数控机床上下料机械手设计

1、本科毕业设计本科毕业设计（论文）（论文）题 目 数控机床上下料机械手设计 姓 名 专业 机械设计制造及自动化一班 学 号 指导教师 机械工程学院机械工程学院二二一四年五月一四年五月目录摘 要.IABSTRCT.II前言 .III1.机械手概况 .11.1 国内外发展状况.11.2 研究意义.21.2.1 机械手研究现状 .21.2.2 机械手研究方向 .31.3 本课题意义和目的.41.3.1 本课题的意义 .41.3.2 本课题的目的 .42.机械手的组成分类及设计分析 .62.1 机械手的组成.62.2 机械手的分类.72.2.1 按使用范围分类： .72.2.2 按驱动方式分类： .72

2、.2.3 按运动坐标型式分类： .82.3 机械手的设计分析.92.3.1 机械手工作环境分析 .92.3.2 机械手直角运动结构分析 .92.3.3 驱动机构分析 .102.3.4 控制系统分析 .103 总体设计 .123.1 原始数据.123.2 方案初步设计.123.2.1 方案拟定 .123.2.2 驱动方式选择 .133.2.3 传动方式选择 .143.2.4 电动机及联轴器选择 .153.3 方案评估分析.184 机械手系统设计与计算 .194.1 机械手的结构设计.194.2 直角坐标运动机构设计.204.2.1 传动丝杠的设计 .204.2.2 轴承选择及校核 .274.2.

3、3 导轨的设计 .284.2.4 驱动系统校核 .304.3 支撑架设计.334.3.1 支撑部件的合理安排 .344.3.2 支撑部件的截面形状 .355 运动结构仿真 .365.1 数控机床机械手运动机构仿真.365.1.1 建立一个 X 方向的导轨支撑架 .365.1.2 建立整个运动系统的仿真 .405.2 上下料机械手整体机构仿真.41总 结 .43致 谢 .44参考文献 .45数控机床上下料机械手设计I数控机床上下料机械手设计数控机床上下料机械手设计摘 要在现今我国大规模的生产制造产业中，企业为了降低成本，提高产品的生产效率以及产品的质量，大多数企业已经普遍重视产品生产过程的自动化

4、程度，因此，工业机械手也随之诞生，成为自动化生产流水线上的一个重要成员，并逐渐被企业所认同并采用。工业机械手的整体性能以及在企业中的应用程度在一定的程度上也反映了一个国家在机械行业的发展水平。目前，工业机械手仅仅扮演了生产制造中抓取、搬运的角色，并在不能完全代替人的劳动，而且，现代的机械手只能做一些简单、单一而又固定的运动。本文通过分析现代机械手的发展、结构组成（运动机构，驱动机构，控制机构） ，全面地讨论了直角坐标机械手的手部、臂部以及主体等主要部件的结构设计，其中包括机械部分的零部件（滚珠丝杠，轴承，步进伺服电动机，联轴器）的使用条件，结构设计，种类选取以及优、缺点的特点分析，基本参数的选

5、定，计算与校核，以及安全性的分析。同时还进行了这个系统的装配及运动仿真。最终实现的目的：实现控制系统对伺服步进电机的闭环控制；运用机械手的执行机构实现在三维空间的任意位置抓取；实现手部快速、准确并能够平稳有效的抓取工件；运用良好的传感装置和检测装置及时反映机械手所在空间位置。本课题设计做到尽量地缩小整个运动机构的占用空间，降低机械手的整体质量，并且达到低功耗、便维护、美外观、高灵敏、高精度等优点。关键词：机械手；滚珠丝杠；步进电机；直角坐标数控机床上下料机械手设计IICNC machine tool manipulator design ABSTRCTIn todays large-scale

6、 manufacturing, the enterprise to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, manipulator as an important member of automatic production line, gradually by enterprise and the use of identity. Industrial robot technology level an

7、d application degree to a certain extent reflect a nation of industrial automation level. At present, the manipulator mainly plays the role of welding and handling, stacking, and bear the labor intensity greatly in the production process, work normally taken offline programming method.This article e

8、laborates the structure design of the major parts of the Cartesian coordinate manipulator, such as hand, wrist, arm and the machine body. In which includes designing the components of the mechanical part. Such as step servo motor, ball screw, coupling, mainly describing the use condition, type selec

9、tion, basic requirement of design, analysis of the strong point, characteristic, calculate and proofread the basic parameter, analysis of security. Besides, it also includes designing of the control part. Such as the motor model, kind, brief introduction, analysis of the control steps, compile contr

10、ol procedure partly, analysis of the motion characteristic, designate, calculate and proofread the basic parameter.The target which should be terminally realize including: achieving the closed-loop control of the step motor, achieving grabbing object in space arbitrarily position by the actuator of

