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1、一 种换刀机械手卡爪夹紧机构的设计 李剑玲 贺炜 丁毅 王宁侠 1 陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 成阳 7 1 2 0 8 1 ； 2 陕西科技大学 设计学院， 陕西 西安 7 1 0 0 0 0 摘要 ： 运用优化设计的方 法， 设 计 了一种应用于立卧两用换刀场合的机械 手卡爪机 构。该机 构结构简单 、 机构 紧凑、 可 靠性 高， 是一种 比较 实用的机械手卡爪机 构。 关键词 ： 自动换 刀装置 ； 双臂机 械手 ； 优化设计 中图分类 号 ： T G 6 5 9 0 2 3 1 文献标识码 ： B文章编号 ： 1 0 0 1 2 2 6 5 ( 2 0 0 3 ) 1 00
2、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
3、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 自动 换 刀装置 及 双臂式 换 刀机械 手 在机械加工 中， 大部分 零件都 要进行 多种工 序加工 。在一 般数控机床 的整个加工 过程 中 ， 真 正用于 切削 的时间
4、 只占整个 工作时间的 3 0 左右 ， 其余 的大 部分 时 间都 花在 安装 、 调 整刀 具 、 装 卸 、 搬运零件 和检查 加工精度等辅助工作上 。为充分发挥 机床 的作用 ， 数控加工 中心均配有 自动换刀装置 。 自动换刀装置 的职能是将机床 主轴用 过的刀具与刀库 或刀 具传送装置下一道工 序要用 的刀具 进行交换 。其动作循 环是 ： 拔刀一刀具交换一装刀 。 根据刀具夹持器 的数 目不 同可分 为单臂 式机 械手 和双臂式 机械手 。由于双臂机械手 具有换 刀时 间短 ， 动作灵 活可靠 等优 点 ， 因此常采用 双臂 机械手 作为加 工 中心 的刀具 交换装置 。双 臂式
5、机械手 的型式见 图 l 。图 l 所示 的几种双臂机 械手均是 两 手同轴 ， 主要用 于刀库轴 线和 主轴 轴线平 行 的场合。另有一 种 常用的双臂机械手 的两手成 一定角 度 ， 特 殊 的是 9 0 。 ， 称为 直角 形机械手 ， 该机械手用于刀库轴线和 主轴垂直 的场合 ， 如图 2 所 示 。 图 1双臂机械 手 双臂机械手进 行一 次 换刀的循环的最基 本动作 为 ： ( 1 ) 抓刀 ： 手臂旋转 或 伸出 ， 同时 抓住 主轴 和 刀 库里的刀具。 ( 2 ) 拔 刀 ： 主 轴松 开 ， 机械手 同时将 主轴 和刀库 中的刀具拔 出。 ( 3 ) 换 刀 ： 手 臂 旋
6、 转 l 8 0 。 。 刀具交换 。 ( 4 ) 插刀 ： 同时将刀具 图 2 直角型双臂机械手 插入 主轴 和刀库 ， 然后 主轴 夹紧刀具 。 ( 5 ) 缩回 ： 手臂缩 回原始位置。 根据我们所设计立 卧两用换刀机 械手 的工 作要求 。 本换刀 机械手选用 直角形 双臂机械手 。 2 机械手卡爪机构选用及工作原理 如图 3所示 ， 油缸 l 1 、 定位块 8固定在换刀臂 l 0上 。 活塞 固 定 于定位块 8上 。换刀手 由准备位置移 至换刀 位置 ， 键 2卡进 刀具定位槽 中， 此时 ， 油缸 l 1 推动活塞组 件 9 ， 在定位块 8的导 向下 向前滑动 ， 使 得两
7、卡爪 l 、 3分别绕轴 4 、 5转动 ， 直至卡爪夹 图 3 换刀臂 内部结构图 4 8 组合机床与 自动化加工 维普资讯 http:/ 紧刀具 ， 此时 ， 活塞 组件 9将 卡 爪锁 上。卡爪 的松 开 是 由油缸 l 1 内的弹簧带动 活塞组件 9 后 移 ， 卡爪 l 、 3分别在 弹簧 球 6 、 7 的作用下与件 9保持接触 ， 卡爪松开后 ， 换刀手退至准备位置 。 本卡爪夹紧机构利用活塞组件 9实现 了卡紧 、 锁止 的联 动 ， 在油压较小时也能有效地锁 紧 刀具。如 图 3所示 ， 当锁 止角 a = l 5 。 时 ， F =P s i n l 5 。 一3 9 F，
