【自动换刀机械手设计10000字（论文）】

.3研究思路及方法1.3.1研究思路本课题的主要研究内容是自动换刀机械手手架伸缩旋转装置的设计，主要研究手架伸缩旋转装置。完成自动换刀机械手的手架伸缩旋转结构的总体规划。在一定程度上了解工业各领域使用的自动换刀机械手的伸缩旋转结构以及伸缩式旋转设备以及手支撑，机械手的参数设计，控制系统等。最后检查并计算出旋转角度，拉刀和插入刀的行程，提升行程，装卸手臂的伸缩行程，用CAD绘绘制主要零件图和总装图。1.3.2研究方法（1）文献法在知网相关文献的帮助下，我们找到了关于机械手的文章，提炼出了内容，为以后的论文写作提供了方便。（2）数据分析法对相关文献中的技术指标进行整理，并与论文中相应的指标进行比较，找出适合自己设计的相关数据，以便更好地制定未来完善的管理策略。（3）案例研究法：调查分析以往设计。第2章总体方案的确定2.1主要结构及工作原理通过对自动换刀装置进行分析和研究，确定其核心机构为自动换刀机械手。在数控加工设备中，数控卧式镗铣床对加工精度要求最高，故常与自动换刀机械手配合使用，其目的是为了保障加工的精度。其优势是一次装夹即可完成铣，镗，钻，扩孔，攻丝等多个过程，解决了中小批量，多品种，箱体零件生产的加工自动化问题。通过对自动换刀机械手进行分析，确定自动换刀机械手主要由刀库（储刀器）、手架升降机构（寻刀器）、装卸程序、手架伸缩机构和回转机构等部分组成。四排带刀套的链条构成刀库，每条链条有15个工具外壳，刀具库可储存60个刀具。由马达通过齿轮箱驱动并同步旋转安装刀套的四条链条，通过用刀套编号找刀。如图可知，每一个刀套都能够在链条中找到自己的位置，通过手架的升降和刀链旋转进行选择刀具。刀具变换器的主要作用是通过接收自动控制系统的指令，根据指令进行自动上下刀具的调换。自动换刀机械手的结构（如图2-1）。图2-1自动换刀装置要将刀具从刀库的刀孔中间取出并送至主机的主轴孔，将刀具插入主轴孔或从主轴孔拉出刀具并送至刀库的相应刀孔，存放换刀装置包括手架抬升机构，装载（卸载）刀手需要伸缩运动，而手架则需要回转运动。2.2手架升降运动机构当接受使手架升降(找刀排)指令后，则表示向前提升电机（1旋转滚珠丝杠以使其旋转，并且滑动座椅上下移动，这意味着手框架已打开。移动切刀的装卸手，使其一起上下移动。通过对刀库进行分析可知，刀库是由四排带刀套的链条构成，每条链条有15个工具外壳，刀具库可储存60个刀具。因此，必须保证手架在升降的过程中必须保持的3*420mm距离，确保手架滑动片的安全移动。手架在进行上下移动时，会通过手架悬臂检测块进行检测。当达到到所选刀具位置时，悬臂检测快会将位置信息发送给非接触式行程开关，从而控制电机转速，控制滑座进行减速，避免移动手架碰撞刀具。当达到所选刀排的所需位置时，通过感应块发送信号，切断电机电源。此时，电机停止转动，滑座（手架）停在指定位置。导向柱除具有导向功能外，还因为采用滚珠丝杠传动的方式，具有传动力小的特点。能够避免因为滑座、移动手架等因为自身重量引起局部重力矩的问题，使手架升降运动机构稳定性上升。调节研磨调节垫的厚度来改变螺母和丝杠之间的间隙。2.3装、卸刀手的伸缩运动机构和手指夹紧机构通过对手架机构进行分析可知，手架机构的主要零部件装刀手和卸刀手具有尺寸、运动要求和配给结构相同的特点。但由于装刀手和卸刀手实现的功能不同，故在设计时形状相反。自动换刀器装刀手和卸刀手的伸缩运动是由单杠活塞油缸控制。在自动换刀器机构中，活塞杆是固定在支撑臂上。其运动原理是，当加压油进入活塞杆的两个腔体，受到压力的驱使，控制缸体在燕尾形导轨上往返运动，行程位置由安装在手架上的方向开关确定；节流门缓冲器用于油缸端，油缸盖与活塞表面接触定位。为了能正确地装、卸刀，装刀手和卸刀手的手臂移动方向相交角度为45°。手指座（即伸缩缸的端盖)、活动指、固定指、项销、刀具定向键、弹簧、挡块和卡销等组成装(卸)刀手的一支点回转型弹簧式手部，手部内有锁紧机构。