数控车床气动机械手设计.doc

工程硕士学位论文数控车床气动机械手设计尹云龙哈尔滨理工大学2012年6月国内图书分类号：TP241.3工程硕士学位论文数控车床气动机械手设计硕 士 研究生：尹云龙导 师：刘献礼 副 导 师：郭 巍申请学位级别：工程硕士工 程 领 域：机械工程所 在 单 位：机械动力工程学院答 辩 日 期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index：TP241.3 Dissertation for the Master Degree in EngineeringDesign of pneumatic manipulator of NC latheCandidate：Yin YunlongSupervisor：Liu XianliVice Supervisor:Guo WeiAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringProfessional Field：Mechanical EngineeringDate of Oral Examination ：June , 2012University：Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数控车床气动机械手设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书数控车床气动机械手设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密，在 3 年解密后适用授权书。 不保密 。（请在以上相应方框内打）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日数控车床气动机械手设计摘 要中国已经逐渐成为世界制造中心，制造业的发展和竞争逐年增大，随着用工紧缺和对加工效率的提高，自动化高效加工已经成为未来发展的主流。数控机床，特别是普及度较广的数控车床的工件装卸自动化已经成为机械加工类企业对机床的重要需求。为了满足用户的需求，中国许多机床制造企业已经开始在部分数控车床上陆续配置自动装卸机械手。但现有机械手的驱动和控制方式主要以高精度伺服电机为主，此种设计成本较高、结构复杂、速度较慢、工作效率低，使得自动装卸机械手在数控车床上的应用难以普及。本课题主要研究以气缸为主体来组成模块化的气动机械手，该研究项目成本低、速度高，特点是以模块化为中心进行设计，通过机械部分和驱动部分的模块化设计，能够完全实现数控车床轴类零件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的成本高、效率低等实际问题。论文完成的研究工作主要包括机械手的组成及分类；数控车床装夹机械手的构型设计与分析；机械手模块化设计方案；气动驱动系统的设计等几部分。通过研究完成了数控车床装夹机械手研发过程中所涉及的技术问题，成功开发了一套以模块化为主的气动装夹机械手，该成果可为工业制造业提供可行的技术示范，促进气动机械手技术在工业领域的广泛应用。关键词 数控车床；机械手；气动；模块化目 录摘 要I第1章 绪论11.1 概述11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状51.2.3 存在的问题61.3 气压传动技术发展现状71.4 本文研究的主要目的和意义81.5 本文的主要内容9第2章 机械手的组成分类及设计选材原则102.1 机械手的组成102.2 机械手分类122.3 机械手机构设计及选材原则132.4 本章小结14第3章 华中CK6132数控车床用机械手结构设计分析153.1 华中CK6132数控车床用机械手结构设计153.1.1 机械手工作环境及设计要求153.1.2 设计方案分析173.2 机械手模块化设计及功能分析203.2.1 机械手模块化设计理念203.2.2 模块化机械手结构及设计流程213.2.3 机械手模块组成及功能分析233.3 机械手在数控车床中的工作过程273.4 本章小结28第4章 机械手驱动系统的设计294.1 机械手的驱动系统设计294.2 气动辅助元件的选取304.2.1方向控制阀314.2.2流量控制阀314.2.3压力控制阀324.2.4气动元件的选择324.3 本章小结34第5章 机械手关键技术的研究355.1 气缸固定支座结构的研究355.2 气缸防侧翻结构研究385.2.1 气缸超载运行情况研究385.2.2 机械手防侧翻结构研究405.3 本章小结43结论44参考文献46致谢49个人简介50第1章 绪论1.1 概述机械手由控制系统、驱动系统、执行机构、位置检测系统四部分组成。在工业生产中也称为“工业机器人”。集成气动、液压、数控、计算机、机械等多学科的综合技术，可通过计算机编程，设定三维空间内任意运动轨迹，是适合自动化生产线的典型机电一体化设备。通过机械手工业生产线的引入，能够大大提高企业生产效率、提升产品质量、改善劳动者工作条件。是工业企业提高自动化水平的重要途径。