物料搬运机械手结构设计

1、毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：本文主要进行了物料搬运机械手结构的设计。调查了国内外机械手发展的现状，了解了物料搬运机械手主要用于自动生产线上的上、下料。本机械手以交流伺服电机和气缸为动力源，交流伺服电机易于实现转速的控制，无杆气缸可以节省安装空间以及实现大行程。其工作方向为三个直线方向，以交流伺服电机驱动滚珠丝杠副使X、Y轴工作台做往复直线运动，以无杆气缸驱动Z轴工作台做上下往复直线运动，以及驱动气动手爪实现对物料的夹持。本文是对整个设计工作较全面的介绍、分析和总结。 关键词：机械手 结构设计 电机 气缸 滚珠丝杠毕业设计说明书（论文）英文摘要Title Material Handlin

2、g Manipulator Structure Design AbstractThis article mainly has carried on the structure of the material handling manipulator design.Investigated the status of development of the robot at home and abroad, to understand the material handling manipulator is mainly used in automatic production line of u

3、pper and lower material.This manipulator by ac servo motor and cylinder as power supply, ac servo motor is easy to realize the speed control, rodless cylinder can save installation space, and making a big trip.The working direction for three straight direction, in order to exchange the servo motor d

4、riven ball screw agreement X, Y worktable do reciprocating linear motion, driven to rodless cylinder Z axis workbench do up and down reciprocating linear motion, and drive gas to claw clamping of the material.This paper is a comprehensive introduction to the whole design work, analysis and summary.K

5、eywords Manipulator; Structure design; Motor; Cylinder ;Ball screw目 录前 言1第一章 绪 论21.1 工业机械手的应用21.1.1 工业机械手的应用简况21.1.2 机械手的应用意义31.2 工业机械手的发展31.2.1 工业机械手的发展历史41.2.2 机械手的发展趋势51.3 本文的结构7第二章 物料搬运机械手总体设计方案82.1 设计目标82.2 总体方案分析82.2.1 搬运机械手的组成82.2.2 机械系统设计分析92.3 物料搬运机械手的运动及驱动方式92.3.1机械手的运动92.3.2机械手的驱动10第三章 机械

6、系统的设计123.1 气缸的选择123.2 气爪的选择153.3 丝杠的设计163.3.1 Y轴丝杠的设计选型183.3.2 X轴丝杠的设计选型203.4 导轨的选择223.5 电机的选择243.5.1 Y轴电机的设计选型253.5.2 X轴电机的设计选型293.6 轴承的选择323.7 其他零件的设计33第四章 结 论34致 谢35参 考 文 献36附件1：物料搬运机械手结构总装配图附件2：物料搬运机械手结构零件图附件3：毕业论文光盘资料- I -前 言随着科学技术的高速发展和社会的进步，自动化控制有着普遍的应用，如自动化机床的控制，计算机系统，工业机器人和机械手等。而工业机器人和机械手是比

7、较新式的电子机械设备，它正开始转变现代科技化工业面目。机械手就是用机器替代人手，把物料从某个地点搬到指定的位置，或按照预期要求来控制工件进行加工，极大地降低了人的劳动强度，并且增加了工作效率并降低了产品的成本，对现代社会的发展起到极大的作用，但大多数工业机器人只是在危险地带、噪音大、高压、多粉尘、高温、空间狭窄等不适合人工作的地方。还有它可按照预定的工作程序完成规定的动作，但还不配备传感反馈功能，不能随机应变。若发生一些偏差时，就将造成零部件的损坏。针对于上面多个领域机器人系统的实践和研究对机器人系统也提出更高更好的要求。世界各国的机器人学科学家都在为机器人的更高的智能化和更好的适应性而研究着

8、。现在市面上大部分都是非开放系统的机器人，由于修改非开放系统是非常困难的。所以研究和使用具有开放结构的机器人系统才是机器人发展的根本。这样才能让更多的人去了解和学习，才能有更好的发展。由于很多原因，我国的机器人机器人机械手技术的研究进展较为缓慢。目前我国有规划地从国外引进各种机器人技术，通过仿造、改进、创新，相信我国的工业机器人研究将会取得飞速的进展。国内通过机器人技术攻关，已具备了生产部分机器人的能力，但国产机的不管在技术上，还是可靠性上，都落后国外机器人很大的距离，要尽快缩小这些距离，走一条开放型的自主科研道路势在必行。本设计按所要求的功能及理论分析，设计了由电机和气缸驱动的直角坐标式三自

9、由度机械手，可以使物料从某个地点沿指定路线搬运至预定位置，以实现搬运的功能。第一章 绪 论 1.1 工业机械手的应用1.1.1 工业机械手的应用简况工业机械手是近几十年来成长起来的高技术含量的自动生产作业机器。机械手也是机器人的一种，它能按预期要求把物料从某个地点搬到指定的位置，或按照预期要求来控制工件进行加工，它发展的方向是更高智能化和更好的适应性。机械手动作的精准性和各种环境中完成动作的情况，在现代经济中有着非常巨大的发展前景。机械手的成长在于它的巨大作用，作用如下：1、 机械手能大幅度降低人的劳动强度；2、 机械手能按预期要求进行物料的搬运；3、 机械手可以使用各种机器用来进行装配和焊接