8、 也就 是 说作 用 于 卡 爪上 的力 ( F l +F 2 ) 比所提供 的作用 于件 9上 的油压力 大约大 4倍 ， 故可 满 足锁 止要求 。 3 机 械手 的设 计及 计算 3 1 手指握力的计算 当手指水平 位置夹持垂 直刀具 时 ， 手指 握住 刀具时需 要的 夹 紧力最大 ， 取安全 系数为 2 ， 刀具 质量按 8 k g 计算 ， 则握力为 ： N=2 mg=289 8=1 5 6 8 ( N) 3 2 手部的驱动力计算P t 如图 4 所示， P为油压力， G为刀具 一 的重量 ， 为手指夹住 刀具的夹紧力 ， 则 P ： t z口 C 一 其 中 C为动力 臂 ， b
9、为 阻力臂 ， C=6 2 ， 取 口=1 5 。 。从而 P =4Nt g al 5 。 为了考虑 刀具 在传动 时惯性 力 、 振 动 及传动效率 的影 响 ， 其实际驱动力 ： P 宴 际 P 图 4 手部 受力分析 式 中： 手部机械效率 k ， 安全系数 2 工作情况系数一般取 0 8 5 0 9 5 在此分 别取值 ： 7 =0 9 ， k l =1 5 ， k 2 =l 。从 而 ： P宴际 P = 一 2 8 0N 3 3 复位弹簧的设计 3 3 1 基本参数 弹簧选用普 通 圆柱 压 缩 弹 簧 ， 弹簧 类 型 为 I I 类 ， 材 料 为 6 5 Mn 。当钢丝 直径
10、为 2 2 2 5时 ， 有 口=1 6 1 8 MP a ， 弹性模量 G为 7 8 5 0 0 MP a ， r =0 4 0 口=6 4 7 MP a 。设 计 手 爪 的 摆 幅 为 2 0 mm， 则 当弹簧 受到最大工作 载荷 F一 时 ， 弹簧的最 大变形 量 A = 1 0m m o 对弹簧进行受力分析 ， 计算 得弹 簧受到最 大工作 载 F 一 荷 为 5 0 7 N。 3 3 2 手爪 的优 化设计 ( 1 ) 选取 优化对 象 ： 为 了使手爪的结构更 紧凑 ， 尺寸设计更合理 ， 同时也为 了提 高机械手的性能和使用寿 命 ， 我们对机 械手手爪 进行 了优化设 计
11、。复位弹簧的 自由高度对机械手手爪 的体积大小有举足轻重 的影响 ， 故在对手 爪的优化设计 中， 我们首先对复位弹簧进行优 化设计 。 ( 2 ) 确定设计 变量 设计变量是指在设计过程 中进行选择并最终必须确定 的各 项独立参数 。在此选取设计变量为弹簧丝直径 d 、 弹簧 中径 D 及弹簧的有效圈数 n 。即 X= d D 2 n = l 2 3 ( 3 )确定 目标 函数 要进行优化设 计 ， 首先应 该根据 实际要求 选择确定 优化 的 目标函数。 目标函数是设计 中预期要达 到的 目标 ， 表达 为各设 计变量的函数表达 式 ： ， ( X) = f ( l ， 2 ， ， ) 它
12、代 表设 计的某项最重要的特征 。在设计 中如果所要求的 性能指标较 多 ， 就应该以其 中最 重要的 指标作 为设 计的 目标 或 者将各 目标函数以加权 的方法组成一个总 的目标 函数 。这里选 取弹簧的有效 圈数 n最小为 最优化设 计 的 目标 。根 据对 弹簧 刚度的要求范围有 ： = l 0 Gd4 = X 3 从而得 目标函数 ： f ( -x) = = ( 4 ) 确定约束条件 目标 函数取决 于设计 变量 ， 而设计 变量的取值 范围 常常是 有限的或必须 满足 一定 的条件 ， 称 之 为约束 条件 或设计 约束 。 选取设计 变量 ， 列出 目标 函数 ， 给定合理的约束
