立式銑床加工中心換刀機械手設計
2023-10-16 來源：大連華銳重工集團 港口機械設（shè）計院 作者：車德曦,孫麒鈞（jun1）
摘要:本文基於（yú）此設計一款（kuǎn）多軸運動的機床快速換刀機械手,首先通過對機床換刀（dāo）機械（xiè）手的（de）實際工況和實際運動情況進行分析,確定本次（cì）設計的（de）機械手自由度,然後通過（guò）自由度的分析確定（dìng）機械手的結構形式以及運動方式,進而通過（guò）理（lǐ）論（lùn）力學的相關知識,對機械手（shǒu）的關節設計、機（jī）械臂的設計進（jìn）行計算校（xiào）核,從而完成機械手的結構設計,通過本（běn）次設計旨在加強對機械手知識的理解和應（yīng）用能力,以及對機床換刀機械手的發展提供一定的依據。
關鍵詞:結構設計;機器臂;換刀機械手
1、引言
隨著《中國製造2025》的（de）推進,給新型製造業提出了新的要求和發展方（fāng）向。 工業5.0的新時代發展正式基於智能製造的基礎進行（háng）發展起來的,智能化的機器人勢必能夠引起新的技術產業革（gé）命,目前全球各個國家正在努力地投（tóu）入更多的時間（jiān）和精力發展（zhǎn）機械手在各個領域的協同配合應用（yòng）,旨在提高（gāo）傳（chuán）統生產力的發展,目前機械手是（shì）近年來發展（zhǎn）起（qǐ）來的高科技（jì）自動化生產設備。 但是針對複雜的高級的數（shù）控加工（gōng）中（zhōng）心的研究（jiū）和對機械手的（de）配合使用目前還無良好的設計體係,目前機（jī）械（xiè）手（shǒu）的應用主要針（zhēn）對流水線（xiàn）的發展和應用,其主要實現簡單工序的物（wù）料搬運和上下（xià）料取（qǔ）料,對於采（cǎi）用特定（dìng）的機床仿形機械手的結構設計,目前還缺乏相關的理論參考和具體的（de）實（shí）際（jì）案例,因此目（mù）前世界各國（guó）都在加大資金的投入和人才的（de）培養,著（zhe）重發展與機床配合使用的機械手,因此（cǐ）,機械手的可靠（kào）性研（yán）究顯得尤為（wéi）重要,能夠減少人工的（de）勞動作業強（qiáng）度（dù）。
2、總體方案設計
本次對於機械手的換刀應用主要能夠滿足立式加工中心的回轉刀片中的換刀（dāo）設計,據此要求機械手的設（shè）計（jì）要（yào）求能夠滿足多軸的轉動和上下移動,並且對於機械手手爪的設計能夠保證快速換裝,進行滑塊的結構設計,具有一定的負載要（yào）求,在快速移動過程中,機械手能夠保證一定的強度和剛度,並且（qiě）能夠滿足一定的回轉性能,作業速度高、靈敏度強,並（bìng）且結構簡（jiǎn）單外形尺寸比較小,能夠滿（mǎn）足快速移動和安（ān）裝。
2.1 自動換刀動作
換刀的動作是機械手（shǒu）能夠滿足的基本性能要求（qiú）,因此機械（xiè）手的動作在於多軸運動（dòng）方便能夠滿足（zú）多方麵的功能要求,並且機（jī）械手末端手爪的設計外形結構比較小,能實現（xiàn）對刀庫結構進行配合定位（wèi）取刀。 機械手在換刀（dāo）過程中可分為（wéi）5個（gè）動作（zuò）:抓刀動（dòng）作、拔（bá）刀動作、換刀動作、插刀動作、複位動作。
2.1.1抓刀動作:換刀（dāo）機械手在換（huàn）刀時,首先進行抓刀動作（zuò）,刀套下轉90°,通過（guò）信號傳遞到行程開關,發出抓刀信號。 機械手進行回轉（zhuǎn）動作完成抓刀,完成抓刀動作之（zhī）後,發出拔刀信號。
2.1.2拔刀動作:在收到拔刀信號時,機械手臂在受到活塞杆的作用（yòng）下,進行下降拔刀動（dòng）作,完成拔（bá）刀後,發（fā）出換刀信號。
2.1.3換 刀 動 作: 收 到 換（huàn） 刀 信 號, 機 械（xiè） 手 手（shǒu） 爪 旋 轉180°,交換（huàn）刀柄上的刀具和刀庫上的刀具,完成換刀動作,觸發插刀信號。
2.1.4插刀動作:接收到（dào）插刀動作的信號之（zhī）後,機械手臂（bì）下（xià）降將（jiāng）刀具放到指定的位置。 插刀完成之後（hòu）,發出複位信號。
2.1.5複位動作:機械手手爪反向旋轉,機械臂配合手爪,進行機械手的複位動作,為下次換刀做好準（zhǔn）備。
