毕业设计（论文）-轻型轴类形状零件单z轴自动化系统设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本 科 毕 业 论 文 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 题 目： 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械设计制造及其自动化 1202 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：2016 年 5 月 30 日 论文答辩日期：2016 年 6 月 7 日 目 录 第一章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景概述 1 1.1 桁架机床上下料系统简介 1 1.2 机床加工生产线系统分类 2 1.3 机床加工生产线系统应用及特点 4 1.4 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景 . 5 1.5 本文的主要的内容 6 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 7 2.1 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的设计关键技术参数要求 . 7 表 2.1 桁架机械手设计的关键参数表 . 7 2.2 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动方案设计 . 7 图 2.1 桁架机械手运动方案示意图 . 8 2.3 桁架上下料系统的驱动电机选择 9 2.3 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的电机的选择 . 13 第三章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的夹手及驱动结构设计 15 3.1 轻型轴类零件夹手部分结构设计结构 15 3.2 轻型轴类零件桁架上下料驱动部分结构设计 16 3.3 轻型轴类零件桁架上下料润滑结构设计 17 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 19 4.1 立柱调整结构 19 4.2 横梁调整结构 20 4.3 横梁安装结构 21 第五章 基于 solidworks 软件进行桁架系统的建模及装配 . 22 5.1 solidworks 软件建模与装配概述 . 22 5.2 基于 SolidWorks 软件进行立柱建模设计 23 5.3 运用 SolidWorks 软件进行零件装配 . 26 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附 录 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 摘要摘要 机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机 械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证 人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部 门。基于机械设计及相关理论的研究,设计了桁架机械手轴类上下料装置, 正确的计算出了电机的参数，实现了电动机型号的合理选择，同时对桁 架轴类上下料系统的结构进行了设计，采用的过进口的雄克机械手夹持 单元,实现轴类零件的抓取。实现了桁架机械手在轴类的零件的抓取的通 用化。 关键词：关键词：桁架式机械手;电机参数的选择;轴类零件 Abstract robots can replace people in dull, repetitive or heavy manual work, realizes the mechanization and automation of the production, instead of manual operation in a hazardous environment, improve labor condition, ensure the personal safety, thus is widely used in machinery, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy etc. Research, based