机械手设计

1.1研究数控技术与数控机床的目的与意义随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈,产品更新速度越来越快,复杂形状的零件越来越多,精度要求越来越高,多品种,中小批量生产比重明显增加.激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短.传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化,柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求.因此近几十年来,世界各国十分重视发展能有效解决复杂,精密,小批量多变零件的数控加工技术,在加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术.目前,数控技术正在发生根本性变革,他集成了微电子,计算机,信息处理,自动检测,自动控制等高新技术于一体,具有高精度,高效率,柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化,集成化,智能化起着举足轻重的作用。数控技术是制造业实现自动化,柔性化,集成化生产的基础,现代的CAD/CAM,FMS.CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开数控技术，先进制造技术就成了无本之木。同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向三、机械手结构的设计机械手的职能是将机床主轴上的刀具与刀库或刀具传送装置上的刀具进行交换，其动作循环为：拔刀─新旧刀具交换─装刀。换刀机械手种类繁多，可以说每个厂家噢都可以推出自己的机械手，基本上换刀装置按交换方式又分为两类。•无机械手换刀：由刀库与机床主轴的相对运动实现换刀。在这类装置中，刀库一般为格子式，装在工作台上。换刀时，先使工作台与主轴相对运动，将使用过的旧刀送回刀库，然后再使工作台与主轴相对运动一次，从刀库中取出新刀。这种换刀方式的换刀时间长，另外刀库设置在工作台上，减少了工作台的有效使用面积。•采用机械手换刀：机械手刀具交换装置，有单臂单手式机械手、回转式单臂双机械手、双臂机械手、多手式机械手。特别是双臂机械手刀具交换装置具有换刀时间短、动作灵活可靠等优点，应用最为广泛。双臂机械手中最常用的几种结构有：钩手；抱手；伸缩手；叉手。双臂机械手进行一次换刀循环的基本动作为：抓刀（手臂旋转或伸出，同时抓住主轴和刀库里的刀具）；拔刀（主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出）；换刀（手臂转180°，新、旧刀交换）；插刀（同时将新刀插入主轴，旧刀插入刀库，然后主轴夹紧刀具）﹔缩回（手臂缩回到原始位置）。机械手的手爪，大都采用机械锁刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用机械加液压的锁刀方式，以保证大而重的刀具在换刀中不被甩出。3.1机械手的平稳性•（1）、惯性力的影响•机械手速度突变，加（减）速度不连续，会产生巨大的惯性冲击力，以至使工件滑动、部件松动、零件破裂。定位时，大的减速度使臂部往复振动，直接影响定位精度。因此，应根据机械手的运动特性，选择适宜的控制系统，使加（减）速度按所需的运动归路变化，同时，在保证刚度的前提下，减轻机械手运动件的重量。•（2）、结构刚度的影响零件结构刚度性差，配合间隙大及整机固有频率低时，受较小惯性冲击，就发生振动。不但降低定位精度，而且降低机械手寿命。应选择合理结构，提高机械手固有频率及承受惯性载荷的能力。•（3）、定位方法的影响•常用的定位方法中，电气开关的定位精度最低，伺服定位较高，机械挡块的定位最高。•（4）、控制系统的影响•电控系统的误差，阀类泄漏，检测元件失灵，挡块偏移等会降低定位失灵。•（5）、驱动源的影响•液压、气压、电压及油温波动都会降低平稳性及定位精度，必要时，用蓄能器等稳定液压、气压、电压，用加热器和冷却器控制油温。3.2.2机械手的运动特性•深入分析机械手的运动特点，有利于根据工作条件选择适宜的运动特点。下面为我们所选工业机械手所具有的运动规律，在减速较大时的情形。