工业机器人的广泛使用，不仅能够替代繁重的手工劳动，而且综合了人工劳动和机器工作两个方面的特长。能够同时体现人对工作情况中突发事件的判断的处理能力以及机器本身具有的连续工作、加工精度稳定的能力，同时，机器人还具有反应时间短、功率输出大、精度稳定性高、信号处理方便等优点1，2是工业生产中不可或缺的高科技产品，也是制造领域不可或缺的自动化机械设备。机械手是模仿人手的动作过程，按编制程序、轨迹及参数要求实现自动抓取等操作的自动机械装置，如图1-1所示，此类机械手称为类人机械手。能够进行物料搬运等工作的，如图1-2所示，在工业制造中应用的机械手称为“工业机械手”。 自动化工业生产中，生产线中通过机械手的使用可以大大提高生产率，具有如下特点：1. 在保障生产安全和产品质量的前提下，大大减轻生产工人的劳动强度；2. 它能够代替人在恶劣的环境中（易燃、易爆和灰尘大）工作，保障人身安全。因此，机械手适用于易燃、易爆和灰尘大的场合3，在装卸、运输、机械制造、等方面运用广泛。 图1-1类人机械手 图1-2工业机械手机械手的结构形式起初比较简单，专用性强，时仅为某台特定机床进行上料、下料工作，是专门附属于机床的机械手。伴随工业技术及控制理论的不断发展，研制了能够按程序要求独立的控制机械手，适用范围广泛的，简称为“通用程控机械手”。由于通用程控机械手工作程序能够随时改变，适应性强，所以在加工品种多样、批量中小的生产过程中得到了广泛的应用。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状上世纪60年代， Unimation公司发明第一台工业机器人，并在在美国通用公司汽车生产线上投入使用，是第一代工业机器人的诞生的标志。同时期日本通过调研将机器人技术引入国内，滞后的若干年，日本的机器人技术得到了快速的发展，通过机器人技术促进日本工业的急速发展。直至今日，日本的工业企业中机器人的使用数量占世界各大工业企业机器人使用总数的50%以上。成为世界上机器人使用量、拥有量、使用率最多的国家4，5 。汽车制造行业最早应用工业机械手，如图1-3所示，在汽车焊接、喷漆、上下料和搬运工作中被广泛应用。工业机械手的诞生解放了人类的双手，极大减轻了工作量，并且可代替人从事剧毒、低温高热、高危等诸多恶劣环境中的工作，在保证产品质量的前提下，大大提高工业生产率6。图1-3 汽车制造机械手生产线1962年，一台示教型机械手在美国联合控制公司诞生。其运动系统可进行多自由度控制，能够完成转动、升降、伸缩等形式的运动，选用液压装置作为其驱动控制系统、磁鼓做为存储装置。现在基于这个平台的开发了如球面坐标式一类的机械手； 同年另一种机械手在美国机械铸造公司诞生，取名为Versatran。该机械手采用液压传动为驱动方式，设计能够进行“转动、升降、伸缩”的中央立柱，采用示教型控制系统。70年代，新一代的工业机器人在生产中相继投入使用，与以往相比，准确可靠的定位精度是其主要的特点。同期在德国，机器人的设计开发引入的模块化的理念，通过模块化的设计的安装，实现了可根据工作需要方便进行机械手结构改装。形成了以立柱式结构为主的机器人，如图1-4所示、以门架式结构为主的机器人，如图1-5所示、以滑块式结构为主的机器人，如图1-6所示。模块化设计理念的引入，使工业机器人具备了结构设计方便、设备组装便捷、机器人动作改变灵活等优点。但由于模块化设计的通用性理念，此类机械手整体结构较小，不适用于较大范围的工作环境、在自动化生产线上应用较为广泛。 图1-4 立柱式机器人 图1-5 门架式机器人图1-6 滑块式机器人针对工作环境要求较大，工作范围较广的生产环境，德国研发的坐标型机器人和 Scara型机器人，如图1-7、1-8所示。此类机械手的优点是工作范围较大，缺点是定位精度较低，抓取力较低，不是用于大型、重量物体的抓取。一般用于小型货物装卸，由于工作范围的扩大，可以在特定工作环境下使用。 图1-7 坐标型机器人 图1-8 Scara型机器人除此之外，世界上其它从事机器人研发制造的企业针对不同行业和领域的需求，分别升级推出不同的机器人产品。其代表产品有：瑞士 ABB 公司的IRB 340 Flex Picker机器人7 如图 1-9所示，其最大速度达到11m/s，通过其真空系统，可对1.5kg以上的重物进行搬运工作。瑞士 SIG 公司的SIG XR22机器人8，如图1-10所示，末端加速度提高到12G，负载也超过了1kg。 图1-9 IRB 340 Flex picker机器人 图1-10 SIG XR22机器人1.2.2 国内研究现状本世纪初期，随着我国数控技术、自动化技术的发展，机器人技术也得到了迅速的发展，目前已经形成了相当的成果9。上世纪末，国内一些机器人研发机构开发出多种工业机器人。第一套自动化制造系统在南京理工大学SMC气动技术中心诞生，该系统由多个子系统组成，包括加工、装配等。各子系统可以进行自主工作，并可以同时集成控制，能够同时进行装料、传输和卸料等工作。其设计中包括一个气动机械手，如图1-11所示，该机械手主要对货物进行的翻转和搬运工作，通过机械手上各位置自由度即手腕臂腰四联动，模仿关节转动，完成抓取物品、移动物品、翻转物品等动作 10，11。