卧式加工中心生产线桁架机械手设计

摘要
机械手是工业制造上不可缺少的一部分，作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，这些优点就是机械手能够快速良好发展的根本，机械手能够代替人力，更能够准确的去完成工作。

在现代工业中，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。

专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。

但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。

机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。

通过对卧式加工中心生产线的加工布局的分析，确定了桁架机械手输送的方案，即桁架机械手输送缸体的输送程序，输送方法和桁架机械手的结构；实现了桁架机械手在专机输送上的应用，达到了快速，柔性输送缸体的目的，提高了机床的性能、可靠性、和自动化程度；从根本上解决卧式加工中心生产线的生产节拍长的难题。

关键词：卧式加工中心生产线；桁架机械手；伺服驱动；生产节拍
ABSTRACT
Manipulator is an integral part of industrial manufacturing, flexible, small motion inertia, high universality, can grab workpiece near the base, and can work around an obstruction between the body and working machinery, these advantages is fundamental for the development of a manipulator can quickly good, robots can replace human, can more accurate to get the job done. In the modern industry, the production process of mechanization, automation has become a prominent theme. Chemical industry such as the continuity of the production process automation has been basically solved. Special machine tool is a effective way to mass production automation; Control machine tools, CNC machine tools, machining center and automation machinery is effective important way to solve the many varieties of small batch production automation. But in addition to cutting process itself outside, still have a lot of loading and unloading, handling, assembly, etc., subject to further realize the mechanization, industrial robots is to realize the automation of these processes and production. Manipulator is part can imitate human body upper limb function, and can automatically control the products or running tools according to the predetermined requirement for the operation of automated production equipment.
Through the analysis on machining layout of Horizontal machining center production line,set the plan to use gantry robot for material transfer,i.e. transfer sequence,transfer method and structure of gantry robot so as to realize the use of gantry robot in material transfer of special purpose machine,achieve the aim of quick and flexible cylinder block transfer,improve the performance,reliability and automation level of the machine,as well as completely solve the problem of long cycle time of Horizontal machining center production line．
Key words：Horizontal machining center production line；gantry robot；servo drive；cycle time
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (2)
目录 (3)
第1章绪论 (4)
1.1毕业设计的目的 (5)
1.2毕业设计的基本要求 (6)
1.2.1毕业设计的知识储备要求 (6)
1.2.2毕业设计的软件技能要求 (6)
1.2.3毕业设计的课题要求 (6)
1.3对毕业设计课题的认识 (6)
1.3.1对创新设计的认识 (6)
1.3.2机械手的分类 (7)
1.3.3对机械手发展的认识 (10)
1.3.4对上下料机械手的认识 (10)
第2章问题的提出 (12)
2.1问题的提出 (12)
2.2问题的解决 (12)
第3章产品设计 (13)
3.1设计任务 (13)
3.1.1 设计要求 (13)
3.1.2 产品设计参数 (13)
3.2设计过程 (13)
3.2.1桁架机械手的整体布局 (13)
3.2.2桁架机械手的工作过程设计 (15)
3.2.3桁架机械手的设计 (15)
3.2.4 Y轴驱动及导向设计 (20)
3.2.5心杆驱动系统设计 (21)
3.2.6优势和局限性 (22)
第4章双工位桁架机械手 (23)
4.1双工位桁架机械手的思考 (23)
总结 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
第1章绪论
1.1毕业设计的目的
大学生活就要结束在即，毕业设计就是完整的大学生活的句号。

毕业设计可以检验我们大学生活的学习情况，可以让我们回顾学过的知识，还可以解决实际中的问题。

当然从中找到自己在学习中的不足，以便查缺补漏，使我们能在激烈的社会竞争中占一席之地。

毕业设计是大学生毕业前必须完成的实践性教学环节，是实现大学本科学生培养目标和要求的重要手段，是培养学生综合运用所学专业的基础理论、专业知识和基本技能、分析、解决理论和实际问题的能力和科研能力的重要方法，也是学生理论联系实际、走向工作岗位前的一次综合训练和考核。

