—腕部回轉部件和回轉軸心的轉動慣量。w—腕部回轉角速度。驅動力矩計算簡圖5.65.6驅動力矩計算簡圖1.計算轉動軸質量及相對轉軸軸線的轉動慣量6.7計算簡圖如圖6.7可按實體圓柱體計算，可參考機械圖第2頁，轉軸質量：m=ρv=7.8×103×π×0.352×0.47=14.1kg相對軸線的轉動慣力:J1=m2R2=14.12×0.0352=8.57×102.計算機械手臂支架轉動慣量手臂支撐架的轉動慣量計算圖圖6.8圖6.8轉到慣量計算簡圖手臂支撐架形狀可以簡化為等腰三角形，質量120kg，手臂支架質心位置計算式h,=13h,其中b520mm,h=650所以h,=13手臂支撐架轉動慣量為：Jc=m4h2+3b參照機械圖第四頁可知s=80mm。手架質心相對轉軸中心線的轉動慣量計算式：Jc，=Jc+me2=4.72kgm23.計算工件轉動慣量可以簡化成圓柱形，最大刀桿直徑d=125mm，因此J2,=12m2R2=12×12(0.1252工件對轉軸中心線轉動慣量計算式：工作中心線對轉軸中心線的偏向距見圖6.8：e=570mm于是J2=J2,+me2=0.023+12×0.572=3.92kgm2估算回轉部件對轉軸中心線的轉動慣量為：J=J1+Jc，+J2=8.64kgm2算出手腕回轉運動啟動時慣性力矩：Mg=Jwtw=0.52rad/s，Mg=Jwt=9.04（1）計算手腕轉動件與工件偏重對轉軸偏重力矩公式：U=G1e1+G2e2G1手腕轉動件質量e1手腕轉動件中心對轉軸周縣偏心距G2工件質量e2工件中心對轉軸周縣偏心距圖5.8可知：e1=130mme2=570mm偏重力矩up=G1e1+G2e21200×0.13+120×0.57=224.4Nm（2）計算手腕轉動軸在軸徑處摩擦阻力矩：參照圖6.8和機械圖第2頁和第四頁可知L=300mmL1=220mmL3=150DA=DB=35mmL2=120mmG1=1200NG2=120NG3=14.1NNA=GNB=G因此計算摩擦阻力矩，由于用的是滾動軸承，所以f=0.01Mm=f2(NADB+NBDA)=12×0.01×(587.2(3)計算驅動力矩：Md=1.2×(Mm+Mp+Mg)=1.2×(0.136+224.4+9.04)=280Nm(4)估算負載質量伸縮油缸帶動手臂的質量在計算的時候簡化成矩形，見圖5.9參考5.9與機械圖第3頁與第四頁:b=140mmh=160mml=520mm估算其質量為：m=bhlρ=0.14×0.16×0.52×7.8×103=90.8kg有機械圖知伸縮活塞桿長380mm，直徑為22mm，計算質量為：m桿=π4d2l由機械圖知道回轉軸的軸徑為70mm，長為380mm，估算其值為：m軸=π4d2l由圖6.9實際驅動質量減去此二部分質量m，=m-m桿-m軸=90.8-1.12-30.02=59.6kgm=m，+m1+m軸+m手其中m1工件最大反差m=m，+m1+m軸+m手=200.23kg(5)估算滑座伸縮驅動力，計算公式為：Pd=kskp(kf+ka)Gkf=(1+2ll0)f參考機械圖第l=155mml0=540mm由于導軌間摩擦力有潤滑油，取f=0.06kf=（1+22×155540）×ka=aga=2m/ska=ag=29.81=0.20取kp=1.1k因此pd=1143.4N5.1.6計算絲桿驅動力矩1.絲杠計算載荷FC=KFKHKlFm其中：KF載荷系數(shù)取KF=1.2KH硬座系數(shù)取KH=1.12Kl短行程系數(shù)取Kl=1Fm平均軸向載荷Fm=2530N絲杠計算載荷為3400N2.絲杠額定動載荷Ga，=3nlGa，額定動載荷n絲杠轉速n=100r/minL,h運轉壽命h設計壽命L,h=1.6×105hGa，=3nlh,1.67×104選用GQ50X10-B型，dm=50mm,螺距p=10mm鋼球直徑Dw=5.95mm，螺旋升角φ=3°39,,Ca=31200n,查表可知rs=0.52Dw=0.52e=0.707×(rs-Dw2)螺杠小直徑：d1=dm+2e-2rs=43.98mm絲杠的驅動力矩：Tq=T1+T2+Tp其中：Tq絲杠驅動力矩T1絲杠螺旋副摩擦力矩T1=Fmdm2tg（φ+ρ公式中：Fm作用于螺旋上軸向力Φ螺旋升角Φ=3°Ρv當量摩擦角ρv=8.4..T1=Fmdm2tg（φ+ρv支撐面的摩擦力矩：T2=FmfT2支撐面摩擦力矩f摩擦系數(shù)取f=0.06d3d4支撐面的內外徑d3=35T2=Fmfd3偏重力矩圖TP=ρhh-承受偏重力矩支撐處的距離t—啟動過程需要的時間f-承受偏重力矩支撐處的靜摩擦系數(shù)取f=0.08d-絲杠直徑取d=0.05mG-回轉部件總重量取G=2530ρ-升降部件重心到回轉軸線距離取ρ=0.2mm參考機械圖第一頁可知：h=0.205mmP=ρh絲杠驅動力矩:Tq=T1+T2+Tp=16.6Nm5.絲杠穩(wěn)定性驗算:參考機械圖第1頁可知，絲杠的該行程I=1300mm穩(wěn)定性公式:Fcr=πFcr-臨界載荷E-絲杠材料的彈性模量取E=2.06×105N/mm2Ia-危險截面的慣性矩Ia=1.84×105N/mm4u-長度系數(shù)取u=2Fcr=3.142×2.06×105×1.84×有FcrFm6.絲杠剛度驗算：公式δs=16T1Sδs-導程彈性變形量s-導程s=p=10mmG-螺杠材料變形模量鋼材料取G=8.33×104N/mm2d1-螺紋小徑取d1=44mmE-彈性模量取E=2.06×105N/mm2δs=16T1S2π2δss=7.7×10-410=7.7×10-5<1.06機械手液壓系統(tǒng)設計6.1