on the theory of the mechanical design and related design of truss manipulator axial loading device, the right to calculate the parameters of the motor, has realized the motor model of rational choice, at the same time on the truss axial loading system design, the structure of the imported male g manipulator clamping unit, realize axial parts of grab. Keyword: Truss type manipulator; The selection of motor parameters; Axial parts 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景概述 1 第一章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景概述 1.1 桁架机床上下料系统简介桁架机床上下料系统简介 桁架机械手又称桁架式机械人，直角坐标机器人或龙门式机器人，是能够实现自 动控制的、基于空间 XYZ 直角坐标系可重复编程的、多自由度的、适合不同任务的 自动化设备。 桁架机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和 自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛 应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。如工业生产部门，用于在高温、 污染严重的地方取放工件和装卸材料；机加工领域，自动机械手通常与机床或其他机 器组成自动加工生产线，实现零件的自动高效加工；自动机械手在锻造工业中的应用 能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 总体上说，自动机械手改变了传统的物流方式，有效地改善了作业环境，提供零 件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理，可靠地保证了产品质量，极大地提 高了劳动生产率，将工人从繁重的体力劳动中解放出来，使现代制造技术达到一个崭 新的水平。与此同时，中国目前严峻的就业环境：劳动力工资水平的持续增长，持续 出现的大面积用工荒，也逼迫越来越多的企业必须走机器人自动化生产之路。 桁架式机器人具有以下特点： 桁架式机器人能够实现自动控制的、可重复编程、多功能、多自由度、运动自由 度间成空间直角关系、多用途的操作机。它能够搬运物体、操作工具，以完成各种作 业。 多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。 自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。 一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。 灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 高可靠性、高速度、高精度。 可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景概述 2 1.2 机床加工生产线系统分类机床加工生产线系统分类 1.2.1 关节式机床加工自动生产线系统关节式机床加工自动生产线系统 关节式机床加工自动生产线系统由若干台关节机器人、若干台数控机床、一台角 向定位机、清洗站和上下料道组成，以完成工件三个工序的自动化生产。机器人配有 气动夹手，输送线用于传送毛坯至上料工位定位好，便于机器人过来夹取，线体上安 装有感应开关用于判断毛坯是否到位和缺料报警开关， 输送线还装有搁料挡停装置与 满料报警装置等。 图 1 桁架式机床加工自动生产线系统 1.2.2 桁架式机床加工自动生产线系统桁架式机床加工自动生产线系统 桁架式机床加工自动生产线系统主要由钢结构桁架机械手、若干台数控机床（也 可以是单台）、上料仓料仓、下料仓、若干套翻转站、定位站及外围防护等组成，以 完工件的自动化加工。 