4268换刀器设计——水平移动系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4268换刀器设计——水平移动系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,换刀器,设计,水平,移动,挪动,系统,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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南京理工大学紫金学院 本科生毕业设计（论文）选题、审题表 系： 机械工程系 专业： 机械工程 及 其 自动化 指导教师 姓 名 郭钢 专业技术职 务 副教授 课题名称 换刀机器人设计 水平移动系统设计 适用专业 机械工程 及 其 自动化 课题性质 A B C D E 课题来源 A B C D 课题预计 工作量大小 大 适中 小 课题预计 难易程度 难 适中 易 备注 : 课题 简介 换刀机器人广泛应用于 性制造系统中加工中心的中央刀库与刀具进出站之间、数控机床本身的刀具交换和存储 ,可以大大提高生产率、改善产品质量 , 能够降低生产成本、改善劳动条件 ,能快速适应不断变化的市场需求 . 通过本机器人的设计 ,使学生将过去所学的理论知识和技能综合运用起来 ,可以培养学生独立分析工程问题、解决工程技术问题的实际能力以及创新能力 ,养成团体合作精神 ,同时锻炼学生收集资料、综述文献、应用技术工具以及绘制工程图纸和编制设计明书的能力 . 课题应完成的任务和对学生的要求 应完成的任务： 课题调研， 查阅资料，撰写开题报告及外文翻译； 总体方案论证及选择； 水平移动系统的部件设计；主要零件的设计和计算； 绘制总体装配图、部件装配图和零件图；撰写设计说明书。 对学生的要求： 先修课程包括： 机械设计、机械制造、机器人技术、计算机应用技术及设计绘图软件的使用，如 ； 独立工作，善于思考； 具有团队协作精神；勤奋向上，积极主动，认真负责。 所在专业审定意见： 专业负责人 (签名 )： 年 月 日 注：本课题由 同学选定，学号： 注： 1该表由指导教师填写，经所在专业负责人签名后生效，作为该专业学生毕业设计（论文）选题使用； 2有关内容的填写见背面的 填表说明 ，并在表中相应栏内打“ ”； 3课题一旦被学生选定，此表须放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中存档。 填 表 说 明 1 该表的填写只针对 1 名学生做毕业设计（论文）时选择使用，如同一课题由 2名 及 2 名以上同学选择，应在申报课题的名称上加以区别（加副标题），并且在“设计（论文）要求”一栏中说明。 2 “ 课题性质” 一栏： A产品设计； B工程技术研究； C软件开发； D研究论文或调研报告； E其它。 3 “课题来源” 一栏： A自然（社会）科学基金与省（部）、市级以上科研课题； B企、事业单位委托课题； C院、系级基金课题； D自拟课题。 4 “课题简介” 一栏： 主要指该课题的背景介绍、理论意义或实用价值。 33, 01, A he of is to a of to to of is up to As of of , 7, , 13, 0, of of , 6, 7, , 5, 20, 0, a be as an of of a of 1965; 1979, 1983; et 1980; 1983; 1985; 1992) pa,st of In a on of et (1981) to 1982, 1983, 987) of by 1988) of on et 1991; 1992). of a is an in in of is to a of of to or in we in 1969; 1974). of a of = V, . . .) = e, e, . ., e* V, V) of is y, is an of j, V, j to be In 1(a), | is e 1 2 is e, 62, 5, e. wo to be if a to be if of l( , 2 so e, 2of he of , is d(V,), of ;. 1(a), of , is of is a , is a I(), by in F 1996; 1999. K. is a no (b) a of a is of A ,- of a is a i as an h), , is a is as a of An in no is a 1(a), V,is a in a is as . lb), ,5 e, 1999 999, 121 / 359 6 008 or (a) 01000 10111 01010 01101 V, ; (b) 11233 12 122 213 11 32112 ,3 2 1 2 3 (c) (d) 1 of of he of in a is of 1(a), of eyeVeW is is no A in is is a b) a 2 is of a n is an n X n = x, 1. x,j = 1, if is an . X;j = 0, if is no (c) of 1(a). of a n is as X n = 1. If i = j, of i; . t j, of i (d) of of of by of is to of on of of is to to of of is to of on of is to of to of of is to of to 360 / 121, 999 In a is as an to in he of is to A is a of a a a a of of ma to to to in TC is a a (a) b) To of a is to of of 1974) is to a in a of of of a of a is an of of SO 3. By we 1995) as 2 of 6 008 or (a) ng b) 3 . 2. 3. 4. 6. of a is a a of be is a is a to be or of be be a be or if is a or a it be 4 . , Z, to 2. TC to of 3, P X, Y, of a in it 3. In to of be at he of is to on of of a is by of we of of on be by in of of S T M L, L, 999, 121 / 361 6 008 or , R, R,. P, P P,. C, , . to of a by as , of a by of of as . a of of If of a is is ; if of a is to is y, so (a) b) of 3. is to of a It is a 1. L, if i = j; 2. 0, if i = j i is to ; 3. a = if i j is to i j L of Jt of j; OF of j. 3, 5(c) d). M -7 z R j is to x in 3, 5(e) ). he of is of is to of of is on a of to in in 1985; 1988). of 5(a), is by 1. is a 2. as or 3. 