【導(dǎo)讀】究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表。對本文研究工作做出貢獻的個人和集體，均已在文中以。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔。在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所。本人完全了解哈爾濱理工。電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。保密，在3年解密后適用授權(quán)書。盡我所知，除文中特。位或?qū)W歷而使用過的材料。人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。設(shè)計是否有創(chuàng)意？

　　

【正文】 機床卡盤對中精度[30]。 圖 316 模塊化機械手手臂模塊（直臂） 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 27 機械手在數(shù)控車床中的工作過程 針對設(shè)計方案簡單分析一下單手爪機械手在數(shù)控車床上的操作循環(huán)過程，如圖 317 所示： 1工件裝卸臺 2車床床身 3車床卡盤 4手爪 5直臂 6機械手橫臂 7固定支架 圖 317 機械手工作流程示意圖 循環(huán)步驟： 1． 機械手 到 工件放置臺處抓取工件， 之后直臂 升到 高 端位置 Yu， 沿水平Z方向 向右 運動 Zt 距離； 2． 機械手 的 直臂 模塊 從 高 端位置 Yu降到 低端 位置 Yc，使 手爪 與車床的卡盤中心 滿足對 中精度要求， 進而 沿 Z水平向左 運動距離 Zs 將 被夾 工件送入卡盤 中心并滿足 定位精度要求 ； 3． 工件 夾緊 后 ，機械手沿 水平 Z 向右 運動距離 Zs， 升到 高 端位置 Yu； 4． 機械手 最后 運動到工件放置臺 上方開始 下個 抓取 循環(huán)。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 28 本章小結(jié) 本章首先 確定機械手設(shè)計基礎(chǔ)為 華中數(shù)控 CK6132 數(shù)控車床 ， 針對數(shù)控機床的自身尺寸、使用環(huán)境的要求和工件裝卸的特點對機械手進行了設(shè)計。要同時保證對中精度和運動過程中的重復(fù)定位精度，并要考慮到整體的經(jīng)濟性。通過分析提出了兩種設(shè)計方案，一種是將機械手放置在 數(shù)控機床身后，通過高空懸臂進行機械手的控制；另一種是通過大跨度門架結(jié)構(gòu)，將機械手吊于數(shù)控機床上空。通過兩種方案對比，指出各方案存在的利弊及技術(shù)難題，并考慮了解決的技術(shù)方案，確定后者為本次設(shè)計方案。 最后 對氣動裝卸機械手的總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計 ，設(shè)計 采用模塊化的方式 ，把機械手分為三個模塊， 對其 結(jié)構(gòu) 、 聯(lián)接方式 進行了設(shè)計 。 完成了機械手的整體結(jié)構(gòu)以及各模塊的設(shè)計工作。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 29 第 4章 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 通過設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng) 來 確定執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。為滿足驅(qū)動系統(tǒng)定位精度 要求， 使機械手工作穩(wěn)定 、 維護方便，根據(jù) 物料搬運機械手各 機構(gòu)的運動特點 來 設(shè)計機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，并 選型與校核 各驅(qū)動元件。 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 分析 機械手搬運物料 過程中 的 運動軌跡 ，機械手驅(qū)動系統(tǒng) 主要有轉(zhuǎn)動和直線運動兩種 運動形式 。 