2.2 機械手機構的設計
機床（chuáng）機械手主要可分為坐（zuò）標式、圓柱式、球坐標式、關節型等主要四種方式,其以（yǐ）下對（duì）各個類型進行分（fèn）析已確定本次結構設計的主要類型:
2.2.1 直角坐標機械手結構
直角式（shì）坐標機械手,其（qí）能夠滿足 XYZ三個方向的上下移動,如以下圖所（suǒ）示,其對空間尺寸的占用（yòng）比較大,並且其運動中采用（yòng）絲杆進行上下（xià）移動,因此運動控製中具有一定的運動精度,但對空間自由的靈活性比較小,運（yùn）動自由（yóu）度比較（jiào）少。
2.2.2 圓柱坐標機械（xiè）手結構
圓柱坐標機械手（shǒu）其在結構上相（xiàng）對於直角坐標式結構增加了（le）一個基座的回轉自（zì）由度,其控製精度比較適中。
2.2.3 球坐標機（jī）械手結構
球坐標機械手其結構上增加兩個關節處的回轉自（zì）由度和一個方向的直線移動,其結構（gòu）簡單製造和加工性比較（jiào）低,因此在工業自動化中的應用比較少（shǎo）,其控製運（yùn）動精度比較適用,回轉靈活性比較（jiào）好。
2.2.4 關節型機械手結構
關（guān）節型機械手能夠（gòu）實現三個方向的回轉,其靈活性比較高,組合回轉機構能夠實現對空間方向上的自由移動,其外形（xíng）尺寸比較小,因此工業適應性比極高,其機械手的多功能（néng）回轉性比較高（gāo）,多用（yòng）在焊接、裝配、塗裝（zhuāng）等多種情況。圖1為四種機械手結構類型,根據本次的機床換刀要求,其換刀的路徑（jìng）軌跡並非為固定的單一形式,因此本次結構設計可采用多功（gōng）能關節型（xíng）結構,能夠同時滿足多（duō）方麵空間移動,本次設計根據查閱機床刀具可得刀具質量2-6kg左右,並且對於（yú）機械手的外形尺（chǐ）寸結（jié）構盡量簡單,機械手的回（huí）轉（zhuǎn）控製盡量采用標（biāo）準化部件進行設計,減少結構的安（ān）裝複雜性（xìng）,因此結構可采用電機（jī）驅動,對於速（sù）度和力矩控製要求,可采用減速電機,對於回（huí）轉支撐可采（cǎi）用回轉軸承固定安裝,對於機械手（shǒu）自動度要求根據本次設計的結構以及機械手具體在工業中的實際（jì）應用（yòng）,本次設（shè）計采用六自由度的結構控製,能夠保證的機床換（huàn）刀工作（zuò）中（zhōng）能（néng）夠滿足移動、旋轉（zhuǎn）,從（cóng）而保證換刀的精度和速度。
圖1 機械手結構類型
3、機械結構設計
3.1 基本尺（chǐ）寸的設計（jì）
在設計中,各個部件與電動機、減速器配合連接,故依據常用電動機和減速器的基本尺寸對整（zhěng）個換刀機械手裝置進行設計,並確定其基（jī）本尺寸如圖2所示。
圖2 基（jī）本尺寸示意
3.2 主要（yào）零部件的設計
3.2.1 底座的設計
底座在（zài）整個裝置中的功能有（yǒu）兩個,一是作為機械手的底（dǐ）座,起承載整個機械手的作（zuò）用,二是機（jī）械手底座與機床的連接作用,固（gù）定（dìng）在機床上。
在設計時,底座為空腔,將減速器（qì）和電動機裝入底（dǐ）座的內部,作為驅動源,因此底座（zuò）的尺寸依據電動機（jī）外形尺寸進行設（shè）計。 在底座上端應（yīng）留有兩個凸台,上凸台留有4個 M4的螺栓孔,通過支撐軸承與大臂座進行連接,下（xià）凸（tū）台留有4個 M5的螺栓孔,與（yǔ）電動機和減速器連接。
3.2.2 大（dà）臂（bì）座的設計
大臂座是連接底座與大臂（bì）的中間裝置,首先需（xū）要與底座進行固定連接（jiē）,在大臂（bì）座底端留有4個 M4的螺栓孔,通過支撐軸承與大臂座連接。 大臂座的（de）旋轉需要底座內部的電動機輸出動力,因此（cǐ）在（zài）設計時,底（dǐ）端留有3×3×10的鍵槽,與減速器（qì）進行（háng）連接。
在大臂座右端應裝入電動機和減（jiǎn）速器,右端孔的大小為114mm,深度為80mm,在孔的一側應留有凸台,其大（dà）小與底座凸台大小一致。
3.2.3 大臂的設計