在21世纪的今天，全国高校全面推行的素质教育以提高大学生综合素质为根本宗旨，以培养学生创新精神和实践能力为根本任务，毕业设计是大学教学改革和全面推行素质教育不可缺少的重要内容，是大学生发挥潜能、培养自身创新思维的必要课堂。

因此必须站到新的高度。

用新的观点去看待、重视和研究它、采取合理有效的措施实现毕业设计目标。

毕业设计还能极大地提高我们的工作能力，在指导老师的悉心指点下，在和同学的学术交流中，在自身的锻炼学习中，工作能力、与人合作的能力和自我学习能力都会得到锻炼与提高。

毕业设计最终是一种考核方式，在未来的工作岗位上，各种各样的考核会让我们百炼成钢，而毕业设计就是这样的一次考核。

它对我们的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力、外语能力、计算机能力、绘图能力书面及口头表达能力进行一次最综合的考验。

我们能在这次考核中体味职场的压力和魅力，也能发现自己的不足，尽快的去解决或在以后的工作和学习上扬长避短。

这半年是作为学生的最后半年，回顾四年生活，知识日积月累，经验随着知识水涨船高。

但都是在跟随老师学习已有的知识，现在看着自己设计出来的作品，唏嘘不已。

在这个过程中特别感谢指导老师的谆谆教导，对作品进行修改、改进。

才有了如今的成果。

所以，毕业设计是我们对大学生活说的一句再见，是大学生活对于我们的一次总结。

让我们自信满满地面对社会、打拼明天。

1.2毕业设计的基本要求
1.2.1毕业设计的知识储备要求
熟练掌握《机械设计》、《机械原理》、《理论力学》、《机械制图》、《液压与气压传动》等相关机械基础课程。

搜集有关机械手的结构设计，了解机床加工中心组成、设计标准，运动参数等的资料。

了解桁架机械手并参观实体，对其结构要明白其中原理，搜索各种不同形态的机械手的尺寸参数、功能特性等有关资料。

1.2.2毕业设计的软件技能要求
熟练掌握AutoCAD绘图软件，并能利用其完成对二维平面图图纸的设计和绘制。

熟练掌握Word文档、Powerpoint等办公软件的使用。

1.2.3毕业设计的课题要求
1．根据整体布局，完成桁架机械手的机构设计，并作出二维图纸。

2．阐述桁架机械手的工作过程。

3．撰写桁架机械手结构设计过程，计算运动参数。

1.3 对毕业设计课题的认识
1.3.1对创新设计的认识
创新设计是在设计中采用新的技术手段、技术原理和非常规的方法进行设计，以满足市场需求，提高产品的竞争能力。

高新技术产品的生产大都具有小批
量、多品种、多规格、生产工艺复杂、工作条件或环境特殊等特点，因而对一些高新技术机械产品的设计往往不能沿用传统产品设计的老一套方法，需要有针对性地进行创新性设计。

创新性设计强调技术要素、才能要素、方法要素。

创新设计体现了人们依据社会需要，运用科学技术原理，创造性地构思产品的完整思维过程。

任何一种设计都离不开创新，工业设计领域中，无论是对传统产品的改进性设计，还是对新产品的开发性设计都需要创新.我们此次设计的主题，桁架机械手的设计也包涵着诸多的创新成分。

1.3.2机械手的分类
工业机械手有多种分类方式，如按坐标形式分类、按驱动方式分类、按控制方式分类、按性能指标分类、按发展程度分类等，本文只介绍前两种分类方式。

一、按坐标形式分类
通常机械手根据坐标形式的不同可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型以及关节坐标型。

（1）直角坐标型机械手
这一类机械手其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现，即沿X轴的纵向移动，沿Y轴的横向移动及沿Z轴的升降。

该形式机械手的位置精度高，控制简单、无耦合，蔽障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，难与其他机器人协调；移动轴的结构较复杂，且占地面积大。