10、，从而极大减少人的劳动，明显提升了生产率，由于其不会像人产生疲劳，所以工作效率也得到了很大的提高。因此，世界各国都很重视机械手的发展，调用很大的资源去研究它。特别是在危险地带、噪音大、高压、多粉尘、高温、空间狭窄等的不适合人工作的场合，我国的机械手研究发展也较为迅速，但相比国外技术还有很多不足，相信在未来的发展中，我国会越来越多的应用机械手和发展机械手1。工业机械手是现代工业生产中非常常见的一种自动化装置。它不仅能实现搬运，还运用其他机器进行焊接、装配还有喷漆等。物料搬运机械手在国内外同行业的应用，应用如下：1、在热加工方面的应用由于热加工产生极高的温度，工作环境恶劣并且繁重，这里最主要的是确

11、保人的生命安全，其次是为了提升工作效率及生产率，尤其在热加工特别笨重零部件的时候，机械手的优势便更大的展示出来了。2、在冷加工方面的应用在冷加工方面只需要机械手进行刀具的更换和进行物料的搬运。近期更在自动加工生产线上运用，使之在机床和设备各段工序的衔接上起到了极大的作用。3、在铁路系统的应用由于铁路系统中铺设铁轨，搬运铁轨及其他附属部件，更由于经常会进行安装拆卸已及维修的劳动强度是非常大的，机械手的出现给该行业带来了福音。机械手极大的减轻了人的劳动强度，改善劳动条件，提高了工作效率，为铁路建设做出了巨大贡献。这几十年来，更高智能化和适应性的机械手在行业内出现，更多的机器人种类也出现了，在未来的

12、工业发展中，机械手将越来越多的被应用，生产率也将进一步被提高。1.1.2 机械手的应用意义通过各个部分的协作，机械手能够顺序进行手爪的张开、夹紧、手臂上、下运动、张开物料、复位等运动，进而替代人进行有用的机械功2。机械手的应用意义在于：1、生产过程更为自动化；2、可以改善人的劳动条件，避免因操作失误而造成的意外伤害；3、可以减少人力，便于有节奏地生产，提高生产率。机械手必然成为工业产业发展中的重要手段。它是效法人的手臂及手部的部分能力，依照预期的目的的搬运物料或夹持机器进行操作的自动化科技装备。这类新式技术装备的出现和应用，对现实生产工业的自动化，推进着工业的发展，所以赋有强大的发展力和生命力

13、，受到世界各国的广泛欢迎和重视。长期的实践证明：机械手可替代人手进行各种劳动，机械手可以大大的降低人的劳动强度，明显提高工作效率。生产产业中经常出现极重的物料的搬运和长期、单调、繁重的动作，运用机械手动作是非常有效果的；另外，它能在在危险地带、噪音大、高压、多粉尘、高温、空间狭窄、污染等环境中下进动作，其优越性得到更大的提高，机械手的进步势在必行3。1.2 工业机械手的发展1.2.1 工业机械手的发展历史随着社会的进步以及对生产力和生产率的要求, 有着高科技技术，相当广的应用范围，作为现代生产和现代社会的支持，工业机械手会在未来发挥出更大的作用。工业机械手将推动社会进步到更高的阶段。根据具体的

14、数据统计人工智能机器人的出现以及工业机械手的面市，机器人机械手产业一直处于高速发展阶段，每年以超过十个百分点的速度增长，相信在将来机械手的发展还会持续性增长。由于世界各国的重视和研究发展，工业机械手早已在各行各业中起着至关重要的作用，也在其他的的产业中起着至关重要的作用。在制造业，尤其是在汽车行业，工业机器人机械手已经被普遍采用。再如在毛坯的成型（铸造、焊接、锻造、机械加工、冲压等）、装配、热处理、喷漆、测试等加工工艺上，机械手的应用已经达到了非常高的高度，极大的降低了人的劳动强度，研究更高智能化的机械手势在必行。最先的提出了工业机器人的概念是戴沃尔，在1954年是一位来自美国的科学家。他的专

15、利的主要内容是采用伺服控制技术控制机械手的各个关节进行各种动作，到现在还有许多的机器人机械手还有是这样的控制方式。再到1958年，世界上第一个机器人公司被称作为“工业机器人之父”的约瑟夫英格伯格组建。伴随着智能化技术和微机技术的发展，使机器人机械手在功能和技术上上有了非常的提高。七十年代初，我国才进行工业机械手的研制，由于出发比较晚，落后那些国外同行很多，因此我国靠引进国外的机械手技术来弥补我国机械手研究中的不足，但是其中仍然有许多核心技术我国无法破解，所以我国的机械手以及机器人发展仍然落后于外国同行。相比而言，日本可以说在那段时间里可以说是发展最为迅速的，加速了日本的经济增长。八十年代初，在