液壓系統(tǒng)的簡介

機械手液壓傳動是以有壓力油液作為傳遞動力的工作介質。電動機帶動油泵的輸出壓力油，是將電動機供給機械能轉換成油液壓力能。壓力油經(jīng)過管道和一些控制調節(jié)的裝置等進入油缸，推動活

塞桿運動，使手臂作伸縮、升降的運動，油液的壓力能轉換成機械能。手臂在運動時所能克服摩擦的大小，及手部夾緊工件時所需要保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。手臂做各種運動的運動速度取決于流入密封油缸中的油液容積的多少。這種借助于運動的壓力

油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。6.2機械手液壓系統(tǒng)的控制回路

機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控

制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調整、油泵的卸荷、運動的換向，工作速度的調節(jié)以及同步運動等。

6.3液壓系統(tǒng)的組成

①液動機

壓力油驅動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉運動的液動機一般叫作油馬達，回轉角小于

360°的液動機，一般叫作回轉油缸。

②油泵

它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉換為油液的壓力能，用這壓力油驅動整個液壓系統(tǒng)工作。③控制調節(jié)裝置

各種閥類，如單向閥、節(jié)流閥、溢流閥、順序閥、調速閥、減壓閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動6.3.1

壓力控制回路

①

調壓回路

在采用定量泵液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)最大工作壓力，一般在油泵的出口附近設置溢流閥，用它來調節(jié)系統(tǒng)的壓力，并將多余油液溢流回油箱。

②減壓回路

為了使機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)上一個減

壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低壓力。

③

卸荷回路

在機械手的各油缸不工作時，油泵電機還沒停止工作的情況下，為減少油泵功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)發(fā)熱，并使油泵在低負荷下工作，所以需要采用卸荷回路。此機械手主要采用二位二通電磁閥控制溢流閥的卸荷回路

④

平衡與鎖緊回路

在機械液壓的系統(tǒng)中，為了防止垂直機構因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構的自重給以平衡。為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖

緊回路，即將油缸的回油路關閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)

任意位置鎖緊的回路。

⑤

油泵出口處接單向閥在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應高壓油液，以驅動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉動，結果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。6.3.2

