數(shù)控型鋼切割頭的設(shè)計

數(shù)控型鋼切割頭的設(shè)計

隨著社會科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械化和自動制造機(jī)械的水平越來越高，這充分促進(jìn)了機(jī)械臂的誕生和發(fā)展。機(jī)械手臂代替了工人作業(yè)，很大程度上提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，改善了工人們的工作環(huán)境質(zhì)量，尤其是在極端環(huán)境下的生產(chǎn)，比如航天、深海、核能等領(lǐng)域機(jī)械手臂的急速研發(fā)、使用是因?yàn)樗姆e極作用正逐漸被大眾所認(rèn)同:首先，它可取代大部分的人工操作，減少了工人的數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本;其次，它可以嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝的要求，減少了人工不可避免的誤差，在對物料進(jìn)行傳送和裝卸時，按照預(yù)先規(guī)定好的程序、時間和位置進(jìn)行生產(chǎn);第三，它可以對機(jī)器進(jìn)行焊接和裝配，焊接是一項(xiàng)對人體傷害比較大的工作，使用機(jī)械手臂可以改善工人的勞動條件，使工人遠(yuǎn)離勞動現(xiàn)場，并且可以提高勞動生產(chǎn)率，裝配生產(chǎn)線上也大量使用機(jī)械手臂，減輕了工人的勞動強(qiáng)度。機(jī)械手臂有如此多的優(yōu)點(diǎn)，以至于各個國家都非常重視，機(jī)械手臂綜合了各個方面的技術(shù)，很多的國家都投入大量的人力、物力和財力來研究機(jī)械手臂，并把它用在了各個重要領(lǐng)域1機(jī)械麻黃織物的選擇通常要根據(jù)不同機(jī)械設(shè)備的自身要求來進(jìn)行所需材料的分析，從而選擇出合適的材料以達(dá)到機(jī)械設(shè)計所要實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，對于一項(xiàng)完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，這是一個非常重要的步驟。材料選擇的好壞，決定了機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式。型鋼切割機(jī)的機(jī)械手臂桿件需要經(jīng)常轉(zhuǎn)動零部件，桿件有時候速度很大，有時候加速度很大，所以桿件的制作材料首選輕型材料，這樣就能減輕其自身的重量，有效緩解因慣性而產(chǎn)生的運(yùn)動。此外，機(jī)械手臂工作時都在做高速往返運(yùn)動，這勢必會產(chǎn)生不斷的振動，因此，機(jī)械手臂的材料又需要具備較強(qiáng)的剛性以及良好的抗振性能等特點(diǎn)，這樣才能使機(jī)械手臂可以滿足其工作條件基于上述原因，最后選用比強(qiáng)度高的材料來制作機(jī)械手臂的桿件。比強(qiáng)度是指材料的強(qiáng)度(材料斷開時單位面積上所承受的力)與其密度之比，又稱強(qiáng)度重量比，國際單位是(N/m2機(jī)械手臂方案設(shè)計機(jī)械手臂必須具備充分的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等，在運(yùn)轉(zhuǎn)時應(yīng)最大力度的避免發(fā)生自卡以及鎖死的現(xiàn)象，這就需要機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有靈活性，除此之外，還要為各種類型電源線和信號線的連接留出充足的地方。2.1試驗(yàn)2:組成復(fù)合型型鋼切割法設(shè)計切割頭機(jī)械手臂方案時，一是要滿足切割型鋼的姿態(tài)要求;二是結(jié)構(gòu)盡可能的簡單，這樣加工起來比較容易;三是控制系統(tǒng)也要便于開發(fā)。一般而言，想要結(jié)構(gòu)簡單，就要在控制系統(tǒng)上下大功夫，所以在設(shè)計方案的時候要全方位綜合考慮，設(shè)計出真正適合實(shí)際生產(chǎn)需要的產(chǎn)品方案一:二自由度機(jī)械手形式二自由度機(jī)械手設(shè)計如圖1所示，這種方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡單，但是關(guān)于割槍姿態(tài)的確定卻很難，轉(zhuǎn)換姿勢時，割槍嘴空間方位不容易確定，空間坐標(biāo)不容易確定，而且也很容易造成氣管和電纜的扭轉(zhuǎn)。