智能加工装备设计 课件 第4-7章 机床夹具设计- 制造装备实验

第4章机床夹具设计4.1概述夹具定义：在机械加工中，为了安装加工工件，使之占有正确的位置，以保证零件和产品的质量，并提高生产效率，所采用的工艺装备称为夹具。

在机床上确定工件相对于刀具的正确位置—定位。

对工件施加作用力，使之在已经定好的位置上保持工件状态—夹紧

夹具定义夹具是机械制造中的一种工艺装备，是机床和工件之间的连接装置，使工件相对机床或者刀具获得正确位置。因此，机床夹具的好坏直接影响工件加工表面的位置精度。

夹具定义1、夹具功能

夹具定义（1）保证加工精度

定位——获得正确的位置；

夹紧——加工过程中保证工件在正确的位置上不变（2）提高生产率：减少辅助时间（3）扩大机床的适用范围（4）减轻工人的劳动强度，保证生产安全2、夹具应该满足的要求

夹具定义（1）保证加工精度

关键在于正确的定位、夹紧和导向方案、夹具制造的技术要求，定位误差的分析和验算。（2）夹具的总体方案应与年生产纲领相适应（生产效率）

大批量生产采取快速、高效的定位、夹紧和动力装置；中小批量，夹具应有一定的可调性。（3）安全、方便、减轻劳动强度

（4）排屑顺畅

切屑热量；切屑清理（5）有良好的强度、刚度和结构工艺性1、夹具分类--按夹具的使用范围分类

夹具分类及组成（1）通用夹具--通用性强，例如车床的卡盘、铣床的分度头等，适用于单件小批量生产；夹具分类及组成（2）专用夹具—用于某特定工序的特定夹具，广泛地用于成批生产和大批量生产。焊接夹具夹具分类及组成（3）可调整夹具--有一定可调整性，可更换部分元件，调整部分装置；可调整夹具同类产品，不同品种生产。成组夹具尺寸、结构、工艺相似件，适合多品种、中小批量生产。夹具分类及组成（4）组合夹具---由一系列的标准化元件组装而成，标准元件有不同规格、形状，但其配合部分具有良好的互换性。适合单件小批量生产中位置精度要求较高零件；夹具分类及组成（5）随行夹具—在自动线和柔性制造系统中使用的夹具，它不仅要完成工件的定位和夹紧，又要作为运载工具将工件在机床间进行传送。2、夹具分类----按使用机床分类

夹具按使用机床可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床夹具等。夹具分类及组成2、机床夹具的基本组成

夹具分类及组成（1）定位元件及装置——确定工件正确位置；（2）夹紧元件及装置——固定工件于已获得的正确位置；（3）导向及对刀元件——确定工件与刀具之间的距离及相互位置；（4）动力装置——减轻劳动强度，提高生产效率；（5）夹具体——将各元件连为一体，与机床安装成一体；（6）其它元件及装置——定向键等（铣、镗）。

定位、夹紧、夹具体三部分不可缺少1-工件；2-定位销；3-挡销；4-分度定位套；5-分度定位销；6-手扭；7-手柄；8-衬套；9-开口垫圈；10-螺母；11-转盘；12-钻套；13-夹具体夹具分类及组成第4章机床夹具设计4.2工件定位1、工件的定位

机床夹具的定位机构几个基本概念工件定位——按照加工工艺要求，将工件置于夹具中，使工件在夹紧前相对于机床和刀具就占有一个预定的位置。定位基准——在机械加工中用作定位的基准。定位基面——在工件定位时，作为定位基准的点、线、面，往往由某些具体表面体现出来，这种表面称为定位基面。夹具设计时，原则上应选择工艺基准为定位基准。1）六点定位原理自由度——物体在三维空间中可能具有的运动。在OXYZ坐标系中，有沿X、Y、Z轴移动及绕X、Y、Z轴转动的六个独立运动。工件定位的实质就是限制工件的自由度，在空间需要有固定点与工件表面保持接触。用来限制工件自由度的固定点，称为定位支承点。六点定位原理：采用适当的约束措施，来消除工件的六个自由度，以实现工件的定位。机床夹具的定位机构未定位的六个自由度

机床夹具的定位机构长方体工件定位

机床夹具的定位机构圆盘工件定位

机床夹具的定位机构轴类工件定位

机床夹具的定位机构定位元件—用来限制工件自由度的几何体。常用定位元件：

机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构2）工件定位中几种情况

机床夹具的定位机构完全定位、不完全定位、欠定位、过定位

完全定位——需要将工件的六个自由度全部限制。

不完全定位——需要限制的自由度少于六个。欠定位——按照加工要求需要限制的自由度没有完全被限制。

过定位（重复定位、超定位）——某个自由度被两个或两个以上的约束重复限制。机床夹具的定位机构过定位产生的不良后果：使接触点不稳定、增加了夹紧变形、部分工件不能顺利与定位元件配合。平面支承：长圆柱销：挡销：3）定位的正常情况和非正常情况

机床夹具的定位机构定位的正常情况：

根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度均已被限制。它可以是完全定位，也可以是不完全定位。定位的非正常情况：

根据加工表面的位置尺寸要求，需要限制的自由度没有完全被限制，或者某自由度被两个或两个以上的约束重复限制。4）定位分析与非正常情况改进

机床夹具的定位机构短圆柱销1限制

短圆柱销2限制

平面限制

短圆柱销1限制

短菱形销限制

平面限制

过定位改进方案如何改进下面过定位？

机床夹具的定位机构、

、

大平面限制

长销限制

过定位定位改进方案、

、

小平面限制

长销限制

大平面限制

改进方案改进方案改进方案短销限制

小平面限制

长销限制

机床夹具的定位机构在分析定位方案是否合理时，仅仅考虑六点定位原理是不够的，还要认真仔细分析本工序加工表面的位置精度要求。

机床夹具的定位机构

定位销限制

底面限制

定位钉与定位销限制

底面限制

两定位钉限制

在工件上铣键槽，a)所示方案，是过定位，肯定不合理的。改成b)所示方案，满足六点定位原理。是否合理？

分析工序尺寸加工要求，键槽中心线与基准A有平行度要求。方案b)也不能满足要求。如何改？（圆柱销-》菱形销）

2、典型的定位方式、定位元件及装置

机床夹具的定位机构三种定位方式：平面定位、孔定位、外圆定位1）平面定位（1）支承钉和支承板圆头支承钉——粗基准定位（点接触、位置相对稳定，但易磨损）平头钉——精基准定位花头钉——侧面粗定位支承板——大、中型零件精基准定位、、平面定位a）粗基准定位b）精基准定位机床夹具的定位机构

