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        數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2021-09-10 11:19:13管樹(shù)龍
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年7期
        關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng)數(shù)控車(chē)床機(jī)械手

        管樹(shù)龍

        摘要:針對(duì)于數(shù)控車(chē)床而設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型的自動(dòng)上下料機(jī)械手。主要通過(guò)應(yīng)用CAD對(duì)數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手液壓傳動(dòng)原理、機(jī)械手整體以及部分零件的二維圖繪制,同時(shí)運(yùn)用Solidworks對(duì)數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手進(jìn)行三維模型的繪制以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真的制作。并分析了數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手的操作流程,主要采用液壓缸、步進(jìn)電機(jī)等元件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部分。

        關(guān)鍵詞:數(shù)控車(chē)床;機(jī)械手;傳動(dòng)機(jī)構(gòu);液壓系統(tǒng);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

        中圖分類(lèi)號(hào):TH122;TG65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):1674-957X(2021)07-0075-03

        0 ?引言

        機(jī)械手是在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中,通常用來(lái)夾持與運(yùn)輸工件的一種裝置,屬于工業(yè)機(jī)器人的一種。機(jī)械手可以向人類(lèi)手臂一樣工作,模仿并代替人類(lèi)按照預(yù)定要求完成運(yùn)輸工件以及夾持工件等作業(yè)。例如在一些危險(xiǎn)環(huán)境下的工作以及周期性重復(fù)無(wú)聊的工作,機(jī)械手都可以很好地代替人類(lèi)將其完成,并且機(jī)械手在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)的同時(shí)也可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè),自動(dòng)化的發(fā)展,工業(yè)機(jī)械手的研發(fā)也越來(lái)越引起大家的關(guān)注。正是由于機(jī)械手的應(yīng)用十分廣泛,所以機(jī)械手的研發(fā)十分重要。

        1 ?數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案

        1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        因所研究機(jī)械手自由度為3,包括兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),共計(jì)三種運(yùn)動(dòng)方式。其中直線運(yùn)動(dòng)為手臂的升降及伸縮。回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為機(jī)械手機(jī)座的旋轉(zhuǎn)。選擇此結(jié)構(gòu)類(lèi)型的好處是機(jī)械手手臂活動(dòng)范圍較大且精度較高。并且其構(gòu)造簡(jiǎn)單,易裝卸。機(jī)械手工作布局如圖1,整體結(jié)構(gòu)造型如圖2。

        1.2 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手手部設(shè)計(jì)

        機(jī)械手手爪與手腕相連接,屬于末端執(zhí)行器的一種,安裝在手腕末端。機(jī)械手手爪部位結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的夾緊力,保證可以?shī)A緊工件,使工件牢固穩(wěn)定。通常情況下,機(jī)械手手爪的開(kāi)閉范圍越大越好,本設(shè)計(jì)中機(jī)械手手爪開(kāi)閉范圍如圖3。

        手爪結(jié)構(gòu)采用的是齒輪齒條式。通過(guò)活塞往返帶動(dòng)齒條完成手爪張開(kāi)或夾緊的動(dòng)作。手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體如圖4。

        1.3 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)

        機(jī)械手的手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部位??紤]到操縱器在工作中的穩(wěn)定性和安全性,將兩個(gè)平行的導(dǎo)向桿添加到該對(duì)象的水平框架中,使其與運(yùn)動(dòng)活塞桿截面形成等腰三角形結(jié)構(gòu)如圖5,以保證其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定牢靠。垂直手臂添加四個(gè)導(dǎo)桿其截面為正四邊形如圖6,每個(gè)導(dǎo)桿都選用空心結(jié)構(gòu)以保證機(jī)械手整體重量。添加此導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)主要原因是可以保證機(jī)械手整體穩(wěn)定。

        1.4 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手機(jī)身機(jī)座設(shè)計(jì)

        機(jī)械手機(jī)座包括腰部和底座兩部分組成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中機(jī)械手的機(jī)座部分底座截面需要足夠大以保證機(jī)械手整體工作時(shí)的穩(wěn)定。同時(shí)底座需要一定承載能力以保證可以承受機(jī)械手整體重量。且其結(jié)構(gòu)裝卸要方便。機(jī)身機(jī)座結(jié)構(gòu)如圖7所示。

        2 ?理性分析計(jì)算以及主要參數(shù)確定

        2.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算

        ①液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)選擇定量泵供油,為了保證液壓油無(wú)雜質(zhì)摻進(jìn),選擇在油泵入口添加粗過(guò)濾器,在其的出口安裝精過(guò)濾器凈化。其中包括垂直手臂的升降,水平手臂的伸縮,以及機(jī)械手手爪的張開(kāi)閉合三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