4. , 2, (a) of 5(b) is 6b). he of is to of of be 1974): = X + x + x + 2x + 3x + 6x+ + 23 + 47: + 235A: + 551X + . . . (1) in 0 q. (1) be in 1969). S R 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 P 0 0 0 0 P 1 L, P 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 c M. (c) S R L, I 0 0 0 0 0 0 0 0 0 P 0 T P 1 M (d) he of is of is to of of to to of of in of S R 0 y 0 0 0 0 0 0 0 0 0 p Fr z 0 x 0 0 0 0 0 0 0 , P 0 X T 0 0 0 0 z 0 0 0 0 0 c M S R 0 y 0 0 0 0 0 0 0 P L, z 0 0 0 0 P L, X 0 0 0 0 0 0 0 P 0 T P e) (f) 5 62 / 121, 999 * (a) (b) 6 of 6 008 or , *1/ . ,.di=4 , i=l,2,.x = T k=0 i, d =k, x = x = /, i=I,2,.x = 0, x = M i = i+1 k = k+l E=.R, y 3et p = 0&iJ,Sl Jl J&q &q = / -et p = i&q = J, l, J&q = l, J=U *S i i-(- Px x - * Px x, y, z , Y, to of is to of of to is to of to of is to is a of is on of is as 1. of or he a of 2. of or be a of 3. of be a of or a of by of of as : If is no of be as go to ; : If is no of be as of of as go to ; : If is a of he as of cha 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 朱露 学 号： 060104233 外文出处： 999, 121 / 359 367 附 件： 指导教师评语： 译文基本上翻译出原文的意思，层次分明，具有条理，语句基本通顺，翻译质量稍 差。 少数的中文表达欠妥，一些专业术语翻译不准 。 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 (用外文写 ) 附件 1：外文资料翻译译文 带自动换刀 装置 加工中心的配置 综合 方法 本 论文 的目的是 提出 带 自动换刀 装置 加工中心 的配置 综合 的设计方法 ，以满足所需的 拓扑 结构和运动特性。根据坐标系 的概念 、 图论 、 概括 化 、具体 化和运动合成， 提出 了 这种设计方法 并 计算机化 ， 而且综合了带有 多达 8 个 连杆的 自动 换刀 装置 的加工中心 。 结果 ， 对于有鼓型刀 库 的加工中心 ， 具有 6 连 杆、 7 连 杆和 8 连 杆的 加工中心的配置 数分 别为 2、 13 和 20。同样，对于 有线 型 刀库的加工中心 ， 具有5 连 杆、 6 连 杆、 7 连 杆和 8 连 杆的 加 工中心的配置 数分别为 1、 5 、 20 和 60。 此外，这项工作 还 提供了一种系统方法 用于 综合 带拓扑和运动 要求 的 空间 开 链机构 。 引 言 加工中心运动学可以被看作是开 链 式 机构 ，他们 具 有 特定 拓扑 特征 的 特殊功能。有关平面 机构 问题 的创意设计 在过去的几年里 一直是 许 多项研究课题 （约翰逊， 1965； 弗罗伊登施泰因和 真希 ， 1979， 1983； 厄尔德曼等 。 1980 年， 严和 徐，1983； 严 和 陈， 1985； 严， 1992 年） 。但是，空间运动 开链 型 机构 的 结构 综合 设计方法不可 得到 。 过去 的几 年 里 ，只 有少数几篇文章 涉及 加工 中心配置 的 设计。 杉村 （ 1981 年）等 ， 使用分析调查方法 设计 机床。伊藤和信乃（ 1982 年， 1983 年和 1987 年） ， 通过使用 定 向图机床 法 产生结构配置 。列舍托夫和 波特曼（ 1988）提出了综合的 具有相同成型机床的功能 配置代码 。 该 概念 广泛使用 在 合成 5 轴机床 上 （石泽等， 1991； 坂本和稻崎， 1992 年）。然而，自动换刀系统 并 没有 在考虑范围 。 在 主轴与加工中心刀库 之间 自动执行 换刀操作 的系统称为自动换刀装置( 减少 加工过程 中 机器闲置 的 时间 发挥了重要作用 ， 从 而提高了生产率 。 本 论文 的 目 的 是 提出 带有 自动换刀 装置加工 中心 的 所有可能的配置系统 产生的 设计方法 ， 该加工中心 是 一种 开 链 式 空间 机构 的 受 拓扑 结构和 运动 限制 空间 。 拓 扑 特征 架）。 个接头的工作台。 刀库为从位于支架的连杆到主轴头的单一连杆分支。 6. 单一连杆可以是主轴，刀库或者工作台。此外，单一连杆不能超过 3 个。 7. 主轴产生的接头必须是转动副。 8. 主轴端和工作台之间的接头必须是棱柱副。 9. 刀库和分支连杆的接头是转动副，棱柱副，或圆柱副。如果有回转副或圆柱副，则必须依附于刀库。 设计过程 图 2 是提出的 开 链 式 机构 配置的设计过程。 该 设计理念进程启动现有 机构 进行调查，并 推定出 其 拓扑 结构和运动特性。设计过程 的 第二个步 是 基于树 形 图表现出的观念， 链接邻接矩阵，和机 构分配矩阵 描述现有 拓扑 结构 。 第三步 是 把这些机 构根据进程 具体 化 变成 其相应的广义树图。第四步是 获取给定数量 边 和基于列举图的顶点所有 可能的树 形 图 。 第五步 是 分配 一 些 连杆和链接给有效的树形图来经过专业化以满足拓扑结构 。在设计过程的最后一步是 获得 机构 图集 指定 运动机构 。 以下 ， 以 自动换刀加工中心作为例子来详细说明这种设计方法。 现有机 构 在设计过程的第一步是研究现有的机 构 并 推定 它们的 拓扑 结构和运动特性 。 加工中心 是由 4 个基本 部件组成的机床 ： 轴， 刀 库 ， 换刀机构 ，以及 包括动力 轴 运动 的机床结构 。那个机床结构在很大程度上决定了加工 表面 精度 ，刚度和动 力 性能 。主轴旋转该工具 加工 工件所需的表面。该工具 库 储存 工具 并 在机械加工 操作 中移动它们 到合适位置 来使用 。该 换刀 机 构 在 工具 库 和主轴工具 间执行刀具转换 。 最简单的 没有 换刀 机 构 的设计， 且 在 工具 库 和主 轴 间 的 相对运 动中 实现换刀 。图 3（ a）和（ b） 分别 显示 两个 3 轴鼓型和直线型工具 库的 卧式加工中心 。 为了 代表和分析加工中心 的拓扑 结构和运动 特性 ， 基于 国际标准化组织中心（国际标准化组织， 1974） 定义了坐标系来 描述 加工中心的每个运动轴 的 配置 。 本标准坐标系是右手矩形笛卡儿之一，相关的工件安装在 与 主要线性横向 对齐的机器。对机器的组成部分运动产生 有利趋势， 这 给工件带来更 多的 优势 。卧式加工中心的结构图 附加 准图 如图 3 所示。 通过分析提供现有 3 轴 无 换刀 机构 的 卧式加工 中心 ，我们可以 总结 出如下 拓扑 结构和 运动特性（ 陈燕 ， 1995 年）。 图 2 设计过程 （ a） （ b） 图 3 三轴水平加工中心 结论 总之， 本文提 出 了 受 拓扑 结构和运动的限制 的 带 自动 换刀 装置 加工中心 配置 设计。设计过程 已 计算机化 ，已综合 所有 多达 8 加工 中心可能的配置 。从 找到的 配置中，设计者可以根据设计要求，专利权，机床结构和空间限制 选择有用的 。这种设计方法可以 综合 加工中心的可能的不同类型 的 机床结构 配置 ，如 4 轴 、 垂直轴 、 或不同分配 运动 轴 。此外，这项工作的 成果可以扩展和 应用于 开 链 式拓扑结构和运动要求结构配置的综合 ， 如机器人 、 车床 、 磨床， .。 