（2）圆柱坐标型机械手
这种机械手通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变。

圆柱形坐标机械手的位置精度仅次于直角坐标型，控制简单，壁障性好，但结构也较庞大，难于其他机器人协调工作，两个移动轴的设计较复杂。

（3）球坐标型机械手
这类机械手的运动由一个直线运动和两个转动所组成，即沿手臂方向X的伸缩，绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。

这类机械手占地面积较小，结构紧凑，位置精度尚可，能与其他机器人协调工作，重量较轻，但壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长有关。

（4）关节坐标型机械手
关节坐标型机械手主要由立柱、前臂和后臂组成。

机械手的运动由前后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，壁障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，故比较复杂。

二、按驱动方式分类
机械手按驱动方式可分为气压驱动、液压驱动、电力驱动、新型驱动四种驱动方式。

（1）气压驱动
这种驱动方式的优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低，缺点是空气具有可压缩性，致使工作速度的稳定性较差。

此类机械手只适用于抓举力较小的场合。

（2）液压驱动
液压驱动式机械手能够提供较大的抓举力，机械手结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。

（3）电力驱动
电力驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动机械手，以获得所需的位移、速度、加速度。

电力驱动具有无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点。

（4）新型驱动方式
主要有静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。

2.2 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

一、执行机构
（1）手部手部是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。

根据夹持原理可分为机械手爪、磁力手爪和真空手爪三种。

传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度。

有回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。

它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。

如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。

因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的目前正处于仿真阶段。

二、驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。

根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

三、控制机构
在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。

大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁
带、穿孔卡等记录程序。

主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.3.3对机械手发展的认识
机械手起源于美国。

自从1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，机械手领域得到了蓬勃的发展。

各种形态与功能的机械手已渗透到了各个领域。

特别是工业机械手，越来越得到各个国家的重视，成为工业自动化领域不可或缺的一部分。

目前机械手的发展主要体现在以下几个方面：
第一，在机械结构方面，机械手的性能不断得到提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）。

机械结构逐渐向模块化和可重构方向发展。

第二，机械手的控制系统逐渐向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，器件集成度提高。

第三，传感技术在机械手领域得到了越来越广泛的应用。

视觉、力觉等各种新型传感器不断被应用到机械手上，大大提高了机械手的各项性能。

第四，在机械手研究领域虚拟现实技术被大量采用，从开发到仿真，再到最后的模拟运行，虚拟现实技术使得机械手的开发周期大大缩短。

第五，对控制算法的研究得到了快速发展，各种优异的控制算法不断被开发出，使机械手逐渐向智能化方向发展。

1.3.4对上下料机械手的认识
随着工业自动化和科学技术的全面发展，生产效率对于现今经济社会的生产发展起到决定性作用。

传统的机床由人工完成上下料，存在劳动强度大、效率低、安全性差等诸多的问题。

特别是对于一些高精密的加工中心，采用人工上下料不但定位精度低，而且容易对机床工作台产生冲击，甚至损坏机床工作台。

随着机床用户生产的发展，采用自动化的操作手段以减轻劳动强度、提高生产效率、降低制造成本、减少人力资源的投入，已成为必然的趋势。

上下料装置用于将已定向的工件搬运到机床工作台上。

按工件坯料形式，上料装置可分为用于板材、棒料和箱体类工件3种类型。

板材自动上下料装置一般用于自动冲床，运用往复运动机构或传送带直接将板材推进机床工作台；棒料自
动上下料装置一般用于自动车床，机床每加工完一个工件，便由自动上下料装置将工件按所需长度送料一次；箱体类工件的自动上下料装置一般用于自动铣床和加工中心，运用传送带或机械手将工件搬运到机床工作台的固定位置。