16、高新科技热潮的助力下，机器人以及机械手的发展引起我国的重视。研发出了电焊、喷涂和物料搬运机器人机械手以及装配机器人等。我国研究工业机械手也有几十年了，虽然也在进步，但是与国外差距依旧明显。由于很多核心技术难以研究出来，影响了我国机器人发展的进程，不过相信在未来会达到我国的机器人以及机械手发展追上将会与其他研究机器人的发达国家4。1.2.2 机械手的发展趋势我国的工业发展速度非常快，因此，工业机械手的需求也是非常大，但是我国的机械手性能和数量上都处于严重不足的状态。许多高级的机械手都依靠从国外进口。因此，用来大幅减轻人的劳动强度，提高劳动条件的各类机械手也被逐步研究出来，主要在铸造、焊接、锻造、

17、机械加工、冲压等）、装配、热处理、喷漆、测试等方面。在我国，用得最多的还是第一代的机械手，这种机械手结构简单，让它动作还得靠人手动控制，这种机械手成本低，需要操作人员拥有一定的操控技术含量。然而第二代的机械手。它是用一个微机控制系统。通过各种传感器反馈触觉、视觉乃至听觉的能力。正在加紧研发中的第三代的机械手更是可以进行许多高难度动作。由于微机和显示设备的发展，将进一步成为FMS和FMC中重要的一环，第二代机械手要求编程人员需要高技术。机械手一般分为很多种，但一般结构都大致相同，不同的地方在于它的手部的夹紧装置或者所持机器的不同。一般来说机械手的种类的划分和其系统有着很大的关系，由控制机械手所执

18、行的操作不同来分。由于国外的机械手发展更早。他们的机械手早已应用于机床、切割、锻造、焊接、喷漆等操作，它可以根据预设程序操作，却没有任何反馈传感能力，无法应对外部世界的变化。如果有一些变化，可能会导致部分或机械损伤。在国外,因此,机械手的发展趋势是开发机械手具有一定的智能，它有一个感应能力，可以通过反馈的外部环境，从而作出相应的改变。比如一个在错误的地方，即时的检测出来并且自我纠正偏差，视觉和触觉功能便是主要要研究的内容。具有视觉功能的机械手，其本质上就是在机械手加装了摄像头和距离传感器还有信号接收发送器，再通过电能的智能分析来控制机械手进行动作。虽然说上去简单，其实研究并不简单。具有触觉功能

19、的机械手，主要在机械手的手部装有触觉传感器通过手指的触碰来进行物料的抓取。如今的传感器研究已经有了很大的提高，相信装配有视觉和触觉系统的机械手会慢慢替代上一代机械手，随着这一代更加智能化机械手的出现，工业生产会更上一个台阶。如今最为重要就是把机械手融入到FMS和FMC中去，这样将极大的增加生产率，而不需要太多的人力，从而实现自动化生产。当前工业机械手的发展情况主要是以下几点：1、由于研究开放机械手的国家多了，机械手的工作性能也越来越好，当然这也导致了普通机械手的价格也越来越便宜，但是高新机械手的价格还是很高的。2、机械手上的组件逐渐的开始走向标准化和模块化，这降低了成本，也方便了零件损坏后的更

20、换。3、工业机械手的发展正在朝着开放系统的方向研究，这样能让更多的人学习和研究机器人以及机械手。越多人研究机械手以及机器人，该行业的发展就越快。4、机如今的传感器研究已经有了很大的提高，自从触觉和视觉等更高级机器人的出现，机械手的发展也越来越快越来越高科技化。5、现在的机器人以及机械手技术也已经越来也成熟，计算机能在虚拟现实中进行智能分析和计算出现实中的实际位置，然后进行各种动作。6、如今，机器人已经走出实验室走出工厂，进入到人们的日常生活中了，在人们的生活中起着重要的作用，比如说，智能扫地机器人，机器人餐厅，自动平衡车等，都运用到了机器人技术。7、目前，机械行业已经运用到工业机械手几十年了，

21、其中经历了多次变革，随着机器人技术的高速发展，工业机械手的发展也得到了更大的提高，在这个自动化装备的助力下，首先美国、日本等发达国家经济迅速增长，再者发展中国家也得到了迅速的发展，在机器人以及机械手未来的发展中必将起着重要的作用。在接下来的机器人研究中必将走向开放式，标准化，模块化的发展之路，但这只限于普通机械手的研究，高新的产品还是拥有核心技术，我国只能靠进口外国的产品，却很难引进外国的高新技术，所以在未来的研究工作中，我国还需更加努力地创新，我国要走科技强国之路这样才不会落后5。1.3 本文的结构本文以物料搬运机械手的研发工程项目作为应用背景，对机械手结构进行了设计，机械手结构类似于图1-