速度控制回路

液壓機械手各種運動的速度的控制，主要是通過改變進入油缸的流量Q?？刂品椒ㄓ袃深悾阂活悾捎枚勘?，利用調節(jié)節(jié)流閥通流截面來改變進入油缸或油的馬達的流量；另一類，采用變量泵，改變油泵供油量。本機械手采用的使定量油泵節(jié)流調速回路。根據(jù)各油泵運動速度要求，分別采用

LI

型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或著QI型單向調速閥等進行調節(jié)。

節(jié)流調速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，

在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。

采用節(jié)流閥進行節(jié)流調速時，負荷變化會引起油缸速度變化，其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥

進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。

調速閥能夠隨負荷的變化而自動餓調整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸運動速度不受負荷變化的

影響，對速度平穩(wěn)性要求較高的場合，宜用調速閥實現(xiàn)節(jié)流來調速。6.3.3

方向控制回路

在機械手液壓的系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達運動方向和接通或關閉油路，常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出的電信號，控制電磁鐵操縱閥芯的換向，使

油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復運動和正反向轉動。

目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按電源不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為

220V（也有380V或36V），直流電磁閥使用電壓一般為

24V（或110V）本機械手采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能較好，換向時間短，接線簡單，并且價廉，但是當吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。6.4

機械手液壓傳動系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)圖繪制是設計液壓機械手的主要內容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用的回路所組成。

繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：1.確定油缸和油泵，2.布置中間的控制調節(jié)回路和相應的元件，以及其他的輔助裝置，從而組成整個液壓的系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓的原理圖。6.5機械手手爪伸縮油缸設計6.5.1確定油缸直徑油缸直徑設計計算式：D=1.13ppp作用于活塞杠上總機械負載p1油缸工作壓力D油缸內徑液壓系統(tǒng)壓力由加工中心總回路壓力確定，一般取值6.3N/mm2機械手總負載p=361N,考慮一些因素的影響，液壓缸的負載擴大原來1.1～1.8倍，因此取p=3.61×1.5=541.5N則公式:D=1.13×pp1=43.61mm根據(jù)液壓臂原的計算可按公式：δ=p4+δ液壓缸臂厚p計計算壓力，p計=（1.2~1.3）PD油缸內徑[δ]=11.20p計=1.2P=1.2×6.3=7.56N/mm2δ=p計D2[δ]=6.6油缸臂原的設計6.6.1活塞桿的計算活塞桿長度應該滿足于桿強度要求與運動要求，當桿長大于直徑15的桿，應該驗算穩(wěn)定性?；钊麠U強度計算可以約等于直桿拉伸強度計算。即：δ=pπ4×d2p活塞桿所受總的機械負載d活塞桿直徑[δ]活塞桿材料許用應力取[δ]=1d≥4根據(jù)標準JB826-66,取標準值d=35mm活塞桿長度與直徑的比為ld=20035=5.7≤15，因此不用檢驗穩(wěn)定性6.7手臂回轉油缸選擇回轉軸轉動時油所需要的驅動力矩M驅=280Nm，查手冊選用YM系列彈片回轉油缸，參數(shù):工件壓力：4~7MPa排角：90~1430ml/r扭矩：14~588.6Nm擺角：22~304rad/s6.8滑座伸縮油缸設計計算滑座伸縮所用驅動力為p=1413N計算式:D=4pπ根據(jù)JB826-66可知，取標準D=40mmp計=1.2P=7.56MPa，δ=1100000N/mmδ=p計D2[δ]=7.37，取壁厚6.9活塞桿直徑的計算δ=pπ4×d≥4pπ[δ]p=1413[δ]=1.2×108N/mm根據(jù)TB826-66,取標準d=22mm6.10絲杠升降時液壓馬達參數(shù)，規(guī)格的選定油馬達規(guī)格參數(shù)選定應根據(jù)工作需要，由已經(jīng)計算出絲杠驅動力Tq=16.6Nm根據(jù)標準應選YM-A28B型葉片油馬達，參數(shù)：排量：28ml/r輸出扭矩：18.0Nm轉速:100~2000r/min工作壓力:6.3MPa6.11油缸的泄露與密封液壓機械手漏泄壓力下降，導致工作不穩(wěn)定。常用密封圈來完成密封，用來預壓和在工作時由于油壓的作用。6.11.1機械手往復運動油缸的密封圈對于往復直線運動的油缸來說，泄露的主要原因是加工精度和光潔度不夠和密封裝置的不良?；钊透椎撵o密封主要用0型密封圈，當為動密封用0型和v型密封圈。0型密封圈結構簡單，摩擦小，密封良好，溝槽尺寸小的優(yōu)點。V型密封圈安裝在活塞與缸體和活塞與缸蓋的密封，注意支撐環(huán)必須面對壓力油方向。6.12.2回轉油缸的密封與泄露機械手回轉機構采用液壓缸來實現(xiàn)，由于有間隙導致泄露，導致油液壓力降低，使輸出扭矩減小從而影響正?；剞D?；剞D油缸的動片與缸壁用螺釘連接，應對動片的三個相對運動表面和一定固定連接表面進行密封。6.13液傳動機械手的緩沖與定位精度6.13.1機械手的運動平穩(wěn)與定位精度平穩(wěn)指機械手從啟動到正常工作速度再從正常工作速度經(jīng)過制動后到停止運動的過程速度突變過程。定位精度機械手重復搬運物件到實際位置和給定位置所產(chǎn)生誤差。為了保持穩(wěn)定性和精度，應該設置緩沖裝置。6.13.2油缸緩沖裝置活塞油缸緩沖裝置由活塞端部的柱塞和缸蓋的凹槽組成，當活塞運動到使柱塞漸漸被排入凹槽，并將存在于緩沖油腔內的油液經(jīng)過柱塞和凹槽間的縫隙或節(jié)流孔漸漸排出，油液被排出時，產(chǎn)生緩沖壓力，從而使活塞減速?？烧{式油缸端部緩沖裝置由單向閥和緩沖調節(jié)閥構成。當緩沖柱塞運動到封住環(huán)形槽時，緩沖油腔內的油液，緩沖調節(jié)閥流回油缸，啟動時油液由單向7進入油腔，調節(jié)緩沖調節(jié)閥的螺釘，可以改變節(jié)流壓力，從而到達緩沖目的。6.13.3回轉油缸緩沖裝置擺動油缸端部緩沖裝置易采用單向閥和節(jié)流閥組成。6.13.4液壓機械手定位它的定位一般有電氣定位系統(tǒng)和機械定位，本次設計用電氣定位系統(tǒng)，但回轉軸回轉由螺釘調節(jié)后定位，其他的采用行程開關來檢查位置，從而來控制電磁閥的通斷，最終切斷油路從使機械手定位。6.14機械手液壓控制閥的選擇為了調節(jié)各回路的流量以控制和改變執(zhí)行元件的速度，回路均設有單向節(jié)流閥。方向控制閥由三位四通電磁換向閥構成?；芈分袨榱丝刂朴捅玫妮敵鰤毫?，安裝有溢流閥。