机械手配有气动夹手， 上料仓用于传送毛坯至上料工位定位好， 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 3 便于机械手过来夹取，料仓上安装有感应开关用于判断毛坯是否到位和缺料报警开 关，下料仓还装有满料报警装置等。 图 2 桁架式机床加工自动生产线系统 1.2.3 复合式机床加工自动生产线系统复合式机床加工自动生产线系统 复合式机床加工自动生产线系统将桁架式与关节式相结合的产物。 复合式主要由 若干台关节机器人、若干台数控机床、机器人伺服滑台、上料道、下料道及外围防护 等组成。机器人手爪实现工件精确定位，机器人伺服滑台用于拖动关节机器人在两台 加工机床之间移动，增大机器人的运动范围。上下料道均安装有感应开关用于判断工 件是否到位、缺料报警功能以及满料报警功能。 图 3 复合式机床加工自动生产线系统 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景概述 4 1.3 机床加工生产线系统应用及特点机床加工生产线系统应用及特点 机床加工生产线系统主要由机械手系统、数控机床、料仓、工序翻转站、工件自 动识别系统（选配） 、在线测量机（选配）等一系列自动化设备组成。通过总控系统 进行控制，机床自动加工生产自动线安装多种传感器，能够得知机床机床加工自动线 的工作状态，从而实现工作动作顺序进行，该过程完全借助于控制系统与传感器信号 的交互。机床加工自动生产线可以实现单台机床、加工单元、流水线和柔性加工单元 的机加工自动化。 机床加工自动化生产线系统具有定位准确、工作节拍可调、工作空间大、性能优 良、运行平稳可靠、维修方便等特点。 机床加工自动加工生产线系统可以实现所有工艺过程的工件自动抓取、上料、 下料、装卡、工件移位翻转、工件转序加工等，能够极大的节约人工成本，提高生产 效率。特别适用于大批量、小型零部件的加工，如汽车变速箱齿轮、轴承套(座)、刹 车 盘、金属冲压结构件等。 加工典型零件如下所示： 图 4 桁架机械手与机床组线加工典型零件 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 5 1.4 轻型轴类形状零件单轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景轴桁架系统研究背景 1.4.1 关节式、桁架式、复合式机床加工自动化生产线系统对比关节式、桁架式、复合式机床加工自动化生产线系统对比 根据设计任务要求： 设计能够满足进行轴类零件的上下料自动化系统 工件的质量不大于 2.5Kg 的轴类零件 轴类零件加工为单序，加工节拍不小于 30s 设计一种能够满足上述要求机床自动化上下料装置是十分必要的， 首先需要对比 一下，上述关节式、桁架式、复合式的上下料装置应用特点： （1）关节式上下料装置 关节式自动化上下料装置具有较高的灵活性、 关节型上料装置具有较高的重复定 位精度、具有较高的工作可靠性、能够抓取质量较大的工件等优点，但是价格较桁架 式上下料装置价格昂贵。 （2）桁架式上下料装置 桁架式自动化上下料装置较关节式上下料系统自由度数较少，灵活性有限、但是 关节式上料装置具有较高的重复定位精度、具有较高的工作可靠性、价格较关节式具 有低廉等优点。 （3）复合式上下料装置 复合式上下料装置是在关节式上下料装置的基础上增加一个伺服滑台， 增加关节 式机器人的抓取范围，具有更高的灵活性，复合式的上下料的装置的重复定位精度相 对于桁架式、关节式重复定位精度较低，价格昂贵的缺点。复合式上下料装置应用于 形成特殊的场合。 1.4.2 轻型轴类形状零件单轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统设计背景研究意义轴桁架系统设计背景研究意义 针对于轻型轴类零件的机床自动化上下料系统，加工零件质量较轻，加工工序为 单序的加工，在满足使用要求可靠性的前提下，尽可能的减少用户的设备投入，所以 针对于轻型轴类加工自动化上下料系统， 应该采用桁架式的机床加工自动化上下料系 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统研究背景概述 6 统。