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 朱露 学 号： 060104233 专 业 ： 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 ： 换刀机器人设计 水平移动系统设 计 指 导 教 师 : 郭钢 2010 年 3 月 19 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资 格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据 元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2007 年 3 月 15 日”或“ 2007 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 摘要 ： 换刀机器人是 主要完成中央刀库、刀具进出站、机床刀库各刀位之间的刀具交换任务。结合 绍了换刀机器人控制系统的体系结构、系统组成及工作方式，详细说明了示教、再现及伺服控制的 实现，在 关键词 ： 换刀机器人 柔性制造 伺服控制 加工中心 1. 引言 广泛采用 换刀 机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样， 换刀 机器人 将会得到广泛的应用。 换刀机器人控制器分为计算机控制系统和伺服驱动系统两部分。计算机控制系统为主从式两级计算机控制系统，规划级主机采用高可靠性的 德利 2/5服 控制机为功能较强的 服驱动系统分为四组，每组独立驱动一个关节。每组伺服驱动单元由伺服控制器、伺服控制单元、伺服电机抱闸、光电编码器组成，采用 置、速度、电流三闭环结构和数字伺服技术。 2. 换刀机器人发展历史 所谓换刀机器人，就是一个 4个自由度的比较复杂并且有快速自动换刀装置的运动机构，在机器人运行过程中需要精确控制末端操作器 (手爪 )到达指定的位置，需要避开障碍物以及多轴插补运动等 1。 因此，不仅要求每个关节能准确到达各自的设定位置，而且要求各关节之间能恰当地协调 ，才能最终保证手爪的位置精度，完成换刀动作，实现复杂结构件连续加工过程中的自动换刀 2。 从换刀机器人发展的历史来看， 1956年换刀机器人开始萌芽，美国 期在日本富士通公司成功研究了数控转塔式冲床。 1958年随着计算机辅助制造技术的发展，美国 K&A T C 加工中心。随后在 1967年出现了柔性制造系统，完整地把工业机器人和自动上下料机构、交换工作台、自动换刀装置结合，使得自动化程度更高。到 1978年以后，加工中心迅速发展，带有自动刀具交换装置并且可实现多种工序加工的机床研制成功。 1983年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，使得换刀机器人的自动换刀装置形成了统一的结构模式 3,4,5。 3. 换刀机器人的发展现状 在柔性制造刀具流系统中，刀具管理系统的功能和柔性直接影响了整个柔性制造系统的生产率。目前，在柔性制造系统中一般有三种换刀方式：人工换刀、自动机械换刀和换刀机器人换刀 6。 而换刀机器人换刀是一种全自动的换刀方式，换刀机器人可以完成中央刀库、刀具进出站及机床刀库之间的刀具 交换任务，目前已在柔性制造系统中广泛应用。 换刀机器人在加工中心中按工作范围可分为固定式和移动式 7。 固定式换刀机器人就是只能为一台加工中心服务。但当固定式中央刀库较庞大时，工作范围就受到限制。移动式换刀机器人的工作范围则比较大，可分为有轨式和无轨式，无轨式研制的难度较大，所以目前大多是有轨式的。比如德国的 国宇航公司的 有轨式换刀机器人大多是在地面的，由于其要抓取较大的重量 ，所以其导轨占地面积很大 8。 4. 换刀机器人的未来趋势 随着科技技术不断地更新发展，国内外趋向于研制 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 的换刀机器人。换刀 机器人控制系统向基于 于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 :大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 采用换刀机器可以使机床刀库间与中央刀库间的刀具交换与加工同时进行，机床可实现连续加工。近几年来，伴随着全球的机床产业正朝着全方位、高效率、高速度、多功能的柔性制造系统的演进趋势以及降 低生产成本架构的发展需求 9， 换刀机器人也正朝着： 1）发展出换刀机器人系统能承载重量 70且要拥有强力锁刀装置，以防止重型刀具在运行中坠落； 2）发展出可以同时容纳多种类型刀具的换刀机器人，以便时常变换使用在多种主轴的加工中心； 3）换刀机器人向着高效率且定位精确的驱动和选刀系统发展，发展出更高精度且配高质量、高定位的伺服电机及减速机， 以符合选刀的迅速和换刀的精确； 4）换刀机器人也向着质量轻，成本低，但能有高容量的刀库发展，换刀效率要高 10,11。 5. 结论 在柔性制造系统 ( 中，采用换刀机器人完成加工中心、中央刀库和刀具进出站之间的刀具交换任务 12,13。 换刀机器人有结构简单、紧凑、体积小、能够满足在窄小空间作业的需要等特点， 而且节省材料、节约能源、工作可靠 14。换刀机器人高效的工作效率，准确的定位精度，以及简单的结构及控制方式是人不能替代的，换刀机器人的使用也将越来越广泛 15。 他们能减少加工时间、提高加工生产率。因此，换刀机器人技术将持续发展，换刀机器人技术主要是为了减少加工辅助时间的重要手段，而且正处于发展阶段，换刀机器人技术的新 技术新方法正不断出现和改进，使得高速加工中心的切削技术和柔性制造技术的效率进一步提高。 参考文献 ： 1 许兴华 ， 马铭辰，陶俐言 . 换刀机器人运动控制系统的实现研究 J. 机械加工与自动化 ， 2003， (3): 12 14. 2 王科社，张怀存，杨庆东，朱骥北 . 加工中心自动换刀装置 J. 机械制造， 1995， (5): 31 33. 3 吴华伦 . 300 型龙门五面加工中心换刀机器人 J. 科技成果纵横， 1998， (5): 42 44. 4 廉元 国 . 加工中心的新近技术动态 J. 制造技术与机床 ， 1990， (1): 133134. 5 刘炜 . 数控加工中心自动换刀系统 J. 机床与液压 ， 2005， 203(5): 58 59. 6 宋德锋，王华坤 . 无源式换刀机械手的研制 J. 机械设计 ， 2005， (3): 6162. 7 蒋新松 . 未来机器人技术发展方向的探讨 J. 机器人 ， 1996， (5): 285 291. 8 王柞斌 . 国内外机器人发展概况 J. 电气自动化 ， 1995， (2): 12 14. 9 李如松 . 工业机器人的应用现状与展望 J. 组合机床与自动化加工技术， 1994， (4): 37 41. 10 A of . of 999， (9): 361 362. 11 邱焜城 . 刀库之发展趋势与未来展望 J. 制造技术与机床 , 2007， (4): 114 115. 12 2005，(11): 20 21. 13 钱玲 . 第七届全国青年智能机器人学术会议 C. 北京 : 中国自动化学会，1998. 14 王西彬 . 超高速切削技术及其新进展 J. 中国机械工程师 ， 2000， (11): 190 194. 15 刘瑞己 . 加工中心快速换刀装置 J 2004， (11) : 8485. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 本课题研究的是换刀机器人的总体方案设计和水平移动系统的结构。参照相关原始数据、技术要求和工作要求设计直角坐标加旋转的组合式水平移动机构。主要考虑换刀机器人的结构型式、由由度数、重复定位精度、末端操作器、驱动方式、传动方式等。 1） 结构型式 换刀机器人对于外界环境能够做出良好反应的基础是要有一个具有优异运动特性的移动平台。机器人平台的移动机构是机器人 的一个关键组成部分，它直接影响到整个机器人的运动精度、灵活性乃至整个系统的可靠性。