2.4手架伸缩和回转运动机构通过对自动换刀器的换刀过程进行分析可知，自动换刀器在进行换刀操作时，主要作手架伸缩和回转运动。其中，手架伸缩运动为装刀手和卸刀手的插刀和拔刀动作；手架回转运动为装刀手和卸刀手的位置改变动作。手架的伸缩运动是通过滑座实现的。通过对手架进行分析，确定滑座的安装位置。为了确保手架能够进行正常的伸缩运动，滑座应安装在滚动导轨上，活塞杆固定在横梁上，确保滑座的稳固。其中，滚动导轨主要由滚柱组和V形滑块组成。其主要工作原理为：压力油通过油管流入液压油缸的左腔室，由于液压缸的作用滑座驱使手架完成拔刀动作。同理，压力油流入右腔室，完成插刀动作。手架的回转运动是通过滑座内的回转油缸实现的。通过对手架进行分析，确定手架与转轴连接，转轴又与回转油缸的动力轴连接。其工作原理为：压力油通过油管流入液压油缸的工作腔室，在压力的推动下，带动回转轴运动。通过回转轴的转动，带动手架进行回转运动。2.5本章小结本章主要介绍了研究对象自动换刀机械手的手架伸缩旋转装置的总体结构和工作原理，最后决定了毕业设计中论文设计的各个方面。设计的重点是手架的伸缩和旋转装置的设计。通过分析，通过滑动座的伸缩来实现手架的伸缩，并且手架的旋转是利用安装在滑动座上的旋转油缸。然后，我们设计并检查气缸和活塞杆，并为每个零件的总体布局建立一个大体框架。第3章自动换刀机械手的设计3.1自动换刀机械手的组成执行机构、驱动系统和控制系统组成机械手，各部分关系如图3-1所示。图3-1机械手系统3.1.1执行机构手抓、装卸刀手臂、滑座，横梁和行走机构等组成执行机构。（1）手抓自动换刀的换刀机械手的手部属于由手指、传动机构、驱动装置和自锁机构组成的夹钳式手抓。为转动机构提供动力的部分是驱动源为弹簧的驱动装置。如图3-2所示，手有一个可移动的手指1和一个固定的手指2。手抓住刀后，弹簧4将锁定销3的肩部固定在上销5的孔中，以限制上销5向下移动并移动手握住刀子，锁住手指1。如果需要释放手柄，请按下主轴套筒末端的释放导向器6和臂架，以将锁定销3推入。此时，上销5可以向下移动并释放可移动部件。手动拧紧力为5千克。装卸刀机械手手臂的活塞杆在手架上固定，是一个油缸的缸体。螺钉固连手指与缸体。压力油进入活塞大面端时，手臂驱动手指使手指向前扩展。（2）滑座在滑动座上加工一个伸缩缸（如图2-3所示），横梁上的螺栓固定活塞连杆。当液压油通过时，滑动座可以沿梁拉伸和收缩，在导轨上安装回转油缸，通过回转轴带动手架回转180度。（3）横梁横梁是使整个机械手上下移动的部分。提升电机带动丝杠副转动，以将旋转运动转换为整个机械手的提升运动，从而使机械手沿着左右光杠上下移动。图3-2手抓自锁机构原理图3.1.2驱动系统驱驱动系统有四种类型：气动、液压、电动和机械。气动型具有高速，结构简单和低成本的优点，但是臂强度较小。液压臂力大，为了实现连续控制，采用液压伺服机构，广泛应用于机械手，定位精度范围一般在-1mm~1mm范围。升降电机、插拔刀行程的伸缩油缸和回转油缸组成自动换刀机械手驱动系统。3.1.3控制系统自动换刀的机械手通过用无触点行程开关检测机械手位置的方法进行对机械手位置的控制，采用点动控制，当机械手到达行程开关的某个位置时，主机接受行程开关信号，主机根据程序向机械手驱动系统发出指令，控制其延时或停止。3.2自动换刀机械手参数3.2.1抓重机械手可以捕获或携带的最大重量就是抓重。它是最重要的参数重量约为10kg的机械手数，重量小于1千克的被认为是微型模型，而重量为1—5千克的被认为是小型模型；体重在5—30公斤之间的为中等，体重在30公斤以上的为大型，处理几千公斤重的机械手是很困难的，机械手的重量影响其他参数，如运动范围、运动速度、坐标类型和缓冲器的设计。因此，在设计中必须考虑这些参数。3.2.2坐标形式机械手手臂座标型式包括直角坐标类型、圆柱坐标类型、球坐标类型和关节类型。