精基准定位粗基准定位侧面粗定位

（可以减少磨损，（点接触，位置相对稳定（摩擦力大，容易存屑）避免定位表面压坏）但易磨损）a)平头支承钉

b)圆头支承钉c)花头支承钉

机床夹具的定位机构以已加工过平面为定位基准面时，选用平头支承；以粗糙不平平面为基准面时，选用圆头支承钉；侧面定位时，选用网状支承钉。

支承板机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构（2）可调支承可调支承：有一个可调整范围，调整后用螺母锁紧。

多用于毛面定位，每批调整一次，以补偿各批毛坯误差（不一致性）。适用于毛坯（如铸件）分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。亦可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，或用于专用可调整夹具和成组夹具中。在一批工件加工前调整一次，调整后用锁紧螺母锁紧。

可调支承机床夹具的定位机构圆头可调支承锥头可调支承网状平头可调支承机床夹具的定位机构（3）自定位支承自定位支承：具有浮动或联动结构，具备自定位功能。用于定位基面不连续或台阶面、有角度误差等场合。与工件作两点接触与工件作三点接触机床夹具的定位机构（4）辅助支承辅助支承是在工件定位后才参与支承的元件，不限制自由度，主要是增加工件刚度，减少切削变形。机床夹具的定位机构2）孔定位

当工件上的孔为定位基准时，采用孔定位。其特点是定位孔和定位元件之间处于配合状态，常用心轴和定位销。（1）心轴定位

锥度心轴：定心精度高，轴向定位精度较低；

刚性心轴：间隙配合——装卸容易，精度较低；过盈配合——装卸困难，精度较高。

弹性心轴、液塑心轴、定心心轴等。

心轴定位a)b)c)d)a)锥度心轴

b)c)d)刚性心轴机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构（2）定位销

长圆柱销——限制四个自由度

短圆柱销——限制两个自由度

短菱形销——限制一个自由度圆柱销定位

菱形销圆锥销（限制三个自由度，配合使用）

机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构3）外圆定位工件以外圆柱表面定位，常用有：定位套筒、半圆定位座、V形块定位、外圆定心夹紧。（1）定位套筒套筒定位结构简单，主要用于精基准定位。套筒有长、短之分，其定位孔常与端面构成组合限位面，共同约束工件自由度。机床夹具的定位机构（2）半圆定位座常用于大型轴类工件的定位，将同一圆周面的孔分成两半圆，下半圆部分装在夹具体上，起定位作用，上半圆部分装在可卸式或铰链式盖上，起夹紧作用，半圆孔定位座适用于大型轴类工件的定位。机床夹具的定位机构（3）

V形块定位

V形定位块结构尺寸已标准化，斜面夹角有60°、90°、120°三种

，其中90°应用最广泛，其定位精度和定位稳定性都介于三种中间。V形块有长、短之分，长的限制四个自由度，短的限制两个自由度。

V形块定位结构尺寸已标准化，斜面夹角60°、90°、120°机床夹具的定位机构

工件以外圆柱面定位

a)较长精基准；

b)较长粗基准；

c)阶梯轴定位用；

d)较长、较重工件。5.3

机床夹具的定位机构机床夹具的定位机构（4）

外圆定心夹紧使用

三爪卡盘、双V形铁定心夹紧、弹簧夹头等定位和夹紧工件的外圆。磨齿轮内孔卡盘，保证内孔与节圆的同轴度机床夹具的定位机构4）定位表面组合实际生产中，工件不是由单一表面定位，而是几个定位表面的组合。

定位表面的组合

第一定位基准面（主基准面）：限制自由度数最多的定位面；

第二定位基准面（导向基准）：限制自由度数较多的定位面；

第三定位基准面（定程基准）：限制一个自由度。

箱体类零件——一面两销定位：顶平面——限制三个自由度；圆柱销——限制两个自由度；菱形销——限制一个自由度。

（1）一个平面和与其垂直的两个孔组合机床夹具的定位机构

（2）一个孔和一平行于孔中心线的平面组合如何组合？根据加工工艺要求来确定定位方案。机床夹具的定位机构

（3）一面两销组合定位机床夹具的定位机构“一面两销”的两圆柱销重复限制了沿x方向的移动自由度，属于过定位。由于工件上两孔的孔心距和夹具上两销的销心距均会有误差，因而会出现上图所示的相互干涉现象。

机床夹具的定位机构解决“一面两孔”的定位干涉问题的途径：(1)减小一个销的直径；（降低角度精度）(2)将一个销做成削边销—菱形销。

机床夹具的定位机构圆柱销削多少合适？当两个销中心距最小，而两个孔中心距最大，或者两个销中心距最大而两个孔中心距最小时，出现干涉。因此，在圆柱销--》菱形销时需要考虑：两个定位孔公差、两个销公差、孔与销的间隙。

机床夹具的定位机构菱形销参数计算

在图中，削的部分是AE和FC，定义其为a，其值由：孔公差、销公差、第2个销孔间隙、第1个销孔间隙等确定。

机床夹具的定位机构菱形销参数计算在图中，∆OAH和∆OEH中，存在下列关系：

机床夹具的定位机构菱形销参数计算令得到菱形销与孔的最小间隙：菱形销的直径为：

机床夹具的定位机构一面两孔夹具定位设计步骤：1）确定夹具中两个定位销的中心距及其公差

销中心距公差取孔中心距公差的1/5—1/32）确定圆柱销直径d1及其公差圆柱销D1和d1采用基孔制间隙配合，H7/g63）确定菱形销直径d2、宽度b1及其公差通过D2，查表得到b1；计算菱形销与孔的最小间隙，得到菱形销直径。配合按照H/g，销的公差等级高于孔的一级。

机床夹具的定位机构定位销设计与选择实例确定两定位销的尺寸：确定定位销中心距及公差：确定圆柱销尺寸及公差：

机床夹具的定位机构确定菱销的宽度：b1=4确定菱形销尺寸及公差取菱形销的精度为：IT6，Td2=0.011d2min=d2max-Td2=11.947-0.011=11.9363、定位误差的分析与计算

机床夹具的定位机构1）定位误差六点定位原理解决了约束工件自由度问题，即解决了工件在夹具中位置“定与不定”的问题。但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，出现了工件位置定得“准与不准”的问题。因为工件在夹具中位置不准确，导致加工后工件的加工尺寸不一致，形成误差，即定位误差。