换刀机器人在地面上运动，采用指教坐标加旋转的组合式型式。换刀机器人的结构形式为组合式，具有纵向移动走、横向移动、垂直升降和手腕旋转 4个自由度，并带有无源式双机械手爪。 2） 自由度数 自由度数 确定平衡体系的状态所必须的独立强度变量 ，刀库刀位的结构型式和布置方案与加工中心局部刀库刀相位一致，便于换刀机器人换刀作业。所以换刀机器人操作机的自由度数选为四。 3） 重复定位精度 重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与 刚性 以及摩擦特性 等因素的影响，它影响一批零件加工的一致性，是一个非常重要的精度指标。 滚珠丝杠将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动。具有有传动效率高，定位准确等特点。故选取滚珠丝杆来保证重复定位精度。确定本课题的重负定位精度为 0.6 4） 驱动方式 驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。动作平滑，不产生冲击。控制灵活，位移偏差和速度偏差小。安全可靠。操作维修方便等。液压驱动适用大负载的情形；气压驱动适用节拍快、负载小且精度要求不高的 场合（因为空气具有可压缩性）；电力驱动适用中等 负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。 直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便的在宽范围内实现平滑无极调速。换刀机器人所有关节均采用直流伺服电机驱动。伺服驱动系统分为四组，每组独立驱动一个关节。每组伺服驱动单元由伺服控制器、伺服控制单元、伺服电机抱闸、光电编码器组成，采用 置、速度、电流三闭环结构和数字伺服技术。 5） 传动方式 移动机器人的导向从大方面来分，有有轨道式和无轨道式两种。轨道式是检测机器人与轨道的相对位置进 行导向的；无轨道式则是检测机器人在移动环境中的位置进行导向的。 换刀机器人要求工作连贯，运动精度高，齿轮传动能保证瞬时传动比恒定，平稳性较高，传递运动准确可靠；传递的功率和速度范围较大；结构紧凑、工作可靠，可实现较大的传动比；传动效率高，使用寿命长。故选用齿轮传动。 南京理工大学 紫金学院 毕业设计（论文）任务书 系 ： 机械工程系 专 业 ： 机械工程 及 其 自动化 学 生 姓 名： 朱 露 学 号： 060104233 设计 (论文 )题目 ： 换刀 机器人 设计 水平移动 系统 设 计 起 迄 日 期 : 2010 年 2 月 24 日 6 月 5 日 设计 (论文 )地点 : 南京理工大学 紫金学院 指 导 教 师 : 郭钢 专业 负责 人 : 肖猛 发任务书日期 : 2010 年 2 月 23 日 任务书填写要求 1毕业设计（论 文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经 学生所在专业 的负责人 审查、 系领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生； 2 任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3 任务书内填写的内容，必须和学生毕业 设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及 系主管领导审批后方可重新填写； 4 任务书内有关“ 系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生 的“学号”要写全号 ； 5 任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标 714 2005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性； 6 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2009 年 3 月 15 日”或“ 2009 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过毕业设计的锻炼 ,学会综合运用所学的知识和技能进行实际工程问题的分析 、综合及设计。培养调查研究 、中外文献检索与阅读的能力 ; 掌握定性与定量相结合的独立研究与论证的能力 ; 熟练掌握设计、计算及绘图的能力 ; 锻炼文字与口头表达能力 ; 掌握撰写设计说明书的能力 。并且能设计出合乎实际要求的换刀机器人机械结构。 2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 技术要求： 结构型式： 组合式直角坐标加旋转 ; 自由度数： 4; 负载重量： 10 单爪 ) 末端操作器： 双手爪 工作 空间： 纵向 11m; 横向 升降 1m; 旋转 180; 运行速度： 五档可调 ; 最大运行速度： 纵向 33.6 m/横向 16 m/升降 8m/旋转 16 重复定位精度： 0.6 记忆刀位数 ： 不小于 170 把 ,可扩展 ; 总重量： 600 工作要求： （ 1）完成总体方案的论证设计； （ 2）完成水平移动 系统 设计； （ 3）绘制总装图 、 部件图和零件图；（ 4）撰写设计说明书。 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等： (1)开题报告 (含文献综述 ) ： 3,000 汉字以上 ; (2) 外文资料翻译 ： 3,000 汉字以上 ; (3)总体装配图 ： 1 张 ; (4) 部件装配图 ： 1 张 ; (5)主要零件图 ： 若干张 (总图数约合3 张 0 号图 ) ; (6)毕业设计说明书 ,字数不少于 10,000 字 ,并附有 200300 汉字的中文摘要及相应的英文摘要 。 4主要参考文献： 1（日）渡边茂 . 产业机器人的应用 M. 北京： 机械工业 出版社， 1986年 5月 . 2 龚振邦 等 . 机器人机械设计 M. 北京： 电子工业 出版社， 1995年 6月 . 3 马香峰 等 . 工业机器人的操作机设计 M. 北京： 冶金工业 出版社， 1996 年 9 月 . 4 余达太 马香峰 . 工业机器人应用工程 M. 北京： 冶金工业 出版社， 1999 年 4 月 . 5 程光仁 等 . 滚珠螺旋传动设计基础 M. 北京： 机械工业 出版社， 1987 年 8 月 . 6 李中杰 等 . 步进电动机 应用技术 M. 北京： 机械工业 出版社， 1988 年 12 月 . 7 . et l. A . 985. 8 . 1985. 9 宋德锋 等 . 无源式换刀机械手爪的研制 J,机械设计 ， 2005（ 3）， 1810 薛焕然 等 换刀机器人若干技术问题的探讨 A，中国第三届机电一体化学术会会议论文集 C， 1994： 611 白井良明 著 . 王棣棠 译 . 机器人工程 M. 北京：科学出版社， 2001 年 2 月 . 12 郭洪红 . 工业机器人技术 M. 西安：西安电子科技大学出版社， 2006 年 3 月 . 13 刘文波 等 . 工业机器人 M. 沈阳：东北大学出版社， 2007 年 12 月 . 14 周伯英 . 工业机器人设计 M. 北京：机械工业出版社， 1995 年 10 月 . 15（ 日）日本机器人学会 . 新版机器人技术手册 M. 北京：科学出版社， 2007 年 8 月 . 