工业机床上料机械手的设计

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1、工业机床上料机械手的设计摘要：随着机器人技术的不断发展，工业自动化水平不断提高，机器人技术在工业生产上的应用也随之越来越广泛。本文分析和明确了上料机械手的功能需求和动作流程，提出初步的设计方案，选定电机和驱动器，确定传动类型和控制系统，主要完成机械手的结构设计，并通过SolidWorks和CAD等软件绘制出三维模型和部分零件图。关键词：机械手动作流程结构设计三维模型机器人技术是一门综合性的新兴学科，它不仅涉及机械工程学，也涉及到电气、微电子、信息传感、控制等多门学科。工业机床上料机械手就是机器人技术的产物之一，在生产中广泛采用该类机械手，不仅可以提高产品

2、的质量和数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，对21世纪的制造业有着举足轻重的作用。1.机械手的组成一个完整的上料机械手通常由执行机构、驱动—传动装置、控制系统和智能系统四部份组成，如图1所示：图1执行机构（也称操作机）是机械手赖以完成任务的实体，通常由杆件和关节组成。驱动—传动装置包括驱动器和传动装置两个部分，他们通常与执行机构连成一体，驱动机构有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液动或气动装置；传动机构常用的有滚珠丝杠、谐波减速哭、链、带以及各种齿轮轮系。控制系统一般由计算机和

3、伺服控制系统组成，前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时要完成编程和其化环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（电焊机、喷枪）之间的信息传递和协调工作，后者控制各个关节驱动器，使各杆件按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。智能系统分为两个部分：感知系统和分析—决策智能系统，前者主要是靠硬件（各类传感器）实现，后者主要靠软件实现。1.上料机械手的动作流程和功能指标数控机床上的上料机械手简图如图2所示：图2该机械手的主要功能是为数控机床提供待加工的工件，待工件在机床上完成既定的加工工序后，机械手从床上将工件卸下，放入旁边的已加工工件库。据此

4、可以分析出上料机械手的动作流程。首先，在左侧的待加工工件库中夹住工件，外臂和内臂同时收缩沿Z轴向上运动，到达一定位置后停住，再往X轴正向运动到规定位置，内外臂同时伸长将工件沿Z轴下送至与三爪卡盘水平，沿Y方向调整至中心，接着送至下一工位，松开钳爪，上升直规定位置。其次，待工件完成加工后，机床停车，舱门打开触动机械手启动开关，使机械手下降至工件位置，夹紧工件后沿原路送回至已加工工件库。由此完成一个加工周期，夹取下一个待加工工件送至机床进行下一次加工，如此往复。其基本流程可如图3所示：根据要求编写程序程序运行，电路控制伺服电机按要求转动两自由度机械手臂准确定

5、位夹具头向内移动至机床工件装夹处zhuangjiachu装夹钳爪向外移动伺服电机转动程序有无运行完机械手臂回到起始位置，停机否是图3要精确完成上动作，机械手必须达到如下基本性能指标：1．钳爪定位准确，且重复一致性好，行程可调、灵活耐用；2．运动平稳，编程方便，可靠性好；3．操作简单，调整方便；4．结构容易拆卸和维护，检查零部件简单方便；5．外观简洁，自重较轻；6．自由度为4。1.机械手主要结构设计3.1钳爪的设计钳爪是机械手中的重要组成部分，它的结构设计关系到整个上料过程的定位精度，按照其抓取物体的原理，通常可以分为夹持式和吸附式两大类，尤以夹持式较为常

6、见。本机械手采用的是夹持式回转型钳爪，其机械部分的简图和三维草图如图4和图5（伺服电机和液压传动组件未画出）：图4图5该部位要求实现两个自由度，分别是以Z轴为中收的转动和沿Y轴的水平运动。3.2竖直轴内、外臂的结构设计内外臂的设计是本机械手的创新点所在，其结构主要由滚珠丝杠和导轨组成，其中导轨与挡板通过螺钉固连，外臂的升降运动由步进电机驱动滚珠丝杠来实现直线运动，为减轻机械手总重量，外臂中空，并用以布置小臂的传动机构（简图见图6），该机构与外臂固连，从面可以实现外臂相对于机架的直线运动以及内臂相对于外臂的相对运动，两者互不干扰，最终实钳爪运动的速度之和为

7、内臂和外臂的速度之和。图6该结构有以下优点。首先，该结构保证外臂速度慢，而内臂速度快，使整个机械手运行更为平稳；其次，两级伸缩式结构大大减小了体积，带来了简洁的外观和易于存放的优点；再次，中空的外臂大大减轻了重量，节约了材料也使系统负担大大降低。与钳爪配合后可以看到以下效里（如图7）：图73.3基座结构设计基座位于水平梁上，其中包含有关节齿轮、减速器、步进电机以及液压系统，是整个机械手的心脏，其下端开槽，与水平梁的导轨啮合，实现沿X方向上的水平运动。但由于其大多牵涉到微机及控制系统等问题，本人受专业限制，进一步的探讨有待于今后的学习。其三维简图如下：图8

8、图91.设计小结与展望由于机械手的设计比较复杂，牵涉到的学科非常多，以我目前的能