定位误差是指工序基准在加工方向上的最大位置变动量所引起的加工误差。在设计夹具时，定位误差应控制在工件误差的1/5--1/3。机床夹具的定位机构工序基准：在工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。基本概念工艺基准:零件在加工、检测和装配中，用作依据的点、线、面称为工艺基准。工艺基准分为工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。机床夹具的定位机构定位基准：零件加工时，用以确定其在机床上相对刀具正确位置所依据的点、线、面称为定位基准。使用夹具安装时，定位基准为工件上与夹具定位元件相接触的表面。定位基准还可以进一步分为：粗基准、精基准、附加基准。机床夹具的定位机构2）定位误差产生的原因

定位误差包括基准不重合误差和基准位移误差。（1）基准不重合误差（ΔB）

工件在夹具上定位时，由于所选择的定位基准与工序基准不重合而引起的，同批工件的工序基准相对于定位基准在该工序（加工）尺寸方向的最大位移量（位置变动范围），称为基准不重合误差。用符号ΔB表示。

基准不重合误差（ΔB）的大小应等于工序基准相对于定位基准在该工序（加工）尺寸方向的最大位移量。

机床夹具的定位机构

可通过计算定位尺寸（δC）的公差在工序（加工）尺寸方向上的投影分量得到基准不重合误差（ΔB）的大小。

定位尺寸（δC）是指工序（设计）基准与定位基准之间的联系尺寸。当定位尺寸（δC）由多个尺寸所决定时，则要以定位尺寸为封闭环所组成的尺寸链进行解算。

基准不重合误差ΔB的计算公式表示为：

ΔB=δCCOSβ

β—为工序基准的变动方向与工序（加工）尺寸方向间的夹角。机床夹具的定位机构

本工序加工直角上表面，设计尺寸为A1，用下平面定位。由于定位基准与设计基准不重合，从而产生基准不重合误差ΔB

。

ΔD（A1）=ΔB（A1）=δCCOSβ=δA2

机床夹具的定位机构（2）基准位移误差△y

是指工件的定位基准在加工尺寸方向上的变动量。由工件定位面和夹具定位元件的制造误差以及两者之间的间隙所引起。机床夹具的定位机构（2）基准位移误差（ΔY）

基准位移误差（ΔY）的大小应等于定位基准与起始（调刀、限位）基准不重合而造成的基准位移量δY在工序（加工）尺寸方向上的投影分量。基准位移量δY

应根据不同的定位方案所决定。基准位移误差ΔY的计算公式表示为：

ΔY

=δYCOSβ

β—为定位基准的变动方向与工序（加工）尺寸方向间的夹角。机床夹具的定位机构ΔD

（A3）=ΔY

（A3）=2（H–h）tanΔα

ΔD

（A1）=ΔB（A1）+ΔY

（A1）

=δA2+2（H–h）tanΔαOO1=Dmin/2－dmax/2OO2=Dmax/2－dmin/2ΔY=O1O2=OO2

－OO1=(δD＋δd)/2圆柱孔与心轴单边接触结论:孔、轴单边接触，定位误差为孔、轴尺寸公差之和的一半孔、轴任意边接触ΔY=O1O2=Xmax=Dmax—dmin＝δD+δd+Xmin结论：任意边接触的基准位移误差为：孔、轴配合的最大间隙。以外圆在Ｖ块定位时的定位误差计算机床夹具的定位机构V形块定位误差分析工件直径为D，直径公差为机床夹具的定位机构3）定位误差的计算方法

由于定位误差是由基准不重合误差以及基准位移误差所造成的。因此定位误差可以由这两项误差组合而成。计算定位误差时，先分别求出基准不重合误差与基准位移误差，然后再将两项误差组合后得出定位误差。即：ΔD

=ΔB±ΔY

机床夹具的定位机构3）定位误差的计算方法（1）当ΔB＝0，ΔY

≠0

时，则ΔD

＝ΔY

；

（2）当ΔB≠0，ΔY

＝0

时，则ΔD

＝ΔB

；

（3）当ΔB≠0，ΔY

≠0

时，

1）如果工序（设计）基准不在定位基面上(产生定位误差的原因是相互独立因素)：

ΔD

=ΔB+ΔY

2）如果工序（设计）基准落在定位基面上：ΔD

=ΔB±ΔY机床夹具的定位机构公式中“＋”、“－”号的确定方法如下：

①

先分析定位基面直径由大到小（或由小到大）时，定位基准的变动方向。

②然后设定位基准的位置不变，再分析工序（设计）基准的变动方向。（此时定位基面直径应作上述相同的变化。）

③如果在上述判断中两者的变动方向相同时，取“＋”号，而两者的变动方向相反时，取“－”号。机床夹具的定位机构

已知：外圆直径公差为δD

，V形块的夹角为a

（1）设计基准为外圆轴线时：

求：ΔD（H1）

=？解：分析可知ΔB（H1）

＝0；ΔY（H1）

≠0

得：ΔD（H1）

=ΔY（H1）

=机床夹具的定位机构（2）设计基准为外圆下母线时：

求：ΔD

（H3）

=？解：分析可知ΔB

（H3）≠0，ΔY

（H3）≠0

得：ΔB

（H3）=

；ΔY

（H3）

=

分析：设计基准落在定位基面上，两基准的变化方向相反，故取-号。

最终得：

ΔD

（H3）=ΔY

（H3）

-

ΔB

（H3）

=机床夹具的定位机构（3）设计基准为外圆上母线时

求：ΔD

（H2）

=？解：分析可知ΔB

（H2）≠0，ΔY

（H2）

≠0

得：ΔB

（H2）=；ΔY

（H2）

=

分析：设计基准落在定位基面上，两基准变化方向相同，故取“＋”号。

最终得：ΔD

（H3）

=ΔY

（H3）

＋ΔB

（H3）=工件在V形块上定位铣槽三种不同工序尺寸标注，定位误差分析a)b)c)a)b)c)机床夹具的定位机构第4章机床夹具设计4.3工件夹紧机床夹具夹紧机构的设计

在加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用。为了保证在外力作用下，工件能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置而不发生振动和位移，需要装置将工件可靠地夹紧。

夹紧装置：在工件定位后，将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置。1、夹紧机构的组成及基本要求

机床夹具夹紧机构的设计

组成（1）力源装置（2）中间传力机构（3）夹紧元件作用1）改变作用力的方向；2）改变作用力的大小；3）使夹紧实现自锁。1）夹紧时不破坏工件定位后的正确位置；（作用点、方向）