        ②液壓傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)確定。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)包括壓力和流量。壓力取決于外載荷,流量決定于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。

        1)液壓缸所受的總機(jī)械載荷為:

        F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb ? ? ? ? (1)

        經(jīng)計(jì)算得F=1088N。

        2)手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算。

        手爪要想正常抓起物品進(jìn)行工作必須要滿(mǎn)足的條件,

        帶入數(shù)據(jù),計(jì)算得:N=120N。

        3)理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算:

        (2)

        帶入數(shù)據(jù),計(jì)算得:p=377N

        計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為:

        (3)

        帶入數(shù)據(jù),計(jì)算得:Fc=920N

        而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的,故有

        Fc=P·A

        經(jīng)計(jì)算,所需的油壓約為3MPa。

        4)液壓缸參數(shù)確定。

        機(jī)械手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數(shù)見(jiàn)表1、表2以及表3。

        2.2 電機(jī)的選擇以及參數(shù)計(jì)算

        2.2.1 電機(jī)參數(shù)計(jì)算

        本研究中機(jī)座腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)形式取第二種回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。計(jì)算過(guò)程如下:

        已知公式: ? (4)

        代入數(shù)據(jù),計(jì)算得N·m。

        2.2.2 電機(jī)選型

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,綜合考慮各種因素,通過(guò)查閱《機(jī)械手冊(cè)》,最終本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為110BYG550B-SAKRMA-0301的步進(jìn)電機(jī),此電機(jī)轉(zhuǎn)矩較高,振動(dòng)較低,綜合性能較好。該電機(jī)技術(shù)參數(shù)以及參數(shù)曲線見(jiàn)表4及圖8。

        3 ?數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 機(jī)械手的工作流程

        如圖9所示為機(jī)械手的工作流程圖。

        機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始,水平手臂前伸到達(dá)指定位置后,水平手臂前伸停止,垂直手臂下降,下降同時(shí)張開(kāi)機(jī)械手手爪,下降到達(dá)指定位置后,下降停止,同時(shí)手爪閉合夾持工件,接著垂直手臂向上運(yùn)動(dòng),到達(dá)指定位置后,運(yùn)動(dòng)停止;機(jī)械手機(jī)座逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)過(guò)90度到達(dá)位置后,停止轉(zhuǎn)動(dòng);然后垂直手臂需下降到卡盤(pán)中心位置停止,機(jī)械手完成定位,水平手臂收回,將工件裝入卡盤(pán);完成裝件后,卡盤(pán)收緊,機(jī)械手手爪張開(kāi),然后垂直手臂向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置后上升停止;機(jī)械手機(jī)座順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)過(guò)90度到達(dá)位置后轉(zhuǎn)動(dòng)停止,此時(shí)機(jī)械手回到原點(diǎn)待命,車(chē)床進(jìn)行加工。

        數(shù)控車(chē)床完成工件加工,機(jī)械手接到下料命令后,機(jī)械手機(jī)座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后停止,垂直手臂向下運(yùn)動(dòng)到指定位置后停止,手爪閉合夾持住已加工工件,車(chē)床卡盤(pán)打開(kāi),水平手臂前伸取出工件,垂直手臂向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置后停止,機(jī)座順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度到達(dá)位置后停止;垂直手臂向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)位置后停止,手爪張開(kāi),將工件放入指定位置后,垂直手臂繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng),到達(dá)位置后停止,手爪閉合,最后機(jī)械手水平手臂向后伸縮,到達(dá)位置后縮停止,機(jī)械手回到原點(diǎn),上下料過(guò)程結(jié)束。

        3.2 數(shù)控車(chē)床自動(dòng)上下料機(jī)械手操作面板

        本設(shè)計(jì)理想操作面板如圖10所示。工作方式分為手動(dòng)與自動(dòng)。

        手動(dòng):通過(guò)按鈕控制。如工作方式選為手動(dòng),運(yùn)動(dòng)方式選為升降,此時(shí)按下啟動(dòng),垂直手臂上升;按下停止,垂直手臂下降。或運(yùn)動(dòng)方式選為伸縮,按下啟動(dòng),水平手臂向前伸縮,按下停止,水平手臂向后伸縮。同理,運(yùn)動(dòng)方式選為正逆旋轉(zhuǎn),按下啟動(dòng),機(jī)座順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),按下停止,機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

        自動(dòng):按下啟動(dòng)鍵,機(jī)械手將從原點(diǎn)開(kāi)始自動(dòng)完成循環(huán)動(dòng)作。按下停止鍵,機(jī)械手將繼續(xù)完成一次循環(huán)動(dòng)作后停止,最后再次回到原點(diǎn)位置。

        參考文獻(xiàn):

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