如圖 41和圖 42所示為 機械手 驅(qū)動 系統(tǒng)原理圖和氣路實物連接圖。 圖 41 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 執(zhí)行元件 采用 2位 5通先導(dǎo)式雙電控電磁換向閥來控制 方向，信號為短脈沖信號。 采用 調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)速度。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 30 圖 42 氣路實物連接圖 氣動輔助元件 的 選取 為了全面監(jiān)測機床主軸的徑向跳動量可采用 MCGS 組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)[36]。本節(jié)主要 將分析組態(tài)軟 件構(gòu)成 、 結(jié)構(gòu) 和 監(jiān)測系統(tǒng)的具體設(shè)計 方案 。 氣源需通過壓縮后方可在 氣壓傳動系統(tǒng)中 使用 ， 方向和流量的控制 主要靠氣動控制元件來實現(xiàn) 。 氣動控制元件 按其用途、控制方式、結(jié)構(gòu)形式、連接形式的不同，可分為以下幾類。 1． 按用途分類 （ 1） 方向控制閥（如單向閥、換向閥）； （ 2） 壓力控制閥（如溢流閥、減壓閥、順序閥）； （ 3） 流量控制閥（如節(jié)流閥、調(diào)速閥）。 2． 按控制方式分類 （ 1） 開關(guān)或定值控制閥； （ 2） 比例控制閥； （ 3） 伺服控制閥； （ 4） 電液數(shù)字控制閥。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 31 3． 按結(jié)構(gòu)形式分類 （ 1） 滑閥； （ 2） 錐閥； （ 3） 球閥； （ 4） 轉(zhuǎn)閥； （ 5） 噴嘴擋板閥； （ 6） 射流管閥。 4． 按安裝連接形式分類 （ 1） 螺紋式（管式） 安裝連接； （ 2） 板式安裝連接； （ 3） 集成塊式連接； （ 4） 疊加式安裝連接； （ 5） 法蘭式安裝連接； 插裝式安裝連接。 方向控制閥 方向控制閥的主要作用是控制系統(tǒng)中流體的流動方向，其工作原理是利用 。 閥芯和閥體之間相對位置的改變來實現(xiàn)通道的接通或斷開，以滿足系統(tǒng)對通道的不同需求。 1．單向閥， 按其功能分為普通單向閥、液壓單向閥、梭閥、雙壓閥、和其它閥等。 2. 換向閥， 是借助閥芯和閥體之間相對位置，使閥體連接的各通道之間實現(xiàn)連通或斷開而改變流體流動方向的閥。按其結(jié)構(gòu)可分為座閥式換向閥（錐閥式、球閥式等）、滑閥式換向閥 和轉(zhuǎn)閥式換向閥三種。 流量控制閥 流量控制閥是通過改變節(jié)流口通流面積的大小或通流通道的長短來改變局部阻力的大小，從而實現(xiàn)對流量的控制。常用的流量控制閥有節(jié)流閥、調(diào)速閥和分流集流閥。 1． 節(jié)流閥 具有螺旋曲線開口的閥芯與閥套上的窗口相配合，構(gòu)成具有一定截面形狀的節(jié)流孔，實現(xiàn)對流量的控制 。 2． 調(diào)速 閥 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 32 調(diào)速閥 是由 定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)而成的組合閥。節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)通過的流量，定差減壓閥則自動補償負載變化的影響，使節(jié)流閥前后的壓差為定值，消除了負載變化對流量的影響。 壓力控制閥 用于實現(xiàn)系統(tǒng)壓力 控制的閥同城為壓力控制閥。常用的壓力控制閥有溢流閥、減壓閥、順序閥和壓力繼電器等。它們都是利用流體的壓力與閥內(nèi)的彈簧力相平衡的原理來工作的。 1． 溢流閥。溢流閥有多種用途，但其基本功能有兩種：一是保證系統(tǒng)壓力恒定，二是在系統(tǒng)中作為安全閥使用，對系統(tǒng)其過載保護作用。 。 主要用于降低系統(tǒng)某一支路的油液壓力，使同一系統(tǒng)能有兩個或是多個不同壓力的回路。 3． 順序閥。 在液壓系統(tǒng)中猶如自動開關(guān)，用來控制多個執(zhí)行元件的順序動作。