機(jī)械手設(shè)計(jì)課件

1.1研究數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的目的與意義

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,產(chǎn)品更新速度越來(lái)越快,復(fù)雜形狀的零件越來(lái)越多,精度要求越來(lái)越高,多品種,中小批量生產(chǎn)比重明顯增加.激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)越短.傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化,柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求.因此近幾十年來(lái),世界各國(guó)十分重視發(fā)展能有效解決復(fù)雜,精密,小批量多變零件的數(shù)控加工技術(shù),在加工設(shè)備中大量采用以微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù).目前,數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革,他集成了微電子,計(jì)算機(jī),信息處理,自動(dòng)檢測(cè),自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體,具有高精度,高效率,柔性自動(dòng)化等特點(diǎn),對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化,集成化,智能化起著舉足輕重的作用。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,柔性化,集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ),現(xiàn)代的CAD/CAM,FMS.CIMS等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上，離開(kāi)數(shù)控技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)就成了無(wú)本之木。同時(shí)，數(shù)控技術(shù)關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向1.1研究數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的目的與意義

隨著科學(xué)技術(shù)的飛1三、機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的職能是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。換刀機(jī)械手種類(lèi)繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家噢都可以推出自己的機(jī)械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類(lèi)。無(wú)機(jī)械手換刀：由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。在這類(lèi)裝置中，刀庫(kù)一般為格子式，裝在工作臺(tái)上。換刀時(shí)，先使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將使用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)，然后再使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)一次，從刀庫(kù)中取出新刀。這種換刀方式的換刀時(shí)間長(zhǎng)，另外刀庫(kù)設(shè)置在工作臺(tái)上，減少了工作臺(tái)的有效使用面積。采用機(jī)械手換刀：機(jī)械手刀具交換裝置，有單臂單手式機(jī)械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、多手式機(jī)械手。特別是雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短、動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。雙臂機(jī)械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的基本動(dòng)作為：抓刀（手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)里的刀具）；拔刀（主軸松開(kāi)，機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫(kù)中的刀具拔出）；換刀（手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換）；插刀（同時(shí)將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫(kù)，然后主軸夾緊刀具）﹔縮回（手臂縮回到原始位置）。機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機(jī)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。三、機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的職能是將機(jī)床主軸上23.1機(jī)械手的平穩(wěn)性

（1）、慣性力的影響機(jī)械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動(dòng)、部件松動(dòng)、零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)歸路變化，同時(shí)，在保證剛度的前提下，減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件的重量。3.1機(jī)械手的平穩(wěn)性

（1）、慣性力的影響3

（2）、結(jié)構(gòu)剛度的影響

零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動(dòng)。不但降低定位精度，而且降低機(jī)械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。

（2）、結(jié)構(gòu)剛度的影響4（3）、定位方法的影響常用的定位方法中，電氣開(kāi)關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機(jī)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(lèi)泄漏，檢測(cè)元件失靈，擋塊偏移等會(huì)降低定位失靈。（5）、驅(qū)動(dòng)源的影響液壓、氣壓、電壓及油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，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。（3）、定位方法的影響53.2.2機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性

3.2.2機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性

6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)特點(diǎn)。下面為我們所選工業(yè)機(jī)械手所具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在減速較大時(shí)的情形。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73.1手爪部分設(shè)計(jì)