如果能够开发出一种桁架式自动上下料系统对企业具有深远的影响，具体的体现 在以下方面： 能够提高生产效率； 能够产生质量较高的零件； 有利于降低企业生产成本； 有利于缓解企业对技术的依赖； 有利于缓解企业对技工的依赖； 便于企业组织生产和管理； 1.5 本文的主要的内容本文的主要的内容 本文的设计主要围绕轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架上下料系统进行展开的， 从该 系统的研究背景入手， 逐步的对轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架上下料系统进行方案设 计、抓手的方案设计以及每一部分的结构设计，具体的章节安排如下： 第 1 章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架上下料系统研究背景概述 第 2 章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架上下料系统的传动系统设计 第 3 章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架上下料系统的桁架主体结构设计 第 4 章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架上下料系统的夹手部分结构设计 第5章 基于solidworks软件进行轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统的建 模及装配 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 7 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 2.1轻型轴类形状零件单轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的设计关键技术参数要求轴桁架系统的设计关键技术参数要求 在轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的设计之前， 了解该桁架机械手的设计的参 数要求，桁架机械手的设计参数的具体要求如图表 1 所示 表 1 桁架机械手设计的关键参数表 项目 单位 配置 手抓单个零件重量 Kg 2.5 抓取零件总重量 Kg 5(2.5X2) 腕部抓取能力 Kg 20 快 移速度 X 轴 m/min 120 Z 轴 80 加 速度 X 轴 m/s2 5 Z 轴 5 电 源 电压 V AC220 电压波动范围 / 10% 频率 Hz 50 气 源 气源压力 bar 6 气压波动范围 / 10% 标准装载时间 s 20 重复定位精度 mm 0.1 横梁（X 轴）导轨 矩形导轨 横梁（X 轴）传动 齿轮齿条 横梁（Z 轴）导轨 矩形导轨 横梁（Z 轴）传动 齿轮齿条 驱动方式 齿轮齿条 控制方式 高精伺服 2.2 轻型轴类形状零件单轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动方案设计轴桁架系统的传动方案设计 桁架自动化上下料系统是给数控机床提供自动上下料的装置， 考虑到本设备是针 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 8 对于轴类零件的加工，因此，数控机床主要是以加工轴类的外圆及端面，数控设备假 定都是数控车床，工具生产工序及加工节拍确定数控设备的台数及型号，根据所使用 的设备的台数及型号可以确定桁架机械手的横向跨距、 X 轴有效行程和桁架机械手的 高度及 Z 轴运动的有效行程等参数。 图 5 桁架机械手运动方案示意图 本文以国内的某款机床为基准进行设计桁架系统的尺寸，假定工件采用两序加 工，桁架上下料系统为两台相同的数控车床上下料。 数控车床的关键参数如下： 数控机床高度为：1540mm 数控机床长度为：1640mm 数控机床主轴中心高为：935mm 根据上述参数可以设计出单 Z 轴桁架自动化上下料系统的尺寸为： 桁架横梁长度：A=5430mm 桁架横梁高度：B=2275mm 桁架最大高度：H=3575mm 桁架 X 轴最大行程：S=4796mm 桁架 Z 轴最大行程：S=1200mm 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 9 2.3 桁架上下料系统的驱动电机选择桁架上下料系统的驱动电机选择 2.3.1 桁架上下料系统的驱动电机额定转速选择桁架上下料系统的驱动电机额定转速选择 根据 X、Z 轴的运动关键技术参数： 表 2 快移速度及加速度参数要求 最大快移 速度 X 轴 m/min 120 Z 轴 80 加速度 X 轴 m/s2 5 Z 轴 5 桁架上下料系统的运动系统的方案均采取：伺服电机+减速机+齿轮+齿条传动形 式。 