【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?；蜃珜?xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個(gè)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(dān)。在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。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(shū)。工緊缺和對(duì)加工效率的提高，自動(dòng)化高效加工已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的主流。業(yè)對(duì)機(jī)床的重要需求。為了滿足用戶的需求，中國(guó)許多機(jī)床制造企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始。在部分?jǐn)?shù)控車(chē)床上陸續(xù)配置自動(dòng)裝卸機(jī)械手。但現(xiàn)有機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)和控制方式。存在的成本高、效率低等實(shí)際問(wèn)題。成及分類；數(shù)控車(chē)床裝夾機(jī)械手的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析；機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)方案；通過(guò)研究完成了數(shù)控車(chē)床裝夾機(jī)械手研發(fā)過(guò)程

　　

【正文】 1Q 為 無(wú)活塞桿端進(jìn)入 氣缸時(shí)空氣的消耗量 ( sm/3 )； 2Q 為 有活塞桿端進(jìn)入 氣缸時(shí)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(guò)程所需要的時(shí)間 (s)； S為氣缸的行程 (m)； 橫臂耗氣量計(jì)算 缸徑 D=10mm，行程 S=60mm，時(shí)間 t=，依據(jù)公式得 smt SDQ / 32 ?? ? 直臂耗氣量的計(jì)算 水平缸缸徑 D=30mm，行程 S=70mm，時(shí)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(gè)， Airtac 型號(hào)的 4V110M5DC24V 一個(gè) [33]。 3． 調(diào)速閥 進(jìn)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(guò) 消聲器 來(lái)減少 氣壓回路中的噪音， 同時(shí) 又不 能 影響氣流 在通道中 順利通過(guò) 。本機(jī)械手采用外牙 牙徑 PTI/4 的消音器。 5． 調(diào)壓過(guò)濾器 將 氣壓系統(tǒng)中增加 調(diào)壓過(guò)濾器，既可 將 空氣壓縮機(jī)排出氣流的脈動(dòng) 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(lái) ，減輕 由于 壓縮空氣流量 提高而 對(duì)整個(gè)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(jiān)固的三連件。三連件是模塊化的結(jié)構(gòu)。包含 過(guò)濾調(diào)壓閥 、 安全啟動(dòng)閥 、 自動(dòng)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(yùn)機(jī)械手氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中，具體介紹了氣動(dòng)回路的工作原理和完成了 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)， 通過(guò)計(jì)算 對(duì)驅(qū)動(dòng)原件進(jìn)行了分析和選型， 完成了物料搬運(yùn)機(jī)械手氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)工作。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 35 第 5章 機(jī)械手 關(guān)鍵技術(shù) 的 研究 機(jī)械手通過(guò) 試驗(yàn)運(yùn)行，出現(xiàn)了兩個(gè)影響到實(shí)用性和精度的問(wèn)題： 1．由于氣缸的固定在門(mén)架結(jié)構(gòu)之上，由于其剛自身重量對(duì)門(mén)架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)載荷的作用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的反復(fù)作用，會(huì)使氣缸產(chǎn)生變形的可能，導(dǎo)致整體精度受到影響。 ，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于重心不在同一條豎直直線上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，在反復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中這個(gè)轉(zhuǎn)矩的作用會(huì)使門(mén)架結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)翻，嚴(yán)重影響機(jī)械手的使用性能。 