22、1中最上方的悬臂式机械手。全文共分为四章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了机械手的应用情况还有机械手的发展历史以及机械手的发展趋势；第二章研究了物料搬运机械手的总体设计方案，选择了气缸和电机为驱动方式；第三章对机械手机械部分进行了研究，给出了Z轴方向采用气缸驱动，X、Y轴方向采用电机驱动的驱动方案，并讨论了气缸、气爪、导轨、电机、轴承和滚珠丝杠的设计和选型方法；第四章归纳了全文的设计工作，以及存在的问题。图1-1 机械手外形图第2章 物料搬运机械手总体设计方案2.1 设计目标三自由度直角坐标式物料搬运机械手的设计，包括机械手手的总体、运动、驱动、造型设计等。本设计主要是机械手的结构设计，

23、在综合考虑机械手的所需要求后，能够更好的设计出合理而优化的机械手。本设计为直角坐标式三自由度物料搬运机械手结构设计，工作方向为X轴左右平移，Y轴前后平移，Z轴上升下降三个方向。设计了由电机和气缸驱动的直角坐标式三自由度机械手，可以使物料从某个地点沿指定路线搬运至预定位置，以实现搬运的功能。2.2 总体方案分析2.2.1 搬运机械手的组成检测系统执行系统驱动系统控制系统 图2-1组成框架图它一般是由控制系统、机械系统（执行系统和驱动系统）及检测系统组成。 1、 执行系统：执行系统是机械手执行动作所必须的构件的集合。 2、 驱动系统：驱动执行系统进行动作。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电机传

24、动。 3、 控制系统：控制驱动系统进行动作，即控制执行系统按照预计的程序进行动作。 4、 检测系统：通过各类检测传感装置检测执行系统的状况，在产生错误或故障时发出警告，然后进行反馈。2.2.2 机械系统设计分析本物料搬运机械手设计只是设计结构，也就是设计机械部分。机械部分主要是分为驱动部分和执行系统。各部分系统分析如下：1、 执行系统执行系统是机械手执行动作所必须的构件的集合。这里包括了机座、手臂梁、手腕梁等2、 驱动系统：是实现机械手运动的动力系统，用来驱动执行元件进行动作。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电机传动。 2.3 物料搬运机械手的运动及驱动方式2.3.1机械手的运动机械手的运

25、动包括自由度数、运动规划、运动方式和运动范围。本设计为三自由度机械手又称3D机械手。自由度是设计机械手时重要设计参数。自由度越多设计难度就越大，设备也就越庞大，成本也就越高。因此，除了在特殊要求所使用的机械手，其他在满足设计要求的情况下，要尽可能的减少机械手的自由度，这样做不仅仅是为了节约成本，还是对设计人员的工作的减轻，一般情况下三自由度机械手已经满足工作需求6。要实现直角坐标式三自由度物料搬运机械手在不同的方向抓取物体。其运动系统主要由四个个部分组成：X及Y轴方向水平移动、Z轴方向上下移动（即横向和纵向和竖向)）和手爪的运动系统7。运动传动方式是将动力源的运动传递到实现自由度运动的过程，本

26、设计中X、Y方向为电机的回转运动通过滚珠丝杠转换为直线运动，Z方向为气缸的直线移动，根据结构的需要和驱动力的大小，对各个方向的构件进行选型和设计。运动方式有俯仰型、屈伸型、直移型和回转型四种方式。运动规划包括：抓持规划、指态规划（gaiting）。抓持规划的核心问题是如何选择手指和手掌相对物体的位置，简称抓持位形。其中包括如何判断稳定性，如何计算和优化接触点和接触力8。指态规划的核心问题是如何确定手指的运动，以实现期望的物体运动。这是一个复杂的动态计算过程，需要保证手指在可达空间内的运动，运动过程中各手指之间没有干涉，以及接触力保持平衡9。远动范围为机械手在机架内各方向所能移动的极限距离。本设

27、计X向最大位移2967mm，Y向最大位移1400mm，Z向上下升降位移1200mm。由物料搬运机械手的运动分析，再从所需要实现的功能，对物料搬运机械手的动作过程分析如图2-2所示：原点下降抓紧X,Y,Z方向的运动放松图2-2 机械手工作过程2.3.2机械手的驱动动力假手和机械手都根据要求来确定自由度，然后选择合适的驱动装置来实现各自由度的动力化。具体来说，动力假手可以用电力、气压（二氧化碳）和液压等作为动力源，而机械手可以用电力、空气和液压作为动力源10。常用的机械手驱动方式有气压驱动、液压驱动和电机驱动三种方式。三种驱动方式的优缺点见表2-1：内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率油液