上下料装置的结构和运动形式取决于工件的形状和上下料前后工件方位。

常见的运动形式有直线往复运动和摆动或转动。

常见的自动上下料装置有自动传送带、工业机械手等。

机械手、工业机器人能实现较复杂的动作循环，适用于外形较复杂、尺寸较大和较重的工件，以及在多品种自动化生产中作为上下料机构。

自动上下料机械手的优越性有如下几点：
(1)生产效率高：要提高生产效率，必须控制生产节拍。

除了固定的生产加工节拍无法提高外，自动上、下料取代了人工操作，这样就可以很好的控制节拍，避免了由于人为因素而对生产节拍产生的影响，大大提高了生产效率。

(2)工艺修改灵活：我们可以通过修改程序和手爪夹具，迅速的改变生产工艺，调试速度快，免去了对员工还要进行培训的时间，快速就可投产。

(3)提高工件出场质量：机器人自动化生产线，从上料，装夹，下料完全由机器人完成，减少了中间环节，零件质量大大提高，特别是工件表面更美观。

考虑到卧式加工中心所加工的缸体及其附件的重量以及体积，本设计采用桁架机械手作为加工中心的自动上下料装置。

第2章问题的提出
2.1 问题的提出
输送技术对机床的布局及机床的性能指标影响很大。

为了保证加工精度；在缸体的纵向上必须设置多个固定的导向装置（其中有的深入缸体内部，从缸体地面算起，伸进工件250mm），来支撑镗杆进行镗削，因此传统都是采用安排在夹具体内部的大抬起结构，使工件抬起跨过导向模块进入（或离开）机床夹具上；结构繁琐又占用夹具空间，不利于机床排屑，防护困难，输送速度慢，严重影响车床的生产节拍。

如果是旁通式的机床布局，被加工完的缸体根本无法自动输送回到上料区域。

2.2 问题的解决
本设计设置为空中布局的桁架机械手，成功地完成了工件从上到下料滚道→加工工位→再回到上下料滚道的反复过程；既提高了机床的刚性，又解决了机床排屑难的问题，真正做到了专机缸体输送的柔性化；利用先进的伺服驱动技术，大大节省了输送时间，并使工序分解成为可能，使机床的节拍从6分钟降到3.2分钟；满足了用户节拍的要求，机床的自动化水平也得到了很大程度提高但是由于设计人员能力有限，设计过程中还会有许多弊端与不足，希望能得到老师们的指正。

第3章产品设计
3.1设计任务
3.1.1 设计要求
1．根据整体布局，完成桁架机械手的机构设计，并作出二维图纸。

2．阐述桁架机械手的工作过程。

3．撰写桁架机械手结构设计过程，计算运动参数。

3.1.2 产品设计参数
被输送缸体及附件重量m=300Kg；丝杠预选直D=40mm,螺距T=8mm；驱动电机与丝杠之间传动比预选i=1：5；提升速度V=12m/min。

自拟齿轮齿条预选模数，齿数，水平移动速度（匀速）完成电机选型；根据丝杠预选直径，螺距，驱动电机与丝杠之间的传动比，提升速度等，选择驱动电机，计算Y方向运动加速度与速度。

3.2设计过程
3.2.1桁架机械手的整体布局
桁架机械手的整体布局方案如下图
主视图
左视图及运动过程
一般机床由滚道、I工位卧式机床、II工位卧式机床组成。

机床上方有横跨上下料滚道和一个加工工位的桁架机械手，方便完成缸体在各工位之间的升降和水平运输。

设计思路：机床的桁架导轨上设置一个滑架, 实现x 方向移动。

此滑架上包括一组机械手，此组机械手可以独立抓取一个缸体, 实现Y方向移动。

两个方向的运动都是由伺服系统控制, X方向采用齿轮齿条驱动, 直线导轨结构, Y方向采用滚珠丝杠驱动, 直线轴承导向，机械手可以在水平和上下行程内的任意点定位。

使缸体进行柔性运输，减少了装卸工件的时间，提高了机床的工作效率。

此桁架机械手置于机床的上方，不与机床主机争夺空间，机械手的移动部件的防护相对简单，维修和维护也很方便，因而提高了使用过程中的可靠性。

3.2.2桁架机械手的工作过程设计
本设计以一个加工工位做过程说明。

一、开始时滑架移动至料道上方，机械手臂无料并处于H位置，然后机械手向下移动至L位置，并抓取待加工缸体上升至H位置，滑架水平移动使机械手到达I工位上方。

二、机械手向下移动并放置缸体空手返回上方H高点。

（以上占用机床节拍）等待加工完成。

三、加工完毕后，机械手向下移动并抓取缸体然后上升至H高点，滑架向后水平移动使机械手到达料道上方，机械手向下移动并放置缸体于滚道上，空手防护上方H高点，等待滚道上下一个待加工缸体的到来。

