立式銑床加工中心換刀機(jī)械手設(shè)計(jì)
2023-10-16 來(lái)源：大連華銳重工集團(tuán) 港口機(jī)械設(shè)計(jì)院 作者：車德曦,孫麒鈞
摘要:本文基于此設(shè)計(jì)一款多軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)床快速換刀機(jī)械手,首先通過(guò)對(duì)機(jī)床換刀機(jī)械手的實(shí)際工況和實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析,確定本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手自由度,然后通過(guò)自由度的分析確定機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式以及運(yùn)動(dòng)方式,進(jìn)而通過(guò)理論力學(xué)的相關(guān)知識(shí),對(duì)機(jī)械手的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算校核,從而完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)本次設(shè)計(jì)旨在加強(qiáng)對(duì)機(jī)械手知識(shí)的理解和應(yīng)用能力,以及對(duì)機(jī)床換刀機(jī)械手的發(fā)展提供一定的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);機(jī)器臂;換刀機(jī)械手
1、引言
隨著《中國(guó)制造2025》的推進(jìn),給新型制造業(yè)提出了新的要求和發(fā)展方向。 工業(yè)5.0的新時(shí)代發(fā)展正式基于智能制造的基礎(chǔ)進(jìn)行發(fā)展起來(lái)的,智能化的機(jī)器人勢(shì)必能夠引起新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命,目前全球各個(gè)國(guó)家正在努力地投入更多的時(shí)間和精力發(fā)展機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同配合應(yīng)用,旨在提高傳統(tǒng)生產(chǎn)力的發(fā)展,目前機(jī)械手是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。 但是針對(duì)復(fù)雜的高級(jí)的數(shù)控加工中心的研究和對(duì)機(jī)械手的配合使用目前還無(wú)良好的設(shè)計(jì)體系,目前機(jī)械手的應(yīng)用主要針對(duì)流水線的發(fā)展和應(yīng)用,其主要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單工序的物料搬運(yùn)和上下料取料,對(duì)于采用特定的機(jī)床仿形機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),目前還缺乏相關(guān)的理論參考和具體的實(shí)際案例,因此目前世界各國(guó)都在加大資金的投入和人才的培養(yǎng),著重發(fā)展與機(jī)床配合使用的機(jī)械手,因此,機(jī)械手的可靠性研究顯得尤為重要,能夠減少人工的勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。
2、總體方案設(shè)計(jì)
本次對(duì)于機(jī)械手的換刀應(yīng)用主要能夠滿足立式加工中心的回轉(zhuǎn)刀片中的換刀設(shè)計(jì),據(jù)此要求機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求能夠滿足多軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和上下移動(dòng),并且對(duì)于機(jī)械手手爪的設(shè)計(jì)能夠保證快速換裝,進(jìn)行滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有一定的負(fù)載要求,在快速移動(dòng)過(guò)程中,機(jī)械手能夠保證一定的強(qiáng)度和剛度,并且能夠滿足一定的回轉(zhuǎn)性能,作業(yè)速度高、靈敏度強(qiáng),并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單外形尺寸比較小,能夠滿足快速移動(dòng)和安裝。
2.1 自動(dòng)換刀動(dòng)作
換刀的動(dòng)作是機(jī)械手能夠滿足的基本性能要求,因此機(jī)械手的動(dòng)作在于多軸運(yùn)動(dòng)方便能夠滿足多方面的功能要求,并且機(jī)械手末端手爪的設(shè)計(jì)外形結(jié)構(gòu)比較小,能實(shí)現(xiàn)對(duì)刀庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配合定位取刀。 機(jī)械手在換刀過(guò)程中可分為5個(gè)動(dòng)作:抓刀動(dòng)作、拔刀動(dòng)作、換刀動(dòng)作、插刀動(dòng)作、復(fù)位動(dòng)作。
2.1.1抓刀動(dòng)作:換刀機(jī)械手在換刀時(shí),首先進(jìn)行抓刀動(dòng)作,刀套下轉(zhuǎn)90°,通過(guò)信號(hào)傳遞到行程開(kāi)關(guān),發(fā)出抓刀信號(hào)。 機(jī)械手進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作完成抓刀,完成抓刀動(dòng)作之后,發(fā)出拔刀信號(hào)。
2.1.2拔刀動(dòng)作:在收到拔刀信號(hào)時(shí),機(jī)械手臂在受到活塞桿的作用下,進(jìn)行下降拔刀動(dòng)作,完成拔刀后,發(fā)出換刀信號(hào)。
2.1.3換 刀 動(dòng) 作: 收 到 換 刀 信 號(hào), 機(jī) 械 手 手 爪 旋 轉(zhuǎn)180°,交換刀柄上的刀具和刀庫(kù)上的刀具,完成換刀動(dòng)作,觸發(fā)插刀信號(hào)。
2.1.4插刀動(dòng)作:接收到插刀動(dòng)作的信號(hào)之后,機(jī)械手臂下降將刀具放到指定的位置。 插刀完成之后,發(fā)出復(fù)位信號(hào)。
2.1.5復(fù)位動(dòng)作:機(jī)械手手爪反向旋轉(zhuǎn),機(jī)械臂配合手爪,進(jìn)行機(jī)械手的復(fù)位動(dòng)作,為下次換刀做好準(zhǔn)備。