設(shè)計不僅要實(shí)現(xiàn)型鋼的切割功能，還要最大可能的降低成本，使產(chǎn)品具有價格上的優(yōu)勢，而此種方案雖然結(jié)構(gòu)簡單，但使得控制系統(tǒng)難于設(shè)計，因此很難用于實(shí)際生產(chǎn)。方案二:回轉(zhuǎn)機(jī)械手回轉(zhuǎn)機(jī)械手是根據(jù)無限回轉(zhuǎn)+平行四邊形機(jī)構(gòu)原理設(shè)計的。無限回轉(zhuǎn)方案在坡口切割時必須要轉(zhuǎn)動型鋼才能實(shí)現(xiàn)對型鋼不同面的切割，因此，結(jié)合平行四邊形機(jī)構(gòu)來解決這個難題，以實(shí)現(xiàn)不用轉(zhuǎn)動型鋼即可進(jìn)行多方位的切割。該方案是利用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定割槍在水平面的任意指向，平行四邊形機(jī)構(gòu)確定豎直平面上割槍的任意指向，綜合兩者設(shè)計一款復(fù)合型型鋼切割機(jī)為了防止桿件之間的干涉，對每個桿件的桿長設(shè)計都要考慮到整個平行四邊形機(jī)構(gòu)，使割槍無論怎么旋轉(zhuǎn)都能指向固定的一點(diǎn)，這樣對點(diǎn)的定位就非常的明確采用此種結(jié)構(gòu)可以對型鋼進(jìn)行側(cè)面和上表面的切割，和相貫線切割比較相似，但是在具體的結(jié)構(gòu)上做了全面的修改。相貫線切割是采用平行四邊形原理，使割槍固定的指向某一點(diǎn)上，相貫線切割對角度的要求小，不能在平面內(nèi)做180°旋轉(zhuǎn)，而對型鋼的切割要求大角度切割，這就會對連桿產(chǎn)生干涉，達(dá)不到要求的角度方案三:雙關(guān)節(jié)機(jī)械手方式雙關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用十字交叉雙關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)割槍姿態(tài)的大范圍變位需求，此方法機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，連接基座與Z軸掛板上的連接臂相連，割槍固定在夾槍器上，大懸臂和小懸臂分別繞相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動，各個部分之間密切連接，中間沒有多余空隙，減少了各個部分之間的傳遞誤差。對于切割頭機(jī)械手臂的設(shè)計，首先要考慮的是結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)簡單，生產(chǎn)成本較低，從以上方案可以看出:方案一雖然結(jié)構(gòu)簡單，但控制系統(tǒng)難于設(shè)計，且的開發(fā)周期長，成本高;方案二整個機(jī)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)比較大，所采用的平行四邊形結(jié)構(gòu)，構(gòu)件比較多，之間的間隙不容易控制，而且構(gòu)件的剛性相比而言比較低，桿件的抗沖擊能力不強(qiáng)，在切割的時很難保證精度;方案三結(jié)構(gòu)比較簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，構(gòu)件之間的誤差比較小，割槍的旋轉(zhuǎn)面始終和大臂的旋轉(zhuǎn)軸在一個平面內(nèi)，始終指向旋轉(zhuǎn)軸，這樣其控制算法也比較容易開發(fā)。綜合考慮對比后，選擇方案三采用雙關(guān)節(jié)機(jī)械手臂方式。用立體解析法對相貫線節(jié)點(diǎn)編輯難點(diǎn)問題進(jìn)行解決，對手指姿態(tài)與“十字交叉雙關(guān)節(jié)”之間的函數(shù)模型，以及手指姿態(tài)變位時指尖點(diǎn)三坐標(biāo)位置變化的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)初步建立了結(jié)構(gòu)模型，得到了其關(guān)系函數(shù)，故確定此方案作為切割頭機(jī)械手臂的設(shè)計。