2）夹紧力大小要适当；3）夹紧动作要迅速、可靠；

4）结构紧凑，易于制造与维修。基本要求2、夹紧力确定的基本原则机床夹具夹紧机构的设计

夹紧装置设计原则：工件不移动、工件不变形、工件不振动、安全可靠。

确定夹紧力包括正确地选择夹紧力的大小、方向和作用点。必须根据工件的形状、尺寸、重量和加工要求、定位元件的结构及其分布形式、加工过程中工件所受到的外力（切削力、重力、惯性力和离心力）大小等因素进行综合分析。

1)夹紧力方向的确定（1）夹紧力的作用方向应有利于工件的准确定位，而不能破坏定位，因此，主要夹紧力方向应垂直于主要定位面。机床夹具夹紧机构的设计

（2）夹紧力的作用方向应使所需夹紧力最小，即尽量和切削力、工件重力方向一致。

a)最小，b)FQ=FP+W,c)FQ=(FP+W)/fFQ夹紧力；FP切削力；W工件自重机床夹具夹紧机构的设计

（3）夹紧力的作用方向尽量与工件刚度最大方向相一致，以使工件变形尽可能小。机床夹具夹紧机构的设计

如图所示的薄壁套筒工件，它的轴向刚度比径向刚度大，应沿轴向均匀施加夹紧力。

（1）夹紧力作用点应正对支承元件或位于支承元件形成的支承面内，以保证工件已获得的定位不变，保证定位稳定可靠。2）夹紧力作用点的确定b)、c)正确

d)错误机床夹具夹紧机构的设计

e)、g)正确

f)、h)错误（2）避免支承反力与夹紧力构成力偶夹紧力的作用点应落在定位元件上或支承元件所形成的支承平面内，否则夹紧力与支承反力会构成力矩，夹紧时工件将发生偏转。机床夹具夹紧机构的设计

（3）夹紧力应作用在刚度较好部位，以减少工件的夹紧变形。机床夹具夹紧机构的设计

3)夹紧力大小的估算

夹紧力大小保证了定位稳定和夹紧可靠。理论上，夹紧力大小应与作用在工件上的其他力或（力矩）相平衡。

但是，实际上，夹紧力大小还与工艺系统刚度、夹紧机构的传递效率等相关，计算比较复杂。因此，夹紧力计算常采用估算法、类比法、试验法等方法来确定夹紧力。

计算公式：F实际=K*F理论K—安全系数，粗加工取2.5—3；精加工取1.5--2机床夹具夹紧机构的设计3、典型夹紧机构1）斜楔夹紧机构

斜楔夹紧是利用其斜面移动所产生的压力来夹紧工件。在实际应用时，楔形直接用楔块楔紧工件的情况很少。多数是楔块与其它机构联合使用。广泛用于气动或液压夹紧装置中。机床夹具夹紧机构的设计夹紧受力图自锁受力图以斜楔为研究对象，夹紧时根据静力平衡原理，有

FQ=F1+FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α＋Φ2)FJ=FQ/[tanΦ1＋tan(α＋Φ2)]注：tan(a+b)=(tana+tanb)(1-tana*tanb)设Φ1=Φ2=Φ，当α≤10°，可用下式近似计算FJ=FQ/(

tanα＋2Φ)夹紧力FQ去除，斜楔受到F1、FRX作用，要能自锁，必须满足下式

F1＞FRXF1=FJtanΦ1FRX=FJtan(α－Φ2)tanΦ1＞tan(α－Φ2)

即Φ1＞(α－Φ2)

或α＜Φ1＋Φ2一般Φ1=Φ2=Φ=5～7°，故当α＜10～14°时自锁，一般取α=6～8°（2）螺旋夹紧机构指采用单个螺旋直接夹紧或与其它元件组合实现夹紧工件的机构。这类夹紧机构由于其机构简单，夹紧可靠，通用性高等优点，故在机床夹具中得到广泛应用。它的缺点是夹紧和松开工件时比较费工费时。螺旋夹紧机构是斜楔夹紧机构的变形，但其增力比和自锁性能都优于斜楔夹紧机构。夹紧行程不受限制。机床夹具夹紧机构的设计（2）螺旋夹紧机构机床夹具夹紧机构的设计螺旋夹紧特点：

1）结构简单，自锁性好，夹紧可靠；

2）扩力比约为80,远比斜楔夹紧力大；

3）夹紧行程不受限制；

4）夹紧动作慢，辅助时间长，效率低。机床夹具夹紧机构的设计螺旋夹紧受力图螺旋夹紧力计算原始动力为FQ，力臂为L。工件对螺杆的反作用力为垂直方向的反作用力FW，工件对其产生的摩擦力为FW*tanφ2，其产生的摩擦力矩为FW*tanφ2*r’。螺母对螺杆作用力：垂直于螺旋面的作用力FR及摩擦力F1，其合力为FR1，该合力在螺杆轴向分力FW和周向的分力F1，其作用点在螺纹中经上，其产生力矩为FWd0/2tan(a+φ1)。螺杆上力矩平衡公式为：机床夹具夹紧机构的设计（3）偏心夹紧机构

偏心夹紧机构是指由偏心件直接夹紧工件或和其他元件组合而实现夹紧工件的机构。偏心夹紧机构是靠偏心轮回转时其半径逐渐增大而产生夹紧力来夹紧工件。

偏心夹紧机构的工作原理与斜楔夹紧机构相似，只是斜楔夹紧机构的楔角不变，而偏心夹紧的楔角是变化的。机床夹具夹紧机构的设计（3）偏心夹紧机构机床夹具夹紧机构的设计机床夹具夹紧机构的设计不同位置楔角的计算公式为：a—偏心轮的楔角；e—是偏心轮偏心距；R—偏心轮半径；γ—偏心轮作用点与起始点之间的夹角。偏心轮偏心轮展开图机床夹具夹紧机构的设计偏心轮楔角最大值为（γ=90）：偏心夹紧机构的夹紧力计算公式为：

机床夹具夹紧机构的设计偏心轮工作在任一点（P点）产生自锁的条件为：

（4）铰链夹紧机构

铰链夹紧机构是一种增力夹紧机构。由于其结构简单，增力倍数大，在气压夹具中得到了广泛应用，以弥补气压或液压李亮不足。

铰链夹紧机构的特点是动作迅速，增力比大，易于改变力的作用方向。缺点是自锁性能差，常用于气动和液动夹紧。铰链夹紧机构要仔细进行铰链、杠杆的受力分析、运动分析和主要参数的分析计算，以保证铰链夹紧机构的正常工作。机床夹具夹紧机构的设计（4）铰链夹紧机构