2.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)床機(jī)械手主要可分為坐標(biāo)式、圓柱式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)型等主要四種方式,其以下對(duì)各個(gè)類型進(jìn)行分析已確定本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要類型:
2.2.1 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
直角式坐標(biāo)機(jī)械手,其能夠滿足 XYZ三個(gè)方向的上下移動(dòng),如以下圖所示,其對(duì)空間尺寸的占用比較大,并且其運(yùn)動(dòng)中采用絲桿進(jìn)行上下移動(dòng),因此運(yùn)動(dòng)控制中具有一定的運(yùn)動(dòng)精度,但對(duì)空間自由的靈活性比較小,運(yùn)動(dòng)自由度比較少。
2.2.2 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)械手其在結(jié)構(gòu)上相對(duì)于直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)基座的回轉(zhuǎn)自由度,其控制精度比較適中。
2.2.3 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)械手其結(jié)構(gòu)上增加兩個(gè)關(guān)節(jié)處的回轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)方向的直線移動(dòng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造和加工性比較低,因此在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用比較少,其控制運(yùn)動(dòng)精度比較適用,回轉(zhuǎn)靈活性比較好。
2.2.4 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)方向的回轉(zhuǎn),其靈活性比較高,組合回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間方向上的自由移動(dòng),其外形尺寸比較小,因此工業(yè)適應(yīng)性比極高,其機(jī)械手的多功能回轉(zhuǎn)性比較高,多用在焊接、裝配、涂裝等多種情況。圖1為四種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型,根據(jù)本次的機(jī)床換刀要求,其換刀的路徑軌跡并非為固定的單一形式,因此本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用多功能關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu),能夠同時(shí)滿足多方面空間移動(dòng),本次設(shè)計(jì)根據(jù)查閱機(jī)床刀具可得刀具質(zhì)量2-6kg左右,并且對(duì)于機(jī)械手的外形尺寸結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單,機(jī)械手的回轉(zhuǎn)控制盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化部件進(jìn)行設(shè)計(jì),減少結(jié)構(gòu)的安裝復(fù)雜性,因此結(jié)構(gòu)可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),對(duì)于速度和力矩控制要求,可采用減速電機(jī),對(duì)于回轉(zhuǎn)支撐可采用回轉(zhuǎn)軸承固定安裝,對(duì)于機(jī)械手自動(dòng)度要求根據(jù)本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手具體在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用,本次設(shè)計(jì)采用六自由度的結(jié)構(gòu)控制,能夠保證的機(jī)床換刀工作中能夠滿足移動(dòng)、旋轉(zhuǎn),從而保證換刀的精度和速度。
圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型
3、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 基本尺寸的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中,各個(gè)部件與電動(dòng)機(jī)、減速器配合連接,故依據(jù)常用電動(dòng)機(jī)和減速器的基本尺寸對(duì)整個(gè)換刀機(jī)械手裝置進(jìn)行設(shè)計(jì),并確定其基本尺寸如圖2所示。
圖2 基本尺寸示意
3.2 主要零部件的設(shè)計(jì)
3.2.1 底座的設(shè)計(jì)
底座在整個(gè)裝置中的功能有兩個(gè),一是作為機(jī)械手的底座,起承載整個(gè)機(jī)械手的作用,二是機(jī)械手底座與機(jī)床的連接作用,固定在機(jī)床上。
在設(shè)計(jì)時(shí),底座為空腔,將減速器和電動(dòng)機(jī)裝入底座的內(nèi)部,作為驅(qū)動(dòng)源,因此底座的尺寸依據(jù)電動(dòng)機(jī)外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。 在底座上端應(yīng)留有兩個(gè)凸臺(tái),上凸臺(tái)留有4個(gè) M4的螺栓孔,通過(guò)支撐軸承與大臂座進(jìn)行連接,下凸臺(tái)留有4個(gè) M5的螺栓孔,與電動(dòng)機(jī)和減速器連接。
3.2.2 大臂座的設(shè)計(jì)
大臂座是連接底座與大臂的中間裝置,首先需要與底座進(jìn)行固定連接,在大臂座底端留有4個(gè) M4的螺栓孔,通過(guò)支撐軸承與大臂座連接。 大臂座的旋轉(zhuǎn)需要底座內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力,因此在設(shè)計(jì)時(shí),底端留有3×3×10的鍵槽,與減速器進(jìn)行連接。
在大臂座右端應(yīng)裝入電動(dòng)機(jī)和減速器,右端孔的大小為114mm,深度為80mm,在孔的一側(cè)應(yīng)留有凸臺(tái),其大小與底座凸臺(tái)大小一致。
3.2.3 大臂的設(shè)計(jì)