11、the arm. Realizing grabbing object by hand quickly, effectively. Possessing the good function of sense and limiting position, which makes the motion and stop quickly and precisely. Realizing the merits including small volume, light weight, low power dissipation, easy maintenance, beautiful appearanc

12、e, sensitive action, smooth transmission, succinct procedure, operation in small error. 17 Keywords：manipulator； ball screw；stepper motor；Cartesian coordinates数控机床上下料机械手设计III前言机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程高

13、效完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点。因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛应用于机械制造、电子和原子能行业，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。数控机床上下料机械手设计11.机械手概况1.1 国内外发展状况机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个可以旋转的长臂，顶部装有一块强磁铁，靠磁铁的磁性抓取工件机

14、构，控制系统采用的是示教系统。1962 年，美国联合控制公司在以往的技术上经多次试验研制成一台数控示教再现型的机械手。并为此命名为即万能自动机械手。运动系统仿照坦克的运动方式，机械臂可以做旋转运动、上下俯仰运动、以及机械手臂的伸缩运动、这些运动均采用液压驱动；控制系统采用磁鼓作为信息存储装置。现代的球式坐标通用机械手就是根据这个原理进行进一步研制发展起来的。同年，一种叫 Vewrsatran 机械手在美国的一家机械制造公司成功研制。这种机械手在中央有一个立柱与地面通过轴承连接，它可以做回转以及上下伸缩运动，驱动系统也是采用液压驱动，控制系统更改为示教再现型控制。在六十年代初，机械行业只出现了两

15、种工业机械手，但是它们为后来国内外的机械手发展奠定了基础。1978 年美国另一家公司和麻省理工学院以及斯坦福大学三者共同联合，在不懈努力下研制了一种Unimate-Vicarm 型的工业机械手，装有微型计算机控制系统，用于流水线的装配作业，其定位误差很小，不超过 1 毫米。美国十分重视机械手运动时候的稳定性以及可靠性，因此进一步优化结构，将机械结构简单化，降低制造机械结构所需的成本。如 Unimate 公司建立了 8 年机械手试验台，进行对机械手运动可靠性、定位准确度等方面的测试。并设计出一种机械手要把故障前平均时间(注：故障平均时间是指一台机械设备在一切性能稳定下使用的时间)，由原来的 40

16、0 小时提高到 1500 小时，精度由以往的一毫米误差提高到 0.5 毫米误差。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手主要用于大型物件的起重运输、人类无法完成的一些高难度焊接和流水线上的一些搬运类的生产。日本是在机械手行业发展最最迅速、应用最为广泛的国家。在 1969 年，日本从美国引进两种工业机械手后，然后开始投入大量资力、劳力从事对机械手的研究改装。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，在 1977 年底，据当时统计，苏数控机床上下料机械手设计2联的工业机械手使用已达到广泛推广，其中就有一半是苏联本国制造的，一半是从其他国家引进的。图 1.1Pocket Delta目前，机械手大

17、部分还属于第一代，机械手的工作主要依靠人工的操作，而且在制造精度方面也比较差，需要进一步改进的要是降低其生产成本和降低机床的误差。第二代机械手也在原有的技术上进一步研发制造。将在这类机械手中加入微型计算机控制系统，使机械手具有像人一样的能力，例如在视觉、触觉，甚至听觉以及思考方面的研制。研究安装各种传感器，把这些从外界获取到的信息反馈给计算机，计算机处理后的信息再次传递到相应部位使机械手更具有智能化。第三代机械手则要能够是机械手能独立完成某项任务。它主要是与计算机控制系统和显示设备保持着联系，并逐步发展成为柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)和柔性

18、制造单元(Flexible Manufacturing Cell，FMC）中的一个重要环节。1 1.2 研究意义1.2.1 机械手研究现状现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，自动化设备占用空间较大。因此，装卸、搬运等工序机械自动化的迫切性，工业机械手就是为解决这些问题的自动化而产生的。机械手运动结构形式很多,常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加数控机床上下料机械手设计3工。随着机械手技术的发展，应用的

19、对象还会有所改变。机械手在机械加工制造行业中的广泛应用能进一步提高零件精度及加工效率，改善机械零件的加工条件进一步释放劳动力，我国的机械手首先应用在流水线以及专用机床上，主要是完成物件的上下料以及简单的安装，从而减轻工人的劳动强度。而国外的机械手主要应用于加工铁路车轴、轮等大、中批零件，采用机械手与机床组合，形成一个综合的数控加工中心。目前，国外正在研制将摄像机和受力传感装置以及微型计算机连在一起，达到更深一步的智能化，准确能够确定零件的空间方位完成零件的加工与装配。1.2.2 机械手研究方向目前我国采用的机械手主要应用于机床零部件的加工、制造以及装配等方面，无论机械手的数量和品种，还是机械手