桁架上下料系统 X 轴驱动电机的转速选择 由桁架上下料系统 X 轴运动速度 1 ， 根据传动齿轮分度圆直径 1 d， 可计算出的减 速器输出轴的转速 1 n： 100060 nd = 11 1 1 d传动齿轮分度圆直径 1 d； 1 n减速器输出轴的转速 1 n 1 桁架上下料系统 X 轴运动速度 由上式减速器轴在桁架 X 最大快移速度时，减速器输出轴的减速转速 1 n为： r/min 579.04 663.14 2100060 d 100060 =n 1 1 1 = = 减速器采用选择星齿轮减速器型号为： SB-90-4-P2-130SJT-MZ-100D，减速器的 参数如图表 3 所示。 减速器的传动比4i= 减 ,可得减速器的输入端转速和电机输出转速 电 n 为： min/16.2316min/04.5794inn 1in rrn= 减电机 电机的额定转速 电机额定 n应满足：min/16.2316rn 电机额定 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 10 表 3 减速器的参数表 规格 代号 单位 减速比 数值 额定输出扭矩 2N T Mm 4 128 最大加速扭矩 2B T Mm 310 1.8T2N 最大急停扭矩 2NOT T Mm 310 3T2N 额定输入转速 in n r/min 310 3000 最大输入转速 inB n r/min 310 6000 扭转刚性 Nm/arc 310 14 许用径向力 2rB F N 310 3040 许用轴向力 2aB F N 310 1520 使用寿命 h L h 310 大于 20000 效率 310 大于 97% 使用温度 310 -2590 润滑防护等级 310 IP65 安装方向 310 任意 噪音值 dB 310 小于 60 重量 Kg 310 3.69 减速机轴转动惯量 J 2 mKg 4 0.0048 桁架上下料系统 Z 轴驱动电机的转速选择 由桁架上下料系统 Z 轴运动速度 2 ，根据传动齿轮分度圆直径 2 d，可计算出的 减速器输出轴的转速 2 n： 100060 nd = 22 2 2 d传动齿轮分度圆直径； 2 n减速器输出轴的转速 2 桁架上下料系统 X 轴运动速度 由上式减速器轴在桁架 X 最大快移速度时，减速器输出轴的减速转速 2 n为： r/min .03386 663.14 33. 1100060 d 100060 =n 2 2 2 = = 减速器采用选择星齿轮减速器型号为： SB-90-4-P2-130SJT-MZ-100D，减速器的 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 11 参数如图表 3 所示。 减速器的传动比4i= 减 ,可得减速器的输入端转速和电机输出转速 电 n 为： min/11.1544min/03.3864inn 1in rrn= 减电机 电机的额定转速 电机额定 n应满足：min/11.1544rn 电机额定 2.3.2 桁架上下料系统的驱动电机扭矩选择桁架上下料系统的驱动电机扭矩选择 桁架上下料系统 X 轴驱动电机的扭矩选择 （1）必要扭矩的计算 由于电机启动时，所需的启动扭矩最大，所以需要先计算启动时的必要扭矩。设 滑块与导轨之间的摩擦力为 F，则摩擦力 F 为： mgF= 导轨与滑块之间的摩擦因数，3 . 0=； mX 轴整体移动部分的质量，Kgm80=； g重力加速度， 2 /87 . 9 smg =； 带入上式，可得滑块与导轨之间的摩擦力为 F 为： NNmgF23787. 9803 . 0= 减速机输出轴负载转矩 L T mNmN dF TL= = =82. 7 %972 066 . 0 237 2 2 齿轮 电机输出轴的负载 M T mNmN i T T L M = = =04 . 2 %974 82 . 7 减减 考虑到商业电的电压不稳定，安全起见，电机的输入负载为计算电机输入的 2 倍，即电机的输出负载应为mNTM=08. 42 X 轴的电机的额定扭矩应满足mNT08 . 4 电额定 （2）确认负载惯性 桁架上下料系统整体得 X 轴的转动惯量 1 J 22 3 22 1 m0.08712Kg) 2 1066 (80 2 = = ）（ d mJ mX 轴整体移动部分的质量，Kgm80=； 2 d传动齿轮分度圆直径mm66d2=； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 12 齿轮的转动惯量 2 J 223 2 222 m0.000468Kg)1066(86. 0 8 1 m 8 1 = dJ 减速机的转动惯量 2 3 m0.0048Kg=J 电机轴上的总的负载转动惯量 电机总 J 22 3 2 21 m1.41Kg0048. 04)0.0004680.08712(i)(=+=+=JJJJ减 电机总 桁架上下料系统 Z 轴驱动电机的扭矩选择 由于电机启动时，所需的启动扭矩最大，所以需要先计算启动时的必要扭矩。