它以進口壓力或是外來壓力為信號，當信號壓力達到調(diào)定值時，進行自動連接 。 氣 動元件的選擇 根據(jù)以上分析，對氣動元件的選擇如下 : 1． 空氣壓縮機 氣壓系統(tǒng)的動力源裝置是 空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機 在 選型時， 對氣壓的特性要符合氣壓系統(tǒng) 要求， 空氣壓縮機類型的 選擇， 是根據(jù)氣動系統(tǒng)中各氣缸耗氣量和所需 氣壓 進行的 ， 通過 空氣壓縮機的輸出壓力和吸入流量 的確定 ，最終選擇合適 型號的 空氣壓縮機。 氣缸耗氣量 計算 [31， 32] 耗氣量 Q 與氣缸的行程 S、直徑 D、缸動作的時間以及換向閥 到 氣缸管道的容積有關(guān)。當忽略氣缸管道的容積時，氣缸在單位時間內(nèi) 消耗 空氣的量可以按下式進行計算 : 1? 或 2? 121 4tSDQ ??，2222 4 )( t dDQ ?? ? （ 41） 式 中： Q 為 壓縮空氣在 單位時間內(nèi) 的 消耗量 ( sm/3 )； 1Q 為 無活塞桿端進入 氣缸時空氣的消耗量 ( sm/3 )； 2Q 為 有活 塞桿端進入 氣缸時空氣的消耗量 ( sm/3 )； D為氣缸內(nèi)徑 (m)； 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 33 d為活塞桿直徑 (m)； 21,tt 分別為氣缸活塞桿伸出和縮回過程所需要的時間 (s)； S為氣缸的行程 (m)； 橫臂耗氣量計算 缸徑 D=10mm，行程 S=60mm，時間 t=，依據(jù)公式得 smt SDQ / 32 ?? ? 直臂耗氣量的計算 水平缸缸徑 D=30mm，行程 S=70mm，時間 t=，依據(jù)公式得： smt SDQ / 342 ???? ? 所以靜音空氣壓縮采用上海日豹， LB： ； 220V/50HZ； ；；配內(nèi)螺紋直通，接管外徑 ￠ 6。 2． 方向控制閥 方向控制閥采用兩位五通電磁換向閥，采用 Airtac 的 4Vl20M5DC24V 型5個， Airtac 型號的 4V110M5DC24V 一個 [33]。 3． 調(diào)速閥 進氣節(jié)流和排氣節(jié)流 是調(diào)速閥的兩種連接方式 。采用排氣節(jié)流式，外牙，牙徑 M5，用于接 ￠ 4的軟管。 4． 消音器 通過 消聲器 來減少 氣壓回路中的噪音， 同時 又不 能 影響氣流 在通道中 順利通過 。本機械手采用 外牙 牙徑 PTI/4 的消音器。 5． 調(diào)壓過濾器 將 氣壓系統(tǒng)中增加 調(diào)壓過濾器，既可將 空氣壓縮機排出氣流的脈動 消除，更平緩的排出 氣流，又可 將氣源管道中的壓力 穩(wěn)定 下來 ，減輕 由于 壓縮空氣流量 提高而 對整個系統(tǒng) 產(chǎn)生 的沖擊。 6． 氣源處理 套件 [34] 氣源處理 套 采用的是多功能并且堅固的三連件。三連件是模塊化的結(jié)構(gòu)。包含 過濾調(diào)壓閥 、 安全啟動閥 、 自動排水閥以及帶安全架。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 34 本章小結(jié) 本章主要介紹了物料搬運機械手氣動驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，其中，具體介紹了氣動回路的工作原理和完成了 氣動回路設(shè)計， 通過計算 對驅(qū)動原件進行了分析和選型， 完成了物 料搬運機械手氣動驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動部分的設(shè)計工作。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 35 第 5章 機械手 關(guān)鍵技術(shù) 的 研究 機械手通過試驗運行，出現(xiàn)了兩個影響到實用性和精度的問題： 1．由于氣缸的固定在門架結(jié)構(gòu)之上，由于其剛自身重量對門架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個載荷的作用，在運動過程中的反復(fù)作用，會使氣缸產(chǎn)生變形的可能，導(dǎo)致整體精度受到影響。 ，在運動過程中由于重心不在同一條豎直直線上，會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，在反復(fù)運動的過程中這個轉(zhuǎn)矩的作用會使門架結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)翻，嚴重影響機械手的使用性能。 氣缸 固定支座 結(jié)構(gòu)的研究 氣動機械手 橫臂進行水平方 向運動，并在橫臂上需要進行多次重復(fù)定位，通過大跨度氣缸來滿足這一要求。為了保證其定位使得精度要求，須對固定支撐結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計 [3537]。 如圖 51 所示，若把氣缸 直接固定在門架兩端，氣缸會受到向下的重力載荷影響，導(dǎo)致氣缸整體產(chǎn)生向下的變形，使水平方向上的定位精度受到影響。 圖 51 氣缸 變形 向下彎曲示意圖 圖 52 門式支架示意圖 l． 門架結(jié)構(gòu) 的 設(shè)計 為 解決 氣缸變 形而影響到定位精度這一問題 ，在設(shè)計 方案 中提出了門式的支架 結(jié)構(gòu) ， 在門架水平橫梁上放置 氣缸， 以保證氣缸 承載后不會產(chǎn)生變形。 門架 結(jié)構(gòu)如圖 52所示。 由 三部分即 橫梁 部分 、立柱 部分 和基座 部分 組成 [38] 門架橫梁的焊接示意圖如圖 53所示，橫梁剖視圖如圖 54所示。為防止其變形，通過兩根槽鋼焊接而成，兩端 通過螺栓 固定于立柱之上。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 36 圖 53 門架 橫梁 焊接圖 圖 54 門架 橫 剖視圖 立柱部分采用雙槽鋼、雙鋼板焊接而成，防止在單根槽鋼上產(chǎn)生壓力。鋼板寬度與橫梁寬度相等，該結(jié)構(gòu) 使 立柱的穩(wěn)定性 大大提高 。 將 15mm 厚的鋼板焊接 于其頂部 ， 螺栓通過 螺紋孔 聯(lián)接橫梁 槽鋼 2。 10mm 厚的鋼板 焊接于 立柱底部 ，門架立柱結(jié)構(gòu) 如圖 55， 門架立柱截面 如圖 56 所示。 圖 55 門架 立柱結(jié)構(gòu) 圖 56 門架 立柱截面 門架結(jié)構(gòu)腳座如圖 57所示， 門架放置機械手后會 因其自重產(chǎn)生 載荷 和 扭矩， 為保證門架固定在地面上的穩(wěn)定性，需通過腳座進行連接，通過地腳螺栓和水泥基礎(chǔ)將整體結(jié)構(gòu)固定于地面之上。由于橫梁、立柱部分均為螺栓連接，為保證其對中要求，在腳座部分需設(shè)置調(diào)節(jié)槽，通過調(diào)整，使得整體機構(gòu)的組裝能夠順利進行。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 37 圖 57 門架 腳座 與立柱連接示意圖 2． 門架 結(jié)構(gòu) 承載 能力 分析 門架結(jié)構(gòu)除自身重力影響外，還要受到機械手各模塊的重力影響。表 51為機械手各部件質(zhì)量列表。 表 51 機械手部件質(zhì)量 匯總 表 門架的槽鋼材料 [39]為 Q235A，其許用應(yīng)力 ? ? 160?? Mpa，作用在門架上的平均應(yīng)力計算式為 SF/?? 式中 ： F為 門架所承受重量，即氣缸、聯(lián)接件等重量， F=614N； S為 橫梁 受力 的 面積，即 槽鋼 14a 表面受力面積， S= 平方米。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 38 由公式計算后得出平均應(yīng)力為 ???? Mpa 由此可見 ? ＜＜ ??? ，所以門架的結(jié)構(gòu)是安全的。 氣缸防側(cè)翻 結(jié)構(gòu) 研究 氣缸超載運行 情況 研究 由于氣缸安裝方式的不同，負載的類型和數(shù)值也發(fā)生相應(yīng)變化。 下面分析其受到的三種主要載荷： 靜 負載 力 、靜轉(zhuǎn)矩 負載 和動轉(zhuǎn)矩 負載。 氣缸的總負載率須滿足 ? ?1na 。 1m a xm a xm a x ????? MeMeMMWWa n 式中： 靜負載力:W 允許最大靜負載力:M A XW 靜轉(zhuǎn)矩:M 允許最大靜轉(zhuǎn)矩:m a xM 動轉(zhuǎn)矩:eM 允許最大動轉(zhuǎn)矩:m a xeM 參考 氣缸 使用手冊 [40]， 如圖 58所示，在不同的安裝方式下，氣缸分別受到 W W2 兩個靜負載力影響。