20、使用可靠性及定位准确性方面，都不能满足我国现在机械行业发展的需要。因此机械手在我国的发展主要是扩大其应用范围，发展能够完成机械零件的加工、铸造、热处理类的机械手，从而减轻劳动工人的劳动强度，改善劳动者的工作条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各个运动构件，例如，机械手的伸缩、机械臂的升降以及机械装置的移动等机构和根据不同的加工要求设计不同的加紧机等等。针对式的设计出相应用途的工业机械手，这样不但满足了机械的设计制造还能便于加工零件的更换与安装。另外，工业机械手的广泛应用还能提高零件的加工速度，具有高定位精度的

21、机械手还能进一步提高工件的加工精度，同时，在机械手上安装相关的传感装置、反馈装置。此外还考虑在机械手上安装伺服电动机，通过脉冲电流对机械手运动控制，因此可以大胆尝试将伺服步进电动机与计算机连用，逐步成为机械制造系统中的一个基本单元。国外机械手的发展趋势是就是这种具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能够随时反馈外界条件的变化，作相应的动作。如在运动轨迹在某个位置发生稍许偏差时，它可以自动更正并再次自行检测，主要重点还是研究视觉功能和触觉功能。目前，美国已经取得一定成就，在视觉功能上，他们在机械手上安装光电传感器和位置距离传感器，原理是将物体所在的空间位置转化为电信号，并将这些信号传递于

22、反馈系统，经计算机分析计算后通过控制执行元件来补偿物体的大数控机床上下料机械手设计4小、形状误差。触觉功能就是工程师将具有触觉感应的装置作为反馈系统的一部分安装在机械手上，使机械手在工作时能够首将机械爪伸出，寻找工件，当手指上的压力传感器受到一定量的力时， “机械臂”做出反应，抓住工件。机械手抓取工件的力量也需要通过机械手指内部的压力传感器反馈机械手施加的力，并通过计算机控制其运动。总之，随着机械技术的发展和信息技术的植入，机械手更深一步的独立完成作业的能力也将得到发展。更重要的是，若将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。利用机械手或类似机械设

23、备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展5。1.3 本课题意义和目的1.3.1 本课题的意义本课题的意义从不同的角度来说，共有四点：（1）从实用性来说，本课题的研究成果可以用于改进初始设计的上下料机械手使之更好的满足生产需求，既节约机械设备占用空间。该直角坐标系机械手设计是企业上下料自动化生产线的核心部分，完成好本课题，具有重要的实际意义。（2）从学术上来说，通过本课题研究设计，可以对初始设计结果加以验证，并将所学的机械设计知识应用到直角坐标机械手的参数设计过程中，并建立起一种理论，使用相关设计软件对此仿真计算。（

24、3）从自身来说，完成本次课题研究也是一次很好的工程设计实践，除了学到相关机械手设计的新知识外，还可以提高自身的工程素养，为以后从事机械设计师打下一个坚实的基础。（4）从空间上来说，本次设计主要是对初始设备的改造，改善之前机床占用空间，充分利用车间空间。1.3.2 本课题的目的本课题设计的目的是在原有设计的基础上为了满足不同零件加工生产及机床维修等需要，对机械手各部件进行模块化，并对型材在各种情况下的应力变数控机床上下料机械手设计5形情况进行受力分析以确定合适的型材材料的截面及各个参数，使之更好地满足机械手上下料需要，并使整个上下料系统先进可靠，成本适中。数控机床上下料机械手设计62.机械手的组

25、成分类及设计分析2.1 机械手的组成图 2.1 工业机械手的组成框图图 2.2 工业机械手示意图一般来说，机械手主要有以下几部分组成：1.执行机构 (或称手部、臂部) 包括手指、手腕、手臂、传动机构等，主要起抓取、改变零件（设备）方向和放置物件位置的作用。2.驱动系统 它是机械机构的运动动力（也称动力源） ，常用的有液压、气压及电力三种驱动形式。3.控制系统 它是机械手动作的“指挥官”，它主要用来完成控制机械手的动作顺序、位置和时间（甚至速度与加速度）等。4.位置检测装置 它是通过各种装置（行程检测装置和压力传感装置、反馈装置）检测机械手的位置，及将机械手的位置信息反馈给计算机。数控机床上下料

26、机械手设计72.2 机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式以及驱动方式三个方面的分类分别为：2.2.1 按使用范围分类：（1）专用机械手 一般只采用固定程序，无单独控制系统的机械装置。专用机械手主要是具有运动单一、工作对象单一、结构简单、成本较低等特点，适用于大批量的自动化生产，特别是自动换刀机械手，如数控机床坐标运动、自动线的上、下料机械手以及加工中心三维运动。它从某种机器或生产线自动抓取物件或操作某一工具，例如毛坯上下料机械手这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。（2）通用机械手 指具有可编程控制系统的、动作灵活多样的机械手，能够自动完成传送物件或操作某