大臂是底座與上部機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的樞紐,大臂大端圓弧半徑為55mm,大端處留有4個(gè) M5的螺栓孔與大臂座的支撐軸承進(jìn)行連接。大臂小端圓弧半徑為42mm,留有4個(gè) M5的螺栓孔與小臂座進(jìn)行連接固定。大臂總長(zhǎng)477mm,具體設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 大臂
3.2.4 小臂的設(shè)計(jì)
小臂是連接大臂與腕部的中間樞紐部件,小臂后端與大臂安裝的電動(dòng)機(jī)、減速器裝置相連接,前端通過(guò)支撐軸承與腕部連接,小臂可通過(guò)電機(jī)進(jìn)行360°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)小臂總長(zhǎng) 380mm, 寬 120mm。 小臂兩側(cè)設(shè)計(jì)半徑為34mm 的孔,通過(guò)4個(gè) M4的螺栓與腕部相連接,具體設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 小臂
3.2.5 腕部的設(shè)計(jì)
腕部是連接手爪與小臂的中間體,其內(nèi)部裝有電動(dòng)機(jī)和減速器,腕部?jī)蓚?cè)分別設(shè)計(jì)高為15mm、25mm,直徑為30mm 的凸臺(tái),通過(guò)滾動(dòng)軸承與小臂進(jìn)行連接。 腕部前端留有凸臺(tái),并在凸臺(tái)上留有4個(gè) M5的螺栓孔,與手爪凸臺(tái)機(jī)構(gòu)連接。
3.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
夾持機(jī)構(gòu)通過(guò)張合對(duì)刀具進(jìn)行夾緊和放松動(dòng)作,由手爪上的夾齒對(duì)刀具進(jìn)行夾持。
手爪對(duì)刀具的夾緊力可以按下式計(jì)算:
根據(jù)以上計(jì)算,對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖5所示:
圖5 刀柄夾持機(jī)構(gòu)
3.4 主要材料的選擇
在本次設(shè)計(jì)中,電動(dòng)機(jī)選擇輕型塑料外殼所制造的類型,機(jī)械臂使用6個(gè)電動(dòng)機(jī)和減速器來(lái)完成驅(qū)動(dòng),使用塑料外殼制造的能夠極大的減少整體自重,可以減輕驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的損耗。
結(jié)合材料需要輕量化的思路,在完全達(dá)到強(qiáng)度參數(shù)的同時(shí),還應(yīng)分析質(zhì)量造成的影響,以及經(jīng)濟(jì)性、便利性等多個(gè)關(guān)鍵因素。 選擇5000系列鋁合金材料,鎂含量在3~5%之間,常稱為鎂鋁合金,具有密度低,抗拉強(qiáng)度高,延伸性能好。
4、換刀機(jī)械手的建模
換刀機(jī)械手的重要工作就是完成機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作,因此機(jī)械手對(duì)其運(yùn)動(dòng)具有較高的要求,如果只有計(jì)算而不設(shè)計(jì)三維模型很難想象具體的機(jī)械手結(jié)構(gòu)空間以及具體動(dòng)作形式,因此需要通過(guò) SolidWorks三維建模軟件對(duì)換刀機(jī)械手的主要大致結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制三維模型,并通過(guò)相關(guān)模擬裝配將結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體表達(dá),傳統(tǒng)的二維輔助軟件其內(nèi)容不夠,形式只能夠進(jìn)行輔助加工,采用直觀的三維造型不僅能夠直觀表達(dá)各個(gè)主要結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系,而且還能夠?qū)λO(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行檢查修正以保證設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求,而且后續(xù)為了能夠更好的模擬其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)三
維模型也是一個(gè)重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。
5、結(jié)論
本次機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合減速器進(jìn)行關(guān)節(jié)動(dòng)作,對(duì)于夾爪結(jié)構(gòu)主要通過(guò)夾爪進(jìn)行張開(kāi)閉合。 通過(guò)對(duì)換刀動(dòng)作的分析,確定雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手作為設(shè)計(jì)模型。 對(duì)機(jī)械手整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),依照換刀路徑軌跡確定多功能關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。 預(yù)期設(shè)計(jì)六自由度換刀機(jī)械手,確定換刀機(jī)械手的參數(shù)以及各關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)范圍。 通過(guò)刀柄夾持機(jī)構(gòu)的夾緊力進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)手爪夾持機(jī)構(gòu)。 以機(jī)械手腕部為例,進(jìn)行腕部扭矩的計(jì)算和校核,選取對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)和減速器,并對(duì)其他部件進(jìn)行電動(dòng)機(jī)和減速器的選型。 確定鋁合金為主要材料,并根據(jù)電動(dòng)機(jī)、減速器與各個(gè)部件的配合尺寸對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行基本尺寸的 設(shè) 計(jì)。其中底座高258mm, 大臂兩端中心距為280mm,小臂和腕部總長(zhǎng)737mm。
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