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摘要:近年來我國科技水平的不斷提升,自動化已經(jīng)作為取代人力作為行業(yè)發(fā)展的主要方向,我國制造業(yè)呈現(xiàn)出迅速發(fā)展態(tài)勢,急需優(yōu)化自動化相關機械結構從而提升生產(chǎn)效率。分析數(shù)控機床上下料機械手的項目優(yōu)勢,從手爪、手腕、提升和橫移、傳動等方面完成機械結構設計,總結數(shù)控機床上下料機械手機械結構在設計中的要點,為有關技術人員提供借鑒。
關鍵詞:數(shù)控機床;上下料機械手;機械結構
0引言
機械手設計作為上下料開工過程中關鍵技術環(huán)節(jié)之一,與數(shù)控機床的運轉效率及運行質量均密切相關,因此設計數(shù)控機床上下料機械手過程中,應當對機械結構的運行特點充分掌握,設計好上下料機械手機械結構的設計流程,在機床運行中可以保證每一個機械結構的緊湊性、合適性[1]。上下料機械手結構設計作為實現(xiàn)數(shù)控機床模塊化、智能化、科學化運行的重要前提,可以綜合分析相關數(shù)據(jù),并且機械手作為現(xiàn)代化操作方式之一,通過PC機終端控制機械操作運維的具體方向,能夠對數(shù)控機床的整體效率、水平有效提升[2]。不僅如此機械手還擁有功能集成性,通過加強系統(tǒng)性能管控達到最優(yōu)化。除此之外也可以整合有關數(shù)據(jù),對數(shù)控機床實現(xiàn)標準化網(wǎng)絡化控制,在整體機械設備中數(shù)控機床的上下料機械手操控傳感器十分關鍵,能夠在數(shù)控機床運行中不斷優(yōu)化速度參數(shù),并且在裝配焊接中集中處理管控,大大提升了設備仿真最終效果,也優(yōu)化了機械結構運行效果[3]。本文對數(shù)控機床上下料機械手的機械結構設計展開研究,對提高數(shù)控機床的機械化水平具有現(xiàn)實意義。
1數(shù)控機床上下料機械手現(xiàn)狀
我國目前在有關數(shù)控機床機械手領域的相關研究中,側重于對機械手動態(tài)特征的綜合分析管控,深度解析了機械模型的整體運維機制,可以在提升工作效率的同時優(yōu)化機械結構運行水平。首先,數(shù)控機床的上下料機械手,作為機床項目重構、模塊化技術發(fā)展基礎,能夠對綜合處理相關數(shù)據(jù)信息[4];其次上下料機械手可以通過PC(個人計算機)端遠程控制機械結構的開放型控制運維方向,從而降低操作難度但又提高了操作水平。再加上與現(xiàn)代社會網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢下,結合標準化、網(wǎng)絡化態(tài)勢,基于較強集成度能夠實現(xiàn)了最優(yōu)化系統(tǒng)安全性能。最后在上下料機械手設備中,具有較大的傳感器設備優(yōu)勢,可以升級數(shù)控機床的傳感器及速度參數(shù),尤其對于轉配、焊接方向可以實現(xiàn)綜合管控,很大程度優(yōu)化了數(shù)控機床的動態(tài)化仿真特效性能[5]。
2設計數(shù)控機床上下料機械手項目優(yōu)勢
在實際應用中,技術人員需要與具體管控模型和項目需求相結合做到集中控制,因為數(shù)控機床擁有很大的技術優(yōu)勢,在項目實施中可以很大程度提升工作效率,加快機械手項目的整體工作進度,保障設備的較強負載力。除此之外也基于技術特征,在數(shù)控機床實際運行中所受較強負載力,相應的也就減少了數(shù)控機床的系統(tǒng)故障率[6]。在處理實際工程項目中,需要與實際需求相結合,構建完善系統(tǒng)化管控參數(shù),確保在實施過程中能夠與項目工程安全相貼合,保證每一道項目工序的完整性,切換應用結構動態(tài)化處理,維護工程項目的實際運行效率。技術人員在操控數(shù)控機床設備時,通過時效性管理建議可以推進整個機械項目管控操作中,保證真實有效的技術結構。在使用機械智能化設備中,更需要有關部門運行推送機制對整體運維流程切實維護,來保障實際服務結構參數(shù)間的契合度。
3上下料機械手的機械結構設計
3.1手爪設計
