[新版]数控卧式镗床主动换刀机械手

[新版]数控卧式镗床主动换刀机械手设计题目:数控卧式镗床自动换刀机械手

学生姓名:

学号:

专业班级:

学部:

指导教师:

2012年05月24日

摘要

在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保证产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术和应用程度在一定程度上反应了一个国家工业自动化的水平。目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采用示教再现的方式。

本文将设计一台四自由度的机械手，主要的功用就是自动换刀。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台;在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、电子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括:关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。

关键词:自动换刀机械手;数控示教编程;液压伺服;制动

全部设计资料联系小企鹅:229780692

KeyWords:robot ; playback; servocontrol; brake

目录

摘

要 ...................................................................... 错误～未定义书签。

Abstract ........................................................... .............. 错误～未定义书签。1引

言 ..................................................................... . (1)

1.1机械手的分

类 ..................................................................... .. (1)

1.1.1机械手的简

史 ..................................................................... . (2)

1.1.2机械手的现

状 ..................................................................... . (3)

1.1.3机械手的发展趋

势 (5)

1.1.4机械手的组

成 ..................................................................... . (5)

1.2应用机械手的意

义 ..................................................................... (7)

1.3 课题的工作要

求 ..................................................................... ......... 8 2 机械手的结构设

计 ................................................ 错误～未定义书签。

2.1手部结构 ......................................................... 错误～未定义书签。

2.1.1手部结构的设计 ................................... 错误～未定义

书签。

2.1.2手的夹持误差精度 ............................... 错误～未定义书签。

2.1.3弹簧的设计计算 ................................... 错误～未定义

书签。 3 伸缩臂的结构设

计 ................................................ 错误～未定义书签。

3.1伸缩臂设计的基本要求 ................................. 错误～未定

义书签。

3.2伸缩臂机构结构设计 ..................................... 错误～未定义书签。

3.2.1伸缩臂液压缸参数计算 ....................... 错误～未定义书签。

3.2.2导轨的设计选择 ................................... 错误～未定义书签。 4滑座的伸缩和手架的旋转机构的设计 ................... 错误～未定义书签。

4.1滑座伸缩机构结构设计 ................................. 错误～未定义书签。

4.2回转机构结构设计 ......................................... 错误～未定义书签。 5 电动机的选择与减速装置的设计 ........................ 错误～未定义书签。

5.1电动机的选择 ................................................. 错误～未定义书签。

5.2减速装置的设计 ............................................. 错误～未定义书签。 6 升降机构的设

计 .................................................... 错误～未定义书签。

6.1滚珠丝杠的选用与设计 ................................. 错误～未定义书签。

6.1.1滚珠丝杠的设计计算 ........................... 错误～未定义书签。

6.1.2轴承的选择与分析 ............................... 错误～未定义书签。

6.2控制系统与检测机构 ..................................... 错误～未定义书签。结

论 ..................................................................... ..... 错误～未定义书签。参考文

献 ..................................................................... ................................. 39 致

谢 ..................................................................... . (41)

1引言

1.1机械手的分类

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械

手能更好的实现与机械化和自动化的有机结合，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲倦，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点。因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中的工作。

机械手一般分为三类:第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编程、以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动:除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

在国外，目前主要是第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。

1.1.1机械手的简史

它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

目前，工业机械手大部分还是属于第一代，主要依靠工人进行控制:改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制，它没有微型电子计算机控制系统:具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展称为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

1.1.2机械手的现状

现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

有资料统计:美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。

采用机械手进行装配更适于目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。

近年来，随着世界制造业向中国转移，我国对机床的需求量大增。同时，经过多年的努力，我国数控机床的开发水平也有了很大进步，数控机床的品种和质量均比以往有所提高，部分机床制造主导厂还开发出具有相当水平的数控设备。但是，通过有关部门给出的资料，只要作进一步的分析与了解，我们就会发现，国产数控机床在消费量的台数中虽占有一半(55%)以上，但它们多是些技术水平较低、价格相对便宜的普通产品，如数控车床、数控铣镗床和线切数机床等，高、中档数控产品则较少，而且这些产品的核心技术或功能部件，如加工中心换刀机械手、全功能的数控伺服系统，高速电主轴，数控刀架乃至高速安全防护装置等，还多是由中

[1]外合资企业提供或是从国外进口的。这也说明由于技术发展的不平衡，在多种条件制约下，目前我国数控机床的整件技术水平与国际先进水平相比还有一定距离，部分高性能、高速、高精度的数控机床仍需要依靠海外进口。

功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。而换刀机械手则是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。没有换刀机械手，就不可能有集中工序进

[1]行加工的加工中心。有资料显示，刀库和机械手的故障率约占整机故障率的25%。

所以说，换刀机械手的性能、质量直接影响着数控机床整机的性能、质量和品种的发展。

加工中心是备有刀库，并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工的一种功能较全的数字控制机床，也是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了