27、些工具的机械装置。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型仅可以是点位控制，故属于程序控制类型；伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。2.2.2 按驱动方式分类：（1）液压驱动机械手 液压驱动机械手是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:液压驱动力较大可以提供几百公斤以上的力，传动机构采用“背压”措施使运动平稳、结构紧凑。但是液压系统对密封装置要

28、求严格，容易出现油液的泄漏，对机械手的工作性能有很大的影响，而且不宜在高温、低温下工作。若是机械手采用电、液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制扩大机械手的适用范围，缺点是电液伺服阀的制造精度高，对油液纯净度要求较高，因此过滤要求严格，成本高。（2）气压驱动机械手 气压驱动的机械手主要是依靠压缩空气的压力来提供驱动机械手的动力来源。气压驱动机械手的主要优点有:工作介质的来源比数控机床上下料机械手设计8较广，气压驱动的动作迅速，系统的整体结构简单而且成本较低。但是，由于空气具有可压缩性，因此，其工作时的稳定性能比较差，而且在运动过程中冲击力较大，但是气体的压力较低，所以该装置驱动的机械手抓取的工件比

29、较轻，一般抓取的工件都在 30Kg 以下，在同样的工作条件下起亚驱动比液压驱动的机械手的结构大，所以适用于高速、高温、轻载和粉尘大的工作环境中工作。（3）机械驱动机械手 机械驱动的机械手是由连杆、凸轮、齿轮和齿条、间歇机构等机械传动机构驱动的机械手。机械驱动的机械手是一种附属于工作主机的专用机械手，它的动力是全部都是由机械机构传递，相比其他驱动的机械手，它的主要特点就是运动比较准确可靠，在机械生产中主要用于机床工作时的上、下运动。其最大的优点是动作频率大，就是存在一些缺点，主要是结构大和动作固定。（4）电力驱动机械手 电力驱动机械手是由直线电机或功率步进电机直接驱动机械臂和机械手运动的机械设备

30、，这种机械手是直接驱动相应部件运动，运动过程中不需要转换机构，故这种机械手的机械机构结构简单。另外这种机械手的特点是运动速度快和运动距离长，机械设备的维护和使用方便。但是此类机械手目前应用还不多，是以后机械行业的发展方向1。 2.2.3 按运动坐标型式分类：（1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴 X、Y、Z 三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿 X 方向的移动)、左右移动(定为沿 Y 方向的移动)和上下升降(定为沿 Z 方向的移动)。（2） 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的 X 和 Z 方向移动，又可绕 Z 轴转动，即机械臂可以前后伸缩、上下运动以及能够围绕 Z 轴转动。（

31、3）球坐标式机械手 机械手臂部位可以沿直角坐标轴 X 方向移动，还可以绕 Y 轴和 Z 轴转动，即手臂可以沿 X 方向移动、定为绕 Y 轴摆动和定为绕Z 轴转动。（4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接以及大臂和机体的连接均为铰链式连接，即小臂对大臂可绕肘部任意转动，大臂可绕机体任意角转动，手臂还可以以小臂为支点左右转动和旋转15。数控机床上下料机械手设计92.3 机械手的设计分析2.3.1 机械手工作环境分析本课题设计的机械手主要运用于机械加工车间的流水线作业如图,该零件加工处于繁琐、危险的环境当中，机械手需要在刚刚加工带有余热的半成品零件从机床上取下并传至

32、下一工序进行进一步加工。另外，机械设备结构复杂占地面积较大，维修检测的空间狭小，不便于机械加工刀具的更换以及机床的维修。基于以上分析，机械手要求在高温条件下实现对半成品的快速、准确的取下及安装放置。替代人工的操作，改善工人劳动条件，显著提高工作效率。机械臂要得到进一步优化机械结构，实现充分利用车间空间，并为人工安装刀具以及对机床的检测和维修提供更多的活动空间。图 2.3 现有的机械手结构2.3.2 机械手直角运动结构分析机械手的运动方式也是影响到一台机械手的机构。本课题研究的机械手直角运动机构主要由手部、手臂、立柱、支撑机构。其运动流程：机械手复位机械手前伸至毛坯机械手抓取工件机械手随机械臂

33、Z 向上升机械手沿X 向前进机械手 Z 向下降机械手将机床上半成品取下机械手 Y 方向移动机械手安装毛坯机械臂 Z 向移动机械手 Y 向移动至转向器加工下一工序。数控机床上下料机械手设计10图 2.4 机械手直角坐标运动结构图2.3.3 驱动机构分析本次课题来源的驱动机构主要以气压驱动为主，液压驱动、机械驱动为辅。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4-6 个大气压作为驱动动力源，其优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有