手爪是用于對工件進行抓取,保證夾持力度,根據(jù)工件需要抓取的位置和特征,一般分為三指手爪和兩指手爪,分別應用于盤類和軸類零件的抓取,對于異形件或者箱體件則可以設計專用手爪。在手爪結構設計中,手爪作為作業(yè)操作的主要裝置,包括諸多種類以差異化操作作業(yè)為依據(jù),包括了搬運手爪、加工手爪、測量手爪等[7]。機械手爪需要將機械作業(yè)為依據(jù)完成設計,應當在滿足機械作業(yè)基礎之上,充分發(fā)揮手爪的小體積、輕質量、緊湊型結構、較強通用性這一特點,方便安裝維修及遠程PC端控制。根據(jù)加工工藝要求,手爪手指的行程設計也需要注意兼顧毛坯和成品的抓取,水平上料時還需要考慮是否需要應用彈料機構。與實際工況相結合,工件為軸類件,本次設計采用了氣動抓手,手指部分應用聚氨酯材料,增加摩擦力的同時能很好地保持工件的表面質量。手指的V形塊也可以對工件進行自定心,保證上料時精度一致性。
3.2手腕設計
在機械手結構設計中手腕作為操作機末端設備,連接手爪配合機械手手臂,能夠保證手爪相連,配合機械手手臂完成所需作業(yè)空間。所以在設計手腕時需要盡可能保證結構組件的輕盈緊湊,與機械結構作業(yè)所需相結合,合理設計手腕結構自由度[8]。手腕部分聯(lián)接兩個爪手分別用于下料和上料,可以在換料過程中節(jié)省換料時間。手腕設立有緩沖機構,設計硬限位,能夠有效預防超限所致機械損壞。分析上下料作業(yè)時,對數(shù)控機床的加工形式充分考慮,在滿足系統(tǒng)設計工藝需求的基礎之上,提升整體安全可靠性,不斷降低機械手的結構控制難度,簡化機械結構在不增加自由度基礎上,根據(jù)這3個自由度即可實現(xiàn)充足的機床上下料。本次設計采用了氣缸帶動活塞桿圍繞旋轉軸,將直線運動轉化成直角運動,完成抓手水平與豎直的翻轉。
3.3提升和橫移部分設計
為了達到一定的載荷承受標準,再加上自身運動中因為存在一定速度,機械結構尺寸和形狀,密切相關機械手工作范圍,所以在設計提升與橫移機構尺寸時需要滿足工作空間需求。并且為了對機械手的運動控制精度、速度充分提升,還需要在確保機械手達到充足剛度、強度條件下,通過材料、結構等方面盡可能減輕手臂重量。因為手臂機械結構在實際運動中作為直線運動,有一定的搬運質量,運動安全穩(wěn)定性與機械手的運動性能及剛度要求較高,所以本文設計選擇了鋁型材作為提升機構主體,方鋼型材作為橫移部分的結構主體,提升和橫移部分均采用直線導軌作為直線運動副。
3.4傳動部分設計
因為傳動部件對機械手穩(wěn)定性、精度及快速向應力有必然聯(lián)系,在機械傳動結構設計過程中,嚴格控制結構體積保證緊湊度,從而提升機械手結構的控制精度、運動速度。在設計傳動副和傳動鏈時需要考慮運用間隙調整機構,減小反向空間所致運動誤差,還要盡量消除傳動爬行情況,來延長系統(tǒng)的使用期限,盡可能縮減傳動鏈,最優(yōu)化傳動比,保證傳動組件適當阻尼比。目前在機械手機械結構傳動設計中,以齒輪、齒條、同步帶比較常用。本文設計采用齒輪齒條傳動形式,現(xiàn)以提升部分的傳動機構為例,進行設計計算及校核。技術指標有:提升軸移動部件重量W=50kg,快移速度v=120m/min、加速時間0.1s,加速度a=20m/s2;提升軸為豎直使用。3.4.1預選電機。預選電機的功率為1.3kW,額定扭矩8.34N·m,最大扭矩23.3N·m,額定轉速n額定為1500r/min,最高轉速n最高為3000r/min,轉動慣量為22×10-4kg·m2。3.4.2預選減速機。減速比i為3,轉動慣量J1為0.61×10-4kg·m2,額定輸出扭矩為130N·m,η=97%。3.4.3預選齒輪齒條。斜齒m=2,Z=25,β=19°31′42″,D0=mz/cosβ,齒條配合最大扭矩T2tabelle為477N·m。3.4.5慣量校核(1)傳動部分折算到齒輪軸上的轉動慣量J=W×(D0/2)2/g=0.0352kg·m2。(2)傳動部分折算電機軸上的轉動慣量。其中:J系統(tǒng)=J/i2=39.13×10-4kg·m2;J減速機=0.61×10-4kg·m2;J齒輪=MD2×10-6/8/i2=0.47×10-4kg·m2;則J總=J系統(tǒng)+J減速機+J齒輪=40.21×10-4kg·m2。電機轉動慣量J電機=22×10-4kg·m2,轉動慣量比J總/J電機=1.828,所以減速機i=3即可滿足要求。3.4.6力矩校核。加速力矩Ta=J總×n×2π/60T=4.55N·m摩擦力Ff=μF+S(n)F=Gtg20°+4×0.05C=21.33N。其中,F(xiàn)包括齒輪分力對導軌產(chǎn)生的力Gtg20°,滑塊預緊力4×0.05C,導軌摩擦因數(shù)0.04,S為刮油片阻力×4(n)。摩擦力矩Tf=Ff×R/i/η=0.236N·m,(η為效率,一般采用80%)。