如图，单臂铰链夹紧机构，臂的两端是铰链的连线，一端带滚子，一端作用于杠杆，施压与工件。机床夹具夹紧机构的设计（5）定心夹紧机构在工件定位时，常常将工件的定心定位和夹紧结合在一起，这种机构就是定心夹紧机构。其特点是：1、定位和夹紧是同一元件；2、元件之间有精确联系3、能同时等距离地移向或退离工件；4、能将工件定位基准的误差对称地分布开来。机床夹具夹紧机构的设计螺旋定心夹紧机构1-夹紧螺杆；2、3-钳口；4-钳口定心叉；5-钳口对中调节螺钉；6-锁紧螺钉机床夹具夹紧机构的设计（6）联动夹紧机构在工件的装卡过程中，有事需要夹具同时有几个点对工件进行夹紧，而有时有需要同时夹紧几个工件。因此，为了提高生产效率，减少工装时间，采用各种联动夹紧机构。机床夹具的联动夹紧机构是指只需操作某一个手柄就能同时从各个方向上均匀地夹紧一个工件，或同时夹紧若干个工件。前者称为单件联动夹紧机构，后者称为多件联动夹紧机构。机床夹具夹紧机构的设计二力互相垂直的单件联动夹紧1——压板2——螺母3——工件单件多点联动夹紧机构：用一个原始作用力，通过一定的机构分散到数个点上对工件进行夹紧。机床夹具夹紧机构的设计多件联动夹紧机构：用一个原始作用力，通过一定的机构实现对数个相同或者不同的工件进行夹紧。机床夹具夹紧机构的设计多件夹紧机构第4章机床夹具设计4.4智能夹具设计智能夹具设计—零点定位1、零点定位系统概念零点定位系统是一个独特的定位和锁紧装置，能保持工件从一个工位到另一个工位，一个工序到另一个工序，或一台机床到另一台机床，零点始终保持不变。这样可以节省重新找正零点的辅助时间，保证工作的连续性，提高工作效率。智能夹具设计—零点定位2、零点定位原理零点定位系统是利用零点定位销将不同类型的产品坐标系转化为唯一的坐标系，再通过机床上的标准化夹具接口进行定位和拉紧。它能够直接得到工件在不同机床间统一的位置关系，消除了多工序间的累积误差。最重要的是，它统一了设计基准、工艺基准和检测基准，使整个加工过程可以做到有效、可控，这点在自动化生产线上尤其重要。

智能夹具设计—零点定位零点定位系统零点定位单元定位销智能夹具设计—零点定位2、零点定位系统应用智能夹具设计—零点定位3、零点定位优势①把机床内的装夹动作（比如打表、校中心、锁紧、清洁等动作）换到机床外做，零点定位系统是一个快速定位、快速夹紧，定位和夹紧同时进行的装置，所以它可以让机床不停的运转加工，减少至少90%的停机时间。②零点定位系统它不仅是定位和夹紧的装置，而且主要的是可以把不同的零件、不同的机床甚至不同的工位建立统一的标准接口，形成一个半柔性化的生产。③可实现夹具的模块化和标准化，节约夹具成本。智能夹具设计—零点定位4、内部结构气囊通气，作用于弹簧片上，夹盘处于打开状态，拉钉可方便的放入夹紧盘中。当排出气囊的空气后，NP-120提供25KN的夹紧力实现工件的定位同时确保平面贴合。零点定位系统是常闭机构。智能夹具设计—冰冻吸盘冰冻盘利用了冰和水的特性，依靠压缩空气实现水到冰的转化固定待加工工件，不产生任何应力，所以工件不会产生任何变形或者破损，尤其适合非金属脆性材料的精密加工。同时，冰冻盘可以适用于不同形状材料的工件加工，只需利用一个工件表面即可实现固定，使加工空间最大化。智能夹具设计—冰冻吸盘智能夹具设计—冰冻吸盘冰冻盘：一种无应力的高效夹具类固定工具。即使是无应力固定，固定强度仍然很高，与强磁吸盘相当。冰可对工件包裹，减少脆性材料崩边等不良现象产生，可固定任意形状任意材料的工件。同时加工中免切削液，加工完成后工件上无任何残渣残留，是生瓷，橡胶，石墨以及其他脆性材料等较为理想的加工方式智能夹具设计—端面驱动驱动顶尖依靠中心顶尖和尾座顶尖定位工件，驱动卡爪嵌入工件端面使其随机床主轴旋转，从而完全摈弃了卡盘和鸡心夹头，一次装夹无需掉头，即可完成轴颈、端面、槽型和螺纹加工，在车铣中心上还可一次完成键槽和油孔的加工，因而加工效率成倍提高，同轴度和位置度更有保证，越来越广泛地应用于轴类零件的车削、磨削和滚齿加工。智能夹具设计—端面驱动驱动顶尖依靠中心顶尖和尾座顶尖定位工件，驱动卡爪嵌入工件端面使其随机床主轴旋转智能夹具设计—端面驱动端面驱动顶尖结构与活顶尖不同的是中心顶尖边上有一圈爪子，有3个、4个和6个，或者齿盘，但是内部的结构大同小异，如图是一个十字轴杠杆结构，一般是4个爪子。智能夹具设计—端面驱动

端面驱动相比较卡盘和尾座顶尖“一夹一顶”的装夹方式，有如下优势：1）卡盘以夹持工件外圆定心，存在定位基准不重合引起的误差；而端面驱动是以工件的两中心孔定位，基准一致。2）卡盘卡爪夹持的工件外圆部分，刀具不能进行切削，需要掉头再次装夹，存在二次装夹引起的误差；端面驱动一次装夹即可完成所有外圆的加工，同轴度更有保证。3）用卡盘不能装夹的工件，如伞齿轮、异形件、偏心件等零件的粗车加工中，只要工件两端有中心孔即可采用端面驱动，省时省力。第5章工业机器人设计5.1概述概述

工业机器人被定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能够搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。

操作机被定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置”。GB/T12643-20131）工业机器人定义概述2.通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。

3.独立性。在工作中可以不依赖于人的干预而独立完成任务

工业机器人最显著的特点有以下几个：1.拟人化。工业机器人在机械结构上有类人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。概述4.智能化。智能化工业机器人有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能概述机械系统是机器人的机械本体，也称为主机。通常由末端执行器（又称手部）、手腕、手臂（又可分为大臂和小臂）及机座（又称机身或立柱）组成。驱动系统由动力装置（如电动机、液压或气压装置）、减速器和内部检测元件等组成，为机械系统各运动部件提供动力和运动。2）工业机器人