28、输出压力大，功率也就大气动输出压力较小，功率也就稍小输出功率较大控制性能可实现无级变速，功率可以很大，运动精度高低速时难以控制，功率不是太大，运动精度也不是很高控制灵敏，功率可大可小，速度控制较为方便，运动精度也高，但控制系统较为复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构紧凑适当，驱动简单，液压系统标准化，模块化，体积可大可小依照功率而定，要重视密封问题结构紧凑适当，驱动简单，气动系统标准化，模块化，体积可大可小依照功率而定，也要处理密封问题结构稍复杂，结构性能好，伺服电机标准化，体积可大可小依照功率而定，不用考虑密封问题安全性结构比较安全，当系统压力过大时有溢流装置，液压油可能会造成火灾危险

29、结构相对安全，若气孔阻塞，可能会出现爆缸现象，不会产生火灾危险电机本身无爆炸危险，在某些特定条件下可能会产生火花，有一定的火灾危险对环境的影响会对环境造成污染，液压系统容易出现漏油现象漏油会对环境造成噪音污染，排气吸气时会产生噪音电机运转噪音小，不造成污染表2-1 机械手驱动方式表本物料搬运机械手的结构设计Z轴上下升降方向采用气动方式，气动方还式可以驱动气爪进行物料的抓取与松开。气动方式结构除了有点噪音污染，但紧凑适当，驱动简单，气动系统标准化，模块化，体积可大可小依照功率而定，密封问题也不太大。本物料搬运机械手的结构设计X及Y轴横向及纵向方向采用电机驱动滚珠丝杠副的方式，对环境几乎无污染，伺

30、服电动机易于控制，结构紧凑，无密封问题。控制系统稍复杂，结构性能好，伺服电机标准化，电动机一般需装配减速装置但也可不装配，自由性好，体积可大可小依照功率而定，不用考虑密封问题。第三章 机械系统的设计3.1 气缸的选择气动的执行元件是把空气压缩然后推动物件进行各种方式的动作。它也是一种能量转换装置。一般分为气马达和气缸两种。气缸一般做直线往复运动，但也有可做摆动运动的气缸，气缸的种类还有很多。气马达一般做回转运动，由于运用并不多，已经渐渐的不怎么使用了。气动的执行元件也是需要控制的，这就要用到控制元件，可以控制执行元件的运动方向，速度和压力，一般分为方向控制阀和压力控制阀以及流量控制阀。气缸有很

31、多种分类方法，可以按结构原理、安装形式、驱动方式、用途等来分类。这里就简单的介绍一下气缸按结构原理和安装形式来分。气缸的安装形式可分为1、固定式气缸：这种气缸是用某些方法固定安装在机器上的。2、轴销式气缸 ：这种气缸可以围绕销轴做一定程度的摆动。3、回转式气缸：这种气缸一般固定在卡盘上，用于实现手爪的抓紧与松开。4、嵌入式气缸：这种气缸是焊接或者直接在机体上制造。气缸的结构原理分为：1、 普通气缸：这类气缸用作普通用途无特殊用途。可分为双作用和单作用气缸。2、特殊气缸：这类气缸在普通气缸完成不了动作的情况下使用。以下为特殊气缸的分类。特殊气缸又分为：1、薄膜式气缸：这种气缸是一种单作用活塞式气

32、缸，并且带有弹簧复位功能。工作时利用薄膜片压缩空气进行动作，它的特点在于结构性能好，结构简单紧凑，行程范围很短一般只用于短行程场合，体积很小便不易漏气，密封性能很好，成本很低，维修也方便。2、磁性开关气缸：这种气缸装有磁性开关，磁性开关即可用于检测活塞行程状态，又可以控制活塞进行往复直线移动，这种气缸不适合在磁力环境中使用，会影响磁性开关的使用，也不适合行程太长的场合，但其结构简单紧凑，可以不用检测反馈装置，成本低，该类气缸也得到了很多的应用。3、带阀气缸：其实这种气缸并不能完全被称为气缸，因为它是换向控制阀，流量控制阀或者速度控制阀和气缸的组合。它可以直接驱动气缸进行各种动作。这种气缸运用场

33、合多变，转变气缸种类即可适应各种场合的要求。4、带导杆气缸：该种气缸带有导向杆，适用于承受载荷较大并要求导向精度高的场合。5、无杆气缸：这类气缸有一个活塞，且没有活塞杆，是在导轨上安装的活塞装置，外部负载与活塞相连，实现往复运动依靠吸气和排气。该气缸可以节省安装空间，它能以小的安装空间实现大行程。6、 锁紧气缸：可以实现在各种方位的紧锁。7、气动气爪：这类是变换了形态的气缸，在各种自动生产线上应用广泛，利用其夹持力夹持物料。8、气液阻尼缸：其实这种气缸是用气动推动油液然后进行运动，其实就是变相的液压传动，多用于速度稳定均匀，大负载的场合。9、摆动气缸：该类气缸能实现一定角度的摆动，只适用于一些