设 滑块与导轨之间的摩擦力为 F 相对于竖轴的重力很小，则有效阻力 F1为： gmF 21 = 2 mX 轴整体移动部分的质量，Kgm20 2 =； g重力加速度， 2 /87 . 9 smg =； 带入上式，可得滑块与导轨之间的摩擦力为 F 为： NNgmF19787. 920 21 = 减速机输出轴负载转矩 1L T mNmN dF TL= = =72 . 6 %972 066. 0197 2 21 1 齿轮 电机输出轴的负载 M T mNmN i T T L M = = =73 . 1 %974 72 . 6 1 减减 考虑到商业电的电压不稳定，安全起见，电机的输入负载为计算电机输入的 2 倍，即电机的输出负载应为mNTM=46. 32 X 轴的电机的额定扭矩应满足mNT46. 3 电额定 （2）确认负载惯性 桁架上下料系统整体得 Z 轴的转动惯量 1 J 22 3 22 1 m0.02178Kg) 2 1066 (20 2 = = ）（ d mJ mZ 轴整体移动部分的质量，Kgm20=； 2 d传动齿轮分度圆直径mm66d2=； 齿轮的转动惯量 2 J 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 13 223 2 222 m0.000468Kg)1066(86. 0 8 1 m 8 1 = dJ 减速机的转动惯量 2 3 m0.0048Kg=J 电机轴上的总的负载转动惯量 电机总 J 22 3 2 21 m0.360768Kg0048. 04)0.0004680.02178(i)(=+=+=JJJJ减 电机总 2.3 轻型轴类形状零件单轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的电机的选择轴桁架系统的电机的选择 考虑到方便设计， 将桁架自动化上下料的 X、 Z 驱动电机的型号选择相同的型号， 方便滑板的设计和安装，伺服电机通常与伺服驱动器成套进行采购。 根据计算将桁架上料系统的驱动电机均选择为：130ST- M10025LFBZ，电机的参 数如表 4 所示。 ST 系列伺服电机型号编号说明： 130 ST - M 100 25 L F B Z 130：表示电机额外径，单位，mm ST：表示电机是正弦波驱动永磁同步交流伺服电机 - M：表示电机的安装的反馈元件，M- 光电编码器，X- 旋转变压器 100：表示电机的零速转矩，其值为三位数的 0.1 倍，单位，Nm 25：表示电机的额定转速，其值为二位数的 100 倍，单位 r/min L：表示电机配备的驱动工作电压 L- AC220V，H- 380V F：表示反馈的元件的规格，F- 复合编码增量编码器；F1- 省线式增量编码器； R1 对极转变压器 B：表示电机的类型，B- 基本类型； Z：表示电机安装了失电制动器 表 4 驱动电机的参数表 电机型号 130ST- M10025 LFBZ 额定功率 Kw 2.6 额定转矩 Nm 10 额定转速 2500 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 轻型轴类形状零件单 Z 轴桁架系统的传动系统设计 14 额定电流 I 10 转子惯量 kgm2 2.14 机械时间常 数 s 1.8 电机的绝缘 等级 B 工作温 度 055 防护等级 IP65 电机重量 kg 11.2 转速-转矩 图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的夹手及驱动结构设计 15 第三章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的夹手及驱动结构设计 3.1 轻型轴类零件夹手部分结构设计结构轻型轴类零件夹手部分结构设计结构 桁架自动上下料自动化系统的 Z 轴上安装具有夹持功能的机械手，如图 6 所示。 在主体钢制的零件 1 上安装具有高精度的导轨、齿条等零件，保证竖轴的运动精度， 在 Z 轴驱动部分的作用下，Z 轴可以平稳地、可靠地、准确的上下移动。 1- 竖梁 2- 螺钉 3- 防护罩 4- 螺钉 5- 固定块 6- 预置螺母 7- 变径螺栓 8- 连接件 9- 螺钉 10- 气 缸 11- 气爪 12- 手爪连接件 13- 弯板 14- 罩 15- 螺钉 16- 固定块 17- 销 18- 竖梁 图 6 单 Z 轴桁架系统的 Z 轴及夹手结构图 在主体钢制的零件 1 上的下端安装具有夹持功能的特有装置， 用以实现机械手对 零件抓取。下端的轴类夹持装置由两个夹持手 11 和一个 90旋转气缸组成的 10 组 成它的动作模块，两个夹持手 11 是由分别为平行气缸和手指所组成，在气压的作用 下，能够实现夹手上的两个手指的夹紧和松开，实现夹手对轴类零件的可靠抓取。 