由机械系统、驱动系统、控制系统和检测系统等组成。概述控制系统根据机器人的作业指令及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和操作。控制系统由硬件和软件组成，软件主要由人机交互系统和控制算法等组成。检测系统由内部传感器和外部传感器等组成，用于获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。概述图5-1工业机器人系统的组成1—机座2—控制装置3—手臂机器人组成及其与外部的关系概述概述3）工业机器人的分类按机械结构类型分类：关节型机器人、球坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、直角坐标型机器人。按用途分类：焊接机器人、冲压机器人、浇注机器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、检测机器人等。按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）多关节型概述（1）

按几何结构分类直角坐标机器人

直角坐标机器人有三个线性关节组成，这三个关节可确定末端执行器的位置。圆柱坐标机器人

圆柱坐标机器人由两个滑动关节和一个旋转关节来确定末端执行器的位置态。概述球坐标机器人球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置。关节型标机器人关节型机器人类同人的手臂，由几个转动轴、摆动轴和手爪等6—7各自由度组成。概述四种坐标型机器人的机构简图（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）关节型概述4）工业机器人的主要特性表示方法

1.关节和连杆

关节即运动副，是允许工业机器人机械臂各零件之间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的可动连接。

连杆是机器人机械臂上相邻两关节之间连接部分，保持了关节间固定关系。概述2.坐标系机器人坐标系采用笛卡尔右手坐标系。世界坐标系是机器人系统的绝对坐标系，建立在固定机身或工作站上。基坐标系是机器人工具和工件坐标系的参照基础，是机器人示教与编程时使用的坐标系。工具坐标系是用来定义工具中心点的位置和工具姿态的坐标系。关节坐标系是设定在机器人关节中的坐标系。3.自由度

机器人的自由度是机器人相对坐标系能够进行独立运动的数目，不包括末端执行器的动作，自由度越多，通用性越好；但是自由度多，结构越复杂。4.机器人的技术参数概述（1）额定负载

额定负载也称为有效负荷，是在正常作业条件下，机器人在规定性能范围内，手腕末端所能承受的最大载荷。MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人工作范围一MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人工作范围二概述（2）工作空间工作空间是机器人作业时，手腕参考中心所能到达的空间区域。工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小。它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有关。由于末端执行器的形状是多样的，所有工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域概述（3）分辨率

分辨率是机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度，由系统设计参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。（4）工作精度1）定位精度机器人的末端执行器实际到达位置与目标位置之间的差距。2）重复定位精度在相同的运动命令下，机器人多次定位其末端执行器于同一目标位置的偏离程度，以实际位置值的最大偏差来表示。（5）最大工作速度

机器人各轴联动的情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。第5章工业机器人设计5.2工业机器人运动功能设计机器人运动学问题可归纳如下：1、对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态；2、已知机器人杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态(位姿)，机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？如能达到，那么机器人有几种不同形态可满足同样的条件?机器人运动学2、运动学基本问题

下图所示为2自由度机器人手部的连杆机构。

机器人运动学

第一个问题常称为运动学正问题(直接问题);第二个问题常称为运动学逆问题(解臂形问题)。这两个问题是机器人运动学中的基本问题。

图中的连杆机构是两杆件通过转动副联接的关节结构，通过确定连杆长度，以及关节角，可以定义该连杆机构。在分析机器人的末端手爪的运动时，若把作业看作主要依靠机器人手爪来实现的，则应考虑手爪的位置（图中点的位置）。一般场合中，手爪姿势也表示手指位置。从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系称为运动学（Kinematics）。机器人运动学3、位置描述—位置矢量对于选定的直角坐标系

，空间任一点

P

的位置可用3×1的列矢量

表示：机器人运动学4、方位的描述—旋转矩阵

设一直角坐标系B与此刚体固接。用坐标系B的三个单位主矢量XB，YB，ZB相对于坐标系A的方向余弦组成的3×3矩阵。机器人运动学机器人运动学经常用到的旋转变换矩阵是绕x轴、绕y轴或绕z轴转一角度

。它们可以表示为：机器人运动学5、

坐标系的描述机器人运动学6、机器人操作臂手爪位姿的描述机器人运动学机器人运动学7、坐标平移机器人运动学8、坐标旋转机器人运动学9、

坐标变换机器人运动学10、齐次坐标和齐次变换机器人运动学11、变换矩阵求逆机器人运动学12、

连杆描述机器人运动学中间连杆连接的描述机器人运动学首端连杆和末端连杆的规定连杆参数和关节变量Denavit和Hartenberg在1955年提出一种通用的方法，这种方法在机器人的每个连杆上都固定一个坐标系，然后用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的空间关系。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。机器人运动学连杆坐标系定义机器人运动学连杆坐标系建立步骤机器人运动学机器人运动学13、相邻两连杆坐标系之间的变换矩阵机器人运动学14、运动学方程机器人运动学运动学计算机器人运动学逆运动学计算逆运动学，指的是根据机器人位姿和已知的立足点位置，计算机器人所有驱动关节的变量值。机器人运动学机器人运动学以一个6自由度的机器人为例，如图所示，在该机器人中，除第3个关节为平移关节外，其余均为旋转关节。机器人运动学对于这个机器人，根据图中表示的坐标系为基准坐标系，正运动学问题就是求该机器人末端手指关节6的位置和姿态，也就是在基准坐标系上看关节6，因此找出由到的坐标变换矩阵即可。也就是表示这个机器人的末端指尖的位置和方向，可以由下式给出：机器人运动学机器人运动学机器人运动学上式即为该6自由度机器人的运动学正解。对于不同类型的机器人，其坐标变换矩阵的形式不同，要根据实际结构求得。

机器人运动学15、雅可比矩阵前面讨论了机器人末端执行器位置和方向与各关节的变化位置之间的关系。进一步讨论末端执行器的速度与各关节的速度之间的关系。机器人运动学为雅可比矩阵（Jacobianmatrix）机器人运动学末端执行器的旋转速度表示方法：（1）考虑由表示指尖方向的三变量组合（例如为欧拉角）构成向量，然后由它对时间的微分进行表示的一种方法。（2）以基准坐标系的各坐标轴作为旋转轴，以分别围绕各旋转轴的角速度作为分量构成向量，然后用进行表示的方法。机器人运动学末端执行器的平移速度和旋转速度这时，若采用和表示机器人的雅可比矩阵，则表示机器人运动学上式为3自由度机器人的平移速度和旋转速度的雅可比矩阵。机器人运动学4、变换方程初步{B}:基座坐标系{W}:腕坐标系{T}:工具坐标系{G}:目标(工件)坐标系{S}:工作台坐标系8.2机器人运动学机器人运动学机器人运动学第5章工业机器人设计5.3工业机器人驱动与传动系统设计驱动与传动系统