34、需要摆动的场合。气缸的选型步骤气缸的选型是根据用户需要和适用场合而定，下面就介绍一下大多数气缸的选型步骤。1、 气缸缸径要利用气缸所受的载荷来计算，并要考虑上载荷率，这样才能计算出缸径。2、 气缸的行程要根据使用场合来定，行程要保留安全余量，避免碰撞，所以不能使用最大行程。3、 气缸的强度和稳定可靠性分析要分析其载荷，分析其强度，及其工作是否稳定可靠。4、气缸的安装形式安装形式一般根据用户要求和使用目的来定。固定式气缸是应用最为广泛的。5、 气缸的缓冲装置一般慢速气缸可以不采用缓冲装置，但快速以及高速气缸必须采用缓冲装置，防止冲击造成损坏。6、 磁性开关在需要用到磁性开关的电气控制时才选用。7

35、、 其它要求根据使用情况和用户目的所要求的特殊气缸。图3-1 SMC各类气缸外形图气缸直径计算要利用气缸所受的载荷来计算，并要考虑上载荷率，这样才能计算出缸径。这里进行Z轴上下伸降气缸的选型计算：气缸快进速度 =0.5m/s设定工件等运动件质量约为 m75 kg与导轨的摩擦系数 m0.25气缸行程 s为 1200 mm系统工作压力 p = 0.5 MPa解：气缸实际轴向负载0.25 750 188 N选定负载率 q 0.5则气缸理论输出力 气缸理论推力 气缸的直径 按气缸选型标准选择气缸缸径为40 mm的SMC机械接合式无杆气缸MY1B。其满行程为5000mm，这里取1200mm即可。无杆气缸

36、里有活塞，而没有活塞杆的，活塞安装在导轨上，活塞又与外部负载相连，靠吸排气可实现动作。节省安装空间以及实现大行程。图3-2 SMC无杆气缸选型图无杆气缸特点1、同行程条件下，无杆气缸比其他普通气缸少一半的安装空间。 2、无需装配防转机械； 3、适用缸径范围为10-80mm，满行程可达41.5m； 4、速度可达10m/s 。无杆气缸缺点1、密封不是很好，较容易产生泄漏； 2、所能承受的负载小，如果要增加承受的负载能力，须加装导向装置。 3.2 气爪的选择气动手爪是变换了形态的气缸，在各种自动生产线上应用广泛，利用其夹持力夹持物料。图3-4 SMC气动手爪外形图这里进行气动机械手爪的选型：抓取的重

37、物气爪与重物间的摩擦系数系统工作压力则气爪的加持力F为根据SMC气爪选型手册：图3-5 SMC气动手爪选型图这里选择SMC的MHS2型气爪，尺寸63，外径夹持力502N。3.3 丝杠的设计滚珠丝杠可将直线运动转换为回转运动或者回转运动转换为直线运动，它是一种运动形式转换装置。一般来说将回转运动转换为直线运动用的比较多。滚珠丝杠同时也是非常精密的传动及运动转换装置。常用于精密机械仪器及机床上，运用极为广泛。滚珠丝杠是由钢球、螺杆、螺母、防尘器、预压片、反向器等组成。滚珠丝杠又分为内循环滚珠丝杠和外循环滚珠丝杠，这是由循环方式分的。滚珠丝杠在运动时钢珠在运动过程中会与丝杠脱节的循环方式就是外循环，

38、在运动时钢珠在运动过程中一直与丝杠保持接触的循环方式就是内循环。图3-6 滚珠丝杠外形图其特点如下：1、摩擦损失小、传动效率高由于滚珠丝杠副做的是滚动，滚动是点接触，比滑动摩擦损失小得多，因此传动效率就高，在驱动同样力的情况下，滚珠丝杠所消耗的能量也少，所以也较为省电。2、精度高滚珠丝杠在机械行业中可以说是精度最高的传动机械之一，其高精度的特点也得到了整个行业的好评。3、高速和微进给可能由于滚珠丝杠副做的是滚动，启动力矩小，可进行高速或者微进给。4、轴向刚度高滚珠丝杠可以施加预紧，会把轴向间隙调整得很小甚至是负值。这样会增加丝杠刚性，从而提高其运转平稳性。5、 不能自锁、具有传动的可逆性设定：

39、快进速度工进速度最大加速度工作台摩擦力Y轴工作行程X轴工作行程导程Y轴丝杠长度Z轴丝杠长度Y轴方向受力150kgX轴方向受力300kg3.3.1 Y轴丝杠的设计选型1、 确定动载荷 工作循环周期T由加工时间和加速时间组成：在减速期间的平均速度为 工进时转速为当量转速为载荷系数查表取当量载荷为取滚珠丝杠寿命为20000h =14736N 2、 确定静载荷静态安全系数查表取3、 根据轴向压力选取丝杠直径查表故取 4、 转速限制最大转距限制取A=60000得由取丝杠直径15mm根据上述选型计算选择R15-16K2-FSC-1878-1955-0.018型上银滚珠丝杠3.3.2 X轴丝杠的设计选型1、

