一种数控铣床用多面加工机械臂的设计(附件)
本设计主要解决了数控铣床加工过程中，针对工件侧面无法一次装夹，需要多次装夹甚至用到五轴机床加工。为了节约成本，提高加工效率，我设计了一种可以电动控制的机械手臂，用来调节工件的加工位置。本机构主要采用了滚珠丝杠作为传动机构，连杆带动手臂的移动。本设计就传统的机械臂说起，论及其国内外的发展现状，以现有的机械臂设计理论、经验为依据进行基础设计，然后再对主要零部件进行设计、参数计算及准确校核，最终利用UG建模软件进行三维设计与装配。基于本课题设计的铣床用多面加工机械臂的基础上，在技术、经济允许的情况下，可以增加电机以及安装与数控机床相连的传动机构，使机械臂能够根据实时情况自动调节零件到达对应面，这样既减少了人力支出，又提高了生产效率。关键词 机械臂，滚珠丝杠，侧面加工，步进电机
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究背景1
1.2 工业机械臂的自由度1
1.3 目前机械臂的运动形式1
1.4 国内外机械臂的研究现状3
1.5 本课题设计研究内容概述3
2 设计流程4
3 机械臂的整体结构设计4
3.1 机械臂整体组成以及工作原理4
3.2 外壳1及其内部零件整体6
3.3 外壳2以及内部零件整体7
3.4 外壳2表面机构组成7
3.5 外壳3以及内部零件整体8
4 机械臂工作所受载荷计算9
4.1 滚珠丝杠机构主要参数计算9
4.2 滚珠丝杠副的校核10
4.3 步进电机的选择12
5 铣刀的切削力计算13
5.1 铣刀的参数13
5.2 切削力的计算13
6 机械设计三维建模14
6.1 设计优点19
6.2 机械臂整体装配方法19
7 机械臂的保养与维护22
结 论23
致 谢24
参 考 文 献25
1 绪论
1.1 课题研究背景
机械行业的技术水平和发展状况往往反映了一个国家的科技实力和工业化程度。数控机床的成长史在一定程度上代 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
表着一个国家的机械行业的水平。众所周知，虽然我国目前是制造大国，中国的制造规模已达到世界第四位，仅次于美国、日本和德国。但是，我国的数控机床与工业发达国家相比，在高速化、高精度化、多功能化和数控系统的智能化等方面还存在很大差距。我国从1958年开始研制数控机床，从采用电子管入手，到20世纪60年代曾研究出部分样机，1965年开始研究晶体管数控系统，并在1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控铣床。数控铣床除了具有普通铣床加工的特点外，还能够加工形状复杂的零件，且加工精度高、加工质量稳定可靠，能加工一次装夹定位的零件上表面，一般不需要使用专用夹具等专用工艺设备，所以大大缩短了生产周期。
1.2 工业机械臂的自由度
自由度是机器人设计的主要技术参数。每个部件相对于固定坐标系可以具有多达6个自由度，即独立于X，Y和Z方向，往复运动和绕X，Y和Z轴的三个独立旋转运动。构成相对运动的两个组件之间的连接称为运动对。由于组成运动副的部件的运动受到限制并且不能任意移动，因此必须按照人们规定的规则移动。手臂、手腕、手指和其他部件本身的分析以及它们之间的关系不过是一组相互关联的组件和动作。这些运动对可以细分为只有一个自由度的旋转对和移动对，或者三个自由度的球对。工业机器人的自由度决定了他们行为的多样化程度。通常，需要六个自由度来确定被研究物体的运动和方向。但事实上，由于一些工件或工具具有对称性或某种放置状态，机器人并不总是需要六个自由度。工业机器人的自由度越多，其应用的灵活性和灵活性越高，而且控制系统和机械结构也越复杂。定位精度难以保证。所以在设计机械手的时候，应该按照生产实际所需选用最少的自由度。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目多数为2—5个。
1.3 目前机械臂的运动形式
（a）直角坐标型
如图11三个互相垂直的移动副各自带动三个坐标轴的方向进行移动。这种结构简易，位置精度高。但是整体所用的体积大，而且只能在狭窄的范围使用。
/
图11 直角坐标型
（b）圆柱坐标型
如图12该结构圆柱底座构成的转动副上连接着两个移动副。它的好处在于，整体所用的空间体积小，可以应用在大多数环境下，而且安装方便简易。
