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無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 換刀機器人機械系統(tǒng)的設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923006 學生姓名： 王維維 指導教師： 過金超 （職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計 換刀機器人機械系統(tǒng) 的設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果， 其內(nèi)容除了在畢業(yè)設計中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容 外，本畢業(yè)設計不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成 果作品。 班 級： 機械 91 學 號： 0923006 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 換刀機器人機械系統(tǒng)的設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) （一）科學意義： 工業(yè)機器人延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從 事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完 成繁重、單調(diào)的重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè) 機器人與數(shù)控加工中心、自動搬運小車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔 性織造系統(tǒng)（FMS ）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） ，實現(xiàn)生產(chǎn)自 動化。 （二）國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢： 從近幾年世界上推出的機器人產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(shù)正在 向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢為：結(jié)構(gòu)的模 塊化和可重構(gòu)化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及網(wǎng)絡 化和智能化等方面。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： I 任務要求： （1）論證確定總體方案； （2）設計水平移動系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的驅(qū)動及傳動 系 統(tǒng)； （3）設計水平移動系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的結(jié)構(gòu)； （4）編寫設計說明書。 四、接受任務學生： 機械 91 班 姓名 王維維 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學科組組長研究所 所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 7 日 摘 要 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程 的自動化程度，機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機 械手的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，機 械手主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方 式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設計一臺四自由度的機械手，主要的功用就是自動換刀。主要是實現(xiàn)加工中 心自動換刀系統(tǒng)的設計。通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動換刀系統(tǒng)的特點、應用條 件，設計要求等，并結(jié)合在數(shù)控機床上對刀庫和換刀機械手的需要——能在數(shù)控程序的 控制下靈活的實現(xiàn)換刀過程。刀庫為立式單鏈式刀庫。驅(qū)動裝置采用電機液壓驅(qū)動；設 計的換刀機械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動裝置采用液壓 雙作用缸。根據(jù)機械手和刀庫位置的需要，設計機械手在機床上下移動裝置，以實現(xiàn)多 排刀架上的刀與主軸上的刀之間的交換。結(jié)合工廠實際，該自動換刀系統(tǒng)在數(shù)控的控制 下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時間、提高了效率、安全可靠。 關(guān)鍵詞 ：機械手；加工中心；刀庫；自動換刀 Abstract In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the, application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc, which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. The subject is to design numerically controlled tool-changing manipulator and numerically controlled tool-magazine. In this progress, the project synthesizes the characteristic and utility condition of numerically controlled tool-changing manipulator and numerically controlled tool-magazine . Numerically controlled tool-changing manipulator adopts rotary single arm and spring pin numerically controlled tool-magazine adopts vertical tool- magazine . Driving gear uses hydraulic cylinder .in a word ,the tool-magazine and the manipulator can do efficiently .reliably and quickly. Key word : Tool-changing manipulator; Machining Center; Tool-magazine; Automatic Tool Changer 目 錄 摘 要 .........................................................................................................................................III Abstract ...................................................................IV 目 錄 .............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術(shù)要求 ...................................................1 1.1.1 課題的意義 ............................................................................................................1 1.1.2 課題的目的 ............................................................................................................1 1.1.3 研究范圍及要達到的技術(shù)要求 ............................................................................1 1.2 課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 .......................................................................2 1.2.1 國內(nèi)的發(fā)展概況 ....................................................................................................2 1.2.2 國外的發(fā)展概況 ....................................................................................................3 1.2.3 存在的問題 ............................................................................................................7 2 換刀機器人總體設計 .................................................................................................................9 2.1 主要技術(shù)參數(shù)和外形尺寸 ..............................................................................................9 2.1.1 主要技術(shù)參數(shù) .......................................................................................................9 2.1.2 外形尺寸 ...............................................................................................................9 2.2 換刀機器人總體布局設計 ............................................................................................10 2.2.1 自動換刀機器人的組成及簡單介紹 .................................................................10 2.2.2 自動換刀機器人的總體布局圖 .........................................................................10 2.3 換刀機器人自動換刀過程 ............................................................................................11 3 換刀機器人手部設計 ...............................................................................................................15 3.1 手部的基本結(jié)構(gòu)、組成部分和動作原理 ....................................................................15 3.1.1 機械手的簡介 .....................................................................................................15 3.1.2 換刀機械手的結(jié)構(gòu)、組成與動作原理 .............................................................15 3.2 手部裝置的選擇與計算 ................................................................................................18 3.2.1 手指的設計 .........................................................................................................18 3.2.2 手臂油缸的設計與計算 .....................................................................................21 第 4 章自動換刀機器人手部升降機構(gòu)的設計 ...........................................................................27 4.1 自動換刀機器人手部升降機構(gòu)的組成及動作原理 .....................................................27 4.2 滾珠絲杠及螺母副的設計與選用 .................................................................................28 4.3 滾珠絲杠螺母副支撐方式及軸承的選擇 .....................................................................31 4.4 減速齒輪的設計 .............................................................................................................33 4.5 減速齒輪軸的設計 .........................................................................................................36 4.5.1 減速齒輪軸的設計 ..............................................................................................36 4.5.2 減速齒輪軸的校核 .............................................................................................37 4.6 驅(qū)動液壓泵電機的選擇 .................................................................................................38 5 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................39 I 5.1 結(jié)論 .................................................................................................................................39 5.2 不足之處以及未來展望 .................................................................................................40 致 謝 ...........................................................................................................................................41 參考文獻 .......................................................................................................................................42 0 1 緒論 1.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術(shù)要求 1.1.1 課題的意義 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的 產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提 供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的 影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)水平的重要標志。因 此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一 [1]。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是工 業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造 和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確 性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程 中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)， 迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實 現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不 斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此， 機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程 的自動化程度，機械手作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。機 械手的技術(shù)水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，機 械手主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方 式一般采取示教再現(xiàn)的方式。工業(yè)機器人延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代 人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的 重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心、自動搬運小 車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性織造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），實現(xiàn) 生產(chǎn)自動化。所以從事工業(yè)機器人的研究具有非常重要的意義。 1.1.2 課題的目的 通過畢業(yè)設計的鍛煉，學會綜合運用所學的知識和技能進行實際工程問題的分析、 綜合及設計。培養(yǎng)調(diào)查研究、中外文獻檢索與閱讀的能力，掌握定性與定量相結(jié)合的獨 立研究與論證的能力；熟練掌握設計、計算及繪圖的能力；鍛煉文字與口頭表達能力； 掌握撰寫設計說明書的，并且能設計出合乎實際要求的自動換刀機器人機械系統(tǒng)。 1.1.3 研究范圍及要達到的技術(shù)要求 用途：在給定的程序指令下，配合刀庫和臥式鏜銑床（簡稱主機）實現(xiàn)所有加工工序的 自動裝、卸刀 [2]。 技術(shù)要求： 結(jié)構(gòu)形式： 圓柱坐標； 1 自由度數(shù)： 4； 負載重量： 10kg（單爪） ； 末端操作器： 雙手爪； 工作空間： 縱向 0.195m，橫向 0.18m，升降 1.22m，旋轉(zhuǎn) 180°； 運行速度： 五檔可調(diào)； 最大運行速度： 縱向 20m/min,橫向 16m/min,升降 8m/min,旋轉(zhuǎn) 16rpm; 重復定位精度： ± 0.6m； 記 憶 刀 位 數(shù) ： 不 小 于 170 把 ， 可 擴 展 ； 總重量： ≧600kg；