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無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 0923006 學(xué)生姓名： 王維維 指導(dǎo)教師： 過金超 （職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果， 其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容 外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成 果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 91 學(xué) 號(hào)： 0923006 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) （一）科學(xué)意義： 工業(yè)機(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從 事危險(xiǎn)、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(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè) 機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動(dòng)搬運(yùn)小車以及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔 性織造系統(tǒng)（FMS ）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS） ，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自 動(dòng)化。 （二）國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)： 從近幾年世界上推出的機(jī)器人產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)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(shì)為：結(jié)構(gòu)的模 塊化和可重構(gòu)化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及網(wǎng)絡(luò) 化和智能化等方面。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： I 任務(wù)要求： （1）論證確定總體方案； （2）設(shè)計(jì)水平移動(dòng)系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng) 系 統(tǒng)； （3）設(shè)計(jì)水平移動(dòng)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(shè)計(jì)說明書。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)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(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所 所長(zhǎng)〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 7 日 摘 要 在當(dāng)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(dòng)化程度，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。機(jī) 械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，機(jī) 械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)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(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的機(jī)械手，主要的功用就是自動(dòng)換刀。主要是實(shí)現(xiàn)加工中 心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用條 件，設(shè)計(jì)要求等，并結(jié)合在數(shù)控機(jī)床上對(duì)刀庫和換刀機(jī)械手的需要——能在數(shù)控程序的 控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過程。刀庫為立式單鏈?zhǔn)降稁?。?qū)動(dòng)裝置采用電機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)；設(shè) 計(jì)的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動(dòng)裝置采用液壓 雙作用缸。根據(jù)機(jī)械手和刀庫位置的需要，設(shè)計(jì)機(jī)械手在機(jī)床上下移動(dòng)裝置，以實(shí)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(shí)際，該自動(dòng)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(shí)間、提高了效率、安全可靠。 關(guān)鍵詞 ：機(jī)械手；加工中心；刀庫；自動(dòng)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(dá)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(dá)到的技術(shù)要求 ............................................................................1 1.2 課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題 .......................................................................2 1.2.1 國(guó)內(nèi)的發(fā)展概況 ....................................................................................................2 1.2.2 國(guó)外的發(fā)展概況 ....................................................................................................3 1.2.3 存在的問題 ............................................................................................................7 2 換刀機(jī)器人總體設(shè)計(jì) .................................................................................................................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(jī)器人總體布局設(shè)計(jì) ............................................................................................10 2.2.1 自動(dòng)換刀機(jī)器人的組成及簡(jiǎn)單介紹 .................................................................10 2.2.2 自動(dòng)換刀機(jī)器人的總體布局圖 .........................................................................10 2.3 換刀機(jī)器人自動(dòng)換刀過程 ............................................................................................11 3 換刀機(jī)器人手部設(shè)計(jì) ...............................................................................................................15 3.1 手部的基本結(jié)構(gòu)、組成部分和動(dòng)作原理 ....................................................................15 3.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介 .....................................................................................................15 3.1.2 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、組成與動(dòng)作原理 .............................................................15 3.2 手部裝置的選擇與計(jì)算 ................................................................................................18 3.2.1 手指的設(shè)計(jì) .........................................................................................................18 3.2.2 手臂油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .....................................................................................21 第 4 章自動(dòng)換刀機(jī)器人手部升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ...........................................................................27 4.1 自動(dòng)換刀機(jī)器人手部升降機(jī)構(gòu)的組成及動(dòng)作原理 .....................................................27 4.2 滾珠絲杠及螺母副的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) .............................................................................................................33 4.5 減速齒輪軸的設(shè)計(jì) .........................................................................................................36 4.5.1 減速齒輪軸的設(shè)計(jì) ..............................................................................................36 4.5.2 減速齒輪軸的校核 .............................................................................................37 4.6 驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)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(xiàn) .......................................................................................................................................42 0 1 緒論 1.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求 1.1.1 課題的意義 機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)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(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提 供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的 影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因 此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一 [1]。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工 業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造 和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確 性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)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(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)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(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí) 現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不 斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此， 機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。 在當(dāng)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(dòng)化程度，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。機(jī) 械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，機(jī) 械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代 人從事危險(xiǎn)、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(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動(dòng)搬運(yùn)小 車以及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性織造系統(tǒng)（FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），實(shí)現(xiàn) 生產(chǎn)自動(dòng)化。所以從事工業(yè)機(jī)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(shè)計(jì)的鍛煉，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能進(jìn)行實(shí)際工程問題的分析、 綜合及設(shè)計(jì)。培養(yǎng)調(diào)查研究、中外文獻(xiàn)檢索與閱讀的能力，掌握定性與定量相結(jié)合的獨(dú) 立研究與論證的能力；熟練掌握設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖的能力；鍛煉文字與口頭表達(dá)能力； 掌握撰寫設(shè)計(jì)說明書的，并且能設(shè)計(jì)出合乎實(shí)際要求的自動(dòng)換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)。 1.1.3 研究范圍及要達(dá)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(jiǎn)稱主機(jī)）實(shí)現(xiàn)所有加工工序的 自動(dòng)裝、卸刀 [2]。 技術(shù)要求： 結(jié)構(gòu)形式： 圓柱坐標(biāo)； 1 自由度數(shù)： 4； 負(fù)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(yùn)行速度： 五檔可調(diào)； 最大運(yùn)行速度： 縱向 20m/min,橫向 16m/min,升降 8m/min,旋轉(zhuǎn) 16rpm; 重復(fù)定位精度： ± 0.6m； 記 憶 刀 位 數(shù) ： 不 小 于 170 把 ， 可 擴(kuò) 展 ； 總重量： ≧600kg；