同期北京理工大学开发出一种能够进行自由回转机器人手臂12、哈尔滨工业大学开发出一种六自由度气动机器人手臂 13。这类机器人手臂具有灵活性高、结构简易、自由度多、柔性高、抓取力小等特点，能够抓取型小质轻的物品，一般用于教学和实验。工业机器人随着液压、气动等技术的发展成熟，其实用性也逐渐提高。目前国内外研究机构正在研究通过智能控制等现代控制理论提高工业机器人的实用性，为工业机器人的广泛使用搭建的更高的平台14 。 图1-11气动关节型操作机械手1.2.3 存在的问题通过以上的分析，机械手产品现阶段一ing比较成熟，设计制造也在向集成化、模块化的方向发展。我国机械手的制造生产现阶段还是以进口组装为主，主要是由于两个原因：一是我国机械制造产业相对落后，二是设计理念和设计能力相对落后，还没有形成一套系统化的设计理念。现阶段机械手定位精度低、使用寿命短、稳定性能差，导致成本过高，普及率较低。随着中国加入WTO，中国市场已逐渐转化为国际市场，国内的机械手生产企业不仅要面向国内市场，同时还要考虑到国际市场的竞争。转变以客户需求为目标，通过技术革新和技术升级，提高产品品质，提升竞争力。通过市场调研，深入研究现阶段数控机床中配套产品的使用情况，发现机械手主要配套于高端数控机床，由于其精度、结构、通用性方面要求较高，而国内数控机床相应配套产品较少，导致国外机械手产品价格昂贵。随着市场的需求的不断提升，迫切需对数控机床进行升级换代，配套于中端数控机床的低精度机械手产品需求大大增加15。1.3 气压传动技术发展现状气压传动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质，对机械运动进行能量传递及控制的一门技术16，简称为气动技术。气动技术近年发展迅速，其关键部分是气动元件。通过气动元件的不同组合，形成气动控制、传动系统。气动技术传递信号和能量的介质主要是空气，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 。1.4 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。1.5 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。第2章 机械手的组成分类及设计选材原则2.1 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2-1所示24。图2-1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。2.驱动系统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:（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。4.位置检测装置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。2.2 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。1.根据用途不同分类（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2-2所示。图2-2 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2-3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2-3 通用圆形机械手 2.根据驱动方式不同分类（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。3.根据控制方式不同分类（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。2.3 机械手机构设计及选材原则1.机械手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。（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。2.机械手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。2.4 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。第3章 华中CK6132数控车床用机械手结构设计分析3.1 华中CK6132数控车床用机械手结构设计3.1.1 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3-1所示。表3-1为CK6132数控车床技术参数。