重力矩TG=W×10×R/i/η=5.53N·m。啟動力矩TM=Ta+Tf+TG=10.316N·m<T電機最大扭矩=23.3N·m??焖倭豑=Tf+TG=5.766N·m<T電機額定扭矩=8.34N·m。靜態(tài)扭矩T靜=TG-Tf=5.306N·m<0.7×T電機額定扭矩=16.31N·m。因此,靜態(tài)下載荷扭矩未超出靜態(tài)扭矩的70%,電機不會明顯發(fā)熱,選擇是合理的。減速機和電機通過校核選擇也是合理的。3.4.7齒輪齒條校核。齒輪所需切向力Fu=m×g+m×a=1500N,齒輪所需提升扭矩T2erf=Fu×D0/2000=39.81N·m,則理論計算齒輪所需提升力矩T2zul=T2tabelle/(KA×SB×fn)=265N·m(負載系數(shù)KA=2,安全系數(shù)SB=1.2,fn=1)。因為T2zul>T2erf,滿足設計要求。齒輪最大轉速n=v×1000/(π×D0)=720r/min,電機需要最大轉速N=n×i=2160r/min<n最高=3000r/min,所以電機轉速也滿足設計需求。
4機械結構設計要點
也正因數(shù)控機床實際運行中,擁有多元化運維技術特點,所以在很大程度上確保了機床機械手擁有豐富類型,在實際操作中有關技術人員應當做好前期調查工作,收集整理有關運維特點的相關信息,避免發(fā)生不必要的問題。在參數(shù)模型構建過程中,有關技術人員還需要注意與機械手的不同類差異化特點相結合,做到不同的機械手元件可以構建差異化模型,使模型充分發(fā)揮作用。在整體設計前務必要考慮安全性,在人為操作區(qū)設置防護圍欄,電纜氣管等纜線可根據(jù)實際情況分布在上方或埋于走線槽下,有電氣柜或電纜經(jīng)過的地方需要貼電氣安全標牌,在持續(xù)運轉的旋轉機械附近需要貼安全警示標牌,結構設計時要給安全標牌和防護留好充足的空間,在行程極限位置需設計硬限位。在結構設計過程中還要充分考慮到數(shù)控機床開門尺寸是否滿足機械手的進出,內部空間是否滿足機械手腕部的旋轉等。在實際應用過程中往往不能一次裝夾完成加工,還需要參考加工工藝考慮是否需要增加翻轉機構來進行工件的翻面。在設計數(shù)控機床機械手結構中,技術人員還應當結合實際需求,強化設計流程完整性,機械結構的設計要點總結如下。
4.1動態(tài)結構
在設計機械手動態(tài)結構中,應當始終嚴格遵循機械結構設計原則,采用正確的結構施工方式,集中處理動態(tài)化模型與設計流程,這樣能夠滿足技術管控需求,保證手爪機械結構之間的獨立性,在此基礎上還可以彼此合作,保證機械結構的具體操作符合標準。在設計上下料機械手的機械結構時,還應當基于機械結構設計的項目可正常運行為前提,結合設計過程為優(yōu)化工作職能提供更充分的數(shù)據(jù)信息支持。在機械手機械結構的設計過程中,還需要進一步細化每一步設計要求,保證選擇相適應的機械接口,并詳細分析機械結構在運行過程中的具體特征,確保其設備運行高效和運行質量。首先需要通過搬用式手爪設計,做到項目運行對工件抓取過程中避免受到各方限制、及時搬運物體,所以實際操作可行性較大。然后要不斷提升整體運維效果,結合機械結構的設計流程,實現(xiàn)動態(tài)結構設計,全面提升整體工作質量及效率。
4.2方案應用
本次設計主要是為了解決傳統(tǒng)數(shù)控機床生產(chǎn)線中,工件裝卸的工作多數(shù)情況下是人工完成的,勞動強度較大、生產(chǎn)效率有限、還存在一定的技術危險性。因此,為確保本次設計方案的自動化、智能化,提升整體機械結構操作效率,減小成本投入,發(fā)展生產(chǎn)線為柔性制造系統(tǒng),順應目前現(xiàn)代化機械行業(yè)的自動化生產(chǎn)所需。在本文對數(shù)控機床上下料機械手的機械結構設計中,不僅應擁有完善設計流程,還要在此基礎上滿足基本結構的實際運行需求。一般情況下基本結構是直線式手臂結構,這種結構剛性較強,在實際運行中對安全穩(wěn)定性的要求更高。本文將機械手與數(shù)控機床集成于一體,縮小了占地面積。
5結束語
在設計數(shù)控機床機械手結構過程中,數(shù)控機床的運行范圍同樣有所改變,本文設計了手爪、手腕、提升和橫移、傳動,并總結了結構設計過程中的要點,真正提高了機械結構操作質量與效率,降低技術操作難度,發(fā)揮機械手結構的技術優(yōu)勢及效用,保障整體安機械結構安全性。
作者:張文甲 單位:沈陽機床(集團)有限責任公司設計研究院