3.1手爪部分设计•机械手手爪部分的作用是抓住和放开工件，并且要保证在抓刀后的换刀过程中保证刀具不会重手爪中飞出。•目前的加工中心换刀机械手的手爪种类繁多，可以说每个厂家都推出自己的独特的换刀机械手，目前使用最多的有4种机械手，分别是单臂单手式机械手，回转式单臂双手机械手，双手式机械手和多手式机械手。•单臂单手式机械手的特点是机械手只做往复直线运动，主要用与刀具主轴和刀库刀座的轴线平行的场合，机械手的插、拔刀运动和传递刀具的运动全都是直线运动，因为没有回转运动所产生的离心力，因为无回转运动所产生的离心力，所以机械手的握刀部分可以比较简单，只需要两个弹簧卡销卡住刀柄即可。但是换刀各动作均需顺序进行，时间不能重合，所以换刀时间较长。例如在转塔头带刀库的换刀系统中，不工作主轴的换刀时间与工作主轴的加工时间重合，可使用这类机械手。•回转式单臂双手机械手的两手部成180°，手型种类很多，常见的有固定式双手、可伸缩式双手、剪式双手等。这类的机械手可以同时抓住可拔、插位于主轴和刀库（或运输装置）里的刀具，与单臂单手式机械手相比，可以缩短换刀时间。这类机械手应用最广泛，形式也最多。•双手式机械手的手臂运动方式有2种，一种是机械手只做往复直线运动的，这样的机械手有双手平行式和双手交叉式，这样的机械手可起运输装置的作用，使用于容量大、距主轴较远的、特别是分置式的刀库和换刀。还有一种是机械手有回转运动的。这2种机械手向刀库还回用过的刀具和选用新刀，均可在主轴正在加工时进行，所以换刀时间较短。•多手式机械手的各个机械手顺次使用，可以用语单主轴机床（机械手和刀库为一体），和带双刀库的双主轴转塔头机床。这类机械手的使用者最少。•根据以上的分析，手爪部分的结构我选择了回转式单臂双手机械手，而夹刀的部分我选用了钩手的结构，这样选择的原因是钩手具有结构简单，安装拆卸方便，不需要额外的驱动，抓刀方式简单等特点。3.2机械手手臂的设计•机械手工作中运动速度较高，在结构位置应保证运动平稳，这样可以提高机械手运动的平稳性，可以提高机械手适用的可靠性，并提高使用寿命。3.2.1臂部要防止偏重•通常臂部处于悬臂的工作状态，在设计臂部、腕部和手部结构时，尽量使其总的重心在支撑中心，防止对支撑中心的偏重。一但偏重，将会产生附加的弯矩，引起导向装置不均匀的磨损。在回转运动中，偏重对回转轴附加有动压力，其方向不断变化，特别是高速及速度突然变化时更加明显，这些都将引起机械手的振动，严重的会造成卡死。•预防的措施：•减轻腕部、手部的重量，并尽量减少偏心载荷。可采用铝合金制造腕部和手部。•合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。•某些机械手结构上无法避免偏重，则应加强导向支撑，尽量减轻偏重对运动的影响。3.2.2加强臂部刚度•提高臂部刚度是减少手部颤动的关键，有利于提高定位精度，故常采用导向形式来加强定位。3.2.3改进缓冲装置和提高配合精度•机械手的缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施。•机械冲击，它是在臂部运动中与定位装置相碰撞而产生的。它可用缓冲装置来消除。3.2.4采取的措施：•提高部件的配合精度，减少间隙，有利于运动平稳，特别是高速运动的机械手更需要保证加工精度和提高配合。•机械手的紧固件在运动中受变载荷的作用必须采用防松措施。•3.3机械手传动结构的设计•我选择凸轮换刀装置作为传动方案。•凸轮机械手换刀装置是目前加工中心常用的机构之一，与传统的气动、液压换刀机构相比，它具有换刀速度快、换刀可靠、运动平稳的特点。近年来加工中心得到了广泛的应用。凸轮机械手换刀装置通常由2个凸轮以及相应的机构组成，其中，一个平面凸轮通过连杆机构，用来完成“装刀”与“拔刀”动作；另一个弧面凸轮带动凸轮分度机构，用来实现机械手的转位，完成“抓刀”和“换刀”动作。3.4换刀机械手的参数和计算•3.4.1手臂的弯曲变形•手臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以会有弯曲变形，如果弯曲太大，就会造成换刀时手臂和刀具的干涉，造成机器的损坏。•手臂的自身重力可以通过简化的方式转化为一个长度为410mm，宽90mm，高35mm的长方体来计算，G=mg=7.8×10×41×9×3=86346N=86.346KN≈87KN•刀具的重量F=10×6=60KN•手臂材料的抗拉强度[]=460MPa•屈服强度[]=235MPa