雙關(guān)節(jié)機(jī)械手臂運(yùn)用十字交叉雙關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)手指姿態(tài)變位時，會導(dǎo)致指尖點(diǎn)三坐標(biāo)位置的變化，需要建立其運(yùn)動分析數(shù)學(xué)模型，并通過控制來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)變位過程中的及時自動補(bǔ)償，從而使指尖坐標(biāo)位置不會受姿態(tài)變化的影響，而且此種方案變位時不造成氣管和電纜的360°扭轉(zhuǎn)設(shè)計雙關(guān)節(jié)機(jī)械手臂時還要考慮的一個問題就是要盡量減輕切割頭的重量，整個機(jī)械手臂是懸掛在Z軸掛板上的，而Z軸掛板又是通過導(dǎo)軌與橫梁相連接的，整個Z軸掛板和切割手臂對導(dǎo)軌有很大的力，需要對導(dǎo)軌進(jìn)行校核。要減輕切割頭的重量，材料的選取是一方面，另一方面還要從結(jié)構(gòu)上來對其進(jìn)行優(yōu)化，在滿足剛度和強(qiáng)度的要求下，盡可能的減少不必要的結(jié)構(gòu)。隨著切割機(jī)廠家的競爭越來越白熱化，機(jī)器的美觀性也是客戶選擇產(chǎn)品的一個重要方面，例如對大懸臂的設(shè)計2.2驅(qū)動裝置的選擇2.2.1諧波阻燃劑的選型減速器與軸相互連接，當(dāng)減速器被伺服電機(jī)帶動運(yùn)轉(zhuǎn)起來時，軸也跟著轉(zhuǎn)動起來，進(jìn)而促使小懸臂的擺動。因此，要精準(zhǔn)的控制小懸臂的擺動，就要先確定伺服電機(jī)和諧波減速器的型號該型鋼切割機(jī)的割槍和小懸臂的總質(zhì)量為m因小懸臂的角速度ω忽略力矩因靜摩擦力而產(chǎn)生的影響，計算小懸臂的啟動慣性矩如下:減速器的輸出扭矩會受工作場合和時間的影響，因而會和理論值有所差異，為安全起見，設(shè)定一個安全系數(shù)K根據(jù)小懸臂的回轉(zhuǎn)需求和相關(guān)諧波減速器的使用說明，確定其額定轉(zhuǎn)矩為7N·m，減速比為i綜上計算結(jié)果，選擇松下公司生產(chǎn)的型號為MSMD5AZP1U的驅(qū)動電機(jī)作為小懸臂的轉(zhuǎn)動電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為0.16N·mue024M2.2.2大懸臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的選型對于大懸臂電機(jī)的選型和小懸臂的類似，其負(fù)載的總質(zhì)量為m而大懸臂的角速度ω忽略力矩因靜摩擦力而產(chǎn)生的影響，計算小懸臂的啟動慣性矩如下:減速器的輸出扭矩會受工作場合和時間的影響，因而會和理論值有所差異，為安全起見，我們設(shè)定一個安全系數(shù)K根據(jù)大懸臂的回轉(zhuǎn)需求和相關(guān)諧波減速器的使用說明，確定其額定轉(zhuǎn)矩為53N·m，減速比為i綜上計算結(jié)果，選擇松下公司生產(chǎn)的型號為MQMA02ZP1U的驅(qū)動電機(jī)作為大懸臂的轉(zhuǎn)動電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為0.64N·mue024M2.3旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計和關(guān)鍵調(diào)整2.3.1軸的材料選擇軸的材料時，需要考慮到它的工藝性能以及經(jīng)濟(jì)性，保證軸的剛度、強(qiáng)度、耐磨等。選擇調(diào)質(zhì)處理的45鋼如表1所示。2.3.2計算軸的最小直徑d彎矩和扭矩會影響軸的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸運(yùn)動時的受力簡圖如圖5所示。固定好軸上的零件后，可以利用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和經(jīng)驗(yàn)公式來計算軸的最小直徑d計算軸直徑公式如下:式中:T—工作轉(zhuǎn)矩，N·mm。P—軸傳遞的功率，kW。