40、确定动载荷在减速期间的平均速度为 工进时转速为当量转速为载荷系数查表取当量载荷为取滚珠丝杠寿命为20000h =29449N 2、确定静载荷静态安全系数查表取 3、根据轴向压力选取丝杠直径查表故取 4、转速限制最大转距限制取A=70000得由取丝杠直径40mm根据上述计算选择R40-6T3-FDI-3058-3250-0.012型上银滚珠丝杠。3.4 导轨的选择导轨是用金属制作而成的卡槽或卡脊，用于承受载荷，减少摩擦或者导向的作用，导轨定位精度高，摩擦损失小，承载能力根据需求可大可小，是减少能量损失节约能源及节约成本的一大利器。导轨一般分为滚轮和滚珠导轨，滚轮导轨适用于需要承受特别大载荷的情况

41、下，一般情况下用滚珠导轨即可。图3-7 导轨外形图直线滚动导轨的特点：1、 定位精度高 直线滚动导轨相比直线滑动导轨，摩擦系数大幅度降低，摩擦阻力大大降低，大幅度降低驱动扭矩，从而它的定位精度会非常高，甚至是微米级。2、 降低机床造价并大幅度节约电力直线滚动导轨相比直线滑动导轨，摩擦系数大幅度降低，摩擦阻力大大降低，从而大幅度减少发热，从而减少了能量的流失，也就节省了电力，更减少了磨损，从而也降低了机床的成本。 3、可提高机床的运动速度 直线滚动导轨相比直线滑动导轨，摩擦系数大幅度降低，摩擦阻力大大降低，从而提高了机床的运行速度，更是提高了机床的工作效率。 4、 可长期维持机床的高精度 直线滚

42、动导轨相比直线滑动导轨，摩擦系数大幅度降低，摩擦阻力大大降低，从而大幅度减少发热，从而减少了能量的流失，也就节省了电力，更减少了磨损，从而也降低了机床的成本，在这降低成本的背后，它还有着更好的设备维护和更好的精度，而且在不受撞击的情况下不易磨损，这就给予了机床长期的高精度。这里进行XYZ三轴上方向上导轨的选型计算：Z轴的直线滚动导轨的预估长度L为由此式估算出Y轴的直线滚动导轨的预估长度L为由此式估算出X轴的直线滚动导轨的预估长度L为由此式估算出其中L-导轨长度 H-滑块的导向面长度 S-滑块行程 -封闭高度调节量 -滑块上升到上死点时，超出导轨部分的长度 -滑块下降到下死点时，超出导轨部分的长

43、度Z轴方向初选直线导轨ABBA的BRH28BL导轨。其额定动静载荷分别为其工作台最大重量75kgG=mg=750N对滚动导轨的额定寿命计算 式中L-额定寿命（km） Ca-额定动载荷（KN） P-当量动载荷（KN） Fmax-受力最大滑块收受的载荷（KN），为Fw Z-导轨上的滑块数，选4 -指数，当导轨体为滚珠时为3 K-额定寿命（km），由于选用的是滚珠而不是滚轮，所以选50km fh-硬度系数，通常选1 Ft-温度系数，工作环境小于100摄氏度，选1 fc-接触系数，系数可选0.81，由于每条导轨上有2个滑块 fa-精度系数，无明显冲击和振动，取1.5 fw-载荷系数，载荷平稳无冲击，因

44、此取载荷系数为1则L=31656km寿命时间计算当行程长度一定，以h为单位的额定寿命为：假如每天工作大约6个小时，假如每年大约工作300天，则预期寿命的工作的年限为：同理可得：Y轴 L=33247km X轴 L=35697km X、Y、Z三个轴方向的直线导轨都可选择ABBA的BRH28BL导轨。3.5 电机的选择电机可以将电能转换为机械能。更准确的说是转换为回转运动，它是一种能量转换装置。电机被广泛运用于现代机械及人们的日常生活中，大到几十千瓦几百千瓦，小到零点几瓦。图3-8 电机外形图机械手的电机驱动一般用伺服电机或者步进电机。步进电机特点：1、步进电机的角位移准确，其角位移根据其脉冲大小来

45、决定，它不容易产生误差。 2、步进电机动作响应快，易于实现正反转、启停和变速动作，但也可能造成失步现象。 3、速度可调节性更强，转矩可以很大，可直接驱动外部负载部件而不用装配减速装置。 4、步进电机由于其使用的电源只能为脉冲电源，脉冲电还需配备专用的电源转换装备，因此制约了它的发展。 伺服电机特点：1、 起动转矩大，抗过载能力也大，非常适用于快速启动和负载经常变化的场合。2、 运行范围广，转速范围一般在2000-3000，无自转现象。3、 运转稳定，响应快，运动灵敏。4、 电机运转时噪音低和发热小。总结上述步进电机和伺服电机的特点：本直角坐标式三自由度机械手选择伺服电机驱动。伺服电机又分为直流