/
图12 圆柱坐标型
（c）关节型
如图13该结构由一个圆柱形的旋转节、大臂和小臂组成。它的工作原理是依靠部件之间的旋转关节实现俯仰运动和左右移动。运用这种结构的机械臂能够轻松的抓取物体，跟上述结构同样的是，整体所占体积小，能工作在多数工况下。
/
图13 关节型
（d）球坐标式
如图14该结构的运动形式有由X轴的移动、Y轴的俯仰、Z轴的旋转。它的工作原理是根据实时的工况，能够自动的安排每个坐标轴的运动，从而实现抓取物体的目标。在一些工作环境特别狭窄的环境中，该机构就能发挥其功效了，而且能够迅速快捷地完成规定工作，但安装它存在较大难度。除此以外，手臂的运动过程会出现极限位置，从而引起手臂中心轴出的误差，大大影响机构的传动精度。
/
图14 球坐标式
1.4 国内外机械臂的研究现状
机械臂最早在20世纪40年代就有研究，美国国家实验室开发了用于处理放射性物质的遥控机械手。1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合水平上仍处于领先地位，而日本人生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学得建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设计了机器人学学位。我国的机器人研究起步较晚，约于20世纪60年代末、70年代初开始。20世纪80年代中期，5000m以下深水作业机器人试验成功，以后的十多年中，在步行机器人、紧密装置机器人、多自由度枢纽关头机器人的研制等国际前沿领域，慢慢缩小了与世界先进水平的差距。
1.5 本课题设计研究内容概述
本课题要处理的一种关于数控铣床无法一次装夹实现零件多面加工的问题，我设计了一种能够通过步进电机带动滚珠丝杠机构，从而带动与工作台销钉连接的连杆，进而调节机构到达工件对应面，然后通过与数控铣床的连接，加工工件的每一个面，避免了传统多次装夹，保证了零件加工的准确性，同时也提高了生产效率，降低了生产成本。本设计就传统的机械臂说起，论及其国内外的发展现状，以现有的机械臂设计理论、经验为依据进行三维设计，然后再对主要零件进行设计、参数计算及准确校核，最终利用UG建模软件进行三维设计与装配。
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究背景1
1.2 工业机械臂的自由度1
1.3 目前机械臂的运动形式1
1.4 国内外机械臂的研究现状3
1.5 本课题设计研究内容概述3
2 设计流程4
3 机械臂的整体结构设计4
3.1 机械臂整体组成以及工作原理4
3.2 外壳1及其内部零件整体6
3.3 外壳2以及内部零件整体7
3.4 外壳2表面机构组成7
3.5 外壳3以及内部零件整体8
4 机械臂工作所受载荷计算9
4.1 滚珠丝杠机构主要参数计算9
4.2 滚珠丝杠副的校核10
4.3 步进电机的选择12
5 铣刀的切削力计算13
5.1 铣刀的参数13
5.2 切削力的计算13
6 机械设计三维建模14
6.1 设计优点19
6.2 机械臂整体装配方法19
7 机械臂的保养与维护22
结 论23
致 谢24
参 考 文 献25
1 绪论
1.1 课题研究背景
机械行业的技术水平和发展状况往往反映了一个国家的科技实力和工业化程度。数控机床的成长史在一定程度上代 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
表着一个国家的机械行业的水平。众所周知，虽然我国目前是制造大国，中国的制造规模已达到世界第四位，仅次于美国、日本和德国。但是，我国的数控机床与工业发达国家相比，在高速化、高精度化、多功能化和数控系统的智能化等方面还存在很大差距。我国从1958年开始研制数控机床，从采用电子管入手，到20世纪60年代曾研究出部分样机，1965年开始研究晶体管数控系统，并在1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控铣床。数控铣床除了具有普通铣床加工的特点外，还能够加工形状复杂的零件，且加工精度高、加工质量稳定可靠，能加工一次装夹定位的零件上表面，一般不需要使用专用夹具等专用工艺设备，所以大大缩短了生产周期。
1.2 工业机械臂的自由度