氣缸 固定支座 結(jié)構(gòu)的研究 氣動(dòng)機(jī)械手 橫臂進(jìn)行水平方向運(yùn)動(dòng)，并在橫臂上需要進(jìn)行多次重復(fù)定位，通過(guò)大跨度氣缸來(lái)滿足這一要求。為了保證 其定位使得精度要求，須對(duì)固定支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì) [3537]。 如圖 51所示，若把氣缸 直接固定在門(mén)架兩端，氣缸會(huì)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(mén)式支架示意圖 l． 門(mén)架結(jié)構(gòu) 的 設(shè)計(jì) 為 解決 氣缸變 形而影響到定位精度這一問(wèn)題 ，在設(shè)計(jì) 方案 中提出了門(mén)式的支架 結(jié)構(gòu) ， 在門(mén)架水平橫梁上放置 氣缸， 以保證氣缸承載后不會(huì)產(chǎn)生變形。 門(mén)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(mén)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(guò)兩根槽鋼焊接而成，兩端 通過(guò)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(mén)架 橫梁 焊接圖 圖 54 門(mén)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(guò) 螺紋孔 聯(lián)接橫梁 槽鋼 2。 10mm 厚的鋼板焊接于 立柱底部 ，門(mén)架立柱結(jié)構(gòu) 如圖 55， 門(mén)架立柱截面 如圖 56 所示。 圖 55 門(mén)架 立柱結(jié)構(gòu) 圖 56 門(mén)架 立柱截面 門(mén)架結(jié)構(gòu)腳座如圖 57所示， 門(mén)架放置機(jī)械手后會(huì) 因其自重產(chǎn)生 載荷 和 扭矩， 為保證門(mén)架固定在地面上的穩(wěn)定性，需通過(guò)腳座進(jìn)行連接，通過(guò)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(duì)中要求，在腳座部分需設(shè)置調(diào)節(jié)槽，通過(guò)調(diào)整，使得整體機(jī)構(gòu)的組裝能夠順利進(jìn)行。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 37 圖 57 門(mén)架 腳座 與立柱連接示意圖 2． 門(mén)架 結(jié)構(gòu) 承載 能力 分析 門(mén)架結(jié)構(gòu)除自身重力影響外，還要受到機(jī)械手各模塊的重力影響。表 51為 機(jī)械手各部件質(zhì)量列表。 表 51 機(jī)械手部件質(zhì)量 匯總 表 門(mén)架的槽鋼材料 [39]為 Q235A，其許用應(yīng)力 ? ? 160?? Mpa，作用在門(mén)架上的平均應(yīng)力計(jì)算式為 SF/?? 式中 ： F為 門(mén)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(jì)算后得出平均應(yīng)力為 ???? Mpa 由此可見(jiàn) ? ＜＜ ??? ，所以門(mén)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(yùn)行 情況 研究 由于氣缸安裝方式的不同，負(fù)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(fù)載 力 、靜轉(zhuǎn)矩 負(fù)載 和動(dòng)轉(zhuǎn)矩 負(fù)載。 氣缸的總負(fù)載率須滿足 ? ?1na 。 1m a xm a xm a x ????? MeMeMMWWa n 式中： 靜負(fù)載力:W 允許最大靜負(fù)載力:M A XW 靜轉(zhuǎn)矩:M 允許最大靜轉(zhuǎn)矩:m a xM 動(dòng)轉(zhuǎn)矩:eM 允許最大動(dòng)轉(zhuǎn)矩:m a xeM 參考 氣缸 使用手冊(cè) [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(gè)靜負(fù)載力影響。 圖 58 氣缸 安裝方式 示意圖 機(jī)械手直臂氣缸缸體 部分 需要直接固定在滑塊上，這樣 械手直臂被 氣缸 帶動(dòng) 在水平方向 運(yùn) 動(dòng)， 氣缸中心與滑塊中心不在同一豎直直線上，會(huì)受到靜轉(zhuǎn)矩作用 ，如圖 59所示。 同時(shí)還會(huì)受到動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用。表 52 給出了氣缸最大負(fù)載值。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 39 圖 59 靜轉(zhuǎn)矩 作用 示意圖 表 52 氣缸允許的最大負(fù)載大小 通過(guò)公式 進(jìn)行 計(jì)算 ，得 出機(jī)械手直臂 部分 重量為 48ON，如果采用側(cè)面安裝 氣缸 ，由表 52 可 計(jì)算 靜負(fù)載力 W2最大 為 14ON，所以圖 59 只有通過(guò)正面安裝的形式才能保證 W1達(dá)到 5OON 且 Ml最大為 下面分析一下 實(shí)際受力情況，如圖 510 所示，假設(shè) 直臂 重量為 G， 滑塊受力點(diǎn)到機(jī)械手直臂 重心的距離為 L，方向向下。 