驱动装置是机械臂运动的动力装置，其作用是提供机器人各部位动作的源动力。机器人驱动方式包括：液压驱动、气压驱动、电动驱动和混合驱动等。驱动与传动系统驱动方式输出力控制性能维修使用结构体积使用范围电气驱动输出力较小容易与CPU连接，控制性能好，响应快，可精确定位，但控制系统复杂维修使用复杂需要减速装置，体积较小高性能、运动轨迹要求严格的机器人液压驱动压力高，可获得大的输出力油液不可压缩，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维修方便液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火在输出力相同的情况下，体积比气压驱动方式小中、小型及重型机器人气压驱动气体压力低，输出力较小可高速运行，冲击较严重，精确定位困难；气体压缩性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易与CPU连接维修简单，能在高温、粉尘等恶劣环境中使用，泄漏无影响体积较大中、小型机器人表

三种驱动方式特点比较驱动与传动系统工业机器人常用传动装置有减速器、同步带和线性模组。1.减速器

工业机器人所用减速器应具有传递功率大、传动链短、体积小、质量小和易于控制等特点。

关节型机器人采用的减速器主要有两类：谐波减速器和RV减速器。驱动与传动系统1）基本结构谐波减速器由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮3个基本构件组成，如图5‑12所示。刚性齿轮简称为刚轮，由铸钢或40Cr钢制成，刚性好且不会产生变形，带有内齿圈。柔性齿轮简称为柔轮，是一个薄钢板弯成的圆环，一般由合金钢制成，工作时可产生径向弹性变形并带有外齿，外齿的齿数比刚性齿轮内齿数少。波发生器是装在柔性齿轮内部，呈椭圆形，外圈带有柔性滚动轴承。（1）谐波减速器驱动与传动系统

柔性齿轮和刚性齿轮的齿形分为直线三角齿形和渐开线齿形两种，其中渐开线齿形应用较多。波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三者可任意固定一个，其余两个就可以作为主动件和从动件。作为减速器使用时，通常采用波发生器主动，刚性齿轮固定而柔性齿轮输出的形式。驱动与传动系统2）工作原理当波发生器装入柔性齿轮后，迫使柔性齿轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚性齿轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚性齿轮完全脱离，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿某一方向连续转动时，会把柔性齿轮上的外齿压到刚性齿轮内齿圈的齿槽中去，由于外齿数少于内齿数，所以每转过一圈，柔性齿轮与刚性齿轮之间就产生了相对运动。在转动过程中，柔性齿轮产生的弹性波形类似于谐波，故称为谐波减速器。驱动与传动系统3）特点谐波减速器传动比大，单级的传动比可达到50～4000；整体结构小，传动紧凑；柔性齿轮和刚性齿轮的齿侧间隙小且可调，可实现无侧隙的高精度啮合；由于柔性齿轮与刚性齿轮之间属于面接触，同时接触到的齿数比较多，使得相对滑动速度比较小，承载能力高的同时还保证了传动效率高；轮齿啮合周速低，传递运动力量平衡，因此运转安静且振动极小。驱动与传动系统（2）RV减速器1）基本结构

RV减速器由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，是封闭差动轮系。RV减速器主要由太阳轮、行星轮、转臂、转臂轴承、摆线轮（RV齿轮）、针轮、刚性盘与输出盘等零件组成。①太阳轮。与输入轴相接，负责传输电动机的输入功率，与其啮合的齿轮是渐开线行星轮。②行星轮。与转臂固连，3个行星轮均匀地分布在一个圆周上，起到功率分流作用，即将输入功率分成三路传递给摆线针轮行星机构。③转臂（曲柄轴）。转臂是摆线轮的旋转轴。它的一端与行星轮相连接，另一端与支承圆盘相连。它可以带动摆线轮产生公转，而且又支承着摆线轮产生自转。驱动与传动系统④摆线轮（RV齿轮）。为了实现径向力的平衡，在该传动机构中，一般应采用两个完全相同的摆线轮，分别安装在转臂上，且两摆线轮的偏心位置相互成180°对称。

⑤针轮。针轮与机架固定在一起，成为一个针轮壳，针轮上有一定数量的针齿。

⑥刚性盘与输出盘。输出盘是RV传动机构与外界从动工作机相互连接的构件，输出盘与刚性盘相互连接成为一个整体而输出运动或动力。在刚性盘上均匀分布着3个转臂的轴承孔，而转臂的输出端借助于轴承安装在这个刚性盘上。驱动与传动系统驱动与传动系统2）工作原理

主动太阳轮通过输入轴与执行电动机的旋转中心轴相连，如果渐开线太阳轮顺时针方向旋转，它将带动3个呈120°布置的行星轮在公转的同时逆时针方向自转，进行第一级减速，并通过转臂带动摆线轮做偏心运动；3个转臂与行星轮相固连而同速转动，带动铰接在3个转臂上的2个相位差180°的摆线轮，使摆线轮公转，同时由于摆线轮与固定的针轮相啮合，在其公转过程中会受到针轮的作用力而形成与摆线轮公转方向相反的力矩，进而使摆线轮产生自转运动，完成第二级减速。输出机构由装在其上的3对转臂轴承来推动，把摆线轮上的自转矢量等速传递给刚性盘与输出盘。驱动与传动系统3）特点

传动比范围大、结构紧凑；输出机构采用两端支承的行星架，用行星架左端的刚性盘输出，刚性盘与工作机构用螺栓连接，故刚性大，抗冲击性能好；只要设计合理，制造装配精度保证，就可获得高精度和小间隙回差；除了针轮齿销支承部件外，其余部件均用滚动轴承进行支承，所以传动效率高；采用两级减速机构，低速级的针摆传动公转速度减小，传动更加平稳，转臂轴承个数增多，且内外环相对转速下降，可提高其使用寿命。驱动与传动系统2.同步带（1）结构原理同步带传动由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形同步带组成。同步带的工作面齿形有两种，即梯形齿和圆弧齿，带轮的轮缘表面也做成相应的齿形，运行时，带齿与带轮的齿槽相啮合传递运动和动力。同步带采用氯丁橡胶作为基材，并在中间加入玻璃纤维等伸缩刚性大的材料，齿面上覆盖耐磨性好的尼龙布。驱动与传动系统（2）特点1）同步带受载后变形小，带与带轮之间靠齿啮合传动，故无相对滑动，传动比恒定、准确，可用于定位。2）同步带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可达40m/s，传动比可达10，传动效率可达98%。3）结构紧凑，耐磨性好，传动平稳，能吸振。4）由于预拉力小，承载能力也较小，被动轴的轴承不易过载。5）制造和安装精度要求高，必须有严格的中心距。驱动与传动系统（2）特点1）同步带受载后变形小，带与带轮之间靠齿啮合传动，故无相对滑动，传动比恒定、准确，可用于定位。2）同步带薄且轻，可用于速度较高的场合，传动时线速度可达40m/s，传动比可达10，传动效率可达98%。3）结构紧凑，耐磨性好，传动平稳，能吸振。4）由于预拉力小，承载能力也较小，被动轴的轴承不易过载。5）制造和安装精度要求高，必须有严格的中心距。驱动与传动系统3.线性模组

