換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)帶CAD圖
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一種換刀機(jī)械手卡爪夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 李劍玲 賀煒 丁毅 王寧俠 1 陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 成陽 7 1 2 0 8 1 ； 2 陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院， 陜西 西安 7 1 0 0 0 0 摘要 ： 運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方 法， 設(shè) 計(jì) 了一種應(yīng)用于立臥兩用換刀場(chǎng)合的機(jī)械 手卡爪機(jī) 構(gòu)。該機(jī) 構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 機(jī)構(gòu) 緊湊、 可 靠性 高， 是一種 比較 實(shí)用的機(jī)械手卡爪機(jī) 構(gòu)。 關(guān)鍵詞 ： 自動(dòng)換 刀裝置 ； 雙臂機(jī) 械手 ； 優(yōu)化設(shè)計(jì) 中圖分類 號(hào) ： T G 6 5 9 0 2 3 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： B文章編號(hào) ： 1 0 0 1 2 2 6 5 ( 2 0 0 3 ) 1 00 0 4 8 0 3 Th e d e s i g n o f a c l a w me c ha ni s m f o r t h e ma n i pul a t o r LI J i a n l i n g HE W e i DI NG Yi W ANG Ni n gx i a Ab s t r a c t ：I n t hi s pa pe r - we h a v e us e d t he me t h o d o f o pt i mum de s i g nde s i g ne d a c l a w me c h a n i s m a p pl i e d t o v e r t i e a ho r iso nt a l d o ub l ed ut y ma n i pu l at o r And t hi s me c h a n i s m i s a s i mp l ec ompt a nd r e li a b l e o ne Ke y wo r d：ATC；b ot h a r ms ma n i p u l at o r；o pt i mu m d e s i gn 1 自動(dòng) 換 刀裝置 及 雙臂式 換 刀機(jī)械 手 在機(jī)械加工 中， 大部分 零件都 要進(jìn)行 多種工 序加工 。在一 般數(shù)控機(jī)床 的整個(gè)加工 過程 中 ， 真 正用于 切削 的時(shí)間 只占整個(gè) 工作時(shí)間的 3 0 左右 ， 其余 的大 部分 時(shí) 間都 花在 安裝 、 調(diào) 整刀 具 、 裝 卸 、 搬運(yùn)零件 和檢查 加工精度等輔助工作上 。為充分發(fā)揮 機(jī)床 的作用 ， 數(shù)控加工 中心均配有 自動(dòng)換刀裝置 。 自動(dòng)換刀裝置 的職能是將機(jī)床 主軸用 過的刀具與刀庫 或刀 具傳送裝置下一道工 序要用 的刀具 進(jìn)行交換 。其動(dòng)作循 環(huán)是 ： 拔刀一刀具交換一裝刀 。 根據(jù)刀具夾持器 的數(shù) 目不 同可分 為單臂 式機(jī) 械手 和雙臂式 機(jī)械手 。由于雙臂機(jī)械手 具有換 刀時(shí) 間短 ， 動(dòng)作靈 活可靠 等優(yōu) 點(diǎn) ， 因此常采用 雙臂 機(jī)械手 作為加 工 中心 的刀具 交換裝置 。雙 臂式機(jī)械手 的型式見 圖 l 。圖 l 所示 的幾種雙臂機(jī) 械手均是 兩 手同軸 ， 主要用 于刀庫軸 線和 主軸 軸線平 行 的場(chǎng)合。另有一 種 常用的雙臂機(jī)械手 的兩手成 一定角 度 ， 特 殊 的是 9 0 。 ， 稱為 直角 形機(jī)械手 ， 該機(jī)械手用于刀庫軸線和 主軸垂直 的場(chǎng)合 ， 如圖 2 所 示 。 圖 1雙臂機(jī)械 手 雙臂機(jī)械手進(jìn) 行一 次 換刀的循環(huán)的最基 本動(dòng)作 為 ： ( 1 ) 抓刀 ： 手臂旋轉(zhuǎn) 或 伸出 ， 同時(shí) 抓住 主軸 和 刀 庫里的刀具。 ( 2 ) 拔 刀 ： 主 軸松 開 ， 機(jī)械手 同時(shí)將 主軸 和刀庫 中的刀具拔 出。 ( 3 ) 換 刀 ： 手 臂 旋 轉(zhuǎn) l 8 0 。 。 刀具交換 。 ( 4 ) 插刀 ： 同時(shí)將刀具 圖 2 直角型雙臂機(jī)械手 插入 主軸 和刀庫 ， 然后 主軸 夾緊刀具 。 ( 5 ) 縮回 ： 手臂縮 回原始位置。 根據(jù)我們所設(shè)計(jì)立 臥兩用換刀機(jī) 械手 的工 作要求 。 本換刀 機(jī)械手選用 直角形 雙臂機(jī)械手 。 2 機(jī)械手卡爪機(jī)構(gòu)選用及工作原理 如圖 3所示 ， 油缸 l 1 、 定位塊 8固定在換刀臂 l 0上 。 活塞 固 定 于定位塊 8上 。換刀手 由準(zhǔn)備位置移 至換刀 位置 ， 鍵 2卡進(jìn) 刀具定位槽 中， 此時(shí) ， 油缸 l 1 推動(dòng)活塞組 件 9 ， 在定位塊 8的導(dǎo) 向下 向前滑動(dòng) ， 使 得兩 卡爪 l 、 3分別繞軸 4 、 5轉(zhuǎn)動(dòng) ， 直至卡爪夾 圖 3 換刀臂 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4 8 組合機(jī)床與 自動(dòng)化加工 維普資訊 http:/ 緊刀具 ， 此時(shí) ， 活塞 組件 9將 卡 爪鎖 上?？ㄗ?的松 開 是 由油缸 l 1 內(nèi)的彈簧帶動(dòng) 活塞組件 9 后 移 ， 卡爪 l 、 3分別在 彈簧 球 6 、 7 的作用下與件 9保持接觸 ， 卡爪松開后 ， 換刀手退至準(zhǔn)備位置 。 本卡爪夾緊機(jī)構(gòu)利用活塞組件 9實(shí)現(xiàn) 了卡緊 、 鎖止 的聯(lián) 動(dòng) ， 在油壓較小時(shí)也能有效地鎖 緊 刀具。如 圖 3所示 ， 當(dāng)鎖 止角 a =l 5 。 時(shí) ， F =P s i n l 5 。 一3 9 F， 也就 是 說作 用 于 卡 爪上 的力 ( F l +F 2 ) 比所提供 的作用 于件 9上 的油壓力 大約大 4倍 ， 故可 滿 足鎖 止要求 。 3 機(jī) 械手 的設(shè) 計(jì)及 計(jì)算 3 1 手指握力的計(jì)算 當(dāng)手指水平 位置夾持垂 直刀具 時(shí) ， 手指 握住 刀具時(shí)需 要的 夾 緊力最大 ， 取安全 系數(shù)為 2 ， 刀具 質(zhì)量按 8 k g 計(jì)算 ， 則握力為 ： N=2 mg=289 8=1 5 6 8 ( N) 3 2 手部的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算P t 如圖 4 所示， P為油壓力， G為刀具 一 的重量 ， 為手指夾住 刀具的夾緊力 ， 則 P ： t z口 C 一 其 中 C為動(dòng)力 臂 ， b為 阻力臂 ， C=6 2 ， 取 口=1 5 。 。從而 P =4Nt g al 5 。 為了考慮 刀具 在傳動(dòng) 時(shí)慣性 力 、 振 動(dòng) 及傳動(dòng)效率 的影 響 ， 其實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 ： P 宴 際 P 圖 4 手部 受力分析 式 中： 手部機(jī)械效率 k ， 安全系數(shù) 2 工作情況系數(shù)一般取 0 8 5 0 9 5 在此分 別取值 ： 7 =0 9 ， k l =1 5 ， k 2 =l 。從 而 ： P宴際 P = 一 2 8 0N 3 3 復(fù)位彈簧的設(shè)計(jì) 3 3 1 基本參數(shù) 彈簧選用普 通 圓柱 壓 縮 彈 簧 ， 彈簧 類 型 為 I I 類 ， 材 料 為 6 5 Mn 。當(dāng)鋼絲 直徑 為 2 2 2 5時(shí) ， 有 口=1 6 1 8 MP a ， 彈性模量 G為 7 8 5 0 0 MP a ， r =0 4 0 口=6 4 7 MP a 。設(shè) 計(jì) 手 爪 的 擺 幅 為 2 0 mm， 則 當(dāng)彈簧 受到最大工作 載荷 F一 時(shí) ， 彈簧的最 大變形 量 A = 1 0m m o 對(duì)彈簧進(jìn)行受力分析 ， 計(jì)算 得彈 簧受到最 大工作 載 F 一 荷 為 5 0 7 N。 3 3 2 手爪 的優(yōu) 化設(shè)計(jì) ( 1 ) 選取 優(yōu)化對(duì) 象 ： 為 了使手爪的結(jié)構(gòu)更 緊湊 ， 尺寸設(shè)計(jì)更合理 ， 同時(shí)也為 了提 高機(jī)械手的性能和使用壽 命 ， 我們對(duì)機(jī) 械手手爪 進(jìn)行 了優(yōu)化設(shè) 計(jì) 。