圖 510 ML2B 氣缸實(shí)際受力形式 通過(guò)螺栓聯(lián)接方式將聯(lián)接件、 機(jī)械手直臂、 氣缸滑塊連接在一起， 產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的 靜轉(zhuǎn)矩 M的影響 MLZB 氣缸 ，公式為： 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 40 M=G L 前面已知機(jī)械手直臂 部分重量 G 為 480N，從 氣缸滑塊 到 機(jī)械手直臂重心的距離 L計(jì) 為 ， M=480N =72Nm 由以上公式 計(jì)算超過(guò)規(guī)定的 ， 運(yùn)行 將超額定負(fù)載， 側(cè)翻等危險(xiǎn)不容避免 ， 靜轉(zhuǎn)矩太大是引起這一問(wèn)題的 主要 原因，可以通過(guò)以下兩種方法解決這個(gè)問(wèn)題 : l． 減小 靜轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值 的方法 由以上公式可知，若要 將靜轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值 減小， 一種辦法是降低重量，即機(jī)械手直臂重量 W，另一種辦法是縮短距離即 直臂重心到氣缸滑塊 處 的距離 L， 氣缸及聯(lián)接件綜合組成 機(jī)械手直臂 部分，不可能 大 量減輕自重 ；由圖 510 可以看出， 距離 L如果減小的話，直臂就會(huì)直接 與 門(mén)架 干涉 。 通過(guò) 分析 ， 減小機(jī)械手重量和縮短中心道滑塊距離 都無(wú)法實(shí)現(xiàn) 。 2． 抵消 靜轉(zhuǎn)矩 數(shù)值的方法 在氣缸上增加一個(gè)大小相等、方向相等的靜轉(zhuǎn)矩，使之與原有靜轉(zhuǎn)矩進(jìn)行抵消，將其產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩消除。通過(guò)改變安裝方式，能夠非常容易的消除氣缸受到的轉(zhuǎn)矩作用，轉(zhuǎn)換為只受靜負(fù)載力作用。達(dá)到防止氣缸側(cè)翻的目的。 通過(guò)兩種方式的分析對(duì)比，可以通過(guò)改變機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)矩抵消。設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、安全高效的結(jié)構(gòu)以滿足其要求 [41， 42]。 機(jī)械手防側(cè)翻結(jié)構(gòu) 研究 通過(guò)通過(guò)分析，確定通過(guò)改變安裝方式，能夠非常容易的消除氣缸受到的轉(zhuǎn)矩作用，轉(zhuǎn)換為只受靜負(fù)載力作用。達(dá)到防止氣缸側(cè)翻的目的。設(shè)計(jì)在機(jī)械手直臂部分安裝一個(gè)配重件，使之產(chǎn) 生與原有靜轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反的作用，抵消原有轉(zhuǎn)矩，如圖 511 所示。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 41 圖 511 配重件 示意圖 配重件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖 512 所示， A 面與直線導(dǎo)軌副滑塊相連； B 面 氣缸滑塊相連； C面與機(jī)械手直臂連接。 在抵消轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，還要考慮到運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性以及是否發(fā)生干涉。 圖 512 槽型 配重件 依據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用的精密滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的行程為 15O0mm，基本上等同于氣缸的長(zhǎng)度，精度等級(jí)為 5 級(jí)，能夠滿足氣缸在水平方向上士 的定位精度要求，精密滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的型號(hào)為 GGB25AALlPl1 15005，外形如圖 513 所示。直線導(dǎo)軌上每隔 60mm 設(shè)置一個(gè)安裝孔，同時(shí)，在門(mén)架橫梁的側(cè)面也每隔 60mm 開(kāi)一個(gè)螺紋孔，用來(lái)安裝直線導(dǎo)軌。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 42 圖 513 滾動(dòng)導(dǎo)軌副 圖 514 導(dǎo)軌副承受轉(zhuǎn)矩示意圖 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 摩擦方式發(fā)生改變，滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)摩擦，降低摩擦阻力 [43]，并能夠承受四個(gè)方向的載荷 ，具有載荷高、剛度高、剛性好等特點(diǎn)，適用于多種場(chǎng)合 [44]。 