线性模组是一种直线传动装置，主要有两种方式：一种是由滚珠丝杠和直线导轨组成；另一种是由同步带及同步带轮组成。线性模组常用于直角坐标机器人中，以完成运动轴的直线运动。

滚珠丝杠型线性模组主要由滚珠丝杠、直线导轨、轴承座等部分组成。当丝杠相对螺母转动时，带动滚珠沿螺旋滚道滚动，迫使两者发生轴向相对运动，带动滑块沿导轨实现直线运动。为避免滚珠从螺母中掉出，在螺母的螺旋导向槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环地返回滚道，在丝杠与螺母之间构成一个闭合回路。驱动与传动系统

同步带型线性模组主要由同步带、驱动座、支承座、直线导轨等组成。同步带安装在直线模组两侧的传动轴上，在同步带上固定一块用于增加设备工件的滑块。当驱动座输入运动时，通过带动同步带而使滑块运动。通常同步带型线性模组经过特定的设计，通过支承座可以调整同步带运动的松紧，方便设备在生产过程中的调试。

第5章工业机器人设计5.4工业机器人机械结构系统设计1、机器人主体主体机械即机座和执行机构，包括大臂、小臂、腕部和手部，构成的多自由度的机械系统。有的机器人另有行走机构。工业机器人有6个自由度乃至更多，腕部通常有1～3个活动自由度。机器人结构1、手部结构2、手腕结构3、臂部结构4、机身结构1、机器人主体机器人结构1）机身和臂部机构

常用的机身结构有：

（1）升降回转型机身结构；

（2）俯仰型机身结构；

（3）直移型机身结构；

（4）类人机器人机身结构。

机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。机器人结构机器人结构

（1）工业机器人手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。手臂部件一般具有2-3个自由度（回转、俯仰、升降或伸缩），包括驱动装置、传动机构、定位导向装置、支承连接件和检测元件等。机器人结构

（2）机器人手臂设计要求手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求；合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，减轻自重；减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应速度；提高运动的精确性和运动刚度。机器人结构

（3）工业机器人机座设计要求机座主要有回转机座和升降机座两种，用以实现手臂的整体回转或升降；要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性；机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力；机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。2）臂部结构

手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。

根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为：（1）伸缩型臂部结构；（2）转动伸缩型臂部结构；（3）屈伸型臂部结构;

（4）其他专用的机械传动臂部结构。机器人结构机器人结构（1）液压驱动圆柱坐标型机器人手臂结构，具有手臂伸缩（液压缸2驱动）、回转（摆动液压马达11驱动）和升降（6的下面升降液压缸）三个运动。1—活塞杆2—液压缸3—手臂端部4—手臂支架5—导轨6—中间机座7、9—齿轮8—挡块10—行程开关11—摆动液压马达2）电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和机座

GMFM-100型机器人手臂。

手臂的升降和伸缩运动由双圆柱导轨导向和直流伺服电机驱动滚珠丝杠实现直线移动。回转运动由底部的回转机座实现。机器人结构

a)大臂驱动机构b)小臂驱动机构1、10—大臂2、3、5、6、8、9、14、15—齿轮4、13、16—偏心套7、11—驱动电动机12—驱动轴17—小臂18—座机PUMA机器人手臂的结构图机器人结构3）机身和臂部的配置型式

机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。

（1）横梁式

单臂悬挂式双臂悬挂式机器人结构（2）立柱式

单臂式双臂式8.1机器人结构（3）机座式

单臂回转式双臂回转式多臂回转式机器人结构4）手腕结构

手腕是连接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。

要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：

(1)臂转：绕小臂轴线方向的旋转。

(2)手转：使手部绕自身的轴线方向旋转。

(3)腕摆：使手部相对于臂进行摆动。机器人结构5）手腕设计要求力求手腕部件的结构紧凑，为减轻其质量和体积；自由度愈多，运动范围愈大，动作灵活性愈高，机器人对作业的适应能力愈强；提高传动刚度，尽量减少反转误差；对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。机器人结构常用手腕组合方式臂转、腕摆、手转结构臂转、双腕摆、手转结构机器人结构具有三个自由度的机械传动手腕结构。

产生手爪回转、手腕偏摆和手腕俯仰三个运动

1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15—齿轮8—手抓9、10、16—壳体机器人结构（8）手部机构

机器人的手部是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。

工业机器人常用的手部按其握持原理可以分为:(1)夹持类(2)吸附类机器人结构

夹持类夹钳式•手指1•传动机构2•驱动装置3•支架4机器人结构机械式夹持器a)单支点回转型b)双支点回转型c)平移型d)内撑式机器人结构手指①指端的形状

V型指平面指

尖指特形指机器人结构手部的传动机构①回转型传动机构斜楔杠杆式滑槽式杠杆回转型机器人结构连杆杠杆式回转型夹持器

1—杆

2—连杆

3—摆动钳爪

4—调整垫片

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：机器人结构齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器

1—扇形齿轮，2—齿条杆

3—电磁式驱动器

4—机座，5、6—连杆

7—钳爪

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：机器人结构

双支点连杆杠杆式齿条齿轮杠杆式机器人结构楔块杠杆式回转型夹持器

1—杠，2—弹簧

3—滚子，4—楔块

5—驱动器

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：机器人结构滑槽杠杆式回转型夹持器

1—支架

2—杆

3—圆柱销

4—杠杆

夹紧力FN和驱动力FP

之间的计算公式为：机器人结构左右旋丝杠平移型夹持器

1—电动机

2—丝杠

3—导轨

4—钳爪杆

夹紧力FN和驱动力矩T的计算公式为：机器人结构平移型传动机构

四连杆机构平移型手部直线平移型手部结构机器人结构内撑连杆杠杆式夹持器

1—驱动器

2—杆

3—钳爪

撑紧力FN和上推力FP

之间的计算公式为：机器人结构钩托式手部

钩托式手部是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。无驱动装置有驱动装置机器人结构弹簧式手部

弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单，只适于夹持轻小工件。弹簧式手部

机器人结构吸附式手部

吸附式末端执行器（又称吸盘），有气