沿x轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转即圆柱坐标类型组成本论文机械手的手臀的运动系。圆柱座标式机械手比直角座标式的优点更多，所以得到了广泛的应用。由于限制了沿Z轴方向移动的最低位置，所以地面上的物件不能被抓取。3.2.3主要工作参数表2-1基本参数自由度数爪重手指加持刀具直径坐标形式控制方式驱动方式圆柱坐标数字电液混合表2-2运动参数升降运动拔、插刀运动装，卸刀手臂伸缩运动回转运动速度位移手架升降运动位置检测采用无触点行程开关，定位通过控制电动机“实时”关闭。缓冲方式：滑动座伸缩，装卸刀臂在气缸末端采用节气门缓冲。手架旋转运动采用未连接的出油口，以增加背压减小缓冲。手架升降运动采用非接触式行程开关来发信，使电动机调速或停止以达到减速缓冲。3.3本章小结本章对自动换刀机械手的执行机构、驱动系统以及控制系统进行了分析，确定自动换刀手的坐标形式与主要工作参数，主要采用圆柱坐标式的机械手，机械手抓重20kg。第4章手架伸缩与回转装置的设计手架作为机械手的主要执行部件，其功能是使机械手的手腕和手在一定范围内移动。通过手架能够将手腕移动到范围空间内的任何点，以手臂力直接支撑手腕，手和工件在工作过程中的动态和静态负载，以及它们自身的更多运动。因此，功能更加复杂。4.1手架伸缩装置的设计计算4.1.1液压缸活塞的驱动力的计算按照设计要求确定：手架伸缩速度，行程，抓重。液压缸活塞的驱动力的计算式中-除液压缸外的运动部件摩擦阻力；-液压缸活塞及活塞杆处的密封摩擦阻力；回油背压阻力;_液压缸在起动、制动或换向时的惯性阻力。估计参与手臂运动部件总重量：,且重心位置距导向套前端面距离为。（1）的计算由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。由知则：又,则式中L-手臂总重量重心到导向支承前端距离导向支承长度,；当量摩擦系数，。(2)的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下:形密封圈：当液服缸工作压力小于活寒杆直径为液压缸直径的一半，活塞、活塞杆均采用形密封圈，则液压缸密封处总摩擦力为:3式中——驱动力，——工作压力；——伸缩油管的直径 ——密封的有效长度（毫米）(3)的计算一般背压阻力较小，可按（4）的计算重力加速度，由静止加速到常速的变化量-起动过程时间，一般取，在本次设计中带入公式：实际驱动力式中：安全系数，取；-传动机构机械效率，。4.1.2手臂伸缩油缸结构的确定表4-2液压缸的工作压力由计算可知驱动力，选取液压缸工作压力。4.1.3液压缸的结构尺寸计算液压缸内径：图双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：液压缸的有效面积：则（无杆腔）（有杆腔）式中——活塞驱动力；——油缸工作压力；——活塞杆直径；——油缸机械效率，；将各参数代入公式：根据，确定液压缸内径：.根据,确定液压缸外径.4.1.3活塞杆的计算校核1.活塞杆的尺寸计算在对活塞杆的尺寸进行选取时不仅要考虑满足运动所需的刚度和强度要求，还要满足杆长与直径长度之比为。按拉、压强度计算：设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的。本次取则：考虑结构要求，取2.缸筒材料的选择(1)缸底材料：碳素结构钢，抗拉强度(2)缸底厚度：工作压力为，属于低压系统，液压缸缸筒厚度一般按薄壁计算公式，此时取缸底厚度为式中：-工作压力，时，；-液压缸内径；-缸体材料的许用应力；3.油缸端盖的连接方式及强度计算保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目。缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。