34、速度控制机构或缓冲机构。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。机械驱动只用于固定的场合。一般采用凸轮、连杆、齿轮齿条机构、滚珠丝杠机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，精度高，主要用于工作主机的上、下料；缺点是动作频率大，但结构大，动作程序不易调整。本课题所做的机械手采用机械驱动机构来实现“手臂”的上升、下降方面；采用气压驱

35、动机构实现“手指”的移动及工件的夹紧、放松方面。2.3.4 控制系统分析机械手控制系统的要素，主要包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程数控机床上下料机械手设计11序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。其主要控制方式如图 2.5，使用控制系统对不同方向的步进电动机传送一定量的脉冲，从而达到对机械手的运动控制。图 2.5 机械手控制系统图数控机床上下料机械手设计123 总体设计3.1 原始数据图 3.1 下轴承零件图毛坯重量： M毛10kg定位精度： 小于 1mm机床外形尺寸： 1870mmX1350mmX185

36、0mm自由度： 3（X 方向横向移动、Y 方向纵向移动、Z 方向竖直运动）各轴向最大运动范围：X 方向： 2300mmY 方向： 350mmZ 方向： 980mm3.2 方案初步设计3.2.1 方案拟定本设计为直角坐标机械手，其工作方向为 X、Y、Z 三个直线方向。在 PLC控制器及各个传感器的作用下，它执行将工件从这个位置放到另一个位置，以实现自动化，减少人力劳动。本文是对整个设计工作较全面的介绍。数控机床上下料机械手设计13图 3.2 工件搬运简图图 3.3 装配俯视简图3.2.2 驱动方式选择常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。针对这三种驱动方式的优缺点分析如表 3-1

37、:表 3.1 三种驱动方式的特点对照驱动方式内容液压驱动气动驱动电机驱动输出功率大小中控制性能利用液体的不可压缩性，即控制精度较高，输出功率大，可无级气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以控制高速、控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、数控机床上下料机械手设计14调速，反应没有其他驱动方式迅速，但可实现连续轨迹控制高精度的连续轨迹运动高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小

38、，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除 DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在高温条件下会出现着火的危险防爆性能好，高于1000kPa(10 个大气压)时应注意设备的抗压性该系统自身本无危险，只有电动机驱动在电极换向时有一定的火花，不会造成危险对环境的影响液压系统容易漏油，对环境有污染。介质是空气，只有排气时有噪声。无在工业中应用范围适用于低速重载驱动的系统，即液压伺服系统适用于起重，冲击。适用于中小负载驱动，精度要求较低的机械设备，例如工件夹具体。适用于中小负载、具有要求较高的位置控制

39、精度和轨迹控制精度、速度较高的运动系统。 成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用不方便，油液要求较高，需要多次过滤。方便较复杂经上述分析此机械手 X,Y,Z 方向驱动采用电机驱动，机械手夹持装置的驱动采用气压驱动2。3.2.3 传动方式选择机械传动是把原动机和工作机间接连接起来，达到传递转矩的作用。传动方式主要有带传动(皮带和带轮)、链传动（链条和链轮） 、齿轮传动（齿轮和齿条）等3。本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现机械手 X,Y,Z 方向移动。滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产数控机床上下料机械手设计15生滚动摩擦。丝杠传动是带动滚珠沿螺纹轨道

40、滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点：1）传动效率高 一般滚珠丝杠的传动效率达 85%-98%，为滑动丝杠的 3-4 倍。2）运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。3）间隙预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。4）工作寿命长 滚珠丝杠的摩擦表面为高硬度、高精度，磨损小，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠的 4-10 倍以上.5）定位精度和重复定位精度高 滚珠丝杠的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3 左右，发热率大幅降低，温升减小，无爬行，无间隙。并且在安装滚珠

41、丝杠时采取施加预紧力的方法消除轴向间隙等措施. 预紧后可得到很高的定位精度（约达 5um/300）和重复定位精度（可达 12um）13。6） 不能自锁 用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。图 3.4 滚珠丝杆螺母副3.2.4 电动机及联轴器选择（1）电动机选择直角坐标机械手运动需要精确定位并能具有自锁功能，因此考虑使用步进电动机。步进电动机是一种把脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件，也可以说是一种机械式的数模转换器，每输入一个脉冲，步进电动机就前进一步，因此称作脉冲电动机，步进电动机的种类繁多，主要分三大类：反应式步进电动机、机床磁式步进电动机以及永磁感应式步进电动机，本是合计

