工业机械手-四轴数控机械手臂的主要部件结构

孙雨婷

摘要 ：以工业机械手的设计理论与方法为基础，对四轴数控机械手臂进行了系统设计，根据生产需要完成了四轴机械手臂的直线运动模组、电机及联轴器、转动模块、气动手爪等主要部件的结构设计，使其可以应用于工作效率要求较高的场合。

1 直线运动模组的选择与设计

1.1 直线运动模组的选择 滚珠丝杠副具有高传动效率、运动平稳、高精度、高耐用性、 良好同步性、无间隙与高刚性等特点，因此，本次设计采用滚 珠丝杠型直线模组。由于直线模组是立式的，所以就需要对纵 向的滚珠丝杠进行设计选型以及计算校核。

1.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算 已 知 滚 珠 丝 杠 传 动， 交 流 伺 服 电 机 驱 动， 电 机 功 率 200W，有效载荷 30 kg，丝杠导程 5 mm，有效行程 200 mm， 滚珠丝杠的摩擦系数为 =0.2，快速进给速度 vmax=4m/min， 定位精度为 0.01 mm, 重复定位精度为 ±0.02 mm，要求寿命 10000 h。 选择滚珠丝杠副规格：滚珠丝杠副导程 ph、当量转速 nm、 当量载荷 Fm、额定动载荷 Lh、估算最小螺纹底径 d2m，由 Ph、 Cam、d2m 数据选取相应规格的滚珠丝杠副 FFZD1505-3。 选择滚珠丝杠副所用支承轴承：滚珠丝杠副的预紧力 Fp、 行程补偿值 C、预拉伸力 Ft 、轴承所受最大轴向载荷。 选角接触推力球轴承，取 d ＝ 30。当 d ＝ 30 mm，预加负 荷≥ FBP，所以选择 7602030TVP 轴承。

2 电机及联轴器的选择

2.1 电机的选择 本设计选用伺服电机。 换算到电机轴负载惯量：滚珠丝杠的惯量 JB、负载的惯量 JW、电机轴负载惯量 JL。 计算负载转矩：对摩擦力的转矩 TW，换算到电机轴负载 转矩 TL。

2.2 联轴器的选择 转矩 T=9550P/n 根据计算转矩，转速和轴径选择 HL2 弹性柱销联轴器。

3 转动模块的设计

3.1 转动模块的设计参数 电机功率 100W、减速比 80、转动范围，转动速度小于 90° /s、转动角度 180°。

3.2 驱动电机的选择 手 腕 回 转 关 节 电 机 确 定 为 安 川 交 流 伺 服 电 机 SGMPH- 01A，满足设计要求。

3.3 柔轮，刚轮，波发生器的结构选择 本设计采用了较为常用的杯形柔轮，凸轮式波发生器，带 凸缘的刚轮。 对于双波传动的谐波减速器，即柔轮和刚轮的齿数差为 2， 柔轮和刚轮的齿数分别 Z1 和 Z2，柔轮分度圆直径为 d1=mZ1，综上本设计选择了杯型柔轮，上海诺广机械有限公司生产 的 XB1（40-80）机型谐波减速器。

4 气动手爪的设计

4.1 手爪的设计参数 能实现双向抓取，抓重 2 kg，可自动对中，重复精度高 ,  抓取力矩恒定； 缸径￠ 25mm, 夹紧力 1.5 kg；张开尺寸 33 mm, 行程 14 mm。

4.2 手部夹紧力计算 本课题气动机械手的工件重量 G=2 kg，平行开闭型气爪。 总夹持力产生的摩擦力 2µF 必须大于夹持工件的重力 mg，故 F ＞ mg/2µ。

4.3 气缸的直径 根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须 克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力 F1、弹簧反作用 Ft、弹簧刚度 Cf 、弹簧平均直径 Dt。 在设计中，必须考虑负载率的影响。 由以上分析得单向作用气缸的直径 D 可得活塞杆直径 d=(0.2~0.3)D 按公式 d ≥ 校核满足设计要求。 根据计算，可选择合适末端执行器（手爪）的型号 MHZ- 25D。

5 结语 四轴数控机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。合理的机械手设计，不仅可以提高机床的加工效率和自动化程度，而且对组合机床的整体设计也至关重要，对数控机床在机械加工企业的普及等方面具有非常重要的意义。

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