图3-1 CK6132机床（华中）表3-1 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320mm2托板最大直径160mm3最大工件长度750/1000mm4主轴转速范围100-300rpm5主轴通孔直径38mm6主轴内孔锥度MT57主轴外端椎体锥度D48刀架刀位数49车刀刀杆最大尺寸18×18mm10电机最小设定单位 步进/伺服Z向0.01/0.001mmX向0.005/0.001mm11刀杆快移速度 步进/伺服Z向3m/7.6m/minX向3m/7.6m/min 12尾座套筒内孔锥度MT313主电机功率2.2kw14车床外形尺寸1800/2050×950×1680mm15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3-2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。表3-2设计参数表3.1.2 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3-2；图3-2 方案一原理图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3-3；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3-3 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3-3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；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3-4所示，为气动装卸机械手整体结构示意图。图3-4气动装卸机械手总体结构示意图3.2 机械手模块化设计及功能分析3.2.1 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，提高适用范围；（2）模块数量尽量少，减轻组装工作量；（3）模块成本需要合理；（4）充分考虑产品的精度、刚度对模块的影响；（5）各模块自身相对独立、完整。 2. 模块设计的一般方法同一个系统即存在功能体系，又同时存在构造体系。功能体系与构造体系两者之中，更为本质的是功能体系。在系统中一种功能在另一种功能的基础上产生，我们称之为功能的上下关系也或是功能的前后级关系。一般用下位功能定前者，用上位功能定为后者。一个功能对于不同角度，既可以定位为上位功能，又可以定位为下位功能。还有一种功能，即由一个功能的产生而同时出现的几个功能，且这几个功能不存在上下关系，我们称之为并列功能。3机械手模块及组成模块式机械手是根据作业的要求，分离能够完成机械手基本功能的单元模块，组合成通用的部件。将底座作为模块化机构基础，配备不同的组合模块和控制功能，完成不同的功能要求。通过对部分部件的重新设计和简单改动，完成产品的变化需求，能够快速、高效的投入到生产，并且节省成本。机械手一般由底座、立柱、手臂等通用部件组成。并且将互换性、继承性理念贯穿于连接件和关节之中，使之能够能通过一部分功能模块的增加或改变来满足不同的工作要求。3.2.2 模块化机械手结构及设计流程采用模块化的设计方式设计气动装卸机械手的结构，机械手分为三个模块:臂部模块（直臂模块和横臂模块）、腕部模块和手部模块，图3-5所示。图3-5机械手各部分模块机械手的设计流程图如图3-6所示：图3-6 机械手的设计流程图3.2.3 机械手模块组成及功能分析1手部模块的组成及功能分析（1）功能及结构分析机械手抓取工件主要是通过手指来完成的，气动机械手的气爪是目前在抓取技术中应用最普遍的方式。气爪一般分为2指、3指和多指气爪。气动机械手气爪优点：自动对中、抓取双向、高精度、力恒定等。机械手抓取数控车床的工件主要是以棒料为主，例如设计规格80×6Omm的圆柱型工件。根据上面对工件抓取时的特点，考虑到抓取过程的稳定性和可靠性，圆柱形工件一般选用3手指气爪来进行抓取。以设计规格80×6Omm棒料为例，拟选用MHS3-63D-Y59AL型号，缸径63mm的气爪，如图3-7所示。 图3-7机械手三手指气爪实体图 图3-8手指直径变化范围图（2）联接件的设计如图3-8所示，气爪运行是的极限位置为D1 和D2，最小直径28mm，最大直径44mm，通过连接件，扩大手指抓取直径，联接手指如图3-9所示。设计时应使手指在行程中途进行工件夹持。满足夹持80mm工件的要求。 图3-9气爪及连接件 图3-10气爪夹持点示意图联接件设计时需要同时考虑到气爪的夹持点。采用具有自动对中功能的3指气爪。可以采用平面或圆弧面做为手指联接部分表面形状，图3-11给出了几种手指连接部分表面形状，剖视图中实心小圆点、粗实线为实际接触部分。a）平面夹持 b）圆弧面夹持 c）圆弧面夹持 d）圆弧面夹持 （工件直径小于直径） （工件直径等于直径）（工件直径大于直径）图3-11手指夹持面分析通过对以上几种情况分析，得出如下结论：a)方案为单线接触，特点是对中性好，可靠性低；b)方案b圆弧面夹持，为三线接触，对中性好，可靠性较高；c)方案c理论上为面接触，实际上不能达到完全面接触，特点是对中性不高。d)方案