其余的零件分别起到对轴类夹持机械手的走气的作用和联接作用， 从夹持装置的 动作模块可以看出机械手装置的驱动是依靠于压力气体作用， 而气体从气源引入到机 械手的位置是必须进行考虑的， 本方案采用的气路是从桁架系统的外部引入经过横梁 拖链， 然后经过 Z 轴的拖链引入到夹手部位， 夹手部位的气路是进过气体连接块导致 将气路引入抓手模块中，从而保证模块在运动时与气路不发生干涉使工作平稳进行。 每个抓手气缸的表面均安装着接近传感器，当抓手 11 进行抓取时或者 90旋转 气缸 10 在进行工位转换时，均能够向总控系统发出信号，接到信号后，总控系统作 出下一步的控制信号， 从而实现单 Z 轴桁架自动化上下料系统与机床的信号交互， 实 现自动化加工机床系统自动化加工。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 16 3.2 轻型轴类零件桁架上下料驱动部分结构设计轻型轴类零件桁架上下料驱动部分结构设计 进给部件是桁架机械手的核心部件，直接决定了桁架机械手的精度及性能。主体 横梁和竖梁采用钢梁结构，导轨采用高精度直线滚动导轨，传动采用齿轮齿条方式， 模块化的设计，独立的控制方式，配备了紧急情况下的安全急停装置。设计过程中， 根据跨距行程及抓取能力，保证了其刚性和动态特性。 3.2.1 轻型轴类零件桁架上下料轻型轴类零件桁架上下料 X 轴驱动部分结构设计轴驱动部分结构设计 轻型轴类零件 X 轴驱动部分动力装置采用电机 8 驱动电机的驱动，电机轴将扭 矩传递行星减速机 7 后，扭矩进一步增大传递到减速机轴端，减速机的轴上安装齿轮 5，在电动机的驱动下，齿轮与桁架横梁上安装的齿条进行啮合，提供驱动滑板沿 X 轴移动的驱动力，滑板上面安装着保证 X 轴水平移动的精度的滑块，滑块与桁架上 横梁安装的导轨的配合下，滑板上安装 Z 轴部分使得二者一起沿水平方向移动。 1- 减速器固定板 2- 平垫片 3- 螺钉 4- 螺钉 5- 垫圈 6- 齿轮 7- 减速机 8- 电机 9- 螺钉 10- 弹簧垫圈 11- 螺钉 12- 弹簧垫圈 13- 弹簧垫圈 14- 螺钉 15- 调整螺钉 图 7 单 Z 轴桁架系统的 x 轴驱动装置结构图 轻型轴类零件 X 轴上的运动直线度的保证是依靠导轨滑块的精度保持。轻型轴 类零件 X 轴上的运动的重复定位精度依靠伺服电机和编码器的配合，伺服电机的后 端均安装编码器能够实现电机的转速及位置的准确机控制。 电机均具有断电刹车功能，保证桁架机械手在运动过程中由于意外断电后，在运 动惯性的作用下，桁架机械手无法能够继续运动而撞击限位块而导致损坏。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 17 3.2.2 轻型轴类零件桁架上下料轻型轴类零件桁架上下料 Z 轴驱动部分结构设计轴驱动部分结构设计 轻型轴类零件 Z 轴驱动部分动力装置采用电机 6 驱动电机的驱动， 电机轴将扭矩 传递行星减速机 9 后，扭矩进一步增大传递到减速机轴端，减速机的轴上安装齿轮 10，在电动机的驱动下，齿轮与桁架横梁上安装的齿条进行啮合，提供驱动滑板沿 Z 轴移动的驱动力， 滑板上面安装着保证 Z 轴竖直移动的精度的滑块， 滑块与桁架上横 梁安装的导轨的配合下，滑板上安装 Z 轴部分使得 Z 轴能够沿竖直方向移动。 1- 滑板 2- 减速器固定板 3- 平垫片 4- 横梁 5- 螺钉 6- 电机 7- 螺钉 8- 弹簧垫片 9- 减速机 10- 减速机 11- 垫圈 12- 螺钉 13- 螺钉 14- 调整块 15- 调整螺钉 图 8 单 Z 轴桁架系统的 Z 轴驱动装置结构图 轻型轴类零件 Z 轴上的运动直线度的保证是依靠导轨滑块的精度保持。 轻型轴类 零件 Z 轴上的运动的重复定位精度依靠伺服电机和编码器的配合， 伺服电机的后端均 安装编码器能够实现电机的转速及位置的准确机控制。 电机均具有断电刹车功能，保证桁架机械手在运动过程中由于意外断电后，在运 动惯性的作用下或者重力作用下， 桁架机械手无法能够继续运动而撞击限位块而导致 损坏或无法静止的停止导致竖直下落损坏抓手。 3.3 轻型轴类零件桁架上下料润滑结构设计轻型轴类零件桁架上下料润滑结构设计 由于桁架机械手运动速度非常高，动作频繁，对运动部件提出了很高的要求，这 就要求运动部件的润滑必须充分不间断。为了保证机械手高速高频率的可靠运行，一 般采取电动油脂泵如下图所示对导轨、齿轮齿条等关键零件进行润滑。 润滑泵安装在自动生产线滑板后侧，大约每 30 分钟向轴、轴导轨滑块和润 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 18 滑齿轮的各个润滑点供油一次。