機(jī)械手手爪部分的作用是抓住和放開(kāi)工件，并且要保證在抓刀后的換刀過(guò)程中保證刀具不會(huì)重手爪中飛出。目前的加工中心換刀機(jī)械手的手爪種類(lèi)繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家都推出自己的獨(dú)特的換刀機(jī)械手，目前使用最多的有4種機(jī)械手，分別是單臂單手式機(jī)械手，回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，雙手式機(jī)械手和多手式機(jī)械手。單臂單手式機(jī)械手的特點(diǎn)是機(jī)械手只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，主要用與刀具主軸和刀庫(kù)刀座的軸線平行的場(chǎng)合，機(jī)械手的插、拔刀運(yùn)動(dòng)和傳遞刀具的運(yùn)動(dòng)全都是直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闆](méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，因?yàn)闊o(wú)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，所以機(jī)械手的握刀部分可以比較簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)彈簧卡銷(xiāo)卡住刀柄即可。但是換刀各動(dòng)作均需順序進(jìn)行，時(shí)間不能重合，所以換刀時(shí)間較長(zhǎng)。例如在轉(zhuǎn)塔頭帶刀庫(kù)的換刀系統(tǒng)中，不工作主軸的換刀時(shí)間與工作主軸的加工時(shí)間重合，可使用這類(lèi)機(jī)械手?；剞D(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的兩手部成180°，手型種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有固定式雙手、可伸縮式雙手、剪式雙手等。這類(lèi)的機(jī)械手可以同時(shí)抓住可拔、插位于主軸和刀庫(kù)（或運(yùn)輸裝置）里的刀具，與單臂單手式機(jī)械手相比，可以縮短換刀時(shí)間。這類(lèi)機(jī)械手應(yīng)用最廣泛，形式也最多。雙手式機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)方式有2種，一種是機(jī)械手只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的，這樣的機(jī)械手有雙手平行式和雙手交叉式，這樣的機(jī)械手可起運(yùn)輸裝置的作用，使用于容量大、距主軸較遠(yuǎn)的、特別是分置式的刀庫(kù)和換刀。還有一種是機(jī)械手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。這2種機(jī)械手向刀庫(kù)還回用過(guò)的刀具和選用新刀，均可在主軸正在加工時(shí)進(jìn)行，所以換刀時(shí)間較短。多手式機(jī)械手的各個(gè)機(jī)械手順次使用，可以用語(yǔ)單主軸機(jī)床（機(jī)械手和刀庫(kù)為一體），和帶雙刀庫(kù)的雙主軸轉(zhuǎn)塔頭機(jī)床。這類(lèi)機(jī)械手的使用者最少。根據(jù)以上的分析，手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，而夾刀的部分我選用了鉤手的結(jié)構(gòu)，這樣選擇的原因是鉤手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝拆卸方便，不需要額外的驅(qū)動(dòng)，抓刀方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。3.1手爪部分設(shè)計(jì)

機(jī)械手手爪部分的作用是抓住和放開(kāi)工件，83.2機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)

機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)位置應(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)械手適用的可靠性，并提高使用壽命。3.2機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)

機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)位93.2.1臂部要防止偏重

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。一但偏重，將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩，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，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時(shí)更加明顯，這些都將引起機(jī)械手的振動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)造成卡死。預(yù)防的措施：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。合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。某些機(jī)械手結(jié)構(gòu)上無(wú)法避免偏重，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，盡量減輕偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。3.2.1臂部要防止偏重

通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計(jì)103.2.2加強(qiáng)臂部剛度

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，故常采用導(dǎo)向形式來(lái)加強(qiáng)定位。3.2.2加強(qiáng)臂部剛度

提高臂部剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，有113.2.3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。機(jī)械沖擊，它是在臂部運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的。它可用緩沖裝置來(lái)消除。3.2.3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123.2.4采取的措施：

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提高配合。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。

3.2.4采取的措施：

提高部件的配合精度，減少間隙，有利于133.3機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

我選擇凸輪換刀裝置作為傳動(dòng)方案。

凸輪機(jī)械手換刀裝置是目前加工中心常用的機(jī)構(gòu)之一，與傳統(tǒng)的氣動(dòng)、液壓換刀機(jī)構(gòu)相比，它具有換刀速度快、換刀可靠、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。近年來(lái)加工中心得到了廣泛的應(yīng)用。凸輪機(jī)械手換刀裝置通常由2個(gè)凸輪以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)組成，其中，一個(gè)平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)，用來(lái)完成“裝刀”與“拔刀”動(dòng)作；另一個(gè)弧面凸輪帶動(dòng)凸輪分度機(jī)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動(dòng)作。3.3機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

我選擇凸輪換刀裝置作為傳動(dòng)方案。143.4換刀機(jī)械手的參數(shù)和計(jì)算

3.4.1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(huì)有彎曲變形，如果彎曲太大，就會(huì)造成換刀時(shí)手臂和刀具的干涉，造成機(jī)器的損壞。手臂的自身重力可以通過(guò)簡(jiǎn)化的方式轉(zhuǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)度為410mm，寬90mm，高35mm的長(zhǎng)方體來(lái)計(jì)算，G=mg=7.8×10×41×9