数控车床气动机械手设计硕士学位论文(编辑修改稿)

数控车床气动机械手设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

要是空气 ， 通过空气压缩产生的气压进行控制 的一门技术， 主要是气动控制 和 气压传动 两 部分 内容 [17， 18]。 气动技术突破原有理念，在汽车、机械、医疗等多个领域起到至关重要的作用 [19] ，已广泛应用于国民经济的成套设备和自动化生产线上。 液压 与 气动 是两种应用广泛的传动技术，两者相对比，各有优缺点，气动技术相对于液压技术具有以下优点： 1． 以空气为介质，成本低廉、取用方便，使用安全性高，适用于易燃易爆等场合， 2． 绿色环保，空气使用后可直接排放，不会造成二次污染，配件 价格低廉，结构简单，使用更换成本较低。 3． 维护修理简单，劳动者不需通过高端培训即可熟练掌握。 4． 气缸具有模块性，方便对现有机器进行改装。 5． 能够储存能量，以便应急使用。 6． 自身具备过载保护。 能持续进行工作，过载工作时能自动减压（泄气）而停止工作，充气加压后可继续工作，不会对机构产生影响。 7． 运动速度较高。 气动技术 相对于液压技术 缺点 如下 ： 1． 压缩空气 使用前 需要进行 过滤，除去其杂质并进行干燥。 2． 系统使用压缩 空气效率 相对 较 低，稳定性 相对较 差， 不利于进行精确的位置控制和速度控制。 3． 设备运转时 产生较大噪音。 4． 信号 传递速度 相对较 低，延迟 、 失真 情况明显 ，不宜用于 需要 高速 、精确 传递， 信号传送距离有限。 国外将气动称为“廉价技术、自动化技术”。 气动装置在现今自动化工业中地位十分重要。 气动技术具有抗燃、无污染、原料易获得等优点，得到了越来越广泛的关注和研究 [20]，由于气动技术本身具备的特性 ， 特别是其优点突出，使其 在各 工业 自动化 部门 应用日益广泛。 气动技术 与 液压 、电器 等新兴 技哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 8 术 共同 成为自动化生产 中广泛应用 的 先进 技术。 其 发展趋势 正在向微型化、 模块化 方向发展 [21]。 本文研究的主要目的和意义 自从 1953 年， 美国空军 和 麻省理工学院 联合研制了世界上第一台数控机床， 自此， 经几十年的发展数控机床已从 最初的 单坐标发展到三坐标联动，进而到发展到 现今 多轴（四、五轴）联动加工中心， 加工范围 从单一加工功能发展到车、铣、磨等多功能综合进而发展到具有特种加工功能 [22]。 目前数控车床中机械手驱动方式主要是采用伺服电机驱动，也是相对成熟的驱动技术，系统在直线、运动、旋转运动时能够保证定位精度。 不同功率值通过机械设计重新组合而得以实现，使用普及度较高。 其缺点是价格高、效率低，又限制其更为广泛的应用。 可通过技术革新、功能开 发、降低成本、提高效率等诸多方法 解决这一问题。 出现较早、应用较广的一种驱动器 是气动肌肉 ，具有 质量轻、结构简 、容控制 易 等优点， 在各种机器人中应用广泛。 通过气动肌肉，变化长度较小的缺点得以克服 ，转动位移 增大，具有仿生关节 刚度 高、 控制 独立 等优点 [23] 模块化机械手 由于其 成本 低廉 、抗干扰 性能强 等优 点 突出 [24]，已经 在 数控机床中已经得到了 广泛 应用 [25， 26]， 此 类气动机械手定位精度 相对较低 ， 常用于特定零件的装卸。 针对 数控车床 自动装卸机械手的研究相对较少。 本课题 着眼于大跨度结构、气动驱动、模块化安装的平面坐标式 自动装卸机械手 ，经过 前期的研究，主要崔在两个难点： l． 考虑到实际机床的尺寸，气缸结构跨度较大，由于数控机床中对工件精度的要求，还要保证其定位精度，需要气缸进行多位置高精度定位，包括大跨度位移气缸中保证精度的机械结构形式的问题需要研究和验证。 2． 根据气动机械手在数控车床上应用的情况 ，对气缸 安装方式 进行了设计 ， 后经计算，当超额定负载情况下运行时此安装方式有可能会造成气缸侧翻，后又进行计算分析，对气缸的安装形式进行了改进，为气缸的正常工作从结构上提供了安全保障，扩展了气缸的使用范围。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 9 本文 的主要内容 本课题 针对通用性中端数控车床进行研究，开发出一套一模块化设计理念为中心的气动机械手， 研究内容主要有以下四个方面： 1． 