[2]一个国家设计、制造的水平，是判断企业技术能力和工艺水平标志的一个方面。加工中心中实现刀库和机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为自动换刀装置，它的功能是储备一定数量的刀具并完成刀具的自动交换。自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、工步加工要求。它由存放刀具的刀库和换刀机构组成。作为自动换刀装置，它需要满足换刀迅速、时间短，重复定位精度

[3]高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠等特点。

换刀装置中刀具的交换形式及它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有着直接影响。加工中心的自动换刀形式可分为无机械手换刀方式和有机械手换刀方式两大类。无机械手换刀方式一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。无机械手换刀方式是由刀库和机床主轴的相对运动实现刀具的交换的，这种方式结构简单，但换刀时间要长。目前，加工中心的自动换刀装置大都采用有机械手换刀方式，因为有机械手换刀装置在刀库的配置、与主轴的相对位置及刀具数量确定上都比较灵活，机械手数量和换刀形

[4]式比较随意，换刀时间比较短，应用广泛。换刀机械手的形式有单臂式、双臂式、回转式和轨道式等，而常用双臂式机械手的手爪结构形式又分为钩手、抱手、伸缩手

[2]和叉手等。

加工中心换刀机械手作为数控机床的一个重要的功能部件，它在国内外的数控机床制造领域中已受到广泛的重视。目前，在国外BT40的换刀时间已达到0.9秒，BT50的换刀时间也达到了1.5秒左右，国内也出现了立、卧两用凸轮式换刀机械手和用于五轴联动的换刀机械手的研究。

加工中心换刀机械手的主要任务是，完全模拟人手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。机械手应具备足够的转矩，同时还

[4]应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。随着机械加工业的发展，制造行业对加工中心换刀机械手的需求量会越来越大。

1.1.3机械手的发展趋势

目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。

在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，所以根据不同的作业要求选择不同类型的基夹紧机构，即可组成不同用途的机械手。便于设计制造，更换工件，扩大应用范围，同时要提高速度，减少冲击，准确定位，以便更好的发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷涂等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。

此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。

更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

1.1.4机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图:

1.执行机构(如图1所示)

图1 机械手的执行机构

1) 手部

手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸缩，开闭手指。本设计所指机械手仅需开闭手指。

机械手手部的机构系模仿人手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。本设计所指机械手采用二指形状。

2) 手臂

手臂有无关节和与关节手臂之分，本设计所指机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够准确的工作。手臂的三个自由度都需要精确的定位。

本课题所做的机械手在手臂的升降、伸缩、旋转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。

总括机械手的运动离不开直线移动和转动两种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。

躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 2. 驱动机构

驱动机构主要由四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动;利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平稳，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂，成本较高。

气压驱动所采用的元件为气压缸，气压马达、气阀等。一般采用4,6个大气压，个别的达到8,10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多，现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构;直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构;有的采用直线电动机。通用机械手则考虑步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护使用方便、驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大;缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合，一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低;缺点是不易调整。

本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的升降，采用手臂的旋转、手指的夹紧和张开。

3. 控制系统

机械手控制系统的要素,包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编程加以存贮，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 1.2应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用，在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷涂、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业，建筑业，国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下:

1. 提高生产过程中的自动化程度，应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

2. 改善劳动条件，避免人身事故，在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或其它毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽造成的人身事故。

3. 可以减轻人力，并便于有节奏的生产，应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，工业机械手在生产中的应用范围极其广泛。所以有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

工业机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如:

1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中，它可以用来组装零部件。

3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 5)宇宙及海洋的开发。

6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

1.3 课题的工作要求

1) 用途

在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床(简称主机)实现所有加工工序的自动装卸刀。

(1) 抓重:20公斤

(2) 自由度:4个

(3) 坐标形式:圆柱坐标

(4) 手架运动参数:拔、插刀行程(即伸缩量z) 155mm(最大180mm)

升降行程(即找刀排y) 3×420mm(刀排间垂直方向距离为

420mm)

回转角度为 ,,180:

装卸刀手手臂伸缩行程(x) 195mm

手指夹持刀柄的直径为 ,100

(5)位置检测与定位方式:滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，有挡块(或活塞与端盖)定位。手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。 (6)缓冲方式:滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲;手架回转运动采用转换不

同尺寸的出油口增加背压减速缓冲;手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路缓速缓冲。

2) 方案的确定

加工中心换刀机械手手臂伸缩和手指夹紧机构中，手臂伸缩、手架的伸缩和旋转分别由单独的液压缸进行控制，这使得它们的灵活性都很好，但由于手指部分的结构都比较复杂，而且手指部分的整体也质量比较大，这就会使手臂伸缩液压缸的负载很大。为保证活塞杆的强度和稳定性，需要将手臂伸缩液压缸的尺寸设计得大一些，那么手架旋转轴的负载也会变大，使得加工中心换刀机械手的整体结构不会很紧凑，占用的空间也较大。所以，手臂伸缩和手指夹紧机构比较理想一些。