数控车床气动机械手设计

数控车床气动机械手设计内容摘要：

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 之 上 ， 降低 材料 价格 ， 压缩 成本以 增加 经济效益 更大化 ， 提高 市场上 产品 竞争力， 是 工程设计 中一贯坚持的 重要原则。 本章小结 本章针对现阶段机械手 现阶段 发展情况，从组成 、 分类 及设计与选材原则三 个方面对机械手进行了全面的介绍 ， 确定 机械手 由 执行 部分 、驱动 部分 、控制 部分 、检测 部分 四部分组成；按照用途、驱动方式、控制方式的不同进行了分类 ；对机械手 机构 设计 原则、机械手部件的 选材原则进行了分析， 为机械手整体结构 的确定 提供了参考依据。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 15 第 3章 华中 CK6132 数控车床用机械手结构设计分析 华中 CK6132 数控车床用机械手结构设计 机械手工作环境及 设计要求 本课题参照华中 CK6132 数控车床为载体进行机械手结构设计，如图 31所示。 表 31为 CK6132 数控车床技术参数。 图 31 CK6132 机床（华中） 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 16 表 31 数控车床技术参数 序号 项目 技术参数 备注 1 床身最大回转直径 ￠ 320mm 2 托板最大直径 ￠ 160mm 3 最 大工件长度 750/1000mm 4 主轴转速范围 100300rpm 5 主轴通孔直径 ￠ 38mm 6 主轴内孔锥度 MT5 7 主轴外端椎体锥度 D4 8 刀架刀位数 4 9 车刀刀杆最大尺寸 18 18mm 10 电机最小设定单位 步进 /伺服 Z 向 X 向 11 刀杆快移速度 步进 /伺服 Z 向 3m/12 尾座套筒内孔锥度 MT3 13 主电机功率 14 车床外形尺寸 1800/2050 950 1680mm 15 车床毛重 800/900kg 通过分析数控车床自身特点，结合零件抓取时对机械手的技术要求，CK6132 数控车床用机械手应满足表 32的设计参数，并满足装夹时机械手与卡盘的队中精度要求，同时考虑到机械手的经济性能。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 17 表 32 设计参数表 设计方案 分析 根据以上要求，共设计两种机械手安装方案： 1． 将机械手机构的基座安装在数控车床身后，采用地面支撑的形式， 在 基座上安装机械手支架，支架连接悬空机械手手臂， 如图 32； 图 32 方案一原理图 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 18 方案一 通过气动系统控制机械手 运动 ，机械手爪可 进行 旋转 运动和水平 移动 ，通过传感器定位 ， 最大程度 保 证对中精度。 2． 基座采用 门架支撑 结构 ， 机械手 放置在数控机床上空，如图 33； 1工件装卸台 2车床床身 3车床卡盘 4手爪 5机械手直臂 6机械手横臂 7固定支架 图 33 方案二原理图 方案二通过气动系统控制机械手；机械手爪应可以在 xy 平面移动，并可以实现夹持动作；拟采用传感器进行 数控车床的工件 定位， 以 保证其对中精度。 从 图 33中可以看出， Yc 位置在机械手装配调整后不再变动， 通过保证起、终点的定位精度和位置精度，来保证定位和重复定位精度，即为静态定位精度。 其间运动若干个点的距离和位置控制 Zs定位精度，与静态定位精度不同，一般为动态定位精度。 采用伺服电机虽然在精度上能满足要求，但往往导致 提高经济 成本。 方案一与方案二相比较 具有以下特点 ： 1． 方案一 占据空间小 ，方案二占据空间较大 ； 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 19 2． 方案一、方案二 经济成本基本相同 ； 3． 方案二精度可靠，实用性较高。 综合三方面 实际 情况 综合考虑 ， 最终确定 方案二为设计方案。 基于这样的分析和实际要求，再考虑气动执行元件的特点和当前的技术性能，可以 获得这样的认识： 气缸对于运行过程中的起点位置和终点位置能够进行有效控制，保证定位精度。 可以通过气动技术作为控制方式，相比较伺服电机控制将有效降低成本。 再深 一步 分析，几个问题 仍然存在： 1． 定位精度要求能够通过 机械式气缸实现，但 在 距离 较长 、跨度 较大的情况 下 使用 尚无先例， 尚需研究和验证 Z 方向的 精度 及其 机械结构。 2． 定位精度 原理上 已经得以满足， 实际 使用过程中 ， Yf 调整应该在 装配初期就已完成 ，对中精度 的保证 ， 通过 调整 Yc即机 械手的行程距离来 完成 ，调整 行程的精确是 相对困难的 ；机械手支架具有一定高度，在安装后 需 要 重新精确调整 行程十分困难。 以上两个问题是阻碍 气动技术在 自动装卸机械手中运用 的 主要 技术难题，如果 能够 得到圆满的 解决，就可以 考虑在机械手上 采用气动控制方式 ，完成 对工件进行自动 装卸。 按照上面的分析， 解决该技术难题 考虑用以下 3 个技术方案 ： 1． 保证卡盘 的 对中距离 Yc精度 通过微调装置进行精度调整。 在手爪部位安装精密微调装置，操作者可自地面进行对微调装置的调整。 此方案重点在于微调装置设计简单、安装方便、使用便捷，还要控制成本。 2． 保证 装夹深度 Zs 的技术方案 本方案中机械手需要保证多点重复定位，通过 机械式无杆气 缸与控制器结合使用， 以保证水平装夹定位精度。 3．保证水平移动距离水平 Zt 的技术方案 为了防止由于气缸变形而导致对精度的影响，采用在机床上空设置门架的方式来固定安装水平气缸，保证其工作范围。 如 图 34 所示， 为气动装卸机械手整体结构示意图。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 20 图 34 气动装卸机械手总体结构示意图 机械手模块化设计及功能分析 机械手模块化设计 理念 随着现今快节奏、多样化的新要求，传统的制造方式和设计思想已 难以适应。 模块化设计理念随之诞生。 模块化理念是通过 设计使机构中相独立的部分成为独立功能单元。 针对不同的需求，通过不同单元的组合，来形成最终的整体方案。 体现了发展模块化气动机械手和实用性 [28]。 一个优秀的机构设计应该能够保持机构中每项功能 及部件 的独立性。 在设计 中 尽可能使机构中 形成每个基本功能 及部件 互相独立。 在的模块化设计 的早期理念 中 ， 主要是根据 两个特哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 21 征来定义模块化产品设计 的，一是保证功能结构具有一定相似性和物理结构具有一定相似性；二是保证部件间具有相互协调、相互衔接的递进关系。 1． 模块划分 的一般 原则 对机构进行模块化的独立设计，一般从以下五个方面进行划分 [29]： （ 1） 增多组合方案，提高适用范。