自由度是机器人设计的主要技术参数。每个部件相对于固定坐标系可以具有多达6个自由度，即独立于X，Y和Z方向，往复运动和绕X，Y和Z轴的三个独立旋转运动。构成相对运动的两个组件之间的连接称为运动对。由于组成运动副的部件的运动受到限制并且不能任意移动，因此必须按照人们规定的规则移动。手臂、手腕、手指和其他部件本身的分析以及它们之间的关系不过是一组相互关联的组件和动作。这些运动对可以细分为只有一个自由度的旋转对和移动对，或者三个自由度的球对。工业机器人的自由度决定了他们行为的多样化程度。通常，需要六个自由度来确定被研究物体的运动和方向。但事实上，由于一些工件或工具具有对称性或某种放置状态，机器人并不总是需要六个自由度。工业机器人的自由度越多，其应用的灵活性和灵活性越高，而且控制系统和机械结构也越复杂。定位精度难以保证。所以在设计机械手的时候，应该按照生产实际所需选用最少的自由度。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目多数为2—5个。
1.3 目前机械臂的运动形式
（a）直角坐标型
如图11三个互相垂直的移动副各自带动三个坐标轴的方向进行移动。这种结构简易，位置精度高。但是整体所用的体积大，而且只能在狭窄的范围使用。
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图11 直角坐标型
（b）圆柱坐标型
如图12该结构圆柱底座构成的转动副上连接着两个移动副。它的好处在于，整体所用的空间体积小，可以应用在大多数环境下，而且安装方便简易。
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图12 圆柱坐标型
（c）关节型
如图13该结构由一个圆柱形的旋转节、大臂和小臂组成。它的工作原理是依靠部件之间的旋转关节实现俯仰运动和左右移动。运用这种结构的机械臂能够轻松的抓取物体，跟上述结构同样的是，整体所占体积小，能工作在多数工况下。
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图13 关节型
（d）球坐标式
如图14该结构的运动形式有由X轴的移动、Y轴的俯仰、Z轴的旋转。它的工作原理是根据实时的工况，能够自动的安排每个坐标轴的运动，从而实现抓取物体的目标。在一些工作环境特别狭窄的环境中，该机构就能发挥其功效了，而且能够迅速快捷地完成规定工作，但安装它存在较大难度。除此以外，手臂的运动过程会出现极限位置，从而引起手臂中心轴出的误差，大大影响机构的传动精度。
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图14 球坐标式
1.4 国内外机械臂的研究现状
机械臂最早在20世纪40年代就有研究，美国国家实验室开发了用于处理放射性物质的遥控机械手。1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合水平上仍处于领先地位，而日本人生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学得建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设计了机器人学学位。我国的机器人研究起步较晚，约于20世纪60年代末、70年代初开始。20世纪80年代中期，5000m以下深水作业机器人试验成功，以后的十多年中，在步行机器人、紧密装置机器人、多自由度枢纽关头机器人的研制等国际前沿领域，慢慢缩小了与世界先进水平的差距。
1.5 本课题设计研究内容概述
本课题要处理的一种关于数控铣床无法一次装夹实现零件多面加工的问题，我设计了一种能够通过步进电机带动滚珠丝杠机构，从而带动与工作台销钉连接的连杆，进而调节机构到达工件对应面，然后通过与数控铣床的连接，加工工件的每一个面，避免了传统多次装夹，保证了零件加工的准确性，同时也提高了生产效率，降低了生产成本。本设计就传统的机械臂说起，论及其国内外的发展现状，以现有的机械臂设计理论、经验为依据进行三维设计，然后再对主要零件进行设计、参数计算及准确校核，最终利用UG建模软件进行三维设计与装配。
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