本系統(tǒng)中 防止氣缸產(chǎn)生側(cè)翻 通過(guò)直線導(dǎo)軌副來(lái) 完成 ，受到轉(zhuǎn)矩 Mc（ 如圖514 所示 ） 的值為 402Nm， 氣缸能夠達(dá)到 防側(cè)翻 目的 。 接下來(lái)研究一下受力情況，首先分析聯(lián)接件自身受力情況，聯(lián)接件同時(shí)受到 三個(gè)載荷 ，即轉(zhuǎn)矩 M 由直線導(dǎo)軌副產(chǎn)生 、 重量 G由 機(jī)械手直臂 產(chǎn)生 和 支撐力F由 氣缸 產(chǎn)生 ， 三個(gè)載荷同時(shí)作用于 聯(lián)接件 使其 保持平衡， 忽略負(fù)載方向后 得出以下結(jié)論 : ??? ??? LGM GF 使用螺栓將聯(lián)接件與氣缸聯(lián)接在一起，連接件 產(chǎn)生一個(gè) 對(duì)氣缸 向下的 力F’ ， 與 支撐力 F正好是一對(duì)作用 和 反作用力，兩個(gè)力大小相等，方向相反。 F’ =F 由以上兩個(gè)公式可 得 F’ =G。 通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)， 受力形式 發(fā)生 改變，以受靜負(fù)載力的形式替代了受靜轉(zhuǎn)矩的形式。 靜負(fù)載力 480N，氣缸允許的最大靜負(fù)載力 為 500N， 忽略 轉(zhuǎn)矩，氣缸總負(fù)載率 為 : ? ???? 004 80m a xW Wa n 通過(guò)以上研究，采用增加配重件的方式抵消靜轉(zhuǎn)矩，使氣缸從在超額定負(fù)載下運(yùn)行變?yōu)樵陬~定負(fù)載內(nèi)運(yùn)行，大大提高了其剛使用的安全性，并完善了氣缸的整體結(jié)構(gòu)。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 43 本章小結(jié) 本章 針對(duì)試驗(yàn)情況，分析解決其出現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題， 一是由于氣缸的固定在門(mén)架結(jié)構(gòu)之上，由于其剛自身重量對(duì)門(mén)架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)載荷的作用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的反復(fù)作用，會(huì)使氣缸產(chǎn)生變形的可能，導(dǎo)致整體精度受到影響。采用增加固定橫梁的方式解決這一問(wèn)題。二是機(jī)械手直臂采用正面連接的方式進(jìn)行安裝，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于重心不在同一條豎直直線上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，在反復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中這個(gè)轉(zhuǎn)矩的作用會(huì)使門(mén)架結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)翻，嚴(yán)重影響機(jī)械手的使用性能。采用增加配重件的形式，改變了氣缸的結(jié)構(gòu)，將其靜轉(zhuǎn)矩加以抵消，使之得以解決。通過(guò)這兩個(gè)問(wèn)題的解決 從結(jié)構(gòu)上為氣缸的正常工作提供了安全保障，擴(kuò)展了氣缸的 使用范圍。 解決了氣動(dòng)裝卸機(jī)械手關(guān)鍵的技術(shù)難題。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 44 結(jié)論 本文針對(duì)現(xiàn)有數(shù)控車(chē)床上配備的以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的裝卸機(jī)械手，由于其 成本高和效率低等缺點(diǎn)，大大限制了裝卸機(jī)械手的廣泛推廣，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)控制技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行深入的研究，開(kāi)發(fā)了一套模塊化氣動(dòng)裝卸機(jī)械手，該設(shè)備具有成本低、速度高 等特點(diǎn) 。論文主要完成了如下工作 : 1． 針對(duì)現(xiàn)階段機(jī)械手現(xiàn)階段發(fā)展情況，從組成、分類及設(shè)計(jì)與選材原則三個(gè)方面介紹了機(jī)械手的基本特性。明確了機(jī)械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)四部分組成；按照用途、驅(qū)動(dòng)方式、控制方式的不同進(jìn)行了分 類；對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及選材原則進(jìn)行了分析，為下一步確定機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。 CK6132 數(shù)控車(chē)床，根據(jù) CK6132 數(shù)控車(chē)床的布局及機(jī)械手裝夾特點(diǎn)，對(duì)裝夾機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了確定：首先滿足手爪與卡盤(pán)對(duì)中精度、重復(fù)定位精度要求