数控机床上下料机械手设计

本科毕业设计

（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

二○一四年五月

目录

摘要................................................... I ABSTRCT ................................................ I II 前言.................................................... I V 1.机械手概况 (1)

1.1国内外发展状况 (1)

1.2研究意义 (3)

1.2.1机械手研究现状 (3)

1.2.2机械手研究方向 (3)

1.3本课题意义和目的 (5)

1.3.1本课题的意义 (5)

1.3.2本课题的目的 (6)

2.机械手的组成分类及设计分析 (7)

2.1机械手的组成 (7)

2.2机械手的分类 (8)

2.2.1 按使用范围分类： (8)

2.2.2按驱动方式分类： (8)

2.2.3按运动坐标型式分类： (10)

2.3机械手的设计分析 (10)

2.3.1机械手工作环境分析 (10)

2.3.2机械手直角运动结构分析 (11)

2.3.3驱动机构分析 (12)

2.3.4控制系统分析 (12)

3 总体设计 (14)

3.1原始数据 (14)

3.2方案初步设计 (14)

3.2.1 方案拟定 (14)

3.2.2 驱动方式选择 (15)

3.2.3 传动方式选择 (17)

3.2.4 电动机及联轴器选择 (18)

3.3方案评估分析 (22)

4 机械手系统设计及计算 (23)

4.1机械手的结构设计 (23)

4.2直角坐标运动机构设计 (24)

4.2.1传动丝杠的设计 (24)

4.2.2轴承选择及校核 (33)

4.2.3导轨的设计 (34)

4.2.4 驱动系统校核 (37)

4.3支撑架设计 (41)

4.3.1支撑部件的合理安排 (41)

4.3.2支撑部件的截面形状 (42)

5 运动结构仿真 (44)

5.1数控机床机械手运动机构仿真 (44)

5.1.1建立一个X方向的导轨支撑架 (45)

5.1.2建立整个运动系统的仿真 (49)

5.2上下料机械手整体机构仿真 (50)

总结 (52)

致谢 (53)

参考文献 (54)

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，基本参数的选定，计算及校核，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

CNC machine tool manipulator design

ABSTRCT

In today's large-scale 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 and 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 elaborates 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 selection, 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 control 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 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 appearance, sensitive action, smooth transmission, succinct procedure, operation in small error. [17]

Keywords：manipulator； ball screw；stepper motor；Cartesian coordinates

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。

1.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及地面通过轴承连接，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400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1.1 Pocket Delta

目前，机械手大部分还属于第一代，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

及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)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell，FMC）中的一个重要环节。

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，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。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，采用机械手及机床组合，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及装配。

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及安装。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及计算机连用，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