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 5本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2010 年 2 月 24 日 3 月 18 日 3 月 19 日 3 月 25 日 3 月 26 日 3 月 31 日 4 月 1 日 4 月 7 日 4 月 8 日 4 月 20 日 4 月 21 日 4 月 30 日 5 月 1 日 5 月 10 日 5 月 11 日 5 月 17 日 5 月 18 日 5 月 25 日 5 月 26 日 5 月 31 日 6 月 1 日 6 月 5 日 完成文献综述、开题报告、外文资料翻译 总体方案论证 工作空间设计 运动参数设计 、 计算 动力参数计算、结构设计 绘制总装配图 绘制部件装配图 绘制相关零件图 撰写、提交设计说明书 修改设计说明书，准备答辩 毕业答辩 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 系意见： 系领导： 年 月 日 南京理工大学 紫金学院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 朱露 学 号： 060104233 系 ： 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 换刀机器人 设计 水平移动系统设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2010 年 5 月 郭钢 副教授 毕业设计说明书（论文）中文摘要 目前 柔性制造系统 ( 得到越来越广泛的应用，换刀机器人作为柔性制造中重要的组成部分，也得到了迅速的发展。同时，随着机器人技术的发展，换刀机器人的发展也越来越受关注。 本文主要是换刀机器人的水平移动系统（纵向移动系统和横向移动系统）设计，根据换刀机器人的工作空间分析和工业领域的应用，从而确定其结构形式，纵向移动系统采用滚动导轨和齿轮齿条的传动方式，横向移动系统采用滚动导轨和滚珠丝杠副传动方式使换刀机器人的优势得到充分发挥，同时结合伺服控制原理和各种辅 助方式保证了机械系统的设计精度，达到工业运用的要求。 关键词 换刀机器人 纵向移动系统 横向移动系统 滚动导轨 齿轮齿条 滚珠丝杠 毕业设计说明书（论文）外文摘要 of of As an of of be at of to of in of of is to of of is to of of is in 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 37 页 1 绪论 柔性生产自动化的数控加工中心正普及化，换刀机器人作为 非常重要的部分，被越来越受到重视，并也在日新月异的发展。它的出现会使制造业变得更方便化，轻松化。机器人技术涉及力学、机构学、机械设计、液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等众多领域。 换刀机器人的概念 所谓换刀机器人，就是一个 4个自由度的比较复杂并且有快速自动换刀装置的运动机构，在机器人 运行过程中需要精确控制末端操作器 (手爪 )到达指定的位置，需要避开障碍物以 及多轴插补运动等 1 。因此，不仅要求每个关节能准确到达各自的设定位置，而且要求各关节之间能恰当地协调，才能最终保证手爪的位置精度，完成换刀动作，实现复杂结构件连续加工过程中的自动换刀 2 。 换刀机器人的发展 从换刀机器人发展的历史来看， 1956 年换刀机器人开始萌芽，美国 司研制成功了刀具程序控制装置，同期在日本富士通公司成功研究了数控转塔式冲床。 1958 年随着计算机辅助制造技术的发展，美国 K&T 公司研制出了带 A T C 加工中心。随后在 1967年出现了柔性制造系统，完整地把换刀机器人和自动上下料机构、交换工作台、自动换刀装置结合，使得自动化程度更高。到 1978年以后，加工中心迅速发展，带有自动刀具交换装置并且可实现多种工序加工的机床研制成功。 1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，使得换刀机器人的自动换刀装置形成了统一的结构模式 5,4,3 。 随着科技技术不断地更新发展，国内外趋向于研制 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 的换刀机器人。换刀 机器人控制系统向 基于 的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 :大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 采用换刀机器可以使机床刀库间与中央刀库间的刀具交换与加工同时进行，机床可实现连续加工。近几年来，伴随着全球的机床产业正朝着全方位、高效率、高速度多功能的柔性制造系统的演进趋势以及降低生产成本架构的发展需 求 6 ， 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 37 页 换刀机器人也正朝着： 1）发展出换刀机器人系统能承载重量 70且要拥有强力锁刀装置，以防止重 型刀具在运行中坠落； 2）发展出可以同时容纳多种类型刀具的换刀机器人，以便时常变换使用在多种主轴的加工中心； 3）换刀机器人向着高效率且定位精确的驱动和选刀系统发展，发展出更高精度且配高质量、高定位的伺服电机及减速机，以符合选刀的迅速和换刀的精确；4）换刀机器人也向着质量轻，成本低，但能有高容量的刀库发展，换刀效率要高 8,7 。 课题研究的意义 在科技日新月异的今天，工业机器人的出现很好的解决了传统制造业中的一些难题，使得工业机器人在制造业中有很大的市场。 工业机器 人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。 换刀机器人是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确性保证了加工中心的运行。有资料显示，换刀机器人的故障率约占整机故障率的 25%。 本课题设计的是一种换刀动作少、机构简单化的换刀机器人，同时提高换刀机器人的可靠性、稳定性和可维护性。 此次通过毕业设计对换刀机器 人水平移动系统部分设计的机会，再次温习了大学四年所学的机械知识，并更深入的了解了机电一体化，练习使用各种绘图软件，为不久之后走出校门又上了一课。 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 37 页 2 换刀机器人的总体设计 换刀机器人的组成及各部分关系概述 图 2换刀机器人的组成图 它主要由机械系统 (执行系统、驱动系统 )、控制检测系统及智能系统组成。 A、 执行系统：执行系统是换刀机器人完成抓取刀具及更换刀具，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。 （ 1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取刀具。 （ 2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。 （ 3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受刀具的负荷，并把它传递到预定的位置。 （ 4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。 C、 常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 D、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 E、 检测系统：作用是通 过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 37 页 换刀机器人的设计分析 刀机器人主要技术性能参数 换刀机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： （ 1） 抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 （ 2） 抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。 （ 3） 坐 标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自 由 度数及它们组成的坐标系特征。 （ 4） 运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 （ 5） 运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为 1000mm/s 左右，回转速度最大为180/s，一般为 50/s。 （ 6） 定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定 位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。 本设计中的换刀机器人的有关技术参数见表 2 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 37 页 表 2刀机器人技术参数 结构形式 组合式直角坐标加旋转 自由度数 4 负载重量 10 单爪 ) 末端操作器 双手爪 工作空间 纵向 11m; 横向 升降 1m; 旋转 180 运行速度 五档可调 最大运行速度 纵向 33.6 m/横向 16 m/降 8m/旋转 16 复定位精度 0.6 忆 刀位数 不小于 170 把 ,可扩展 总重量 600 作要求： （ 1）完成总体方案的论证设计； （ 2）完成水平移动系统设计； （ 3）绘制总装图、部件图和零件图；（ 4）撰写设计说明书。 总体方案拟定 1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数 。 2）结构型式 换刀机器人对于外界环境能够做出良好反应的基础是要有一个具有优异运动特性的移动平台。机器人平台的移动机构是机器人的一个关键组成部分，它直接影响到整个机器人的运动精 度、灵活性乃至整个系统的可靠性。换刀机器人在 空间 运动，采用 直角 坐标加旋转的组合式型式。换刀机器人的结构形式为组合式，具有纵向移动走、横向移动、垂直升降和手腕旋转 4个自由度，并带有无源式双机械手爪。 3）重复定位精度 重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与 刚性 以及摩擦特性等因素的影响，它影响一批零件加工的一致性，是一个非常重要的精度指标。 滚珠丝杠将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动。具有有传动效率高，定位准确等特点 本设计采用 滚珠丝杆来保证重复定位精度。 提高 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 37 页 重复定位精度。 4）驱动方式 驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。动作平滑，不产生冲击。控制灵活，位移偏差和速度偏差小。安全可靠。操作维修方便等。液压驱动适用大负载的情形；气压驱动适用节拍快、负载小且精度要求不高的场合（因为空气具有可压缩性）；电力驱动适用中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。 直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便的在宽范围内实现平滑无极调速。换刀机器人所有关节均采用直流伺服电机驱动。伺服驱动系统分为四组，每组独立驱 动一个关节。每组伺服驱动单元由伺服控制器、伺服控制单元、伺服电机抱闸、光电编码器组成，采用 置、速度、电流三闭环结构和数字伺服技术。 5）传动方式 换刀机器人要求工作连贯，运动精度高，齿轮齿条传动能保证瞬时传动比恒定，平稳性较高，传递运动准确可靠；传递的功率和速度范围较大；结构紧凑、工作可靠，可实现较大的传动比；传动效率高，使用寿命长。故纵向移动系统选用齿轮齿条传动。由于横向移动系统距离较短，故选用滚珠丝杠副传动装置。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 37 页 图 2机器人外形图 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 37 页 3 换刀机器人的机械系统 设计 换刀机器人的执行机构设计 总体结构设计 图 3刀机器人总体结构示意图 末端执行机构设计 换刀机器人的 末端执行机构设计 是用来抓持刀具的部件。手部抓持刀具的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到换刀机械手的工作性能，它是换刀机械手的关键部件之一。 图 3末端执行器 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 37 页 设计时要注意的问题： a. 末端执行机构 应有足 够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧刀具，除考虑夹持刀具的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 b. 末端执行机构 应有一定的开闭范围。其大小不仅与刀具的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。 c. 应能保证刀具在 末端执行机构 内准确定位。 d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。 e. 根据应用条件考虑通用性。 水平移动系统设计 图 3刀机器人 横向纵向运动示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 37 页 4 水平移动系统的设计 伺服系统方案设计 伺服电机的选取 换刀机器人的水平采用了伺服电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取伺服电机作为驱动方式的依据。 表 4比较内 容 驱动方式 机械传动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机，直流电机 步进或伺服电机 输出力矩 输出力矩较大 输出力可较大 输出力矩较小 气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大 液体压力高，可以获得较大的输出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步 控制性能较差，惯性大，步易精确定位 控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂 可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制 油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 应用范围 适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用 适用于抓取重量大和速度低的专用机械手 可用于程序复杂和 运动轨迹要求严格的小型通用机械手 中小型专用通用机械手都有 中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用 由上表可知伺服电机应用于驱动换刀机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对伺服 电机的型号进行选取。 电机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。