42、采用反数控机床上下料机械手设计16应式步进电动机，因为其结构简单，是应用最广泛的一种。步进电动机能成为现代数字控制系统重要的执行元件。是因为步进电动机本身也在不断发展，性能也在不断完善。其优点如下：1、可直接实现数字控制。2、控制性能好3、无接触式元件，没有电刷和转换器，运行平稳可靠，在步进电动机的负载范围内，步距值不受电源电压的大小，负载大小，波形及周围环境温度变换的影响，抗干扰能力强，能保持运行转速。4、误差不长期积累。5、反应式步进电动机在单相绕组通电的情况下，具有自锁能力，永磁式步进电动机在不通电的情况下也能保持转矩。综述以上分析，本课题设计选用伺服步进电动机。（2）联轴器选择联轴器主

43、要起连接轴与轴，以传递运动与转矩；有时也可用安全装置。常用联轴器有刚性联轴器和挠性联轴器。联轴器大多已标准化或规格化，一般情况下只需正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号及尺寸。必要时，可对其易损的薄弱环节进行负荷能力的校核计算，转速高时，还应验算其外缘的离心应力和弹性元件的变形，进行平衡检验等。本课题选择的联轴器装配方便、能起到一定的减振缓冲作用，能够连接载荷平稳，满足机床频繁性正反转。以下为各种联轴器对比:A、刚性联轴器刚性联轴器有套筒式、加壳式、和凸缘式等。凸缘式联轴器（亦称法兰联轴器）是利用螺栓联接两凸缘盘式半联轴器，两个半联轴器分别用键与两轴联接，以实现两轴连接，传递转矩和运动。凸缘

44、联轴器结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较方便，传递转矩较大，能保证两轴有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。凸缘联轴器不具有径向、轴向和角向补偿的性能，使用时如果不能保证被联接两轴的对中精度，将会降低联轴器的使用寿命，传动精度和传动效率，并引起振动和噪声。数控机床上下料机械手设计17 图 3.5 凸轮式联轴器B、挠性联轴器挠性联轴器具有一定的挠性，可补偿两轴的相对位移，起到缓冲、减振的作用。故可分为十字滑块联轴器，十字轴万向联轴器、齿轮式联轴器、滚子链联轴器、弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、膜片联轴器。1、齿式联轴器 齿式联轴器是有齿数相

45、同的内齿圈和带外齿的凸缘半联轴器等零件组成。外齿有直齿和鼓形齿两种，所谓鼓形齿即为将外齿做成球面，球面中心在齿轮轴线上，齿轮侧面的间隙较一般齿轮大，鼓形齿联轴器可允许较大的角位移（相对直齿联轴器） ，可改善齿的接触条件，从而能使齿式联轴器具有较大的传递转矩能力，同时也能使机械损耗减小，延长联轴器的使用期限。 齿式联轴器在工作时，两根轴间会产生一定量的相对角位移，这个位移是内外齿轮的齿面有相对的轴向滑动，轴向的滑动可以使齿面磨损量增加，机械设备的有效工比值下降，因此，使用齿式联轴器应有良好的润滑和密封的条件。齿式联轴器的径向尺寸越小，其工作时可以承载的载荷就越多，即常用于一些机械重工一类的需要低

46、速重载的轴传动，高精度并经动平衡的齿式联轴器可用于高速传动。由于鼓形齿式联轴器角向补偿大于直齿联轴器，被广泛选用。2、膜片联轴器膜片联轴器是由几组膜片（不锈钢）用螺栓交错的与两半联轴器联接，每组膜片由许多膜片叠集成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿联接两轴间的相对位移，同时，膜片联轴器更是一种具有高性能的金属弹性元件挠性联轴器。膜片联轴器最大的优点是不需要润滑，而且该机械结构比较紧凑，其强度较高，而且还具有较长的使用期。由于这种数控机床上下料机械手设计18联轴器旋转无间隙，而且不受温度和油污影响，具有耐酸、防碱，防腐蚀等特点，因此这种联轴器主要适合于高速高温的

47、工作环境。广泛使用于各种机械装置的轴系传动，例如水泵，纺织机械，化工机械，冶金机械，舰艇等高速运动的传动系统。膜片联轴器与齿轮联轴器相比，没有相对运动，其主要特点是长期工作不需要润滑和密封，冲击力较小且无噪声，这类的联轴器基本上不需要复杂的装配和维修，另外依据这种联轴器的特点它可替代齿轮联轴器。 图 3.6 齿式联轴器 图 3.7 膜片式联轴器3.3 方案评估分析本课题设计的工业机械手，主要是满足机械零件的加工过程中的抓取、运输、安装。因此，在设计中最大的要求是机械手能够快速响应、准确定位，而且在运动过程中运动平稳。企业现在主要使用的机械手只能满足简简单单的运动，无法快速准确的完成机械零件的加