為了避免液壓器件的突然換向引起的液壓沖擊及脈動壓力和補償系統(tǒng)的泄露。電磁換向閥選用2400—B8C型電磁換向閥，技術規(guī)格 :電源電壓:220V通徑:10mm額定壓力:14Mpa允許臂壓:6.3Mpa額定流量:22l/min單向節(jié)流閥選用LDF型單向節(jié)流閥，技術規(guī)格:質量:1.5kg通徑:10mm扭矩:120Nm最低調節(jié)壓力:0.6～3.0Map 為了延長使用時間，應該在回路中安裝濾油器。 濾油器選用線隙式濾油器，技術要求:型號:XU—JI0X80通徑:10mm流量:10I/min過濾情況:80um為了防止空氣流入油泵和油泵停止轉動時液壓油流入油泵，因此裝單向閥，單向閥選用DIF—L10H1型，技術規(guī)格:通徑:10mm額定流量:25I/min 額定壓力:21Map6.15管件的選擇運動部件中的管道選用膠管形式。7機械手控制系統(tǒng)設計本次機械手設計系統(tǒng)選用可編程器控制機械手運動pc優(yōu)點組合靈活擴展方便抗干擾性強，可靠性高機構簡單，使用方便控制程序可變，良好的柔性7.1pc控制范圍與現(xiàn)象選用pc控制原因機械手環(huán)境較差，安全性也可靠性高，開關多機械手運動順序：主軸準停信號發(fā)出機械手上升尋刀刀庫發(fā)信號機械手停止在被選刀換刀位置裝刀手伸出抓刀滑座伸出拔刀裝刀手縮回滑座縮回轉軸正轉機械手上升到主軸換刀位置卸刀手伸出拔刀滑座伸出拔刀卸刀手縮回裝刀手伸出滑座縮回裝刀裝刀手縮回轉軸反轉機械手下降歸位機械手運動開關量順序控制，由行程開關，接近開關作輸入信號，電磁閥作為執(zhí)行元件。7.2確定pc控制圖輸入輸出接線圖可參照機械圖，依據(jù)接線圖，需要14個開關量檢測點，控制11個開關元件，所以選用F1-60MRPC7.3可編程序控制器的維護和安裝pc工作環(huán)境惡劣，干擾多，因此應該注意pc正確安裝和維護7.3.1pc安裝避免的場合:環(huán)境溫度超過0～50度相對溫度超過85％或則在露水凝聚（溫度突變）太陽直接照射有腐蝕和易燃液體（氯化氫）有大量鐵粉或灰塵平凡或者連續(xù)的工作超過10g（重力加速度）沖擊為了避免外部干擾可編程控制器應該遠離高壓電源與高壓設備，它們之間距離至少200mm?？删幊炭刂破鞔怪卑惭b時，要嚴防導線頭和鐵屑從通風窗掉入可編程控制器內部造成短路使設備永久失效。7.3.2連線60MR可編程控制器電源40V。pc基本單元或擴展單元上電和斷電必須同時進行。F1系列pc有直流24V電源極限端，他可介入接近開關，為其提供電源。對于外部電源來的干擾，安裝一個1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。接地是保證pc可靠工作的重要條件，它可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊的危害，如果用擴展單元，其接地點應與基本單元接地端相連，基本單元必須接地，若用擴展單元，其接地點應與基本單元接地點接在一起。為了抑制附加在電源及輸入端，輸入端的干擾，應該pc介入專用接地線，接地點與動力設備的接地點分開。為了保護pc的安全和控制負載的急停車，應在pc外部負載供電線路上接觸器，用按鈕控制其通斷，當外部負載需要緊急斷開時，只需按下停止按鈕即可將電源段開，而與pc無關直接24V接線端。使用無源接觸點的輸入器件時，pc內部24V電源通過輸入器件向輸入端提供每點7mA電流。pc上的24V接線端子可以接近開關提供電源。輸入接線。輸入接線一般指外部傳感器與輸入端口的接線。輸入器件可以是任何無觸點或集電極開路的NPN管。輸入端的一次電路或二次電路之間采用光電隔離。二次電路帶R-C濾波器，防止輸入觸點抖動或從輸入線路傳入的電噪聲引起的pc的誤動作。輸入接線注意：輸入com端均與輸出com端相連輸入接線一般不超過30mm輸入，輸出線不要用一根電纜可編程控制器所能接受的脈沖信號的礦度應大于掃描周期的時間。輸出路線：可變成控制器有繼電器輸出，晶閘管輸出，晶體管輸出3種形式。pc輸出技術特征見下表：電感性負載輸出繼電器壽命35VA以下300萬次80VA以下100萬次120VA以下20次當接入的負載超過額定最大值，需要外接接觸器或繼電器，可編程控制器才能正常工作。若負載低于規(guī)定的最小限制，應并聯(lián)電阻電容串聯(lián)的吸收器。輸出端接線氛圍獨立輸出和公共輸出，F(xiàn)1-60的基本單元和擴展單元采用公共輸出，每4個輸出端作為一組對應一個公共端，各公共端互不相連。因為可編程控制器裝于印刷電路板上，若輸出元件負載短路，將燒壞電路板，應該選用保險絲?？删幊炭刂破鞯木S護檢查與維護：定期檢查日常維護：更換鋰電池參考文獻[1]許曉煬.專用機床設備設計[M].重慶：重慶大學出版社,2003[2]叢鳳廷,遲建山.組合機床設計[M].上海：上?？茖W技術出版社,1994[3]金振華.組合機床及其調整與使用[M].北京：機械工業(yè)出版社,1994[4]數(shù)控機床的結構與傳動國防工業(yè)出版社.1977[5]加工中心結