油量为每分钟毫升，每次向各润滑点提供的油 量由安装在管端的计量件加以控制，从而保证均衡油量。 开机后应观察润滑压力是否正常。 图 9 单 Z 轴桁架系统润滑部件结构图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 19 第四章 轻型轴类零件单Z轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 4.1 立柱调整结构立柱调整结构 4.1.1 立柱下端调整结构立柱下端调整结构 桁架机械手主要通过立柱等相关零件可靠的安装于地面，对整个机械手的刚性、 稳定性及可靠性起到至关重要的作用。 立柱采用高强度优质钢型材，焊后通过热处理，设计过程中采用进行了强度和刚 性等方面的校核分析，从而有效保证了其关键的支撑作用。 考虑到立柱与地面接触位置的平整度不可能处处相同， 所以立柱与地面接触的位 置应具有能够进行高度方向调整和垂直高度方向的调整能力， 调整装置如图 10 所示。 立柱的垂直于高度方向的调整结构由调整螺栓 6 和地脚板 7 组成， 通过捏紧立柱 两侧的螺栓 6 使得立柱能够沿垂直于高度方向移动。 立柱的高度方向的调整结构由地脚板 7、螺栓 1、六角螺母 2、弹簧垫片 3、平垫 片 4 及膨胀螺栓 5 组成， 利用两组螺栓的顶拉进行组合， 实现立柱在高度方向的调整。 1- 螺栓 2- 六角螺母 3- 弹簧垫片 4- 平垫片 5- 膨胀螺栓 6- 调整螺栓 7- 地脚板 8- 立柱 图 10 立柱下端调整结构图 4.1.2 立柱顶端调整结构立柱顶端调整结构 横梁采用高强度优质钢型材，焊后通过热处理，设计过程中采用进行了强度和刚 性等方面的校核分析，从而有效保证了其关键的支撑作用。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 20 考虑到横梁与立柱接触位置的平整度不可能处处相同， 所以立柱与横梁接触的位 置应具有能够进行垂直高度方向的调整能力，调节装置如图 11 所示。 横梁的垂直于高度方向的调整结构由调整螺栓 2 和横梁支架 1 组成， 通过捏紧横 梁的螺栓 2 使得横梁能够沿高度方向移动。 1- 横梁支架 2- 螺栓 3- 平垫片 4- 立柱 图 11 立柱上端调整结构图 4.2 横梁调整结构横梁调整结构 横梁与横梁的连接的处， 连接处的接触位置的正确性决定着导轨连接安装位置的 正确性，微小的移动可能导致导轨的接触不正确，使得导轨磨损加剧，降低其使用寿 命。因此，合理的设计调整装置对桁架自动化上下料系统的运动及寿命至关重要，必 须进行调整装置的合理设计。 考虑到横梁与横梁接触位置在保证导轨安装的平行度， 横梁对接处沿结合面方向 和垂直于接触面方向必须具有调整能力。因此，横梁与横梁接触的位置应具有能够进 行沿接触面和垂直调整面方向的调节装置，调节装置如图 12 所示。 沿接触面方向的调节装置由拉紧螺栓 1、空心螺栓 2、螺母 3、支架 4 及横梁 5 所组成，拉紧螺栓 1 穿过空心螺栓 2 与横梁连接，在与螺母 3 的配合下，实现横梁的 水平方向移动。 垂直于接触面方向调节装置由横梁 5、平垫片 6、弹簧垫片 7、螺钉 8 及立柱 9 组成，在 7、螺钉 8 及立柱 9 相互作用下，实现横梁的垂直方向移动。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 轻型轴类零件单 Z 轴桁架系统的桁架主体部分结构设计 21 1- 拉紧螺栓 2- 空心螺栓 3- 螺母 4- 支架 5- 横梁 6- 平垫片 7- 弹簧垫片 8- 螺钉 9- 立柱 图 12 横梁调整结构图 4.3 横梁安装结构横梁安装结构 本设计的 X 轴的驱动采用伺服电机驱动齿轮，使得齿轮齿条进行啮合，使得滑 板与竖轴一起移动，其运动的直线精度由滑块与导轨决定的。因此，横梁上应安装齿 条、导轨。本设计中的每一根导轨和齿条均采用内六角螺栓联接及圆柱销进行定位。 圆柱销定的作用是在进行重复安装时，保证每次的安装位置精度准确。从横梁本身来 讲，需要通过铣床铣削出一定精度的安装导轨与齿条的安装基面，使得齿条与导轨的 安装准确，从而保证运动的精度的要求。 1- 行程开关接触架 2- 螺钉 4- 零点接触器晃块 5- 横梁 6- 导轨 7- 齿条 8- 螺钉 9- 螺钉 10- 硬限位 挡块 11- 硬限位挡块支架 图 13 横梁调整结构图 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 参考文献 22 第五章 基于 solidworks 软件进行桁架系统的