分析 常见 模块化 机械手 的组成分类及设计选材原则 从机械手的执行机构、驱动机构、控制系统、位置检测系统等几方面介绍了机械手的组成。 按照用途、驱动方式、控制方式的不同对机械手进行了分类。 为本文选择对机械手的结构提出了参考方案。 2． 华中 CK6132 数控车床用机械手结构设计分析 通过 数控车床 具体情况，设定模块化 机械手的 尺寸 参数 ， 根据 数控 机床 工件装卸的 特点，确定 模块化 机械手的 设计 方案，将机械手 整体分为 三个模块即手部模块、腕部模块和臂部模块，并进行设计组装。 3． 机械 手驱动系统的设计 模块化 机械手的控制系统 在设计过程中 需要 考虑 到的几个问题 ： 确保机械手有精确的定位精度 ； 机械手与机床加工工件 之间配合协调；速度适中、时间尽量缩短、成本尽量降低。 4． 机械手关键技术的研究 机械手的基座是具有一定高度的支架，基座的设计要综合考虑机械手与机床 的位置不发生干涉以及足够的刚度和强度，保证气缸在运行时不发生变形。 为防止快速运动下产生侧翻，又针对此研究机构的结构特点，对防侧翻技术进行了研究和分析。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 10 第 2章 机械手的组成分类 及设计 选材原则 机械手的组成 机械手由 控制部分、驱动部分、执行部分及位置检测部分四部分组成，之间关系 如图 21所示 [24]。 图 21机械手 各部分关系图 1. 控制系统 控制系统主要进行机械手运动轨迹控制反馈工作。 控制系统一般分为程序控制、电机控制、机械控制等几类。 依据控制系统给出指令，对执行机构进行控制，并对其运行轨迹进行反馈分析，当产生错误，轨迹不符时产生报警提示。 驱动系统是驱动执行机构运动的装置，通常由 控制调节器、 动力源 、 辅助装置 等 组成。 机械传动、气压传动、 电力传动 和 液压传动 均为 常用的驱 动系统。 3. 执行机构 执行机构主要由手部、腕部、手臂三个模块组成，根据需要还可增设行走机构。 （ 1）手部模块 主要进行物料抓取工作。 根据抓取形式的不同，分为夹持式和吸附式两种。 夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构构成。 平移式和回转式两种形式是常用的手指运动形式。 回转式由于结构简单，制造方便，故应用范围较广范。 平移式手指结构复杂，制造困难，应用较少。 使用平移式手指夹持棒料时，轴心的位置不受直径变化的直接影响，适用于直径变化范围较大的圆柱形物料的哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 11 夹持。 被抓取物件表面形状、抓取形式 (内通孔或外轮廓 )、重量、 尺寸直接影响到手指结构设计。 按不同要求指形分为平面、 V形面、曲面等几种；手指分为外夹式及内撑式；手指指数有两指式、三指式、多指式等。 吸附式手部由吸盘构成，分为电磁盘式和负压吸盘式两类。 对于重量轻、尺寸小的薄片零件、耗材，一般使用负压式吸附盘。 具有导磁性零件，一般采用电磁式吸盘，电磁式吸盘的吸力由电磁铁产生。 （ 2）腕部模块 手部通过腕部模块是与手臂相连，被抓取物件通过腕部模块来调整工件的方位和角度。 （ 3）手臂模块 手臂模块是用来支承手腕、手部、被抓物件。 其作用是控制手部模块抓取物料，按程序将其运送到指定 位置。 通常由运动部件与驱动源组合实现手臂运动，如下所示 : 两回转运动的组合两直线运动的组合组合。 直线运动与回转运动的复合运动、上下摆动运动。 回转运动：如水平回转降、横移运动。 直线运动：如伸缩、升基本运动 （ 4）立柱模块 由立柱与手臂连接件 完成手臂的转动和升降运动 ，一般情况下立柱为固定不动的结构，根据设计需要，也可设计为在基座上进行水平移动，称为移动式立柱。 （ 5）机座 机械手所有部件、驱动装置全部安装于机座上，起到对整个机械手结构的固定作用。 （ 6）行走机构 机械手工作环境较大，行程较远的情况下，通过在基座上安装滑轮，使基座能够带动机械手整体进行行走和移动，扩大了机械手的使用半径。 对 机械手 运动位置 进行检测反馈 ， 将运动的 位置 信息 反馈 到 控制系统， 与控制系统给出的指令相对比，偏出的进行调整，保障最终位置精度要求。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 12 机械手分类 在工业自动化中广泛应用的机械手种类繁多 ，在此按使用范围 不同 、驱动方式 不同 和控制系统 不同 进行分类 说明。 