缸盖螺钉的计算在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧力之和。式中:工作压力，；螺钉数目，取个螺钉的强度条件为：查手册取螺钉内径取，螺距为，材料为钢六角螺钉。4.2回转装置设计与计算4.2.1回转缸驱动力矩的计算按照设计的要求，对回转缸进行受力分析可知，手臂回转缸驱动力矩与手臂启动惯性力矩和各密封装置摩擦力矩相平衡，若轴承处的摩擦力忽略不计，则，式中—手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量；—回转缸动片角速度变化量，在启动过程—启动过程的时间，取。式中——回转零件重心转动惯量。由，带入公式：通过上诉计算可知，回转部件等效于重量为，长，直径的圆柱体。确定回转部件各参数：启动角度，起动角速度，起动时间。===由设计可知：密封处摩擦阻力矩，则4.2.2回转缸尺寸的确定由公式计算回转缸油腔内径：式中——回转油缸工作压力；——输出轴与动片连接处直径，；——动片宽度，；由设计可知：工作压力，4.2.3油缸缸盖螺钉的计算通过查询《机械设计手册》可知，当回转缸工作压力为时，按照设计的要求，螺钉间距。螺钉数目=由计算结果确定缸盖螺钉数目为个。危险截面=则则按照设计的要求确定螺钉材料为，通过查询《机械设计手册》可知螺钉直径按照计算结果取整，确定螺钉直径，开槽盘头螺钉符合计算结果。根据上述计算结果，最终确认本次设计液压缸内径，外径。4.3本章小结本章主要针对手架的伸缩装置与回转装置进行设计计算，手架伸缩液压缸所需驱动力，准液压缸内径选择、外径选择，回转装置的回转缸所需驱动力矩，油缸内径选取内径为。第5章液压控制系统的设计5.1回转油缸的节流缓冲原理旋转圆柱体4来实现手架的旋转。手动框架固定地连接到旋转轴3，旋转轴3的内置结构与旋转油缸轴相连，起到固定的作用。其工作原理为：旋转缸的工作室内的压力油通过油管15（16）进入，并推动移动板轴，驱动旋转轴旋转，并旋转手架，从而改变旋转位置在行程开关上（参见图5-1），行程开关打开，推动定位块进行定位，该位置为与螺钉相接触的位置。由设计可知，旋转钢端盖有（a，b，c，a'，b'，c'）三对进油口和出油口。当手架启动之后，液压缸会受到来自手架的工作信号，液压缸启动，液压油通过油管在进油口进入旋转缸的工作腔。C转子以一定角度启动后，转子打开供油口a进入机油，转子轴快速旋转，回油腔中的液压油从供油口a'和b'流出。当运动部件堵塞油口a'时，机油从b'排出，机油掉到地板上，运动部件的转速达到减缓减速的效果，能够通过调节螺钉K对减速效果进行调节。图5-1回转油缸结构5.2液压控制原理如图5.2.2所示为自动换刀机械手液压系统，它接管一个双阀泵供油。该液压系统具有耗能低、使用寿命长、设计制作成本低和工作时邮箱升温慢等特点，适合一般的机械设计结构作为驱动系统。通过对该液压系统进行分析可知，排气阀和回油阀共同作用控制双叶片泵的工作。当液压系统工作时，泵启动，泵的输出油进入其管路，但此时电磁阀1DT不带电，管路通过电液滑阀（24DY-B20H）和控制阀（DF-B20K3）与油箱相连。当装卸刀具的臂被拉入或轨架被拉入或手架旋转时，打开电磁阀1DT。图5-2机械手液压系统将电磁阀1DT和3DT打开，操纵器将刀具延伸至导轨前部。将电磁阀1DT和2DT打开，滑块被拉入并插入刀具指令。将电磁阀1DT和4DT打开，指令从扶手转到刀库，同时电磁阀1DT和5DT打开。将电磁阀1DT和7DT打开，命令拿刀的手握住刀。将电磁阀6DT打开，通过刀具卸载手指令抓住并握住刀具。电磁阀1DT打开，根据情况可见，机械手安装刀具。机械手液压系统运行后，表5-1列出了电磁阀电源的工作状态和开关状态表。表5-1机械手做相应动作时电磁阀通断电状态表(其中个+表示通电，-表示断电）5.3本章小结本章重点对液压控制系统进行了分析和构建。自动换刀机械手通过电液控制实现机械手的精确工作，液压系统采用双叶片泵送油，它的优点是能耗低、油箱温升低、泵寿命长、成本低等。