48、工过程。另外，现在企业使用的机械手在机械传动方面采用的是齿轮和齿条，它不但传动间隙较大，而且在运动过程中有振动。在控制系统方面企业采用的机械手是开环控制没有反馈装置，无法准确定位到零件的空间位置，从而增大了加工误差。经上述的比较，在本课题设计的机械手不但改进了机械传动方式、机械设备结构，还在控制系统中加入了感应装置，可以将机械手的空间位置以电信号的形式传递给计算机并再次处理运动，获得比较高的定位精度。在机械设备结构方面，本课题采用机械臂三维直角坐标运动，大大减少了设备占用的空间。在传动系统中，使用滚珠丝杠螺母传动，这种传动方式使传动精度增加，从而提高工件的定位精度。数控机床上下料机械手设计19

49、4 机械手系统设计与计算机械手能够模仿人手部的部分动作，按照设定的程序、轨迹和要求，可以代替人工在高温危险的工作环境里进行单调而且持久的工作，实现一些人工不可能完成的工作，从而不但降低劳动者的劳动强度，还可以降低生产过程中的危险系数。在这种工作条件，既保障了生产安全，还能促进工作线的加工速度，提高了工作效率，改善了劳动环境，已经成为现代制造业中不可或缺的一种自动化装置。根据对机器人的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如图 4.1 机械手运动过程所示：图 4.1 机械手运动过程4.1 机械手的结构设计本课题设计的机械手是依靠气压或者液压驱动系统提供动力，使用换向阀换向实现机械手指的合并与松

50、开。以下是机械手的视图表示：图 4.2 机械手的视图XYZ 方向运动原点下降抓取放下数控机床上下料机械手设计204.2 直角坐标运动机构设计4.2.1 传动丝杠的设计直角坐标运动系统主要通过传动丝杠与螺母配合使用，依靠丝杠的回转运动转换成螺母的直线运动，从而带动整个机械臂的移动1、设计计算条件工作台重：=500N1机械臂重：=1300N2最大行程：L=2100mm丝杠两端支承间距：=180mm =60mm12传动丝杠全长 S=2340mm定位精度：0.012/300mm（空载）重复定位精度：0.006mm（空载）工作台摩擦系数：=0.04驱动电机：=1500r/m安装方式：两端分别采用推力角接

51、触轴承、深沟球轴承支撑。将滚珠丝杠的一个螺母固定在工作台下的螺母座上，另一个螺母使用连接件链接，起到消除螺母间隙，并适当预紧、提高传动精度。2、根据机床精度要求以及机床载荷选定滚珠丝杠。A、确定传动丝杠导程丝杠导程 (mm)=其中 V 工作台移动速度（mm/min） N 滚珠丝杠的转速（r/min）B、滚珠丝杠精度选择数控机床上下料机械手设计214.1 滚珠丝杠副推荐精度等级精度等级代号名称应用范围P普通级普通机床B标准级一般数控机床J精密级精密数控机床、精密机床、加工中心C超精密精密加工机床、高精度加工中心C、传动丝杠的轴向载荷滚珠丝杠副在正常使用中，必须考虑整个工作台或者是这个运动系统在滚

52、珠丝杠上施加的力。在本课题设计中滚珠丝杠在机床坐标运动中主要起到将旋转运动转换为直线运动，即丝杠承受的径向载荷可忽略不计。丝杠的选用取决其轴向最大载荷，为了不破坏丝杠，应满足一下要求：1）丝杠临界压缩载荷（丝杠稳定性） 。2）丝杠拉伸、压缩应力引起的形变。3）钢球接触部位的永久形变。D、临街压缩载荷丝杠允许的轴向压缩载荷：(N) = 2 2= 142 104其中：a 安全系数（a=0.5）E 弹性模数（E=）2.06 105I 丝杠螺纹滚道的最小截面惯性矩，I=（）64 144D 丝杠螺纹滚道底径（mm）L 安装间距（mm）表 4.2 m、N 系数确定安装方法mN一端固定，一端自由1.20.2

53、5一端固定，一端支撑10.02两端支撑5.01数控机床上下料机械手设计22两端固定19.94E、滚珠丝杠拉伸、压缩应力下轴向载荷 = = 1.15 12 102()其中： 许用应力（147Mpa）A 以滚珠丝杠螺纹滚道底径为直径的圆面积（mm2） = 4 12 丝杠螺纹滚道底径(mm) 1F、不致使钢球接触部位产生永久变形的轴向极限载荷如果滚珠丝杠副承受轴向载荷过大，钢球与滚道接触面就会出现永久变形。因此，必须控制轴向极限载荷。 (N)0=0其中： 静态允许负载系数表 4.3 静态允许负载系数普通运转时12有振动冲击时1.53 额定静载荷 (N)0额定静载荷：使钢球与滚道面间承受最大的接触应力