查《機(jī)械設(shè)計手冊》得出45鋼的C值介于107～118之間，本設(shè)計取C=110，電機(jī)輸送至軸的功率P=0.18Kw,n=60r/min。計算出軸的直徑為17.3mm，由于軸上的兩個鍵槽會使軸的強(qiáng)度減弱，故軸徑需增加15%，即d2.3.3零件的定位確定對于軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了要保證安裝在軸上的零件容易裝拆外，還要考慮軸和軸上零件的定位情況。對軸環(huán)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)保證軸環(huán)的寬度bue0241.4h，大臂旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示，裝配圖如圖7所示電機(jī)輸入鍵槽尺寸:b×h×l=5×5×22mm懸臂鍵槽尺寸:b×h×l=12×8×80mm2.3.4鍵的有效控制需要對鍵進(jìn)行類型和尺寸的選擇。在選擇鍵的類型時，主要依據(jù)其構(gòu)造特征以及工作條件;在選擇鍵的尺寸時，主要依據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格以及強(qiáng)度需求。工作面被壓潰是導(dǎo)致鍵失效的最常見現(xiàn)象，而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的最主要原因就是載荷過重，所以，要保證鍵的有效壽命，就必須對其工作面上的載荷進(jìn)行有效控制如果載荷平均分布于鍵的工作面上，那么常見平鍵的強(qiáng)度要求如下:式中:T為傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m;k為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，單位為mm;l為鍵的工作長度，單位為mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L;L為鍵的公稱長度，單位為mm;3表中整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析3.1基于鋼鐵公司的模型建設(shè)型鋼切割機(jī)有限元模型在SolidWorks下建立，保留了型鋼切割機(jī)的主要器件與特征，將其他部分全部省去3.2機(jī)械麻黃織物的振動表現(xiàn)求解參數(shù):StructuralSteel密度P=7800kg/m整個裝配體的有限元模態(tài)分析計算結(jié)果如圖8所示。從以上的計算和振型圖可以看出，圖9為第一階模態(tài)振型，固有頻率為26.683Hz，其振動表現(xiàn)形式為Z掛板在yz平面內(nèi)擺動，末端割槍出的位移較大，并出現(xiàn)了輕微的彎曲。圖10為第二階模態(tài)振型，固有頻率為30.167Hz，其振動表現(xiàn)形式為機(jī)械手臂在xy平面內(nèi)輕微擺動，末端割槍出的位移較大，并出現(xiàn)了輕微的彎曲。圖11為第三階模態(tài)振型，固有頻率為43.583Hz，其振動表現(xiàn)形式為橫梁部分在yz平面上出現(xiàn)了的彎曲。圖12為第四階模態(tài)振型，固有頻率為59.088Hz，其振動表現(xiàn)形式為橫梁部分在yz平面上出現(xiàn)了的比較大的彎曲變形，機(jī)械手臂中的懸臂出現(xiàn)了較大的擺動變形。圖13為第五階模態(tài)振型，固有頻率為61.242Hz，其振動表現(xiàn)形式為端梁在xy平面內(nèi)擺動，橫梁出現(xiàn)了大的的彎曲變形，連接Z軸掛板和機(jī)械手臂的器件在xy平面上發(fā)生變形，機(jī)械手臂中的懸臂出現(xiàn)了較大的擺動變形。圖14為第六階模態(tài)振型，固有頻率為75.431Hz，其振動表現(xiàn)形式為橫梁在yz平面上有較大的位移。3.3機(jī)械地速器抗振性能的提高從以上各階模態(tài)和振型能得知，切割機(jī)在振動時，受影響最大的是機(jī)械手臂，因此，如何增強(qiáng)機(jī)械手臂的抗振性能是需要解決的問題。主要從加大其各階固有頻率和降低對應(yīng)變形值兩方面著手，如此一來，就能讓其振動幅度符合要求，從而能讓機(jī)械手臂正常工作，產(chǎn)品設(shè)計時，其固有頻率應(yīng)偏離激振頻率10%～20%以上。4大懸臂旋轉(zhuǎn)軸