第6章CATIA有限元分析6.1活动手指受力分析如图6-1所示为手指受力分析图，从图中可知，活动手指在工作时主要受到弹簧和刀具的反作用力。图6-1手指受力分析按照设计的要求可知时，手指具有最大夹紧力，能够对刀具进行夹紧操作。根据受力分析可知，手指should弹簧和刀具的反作用力，则：由平面力系平衡方程：得：则：6.2几何模型构建与载荷施加打开CATIA进入零部件设计，设置如图6-2所示手柄手指三维图。：图6-2手指三维零件图点击“有限元分析”模块，在弹出的对话框中选择“静态分析”，然后单击“确定”以执行静态有限元分析。输入GPS（生成结构分析），程序会根据三维零件图形自动分配单元类型和属性。元素类型和大小进行修改：在树形图中的“节点和元素”下，双击“”图标，在弹出的“修改”对话框中输入参数：作为“大小”，作为“绝对”。如图6-3所示。图6-3修改单元类型和单元尺寸将刚性虚拟零件放置在手指的C点处，并应用限制使其围绕C点的轴旋转。在点B处，应用刚性约束并限制所有自由度。在点A处，应用刚性约束，然后应用分布力等于手指施加约束后,状态如图6-4。图6-4施加约束后的手指状态单击求解按钮得如下分析报告：6.3网格划分与材料定义对手指进行约束设置之后，进行计算时会将系统智能分配的网格进行拆解计算。通过对分配网格进行分析可知：在栅格曲率较小的地方，粗糙平面较大，反之，栅格在曲率较大的地方较细，薄而锋利。如下图6-4所示为系统默认网格划分。网格自动划分的特点是将网格密集地划分为主要部分，例如较大的曲率和应力，而将网格划分为非关键位置（例如平坦，笔直和厚实）的情况很少，通过该方法能够有效的减少网格的数量，便于计算。在对手指网格进行计算时，通过智能分配无法满足计算需要，根据误差显示图，需要微调具有较大网格误差的区域并减少变形。经过反复的改进和计算，可以获得理想的结果。对该模型进行网格划分后，总共获得个节点和个元素。定义模型的材料，如表6-1所示：图6-4默认划分网格表6-1结构钢密度屈服强度杨氏模量泊松比热涨系数材料6.4结构计算结果分析对手指进行有限元计算之后，下一步操作是把网格进行细化，把垂度降低，目的是为了处理全局网格尺寸变小、误差增大的地方，其中包括上摇臂前颈内孔、下摇臂中波和后槽口、上下摇臂内外拱面和主加载面。通过处理，计算结果误差符合要求，接下来需要对网格进行细化。细化之后，局部网格尺寸为、垂度。每个计算结果并不是只有一个，只要设置网格尺寸或细化不同的部分，计算结果中的最大应力值就会增减到一定值，它的最大误差值也会变。要让计算结果更加清晰，在以后的网格划分中采用了上述尺寸。然后降低误差，得出结果，如图6-6、图6-7所示：图6-6应力分布云图图6-7应变分布云图计算分为个节点和个单元，单元有效率。图3.14和图3.17是蓝色部分，因为应力低，红色部分是高压部分。在允许误差范围内，指杆最大压力为，指杆前部最大变形量为。可见构件的刚度足以满足设计要求。6.5本章小结本章主要通过网格划分和材料定义对机械手手指进行静态分析，根据当前受力情况，模型和实物具有与载荷作用力学性能相同，根据载荷施加实际受力，进行静力学分析校验，分析应力云图与应变云图，修改后的构件刚度满足设计要求。结论通过构造自动换刀机械手，实现了对实例中相应课程所学理论知识的综合应用，使这些知识得到巩固和进一步发展，并在机械设计制造及其自动化设计中有良好的基础。首先，对自动换刀机械手的设计要求进行分析，对自动换刀机械手进行工作环境分析和工作过程分析，然后对机械手的坐标形式、自由度和常用运动参数进行确定，对自动换刀机械手提出总体方法进行设计。其次，针对手架伸缩与回转装置进行设计，通过计算确定伸缩装置的液压缸活塞驱动力、油缸结构尺寸、活塞杆的校核以及回转装置驱动力矩、回转油缸尺寸。同时进行液压控制进行设计，实现机械手的精准动作。最后，运用CATIA软件对自动换刀手的活动手指进行有限