54、点处产生 0.00010倍钢球直径的永久变形时，所施加的轴向静态载荷。G、允许丝杠转速（1）设计丝杠转速主要考虑以下两点：1）丝杠产生共振时的临界危险转速。2）导致钢球循环部位损坏的值。0 （2）临界转速= 60 22 2 = 12 107()其中： 安全系数(a =0.8)E 弹性模量系数（ = 2.06 105）I 丝杠螺纹滚道最小截面惯性矩 I=（）64 144数控机床上下料机械手设计23 丝杠螺纹滚道底径(mm)1g 重力加速度( = 9.8 103 2) 比重( = 7.65 10 5 3)A 以丝杠螺纹滚道底径为直径的圆面积 =4 12(2)L 安装距离(mm)表 4.4 f、 系

55、数确定安装方法f一端固定，一端自由3.41.875一端固定，一端支撑15.13.927两端支撑9.73.14两端固定21.94.730H、确定的值0 1）a 标准系列 70000 0 d 公称直径 (mm) n 丝杠转速 每分钟转数(rpm) b 高速系列 1200000 表 4.5 尺寸表 数控机床上下料机械手设计24续表：型号dDABLWXHQnCaC0aSFU01210-31628481057385.540M61X311032401SFU02004-42036581042476.644M61X410662987SFU02005-42036581051476.644M61X41551387

56、5SFU02504-42540621042516.648M61X411803795SFU02505-42540621051516.648M61X417244904SFU02506-42540621054516.648M61X423186057SFU02508-42540621063516.648M61X429637313SFU02510-42540621285516.648M61X429547295SFU03204-4325080124465962M61X412964838SFU03205-4325080125265962M61X419226343SFU03206-43250801257659

57、62M61X426327979SFU03208-4325080126565962M61X433879622SFU03210-4325080129065962M61X4480512208SFU04005-4406393145578970M81X421107988SFU04006-4406393146078970M61X428739913SFU04008-4406393146778970M61X4371211947SFU04010-4406393149378970M81X4539915500SFU05010-450751101693931185M81X4600419614综上所述，本课题选用标准级

58、滚珠丝杠，代号为 B,型号为 SFU03208-4.3、滚珠丝杠副的预紧力与预紧转矩为提高机械手运动位置的准确性，必须消除丝杠与螺母之间的间隙，提高螺纹滚道和螺母中的钢球刚度；要提高整个系统中的滚珠刚度，就必须提高滚珠丝杠副的预紧力，只有预紧力越大，滚珠丝杠与滚珠丝杠螺母的接触刚度就越大，系统的定位精度越高；但是过大预紧力，其预紧转矩也会相应变大，这样滚珠丝杠副在运转过程中螺母和丝杠之间摩擦力增加，产生大量热量，导致磨损量正大，大大降低滚珠丝杠副使用寿命以及机械手定位精度。所以，选择数控机床上下料机械手设计25滚珠丝杠副应该采取适当的预紧力。A、滚珠丝杠副施加预紧力示意图，如图 4.3图 4.

59、3 滚珠丝杠预紧= + = 在外部施加一定的载荷，其中一部分由于螺母 B 变形量的减小而被抵消。若当当螺母 A 所受的挤压力增大时，螺母 B 的预压力也随之减小，如果施加在螺母 A 上的力过大其变形也会增大，相反，螺母 B 变形减小，只有在外力增大到临界值 F 时，螺母的预压力为零。但随着预紧力的增大，滚珠丝杠与螺母之间的摩擦力也随之加大，从而滚珠的磨损量增大，这样也会影响机械手的定位精度以及丝杠的使用寿命。因此，对丝杠螺母应施加合适的预紧力，提高丝杠传动精度。通常施加的预紧力是额定动载荷的 1/201/10。预紧力的选择，如表 4.6表 4.6 不同载荷下的预紧力轻 预 载中 预 载标 准

60、预 载重 预 载预紧力小于 1/201/20至 1/151/15至 1/10大于 1/10B、预紧转矩滚珠丝杠副的静摩擦转矩数控机床上下料机械手设计26在传动系统中，丝杠的旋转需要很大的启动转矩（又称为静摩擦转矩） ，它是动态预紧转矩的 2 至 2.5 倍，随着丝杠转速增大，该转矩迅的大小会随之减低。动态预紧转矩在滚珠丝杠预紧力为，产生的动态预紧转矩为：= 2 (1 2)其中： 动态预紧转矩（N/m） 滚珠丝杠的预紧力（N） 导程（mm） 滚珠丝杠的传动效率（0.90.95）4、滚珠丝杠的刚性滚珠丝杠的刚度与滚珠丝杠自身的直径大小有着直接的关系，直径越大，其刚度也就越好。但是过大的直径，相应的