在考虑机械减速机构的传动比值时，两者相互配合，经过在技术、经济全面比较的基础上，通常电动机的转速不能低于 500r/功率一定时，电动机的转速越低，则其尺寸越大，价格就越 昂贵，而且效率也就越低。但是如果选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分变得复杂 9 。 要求快速频繁启动、制动的机械，通常是电动机的转动惯量与额定转速平方 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 37 页 的乘积（即 2）为最小能获得起动、制动的最快的效果。 注： 电动转子的转动惯量， 2 电动机额定转速， r 伺服电机的选择计算 纵向自由度运动学参数计算 初步拟定电机的转速为 1000据机械设计基础 下 9 齿轮转速计算公式有：行走齿轮的转速， m 633 mV i 纵向最大速度 22 i 222 注： 为行走齿轮的角速度； r 为 行走齿轮的半径； d 为行走齿轮分度圆直径； 小齿轮的最大转速， r m n 减速比 0 0 0 01 0 0 0 减速器设定大齿轮齿数 z=76， m=2和小齿轮齿数 z=18， m=2，则减速比 i=偏大值，有利于行走齿轮的稳定性）。 纵向自由度动力学参数计算 纵向行走小车伺服电机需克服下列阻力因素： 机器人的滚轮与导轨的 摩擦力引起的摩擦力矩；整个机器人移动的惯量；减速器的惯量；电机转子的惯量。 注：本部分采用的公式参照机电一体化课程设计指导书 10 。 计算参数 m 1000电机转速 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 37 页 换刀机器人总重量 m mV i 纵向运动最高速度 18, 机械效率 摩擦系数 （ 1）载负载转动惯量 )(2 式 （ 3 式中 。 223 02 则折算到电动机轴上的转动惯量（假定电机转子的转动惯量为 25 2） 2422 03 7 式 （ 3 （ 2）起动力矩 t 式 （ 3 （假定起动时间为 （ 3）摩擦力矩 WT f ( 式 （ 3 则 电机载荷功率 式 （ 3 所以选择北京时代超群电器科技公司生产的电机 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 37 页 表 4电机技术 参数 型号 定输出功率（ W） 1500 额定转矩（ ） 15 额定转速（ 1000 最高转速（ 1000 转动惯量（ 2 ） 15730 额定电流（ A） 码器（ P/R） 2500 横向伺服电动机的计算 横向自由度运动学参数计算 1)计算参数： 丝杠螺距 L=8 电机转速 000 横向运动最大速度 V=8m/） 减速比 116 1082 0 0 0 3 V m 使减速比为 1，可以避免使用减速装置，达到简化机械结构，减轻横向移动系统的质量，便于设计计算的目的。 横向自由度动力学参数计算 横向系统伺服电机需要克服的阻力因素：滚珠丝杠副内摩擦力矩；直线导轨与支承滑块摩擦力矩；丝杠的惯量；横向移动部分的质量；横向移动部分的惯量 计算参数 电机转速 2000向移动部分的质量 横向运动最高速度 6m ax 机械效率 丝杠内摩擦系数 导轨副内摩擦系数 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 37 页 丝杠导程 丝杠总长 丝杠公称直径 0 注：本部分采用的公式参照机电一体化课程设计指导书 10 。 负载转动惯量 横向移动部分 231 ( 式 (3丝杠部分 242222 式 (3估算电机转动惯量 则起动转矩 摩擦力矩 f 3 4 4 0 01 0 ( 21 式 （ 3 所以 所以选择北京时代超群电器科技公司生产的电机 机技术参数见表 4 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 37 页 表 4电机技术参数 型号 定输出功率（ W） 750 额定转矩（ ） 定转速（ 2000 最高转速（ 2000 转动惯量（ 2 ） 4815 额定电流（ A） 6/码器（ P/R） 2500 传动系统的设计 换刀机器人用于 传动机构必须满足： （ 1） 结构紧凑，即相同传动功率和传动比条件下，体积最小，重量最轻； （ 2） 传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频运动； （ 3） 误差要小，即由正传到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （ 4） 寿命要长，价格低廉。 在 现有传动机构：齿轮传动，谐波传动，涡轮传动，链传动，齿形传动，行星传动，连杆及摇块传动，滚珠螺旋传动和齿轮齿条传动中选择。 纵向传动系统的设 计 纵向移动系统传动方式的结构设计 在机械结构设计中，选择何种传动结构取决于他们的应用空间和条件。而对于换刀机器人来说，要保证稳定的传动和位置精度和重复定位精度。 此设计中，由于换刀机器人的纵向移动为长距离运动（ 11m），机器人总重不超过 600以传动时动力部分要求较高。 综上所述，能够很好的保证这些要求的只有齿轮齿条传动最符合，所以，纵向移动系统的传动结构将采用齿轮齿条副传动。纵向移动系统有三部分组成：纵向导轨，齿轮齿条传动部分，电动机部分。纵向导轨固定，齿轮齿条传动部分又分为：齿条和行走齿轮（小齿 轮）部分。齿条部分固定于导轨下，行走齿轮（小齿轮）部分与电动机部分连在一起。电动机部分连同减速机和行走齿轮（小齿轮）固定在下支撑架上。 齿轮齿条的设计计算 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 37 页 （ 1） 行走齿轮的参数计算 根据齿轮的受力情况和结构要求，初步确定行走齿轮的模数 m=数z=18， 20 ，则分度圆直径为 d 齿顶高 1 ， 齿顶高系数，本设计取 1 齿根高 ( ， c 为齿根高系数，本设计中取 c =全高 2 齿顶圆直径 218()2(2 齿根圆直径 22(2 齿宽 dd （ 2） 齿条参数的设计计算 齿条可以看成是齿轮的平铺形式， 因此，在设计计算上，齿条的各部分尺寸可以参照外齿轮的计算公式计算： 齿顶高 1 齿根高 ( ， c 为齿根高系数，本设计中取 c = 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 37 页 齿全高 2 齿距 齿厚 2 齿槽宽 2 则 ， 其中 l 为一齿和一槽的宽度之和， 则 1 4 0 0 011 32 其中 2z 为齿条的理论齿数。 齿轮齿条传动失效分析 换刀机器人总体重量不超过 600以在纵向移动过程中会有轻微的振动和冲击载荷。 齿轮齿条传动一般常见为齿面磨损，主要是因为开式传动不能实现良好的润滑，摩擦力比较大，啮合齿面容易参入磨料性杂 质 (如砂粒、铁屑等 )，致使齿面磨损较快。 齿轮齿条强度的校核 齿轮失效形式主要为齿面磨损，按照齿根弯曲疲劳强度校核，注：本部分采用的公式参照机械设计基础 下 9 根据校核公式： 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 37 页 M P 2 2131 式 （ 4 K ：载荷系数； 1T ：小齿轮传递的扭矩； d ：齿宽系数； 1z ：小齿轮齿数； 齿形系数； 应力修正系数； Y ：重合度系数； F :许用弯曲应力； m ：模数 ,其中 工况载 荷系数； 动载荷系数； 齿向载荷分布系数； 齿间载荷分配系数。 根据以上设计参数和要求，以及各种工作环境的确定，由参考表查的各项系数的取值如下： 以 4 5 2 式 （ 4 46 8 齿轮的弯曲疲劳极限经查表为 80 查表得齿形系数 应力修正系数 弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力： 取安全系数 ,则 M P 37 1 式 （ 4 齿宽系数 d ， 181 z ， 14022 z 所以端面重合度 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 37 页 c o 式 （ 4 所以重合度系数 Y 式 （ 4 M P a 4 3 71 2 2 3 4 由此可知，齿轮齿条的模数和齿数的选择符合要求，同时也满足齿根弯曲疲劳设计的要求。 