復(fù)位彈簧的 自由高度對(duì)機(jī)械手手爪 的體積大小有舉足輕重 的影響 ， 故在對(duì)手 爪的優(yōu)化設(shè)計(jì) 中， 我們首先對(duì)復(fù)位彈簧進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì) 。 ( 2 ) 確定設(shè)計(jì) 變量 設(shè)計(jì)變量是指在設(shè)計(jì)過程 中進(jìn)行選擇并最終必須確定 的各 項(xiàng)獨(dú)立參數(shù) 。在此選取設(shè)計(jì)變量為彈簧絲直徑 d 、 彈簧 中徑 D 及彈簧的有效圈數(shù) n 。即 X= d D 2 n = l 2 3 ( 3 )確定 目標(biāo) 函數(shù) 要進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì) ， 首先應(yīng) 該根據(jù) 實(shí)際要求 選擇確定 優(yōu)化 的 目標(biāo)函數(shù)。 目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì) 中預(yù)期要達(dá) 到的 目標(biāo) ， 表達(dá) 為各設(shè) 計(jì)變量的函數(shù)表達(dá) 式 ： ， ( X) = f ( l ， 2 ， ， ) 它代 表設(shè) 計(jì)的某項(xiàng)最重要的特征 。在設(shè)計(jì) 中如果所要求的 性能指標(biāo)較 多 ， 就應(yīng)該以其 中最 重要的 指標(biāo)作 為設(shè) 計(jì)的 目標(biāo) 或 者將各 目標(biāo)函數(shù)以加權(quán) 的方法組成一個(gè)總 的目標(biāo) 函數(shù) 。這里選 取彈簧的有效 圈數(shù) n最小為 最優(yōu)化設(shè) 計(jì) 的 目標(biāo) 。根 據(jù)對(duì) 彈簧 剛度的要求范圍有 ： = l 0 Gd4 = X 3 從而得 目標(biāo)函數(shù) ： f ( -x) = = ( 4 ) 確定約束條件 目標(biāo) 函數(shù)取決 于設(shè)計(jì) 變量 ， 而設(shè)計(jì) 變量的取值 范圍 常常是 有限的或必須 滿足 一定 的條件 ， 稱 之 為約束 條件 或設(shè)計(jì) 約束 。 選取設(shè)計(jì) 變量 ， 列出 目標(biāo) 函數(shù) ， 給定合理的約束條件后便 可構(gòu) 造 最優(yōu)化設(shè)計(jì) 的數(shù)學(xué)模型 ， 建立最優(yōu)化設(shè)計(jì) 的數(shù)學(xué)模型 以后 ， 即可 選擇合適 的最優(yōu)化方法解題 ， 求 目標(biāo) 函數(shù) 的最優(yōu)解 。 1 ) 根據(jù)旋繞 比的范 圍有 ： g l ( ) =4 一x_ _ 22 0 g 2 ( X)= 一9 0 2 ) 根據(jù)彈簧的強(qiáng)度條件有約束條件 ： 1 6 6( ) 6 647 MP a 3 ) 根據(jù)彈簧的疲勞強(qiáng)度要求給出約束 條件 ： 6 6( 2 l 6 d ， c 1 o 由以上所述可得 以彈簧工作圈數(shù)為 目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu) 化設(shè)計(jì) 模型如式 ( 1 ) ： mi n = 一X= l 2 3 = d D2 n 4 一 x_22 0 1 蘭一90 1 m s ) ， 故需 要安 裝緩 沖裝置 ， 我們選用 緩沖性 能較好 的可變 節(jié)流緩 沖裝置 。如 圖 5所示 。為了避免含有空氣的油進(jìn)入系統(tǒng)后對(duì)液壓系統(tǒng)造成 的侵害 ， 需在液壓缸上安裝 如圖所示的排氣閥 ， 見 圖 6 。 圖 5 可 變節(jié) 流緩沖裝置 圖 6 排氣閥 缸 筒 材 料 選 用 4 5 號(hào) 鋼 調(diào) 質(zhì) ， 缸 筒 內(nèi) 徑 和 活 塞 用 害 配 合 ， 表 面粗糙度 ， 缸筒 內(nèi)表面研磨 ?；钊?料用 耐磨 鑄鐵 ， 活塞和活塞 桿 采 用 螺 紋 連 接 ，害 配 合 ， o 型 圈 密 封 。 端 蓋 材 料 用 4 5 號(hào) 鋼 鍛 件 ， 端蓋和缸筒采用螺 紋連 接 ， 活塞桿頭部用螺紋連接 。 4結(jié)束語 該機(jī)械手卡爪夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 ， 經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì) ， 使其結(jié)構(gòu) 更 加緊湊 ， 可靠性更 高 ， 故該機(jī)械 手卡爪夾 緊機(jī)構(gòu)是 一種實(shí)用 、 合 理 的機(jī)構(gòu) 。 