用途 不同 分 类 （ 1） 专用机械手。 程序 固定 ，不能进行 无独立控制。 一般用于特定动作指令，其 动作少、工作对象单一 ，在单件大批量 生产 中广泛应用。 如 注塑机专业机械手等 ，如图 22所示。 图 22 注塑机专用机械手 （ 2） 通用机械手。 程序可进行 独立控制、动作多样。 其动作程序 在规格性能范围内 可 随时调整 ， 针对不同需要 应用于 不同场合，驱动系统 、控制系统相对 独立。 其动作指令可设 ，工作对象 复杂，在单件小批量生产中广泛应用 ，如图 23 为通用圆形机械手。 一般按机械手控制方式不同分为简易式机械手和伺服式机械 手，一般伺服式机械手采用数控技术控制其运动 [27] 图 23 通用圆形机械手 驱动方式 不同 分 类 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 13 （ 1） 液压 驱动 机械手。 机械手执行机构 是以液压驱动运动的。 其特点是 ： 抓重 较高 、 反应 灵敏、 传动 稳定。 但 要求严格 密封装置 的密 封性 ， 液压 油泄漏 会产生 对机械手 及 周围 环境 十分巨大 的影响， 且 成本高。 （ 2） 气压 驱动 机械手。 机械手执行机构是以压缩空气驱动运动的。 其特点是以空气为介质，成本低廉、取用方便，使用安全性高，适用于易燃易爆等场合。 绿色环保，空气使用后可直接排放，不会造成二次污染，配件价格低廉，结构简单，使用更换成本较低。 维护修理简单，劳动者不需通过高端培训即可熟练掌握。 气缸具有模块性，方便对现有机器进行改装。 能够储存能量，以便应急使用。 自身具备过载保护。 能持续进行工作，过载工作时能自动减压（泄气）而停止工作，充气加压后可继续工作， 不会对机构产生影响。 运动速度较高。 （ 3） 机械 驱动 机械手。 机械手执行机构 由机械传动机构 (如 连杆、 凸轮等 )驱动 运动 的。 其特点： 附属于主机 之 上， 由工作机 械 进行动力 传递。 运动准 、动作大 、 结构 大 、 程序 固定。 通常 用于 设备 工作主机的上 料 、下料 工作。 （ 4） 电力 驱动 机械手。 机械手执行机构 使用 感应电 机、 步进电机 或 直线电机 直接驱动运动的。 其 特点 ：无需 转换机构 、 简易结构、 行程 较 长 、 维护简单。 控制方式 不同分类 （ 1） 点位控制。 运动 轨迹为两点间的 直线运 动， 通过确定几个点位置来控制整个运动轨迹 控制点数 越 多，电气控制系统 越 复 杂。 但由于该方法控制简单，目前被广泛使用于 专用 机械手 和通用机械手 中。 （ 2） 轨迹控制。 运动轨迹不受点位制约，可以在空间范围内进行任意曲线运动，控制器控制整个运动过程，运动过程平稳且准确，电气控制系统设计繁琐，此类机械手主要采用计算机辅助控制，应用范围广泛。 机械手机构设计及选材原则 机构 设计原则 在机械零件设计时，设计人员应同时考虑到零件的设计要求和工艺要求。 产品的质量和成本会受到工艺要求的影响。 一般应 满足 以下要求： （ 1） 在设计时应完全 保证 零件尺寸标准化和互换性。 便于后期的维修更换。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 14 （ 2） 零 件 尺寸基准选择 要合理规范 ， 尺寸 标注 之前 应 首先 考虑，同时注意 设计基准 和 工艺基准 要重合 、 设计基准 同 定位基准尽量 保证 重合。 （ 3） 在满足 零件 设计要求 的基础上 ， 同时 考虑到零件 制造、加工、装配的 整体 工艺 路线。 （ 4） 零件尺寸精度 按照零件功能的要求进行设定，设定过低影响产品质量，设计过高会增加成本。 部件 选材原则 机械手的设计再考虑到零件结构设计的基础上，还要考虑到其材料工艺的选择。 选材要考虑到其零件的使用性、制造过程及成本等几个方面，应满足以下要求： （ 1） 使用性 在 机器零件 的设计上 ， 通过分析零件工作条件和 失效形式，对力学性能进行分析，是使用性能的一个重点。 （ 2） 工艺性 通过 工艺性能 分析，对加工形式进行分析设定。 在满足使用性能的前提下，选择更易加工的材料能够大大降低加工难度。 这项指标也会对经济型产生影响。 （ 3） 经济性 选 材 应 保证 其 整体 成本最低。 零件寿命、重量、 研究费、 加工费、维修费都会涉及总体成本 ， 材料价格 的高低 是选材 重要 的经济性指标。 确保 零件的使用 、 工艺性能 基础。