大臂是底座與（yǔ）上部機械手執行機構連（lián）接的樞（shū）紐,大臂大端圓弧（hú）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（chéng）進行連接。大（dà）臂（bì）小端圓弧（hú）半徑為42mm,留有4個 M5的螺栓（shuān）孔與小臂座進行連接固定。大臂總長（zhǎng）477mm,具體（tǐ）設計如（rú）圖3所（suǒ）示。
圖3 大臂
3.2.4 小臂的設計
小臂（bì）是（shì）連接大（dà）臂與（yǔ）腕部的中間（jiān）樞（shū）紐部件,小臂後端與大臂安裝的電動機、減速器裝置相連接,前端通過支撐軸承（chéng）與腕部連接,小臂（bì）可通過電機進行360°的（de）回轉運動。 設計小臂總長 380mm, 寬 120mm。 小臂兩側設計半徑（jìng）為（wéi）34mm 的孔,通過4個 M4的螺栓與腕（wàn）部相連接,具體設計如圖（tú）4所（suǒ）示（shì）。
圖4 小臂
3.2.5 腕部的設計
腕部是（shì）連接（jiē）手爪與小臂的中（zhōng）間體（tǐ）,其內部裝有（yǒu）電動機和減速器,腕部兩側分別設（shè）計高為（wéi）15mm、25mm,直徑（jìng）為30mm 的凸台,通過滾動軸承與小臂進行連接。 腕部前端留有凸台,並在凸台上留（liú）有4個 M5的螺栓孔,與手爪凸台機構連接。
3.3 夾持機（jī）構設計
夾持機構通過張合對（duì）刀具進行夾緊和放鬆動作,由手（shǒu）爪上的夾齒對刀具進行夾（jiá）持。
手爪對刀具的夾緊力可以按下式計算:
根據以上計算,對具體結構進行設計,如（rú）圖5所示:
圖（tú）5 刀柄夾持機構
3.4 主要材料的選擇
在本次設計中,電動機選擇輕型塑料外殼所製造的類型,機械臂使用6個電動機和減速器來完成（chéng）驅動,使（shǐ）用塑料外殼（ké）製（zhì）造的（de）能夠極大（dà）的減（jiǎn）少整體自（zì）重,可以減輕驅動過（guò）程中的損耗。
結合材料需要輕量化的思路,在（zài）完全達（dá）到強度參數的同時,還（hái）應分析質量造成（chéng）的（de）影（yǐng）響,以（yǐ）及經濟性、便利性等多個關（guān）鍵因素。 選（xuǎn）擇5000係列鋁合金材料（liào）,鎂含量在3~5%之間,常稱為鎂鋁合金（jīn）,具有密度低（dī）,抗拉強度高,延伸性能好。
4、換（huàn）刀機（jī）械手的建模
換刀機械手的重要工作就是完成機（jī）床的自動換刀動作,因此機械手對其運動（dòng）具有較高的（de）要求,如果隻有計算而不設（shè）計三維模型很難想象具（jù）體的機械手結構空間以及具體動作（zuò）形式,因此需要通過 SolidWorks三（sān）維建模軟件對換刀機械手的主要大致結構進行繪製三維模型,並通過（guò）相關模擬裝配將結構進行具體表達,傳統的二維（wéi）輔助軟件其內容不夠,形（xíng）式隻能夠進行輔助（zhù）加工,采用直觀的三維造型不僅能（néng）夠直觀（guān）表達各個主要結構之間的（de）位置關係,而且還能夠對所設計尺寸進行檢查（chá）修正以保證（zhèng）設計能夠滿足使用要求,而且後續為了能夠（gòu）更（gèng）好的模擬其運動狀態三
維（wéi）模型也是一個重要的基礎環節。
5、結論
本次（cì）機械手的結構設計主要通過步進電動機結合減速器進行關節動作,對於（yú）夾爪結構主要通過夾（jiá）爪進行張開閉合（hé）。 通過對換刀動作的分（fèn）析,確定雙臂回轉式機械手作為設計模型。 對機械手整（zhěng）體機構設計,依照換刀路（lù）徑軌（guǐ）跡確定多功能關節型機械臂。 預期設計六（liù）自由度換刀機械手,確定換刀機械（xiè）手的參（cān）數以及各關節的回轉範圍（wéi）。 通過刀柄夾持機構的（de）夾緊力進（jìn）行計算,根據計算結果設計手爪夾持機構（gòu）。 以機械手腕部為例,進行腕部扭矩的計算（suàn）和校核,選取（qǔ）對應的電（diàn）動機和減速器,並對其他部件進行電動機和（hé）減速器的選型。 確定鋁合金為主要材料,並（bìng）根據（jù）電動機、減速器與各個部件的配合尺寸對各（gè）個部件進行（háng）基本尺寸（cùn）的 設 計。其（qí）中底座高258mm, 大臂兩端中心距為280mm,小臂和腕部總長737mm。
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