46、和交流式，虽然直流式伺服电机各项性能都比较好，但由于交流式运用更为广泛，选择交流伺服电机。3.5.1 Y轴电机的设计选型Y方向电机重量的初步估算（Z方向工作台，机械手重量，及抓重40kg，Z轴滑块重量）W=150kg1、计算负载力矩： （3-1）沿一个坐标轴方向移动部件运动所需的力F 为 （3-2）根据ABBA直线导轨技术手册：摩擦系数；镶条锁紧力直线导轨单片刮油片助力将上述各参数代入式（3-2）整理可得=94.08N伺服电机轴和轴承与滚珠丝杠副之间的摩擦力矩为 （3-3） （3-4） 根据上银滚珠螺杆技术手册：摩擦系数工作台质量W=150kg导程驱动系统效率将上述各参数代入式（3-3）中，整

47、理可得: =0.13将上述摩擦力矩以及力F的计算结果代入式（3-1），整理可得： =0.2962、计算负载惯量 （3-5）图3-9 水平电机伺服电机惯量计算示意图其中，横走方向滚珠丝杠副的惯量为 （3-6）根据上银滚珠螺杆技术手册材料的比重；滚珠丝杠副的直径；长度 ；将上诉各个参数代入式（3-6），整理可得: =0.01=0.001Y方向工作台直线移动时的惯量为 (3-7)根据初步估算，重量W=150kg：电机一转机械手沿直线移动距离L=1cm；将上述参数代入式（3-7），整理可得：故综上所诉，伺服电机轴上驱动系统的总惯量3、伺服电机惯量匹配的计算在机械传动中，处在传动中的部件也都是有质量的，

48、因此就会存在着惯性，其惯性大小的物理量称为惯量。不管是什么类型的惯量，对整个伺服进给系统的动态响应特性影响非常大。所以必须使负载的惯量合理的匹配电动机的惯量，通常情况下会要求负载惯量尽量小些，因为小的负载惯量，系统响应速度就越快，响应速度可达几十毫秒内，也不容易发生共振。所以，负载总惯量与伺服电机惯量之间匹配关系须满足以下关系： （3-8）将代入式（3-8）中，整理可得综上所诉，选用的伺服电机的惯量范围在 之间4、伺服电动机的转速范围为了满足物料搬运机械手快速进给以及物料取出时间的要求，结合初选的滚珠丝杠的参数，伺服电动机转速应满足： （3-9）机械手原始参数要求，；滚珠螺杆的导程；将上述参数

49、代入式（3-10），整理可得：取5、伺服电机的功率计算推动机械手横行方向运动所需的力 等于沿横行方向移动部件运动所需的力F 和滚珠丝杠螺母副以及轴承带来的阻力，即：那么，Y方向伺服电机所需要的功率为考虑到机械损耗，故将求出的最低功率乘以1.5 倍系数，取P=200W。根据计算数据，查询图3-10：P=200W图3-10 SM伺服电机选型图选择SM 60-006-30LFB型号博美德电机。3.5.2 X轴电机的设计选型重量的初步估算（Y及Z方向工作台，机械手重量，及抓重40kg，Z轴滑块重量）W=300kg1、计算负载力矩： （3-1）沿一个坐标轴方向移动部件运动所需的力F 为 （3-2）由AB

50、BA导轨选型手册得：摩擦系数；镶条锁紧力直线导轨单片刮油片助力将上述各参数代入式（3-2）整理可得=152.88N伺服电机轴和轴承与滚珠丝杠副之间的摩擦力矩为 （3-3） （3-4） 根据上银滚珠螺杆技术手册：摩擦系数工作台质量W=300kg导程驱动系统效率将上述各参数代入式（3-3）中，整理可得: =0.26将上述摩擦力矩以及力F的计算结果代入式（3-1），整理可得： =0.532、计算负载惯量 （3-5）其中，横走方向滚珠丝杠副的惯量为 （3-6）根据上银滚珠螺杆技术手册材料的比重；滚珠丝杠副的直径；长度 ；将上诉各个参数代入式（3-7），整理可得: =0.064=0.0064X方向工作台

51、直线移动的惯量为 (3-7)根据初步估算，重量W=300kg：电机一转机械手沿直线移动距离L=1cm；将上述参数代入式（3-8），整理可得：故综上所诉，伺服电机轴上驱动系统的总惯量3、伺服电机惯量匹配的计算所以，负载总惯量与伺服电机惯量之间匹配关系须满足以下关系： （3-8）将代入式（3-8）中，整理可得综上所诉，选用的伺服电机的惯量范围在 之间4、伺服电动机的转速范围伺服电动机转速应满足： （3-9）机械手原始参数要求，；滚珠螺杆的导程；将上述参数代入式（3-10），整理可得：取5、伺服电机的功率计算推动机械手X轴方向运动所需的力 等于沿滚珠丝杠螺母副以及轴承带来的阻力和X轴方向移动部件运动所需的力F ，即：那么，Y方向伺服电机所需要的功率为考虑到机械损耗，故将求出的最低功率