參考文獻(xiàn) 】 1 詹啟 賢 自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì) M 北京 ： 中國(guó)輕工業(yè) 出版社 ， 1 9 9 2 2 濮 良貴 ， 紀(jì) 名 剛 機(jī) 械設(shè) 計(jì) M 北 京 ： 高等 教 育 出 版社 ， 1 9 96 3 劉惟 信 機(jī)械最優(yōu)化設(shè) 計(jì) M 北京 ： 清華 大學(xué) 出版社 ， 1 9 9 4 4 李壽剛 液壓傳 動(dòng) M 北京 ： 北 京理 工大學(xué) 出版社 ， l 9 9 4 5 呂鳳翥 c+ + 語 言基礎(chǔ)教程 北京 ： 清華大學(xué) 出版社 ， 1 9 9 9 6 邵名健 一種新結(jié) 構(gòu)的立臥換刀機(jī)械手 機(jī) 械傳 動(dòng) ， 1 9 9 8 ( 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 30 40 3 作者簡(jiǎn)介 ： 李劍玲 ( 1 9 7 8一) ， 女 ， 陜西洛南人 ， 陜西科 技大學(xué) 碩士研究生 。 ( 編輯江復(fù) ) ( 上接 第 4 7頁) 表 1 橢 圓曲線節(jié) 點(diǎn)坐標(biāo) I 單位 ： m m) ) ， f F 4 9 96 O 1 2o 0 1 2 Ol 1 2 00 49 8 4 0 2 4o 0 1 2 o 6 1 2 O2 49 63 9 3 59 9 1 2l 6 1 2l O 49 3 5 6 4 798 1 2 32 1 22 3 48 9 9l 5 9 9 5 1 2 52 1 2 4l 48 5 42 7 1 9l 1 2 78 1 2 63 48 0 0 7 8 3 85 1 3 O8 1 29l 47 3 85 9 5 75 1 3 43 1 3 2 3 46 6 73 l O 7 6O 1 38 3 1 3 5 9 4 5 8 7 O l1 9 40 1 42 7 1 4o 0 4 4 9 72 l 3 1 ll 1 47 5 1 44 5 4 3 98 0 l 4 27 2 1 52 8 1 49 4 4 2 88 9 l 5 42 0 1 58 4 1 5 4 6 41 69 9 l 6 55 4 1 6 43 1 6O 2 40 4 70 l 7 6l 8 1 62 6 1 66 O 3 9 1 46 l 8 66 4 1 68 7 1 7l 8 3 7 72 8 l 9 68 7 1 74 9 1 7 7 7 3 6 2l 5 2 0 68 4 1 8l 2 1 8 38 3 4 6O 8 21 65 2 1 8 7 6 1 9 o 0 32 9 O 8 22 5 8 7 1 9 40 1 9 62 3 1 1l 5 23 483 2 O o4 2 O 2 4 2 9 2 33 2 4 3 38 2 O 67 2 08 5 2 7 2 6 4 2 5 1 48 2 1 2 9 2 1 45 2 5 2l l 2 5 9 O7 2 1 8 9 2 2 o4 2 3 0 78 2 6 6l 3 2 2 47 2 2 6 O 2 0 8 7O 2 7 2 62 2 3 Ol 2 3 l 3 l 8 59 2 2 7 8 49 2 35 2 2 3 6 3 l 6 25 O 2 8 37l 2 39 9 2 40 9 l 3 85l 2 8 82 6 2 44 2 2 45 O l 1 4 Ol 2 9 2l O 2 48 O 2 48 6 8 9 O8 29 52 0 2 5l 2 2 5l 7 6 38l 29 75 5 2 538 2 5 42 3 82 7 29 9l 2 2 5 5 9 2 5 62 1 25 5 29 9 9l 2 5 73 2 5 75 參考文獻(xiàn)】 1 劉躍南 計(jì) 算機(jī) 數(shù)控 及其應(yīng) 用 北 京 ： 機(jī) 械工 業(yè) 出版社 ， l 9 95 2 薛彥成 數(shù)控原理與編程 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1 9 9 4 3 鄒俊鵬 機(jī)床數(shù)控技術(shù) 哈爾濱 ： 哈 爾濱工業(yè)大學(xué) 出版社 ， l 9 9 5 收稿 日期 ： 2 0 0 3 0 31 7 作者簡(jiǎn)介 ： 蒿建軍 ( 1 9 5 4 一) ， 男 ， 新疆昌吉人 ， 攀枝花學(xué) 院機(jī) 電工程 系副教授 。 ( 編輯江復(fù)) 組合機(jī)床與 自動(dòng)化 加工 維普資訊 http:/
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