完整的输送循环到此完成，新的循环重新开始。

3.2.3桁架机械手的设计
对机械手手部的设计要求：（1）能可靠抓取零件；（2）保证供给被夹持时受力稳定均匀、稳定。

根据零件的结构特点，机械手手部的结构选用内撑式，即利用3个沿圆周均匀分布的内撑手指的伸缩，来完成对工件的抓取与放松。

其结构简单紧凑，且易于实现定位。

机械手手指的伸缩依靠与手指伸缩油缸活塞杆相联系的心杆上下运动来实
现,心杆下端带有圆锥面。

机械手手部的工作过程：钩爪油缸动作，其活塞杆带动心杆向下运动，靠心杆的锥面作用，使沿圆周均匀分布的三个钩爪同时外伸，撑紧（抓取）工件。

当心杆向上运动时，利用锥面直径的减小，借助弹簧的弹力使钩爪缩回，松开工件。

机械手手部结构如下图。

机械手手部结构
机械手手部剖面图
机床的生产节拍要求3.2分钟，其中机加时间已占用2.5分钟，上料时间仅为0.7分钟，这就要求上料速度快，而且缸体输送距离还要短，才能保证机床节拍。

（1）为了使缸体运输时的平稳，机械手设计为双手，分别抓取两个缸孔。

双手抓取工件的功能非常简单，两个定位圆柱伸到缸体的2孔和5孔完成缸体与机械手之间的粗定位，采用油缸驱动，通过心杆推出钩爪，钩住缸体。

动作时间只有0.2秒。

（2）Y方向（即机械手升降）的动力计算如下：
已知条件：被输送缸体及附件重量m=300Kg；丝杠预选直径D=40mm, 螺距T=8mm ；驱动电机与丝杠之间传动比预选i=1.5；提升速度V=12m/min。

(a)静力矩计算：
M=(MFt+MFs)/i+Mw=(1.5Nm+2Nm)/1.5+2.50Nm=4.83Nm
式中重量磨擦力矩
MFt=m*g*μ*T/2πη
由于立式导轨摩擦力较小这里取其约等于 1.5Nm。

(μ=摩擦系数、η=0.9
效率)
式中丝杠摩擦力矩
MFs=D/20=40/20=2Nm(按经验公式计算得)。

式中重量力矩
Mw=mg*sinα*h/2πi=300*9.8*1*0.008/(2*π*1.5)=2.50Nm。

(b)根据桁架机械手预定提升速度V=12m/min，确定电机转速
n=12000/8*1.5=2250r/min。

(c)根据以上两项计算结果选择驱动电机，当然计算出的M=4.83Nm是最小力矩，考虑到实际工作条件与被驱动部件重量等误差，要有一定的保险系数，选用电机为M=13Nm，n：2500r/min；此电机转动惯量J=29.1kg/cm2最大力矩Mmax=33Nm，预选的参数经计算合理。

(d)桁架机械手的每一段运动都是加速、匀速、减速过程，驱动电机本身的转动惯量与被驱动部件转换到电机轴上的转动惯量之比1：2匹配为最合理，经计算被驱动部件转换到电机轴上的转动惯量J总=51.5kg/cm2，在合理匹配范围内。

(e)Y向直线运动加速度a
首先计算y向丝杠得到的加速力矩Macc*i
Macc=Mmax-(MFt+MFs)*1/i-Mw
=21Nm-4.83Nm=16.17Nm
式中Mmax指驱动伺服电机最大扭矩，查得33Nm，按选用的驱动模块实际为21Nm。

Y向丝杠得到的加速力矩
Macc*i=16.17*1.5=24.26Nm
由此可以算出作用于工件和运动附件的加速力为
F=24.26*2π/O.008=19053.8N。