齿轮齿条材料及热处理 根据齿轮和齿条传动的工作环境以及失效形式的分析，齿轮齿条传动应满足齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根要有较高的抗折断能力，并且本设计的传动是开式硬齿面传动。因此，对材料的选择的基本要求是：齿面要硬 ，齿心要韧。 在考虑齿轮材料满足工作条件的要求，齿轮尺寸的大小、毛坯成型的方法及热处理和制造工艺等方面的特点后，选择硬齿面齿轮，材料为 40处理方法为表面淬火。 齿轮的结构设计 在本齿轮齿条的设计中，由于行走齿轮的 5 ， a 160 ，可以把齿轮做成实心结构。综合考虑齿轮的几何形状、毛坯类型、材料、加工方法、使用要求及经济性考虑等因素，所以采用实心结构的齿轮轴为佳。 齿轮齿条传动润滑油的选择 由于摩擦磨损的存在，因此在设计中必须考虑润滑油的选择。用作润滑剂的油类大致分为三类：一类是有机油，通常是动植物油；二类是矿物油，主要为石油产品；三类是化学合成油。综合考虑润滑油的性能：粘度、油性（润滑性）、凝点、闪电、极压性能、氧化稳定性。并考虑到开式硬齿轮传动的特点（ 号为 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 37 页 横向传动系统的设计 丝杠疲劳强度的计算 注：本部分采用的公式参照机电一体化课程设计指导书 10 。 横向移动的驱动由直流电机驱动滚珠丝杠和丝杠螺母 来实现的。下面先介绍一下滚珠丝杠的工作方式及其特点。 滚珠丝杠传动就是在螺杆和螺母的滚道之间放适量的滚动体，使螺杆与螺母之间的滑动摩擦变为滚动摩擦的螺旋传动。当螺杆滚动时，滚动体依次沿螺纹滚道滚动，并促使螺母作直线运动。螺旋传动较其他传动方式的优点如下： (1) 摩擦小，效率高，一般情况下，滚动螺旋传动的效在 90%以上，在同样的负荷下，驱动扭矩与滑动摩擦螺旋传动减少 2/3 3/4。 (2) 灵敏度高，传动平稳。因为是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极小，所以在静止或是高低速传动时，其摩擦扭矩几乎不变。 （ 3） 磨损小，寿命长。滚珠螺旋副中的主要零件均经过热处理，同时表面光洁度高，所以耐磨性高。 可消除轴向间隙，提高轴向刚度。由于滚珠丝杠的传动效率高，预紧后仍能较轻松的完成传动任务，因此可以通过预紧消除间隙。 估算丝杠轴向最大工作载荷 0 2 210m a x 式 (4丝杠轴向最小工作载荷 01 0 21m 式 （ 4 丝杠最高转速 000m 丝杠最低转速 000 丝杠及螺母的材料与硬度 863 则当量动载荷 7 4)2(31 m a x 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 37 页 当量转速 rp m 35000)2(31 m a x 预期工作寿命 5000 61015001500010003560 则额定动载荷计算： 31)(10 2, a 式 （ 4 依据预期工作寿命，取载荷系数 2.1NC 2 5 2101 5 0 7 6 , 额定静载荷计算： 当滚珠螺旋副在静止或低速（ 0 ）下运转时，考虑静态强度计算，故省略不计。 根据动载荷计算结果、滚珠丝杠副进给速度、行程要求初定导程 L，在, 时，选取滚珠丝杠副尺寸规格、结构类型为外循环管式，垫片预紧，导珠管理填入系列，其尺寸如表 4 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 37 页 表 4滚珠丝杠尺寸 名称 符号 公式 尺寸 螺 纹 滚 道 公称直径 0程 L 8 接触角 334 钢珠直径 道法面半径 R 心距 e 纹升角 r 0 334 螺 杆 螺杆外径 d 杆内径 1d 201 杆接触直径 co s0 qz 母 螺母螺纹直径 D 20 纹内径 1D 杠的稳定性计算 临界稳定载荷 22)( 式 （ 4 其中弹性模量 25 /101.2 丝杠最小截面惯性矩 240 )(64 q 式 （ 4 丝杠支承端面距离取 1m 为约束系数 则 24024022 )()(64 式 （ 4 支承系数 2264 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 37 页 一端固定，一端铰支，所以 4 /1020 NF c 42 44 100 0 2 0 0 )020 则稳定安全系数 m a x 丝杠的许用安全系数 yy ，满足稳定安全要求 临界速度计算 8 式 （ 4 支承结构系数 弹性模量 25 /101.2 比重 35 /108.7 公称直径 0 整理得 r 2081000 0121)(10121 2605 2 式 （ 4 则不产生共振的最高允许转速 rp c 4 1 6 65 2 0 ，满足动态稳定条件 丝杠螺旋副刚度 丝杠轴向直线变形量 a 式 （ 4 其中丝杠支承与螺母间距 00 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 37 页 丝杠扭转变形所产生的轴向变形量 扭转变形角度 432 丝杠驱动力矩 2 6 1 2 0 0 82 式（ 4 剪切弹性模量 24 /105.8 则 r a 61032 轴向变形量 702 （ 3） 滚珠和螺纹滚 道面弹性变形引起的轴向变形量 3 滚珠工作圈数 i=母工作滚珠数 747 6 式 （ 4 在 45 时 有 422 243 22 243 00845s 式 （ 4 (4) 支承轴的轴向变形量 设计中采用的轴承为角接触轴承（ 36104滚珠直径 珠数 12。 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 37 页 31)(244预紧轴承的轴向力 为 2008N 滚动体直径 ，滚动体数目 12z 则 44 100 0 0 0 8(102 3 1 滚珠丝杠螺旋传动系统总的动态变形量 2 7 4 7 0 34321 综合弹性刚度系数 其数据范围能够满足点位控制精度要求。 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 37 页 5 导轨的 选择 当运动件沿着支承导件作直线运动时，支承导件上的导轨起支承和导向的作用，保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下： （ 1） 具有一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面的相互位置的准确性。 （ 2） 运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 （ 3） 良好的耐 磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度，应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 （ 4） 足够的刚度。运动件所受的外力是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度，因此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压，设置辅助导轨，以承受外载。 （ 5） 温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 （ 6） 结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配及调整，降低成本。 择 直线滚动导轨的特点及应用 滚动导轨副是以滚珠作为二导轨和滑 块之间的动力传输接口，进行无限循环
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