13、条件后便 可构 造 最优化设计 的数学模型 ， 建立最优化设计 的数学模型 以后 ， 即可 选择合适 的最优化方法解题 ， 求 目标 函数 的最优解 。 1 ) 根据旋绕 比的范 围有 ： g l ( ) =4 一x_ _ 22 0 g 2 ( X)= 一9 0 2 ) 根据弹簧的强度条件有约束条件 ： 1 6 6( ) 6 647 MP a 3 ) 根据弹簧的疲劳强度要求给出约束 条件 ： 6 6( 2 l 6 d ， c 1 o 由以上所述可得 以弹簧工作圈数为 目标函数的最优 化设计 模型如式 ( 1 ) ： mi n = 一 X= l 2 3 = d D2 n 4 一 x _22 0
14、1 兰 一 90 1 m s ) ， 故需 要安 装缓 冲装置 ， 我们选用 缓冲性 能较好 的可变 节流缓 冲装置 。如 图 5所示 。为了避免含有空气的油进入系统后对液压系统造成 的侵害 ， 需在液压缸上安装 如图所示的排气阀 ， 见 图 6 。 图 5 可 变节 流缓冲装置 图 6 排气阀 缸 筒 材 料 选 用 4 5 号 钢 调 质 ， 缸 筒 内 径 和 活 塞 用 害 配 合 ， 表 面粗糙度 ， 缸筒 内表面研磨 。活塞材 料用 耐磨 铸铁 ， 活塞和活塞 杆 采 用 螺 纹 连 接 ，害 配 合 ， o 型 圈 密 封 。 端 盖 材 料 用 4 5 号 钢 锻 件 ， 端盖
15、和缸筒采用螺 纹连 接 ， 活塞杆头部用螺纹连接 。 4结束语 该机械手卡爪夹紧机构结构 简单 ， 经优化设计 ， 使其结构 更 加紧凑 ， 可靠性更 高 ， 故该机械 手卡爪夹 紧机构是 一种实用 、 合 理 的机构 。 参考文献 】 1 詹启 贤 自动机械设计 M 北京 ： 中国轻工业 出版社 ， 1 9 9 2 2 濮 良贵 ， 纪 名 刚 机 械设 计 M 北 京 ： 高等 教 育 出 版社 ， 1 9 96 3 刘惟 信 机械最优化设 计 M 北京 ： 清华 大学 出版社 ， 1 9 9 4 4 李寿刚 液压传 动 M 北京 ： 北 京理 工大学 出版社 ， l 9 9 4 5 吕凤
16、翥 c+ + 语 言基础教程 北京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 9 6 邵名健 一种新结 构的立卧换刀机械手 机 械传 动 ， 1 9 9 8 ( 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 30 40 3 作者简介 ： 李剑玲 ( 1 9 7 8一) ， 女 ， 陕西洛南人 ， 陕西科 技大学 硕士研究生 。 ( 编辑江复 ) ( 上接 第 4 7页) 表 1 椭 圆曲线节 点坐标 I 单位 ： 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
17、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
18、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
19、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
20、 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 参考文献】 1 刘跃南 计 算机 数控 及其应 用 北 京 ： 机 械工 业 出版社 ， l 9 95 2 薛彦成 数控原理与编程 北京 ： 机械工业出版社 ， 1 9 9 4 3 邹俊鹏 机床数控技术 哈尔滨 ： 哈 尔滨工业大学 出版社 ， l 9 9 5 收稿 日期 ： 2 0 0 3 0 31 7 作者简介 ： 蒿建军 ( 1 9 5 4 一) ， 男 ， 新疆昌吉人 ， 攀枝花学 院机 电工程 系副教授 。 ( 编辑江复) 组合机床与 自动化 加工 维普资讯 http:/