数控机床上下料机械手分析设计

　　应国内一大型机床制造企业要求，力拓公司于2009年开始为其研发多台数控加工中心自动上下料机械人。

　　一、机器人名称及用途，名称：加工中心自动上下料机械人。用途：为三台同样的加工中心提供上料及下料服务。

　　二、使用环境及原始设计要求动力、环境条件

　　1、工作环境：机械加工车间粉，气温-5℃～45℃，相对湿度小于85%

　　2主要技术参数

　　2.1、行程

　　X坐标轴行程：14000mm（水平方向）,不含限位空间

　　Z坐标轴行程：1650mm（垂直方向）,不含限位空间

　　2.2速度

　　最大驱动速度：X坐标轴（水平方向）1200mm/s；平均速度：1000mm/s,加速度2m/s2；

　　最大驱动速度：Z坐标轴（垂直方向）1200mm/s；平均速度：1000mm/s,加速度2m/s2。

　　2.3负载

　　作用在垂直升降坐标轴的负载小于等于50kg(含抓手)。

　　2.4重复精度

　　（1）X坐标轴重复位置精度±0.1mm（水平方向）；

　　（2）Z坐标轴重复位置精度±0.1mm（垂直方向）。

　　三、项目分析与设计

　　3.1、机械设计过程

　　3.1.1、X轴定位系统及驱动的选择

　　因为X方向行程较大，而且一台机械手要分时为三台加工中心上料和下料，包括上料仓位置和下料仓位置，全程有五个位置需要精确定位，我们选择了齿轮齿条传动形式的直线定位系统ALLZQ203，把齿条固定在安装基准上，伺服电机驱动齿轮在齿条上滚动。

　　ALLZQ203是BAHR公司专门针对大负载大行程应用场合开发的一款精密型直线定位系统，全程重复定位精度为+-0.1mm，负载能力Fy=8700N，水平推力4600N，无接缝最大长度为7600mm。齿条安装在两个导向轨道中间，有一个随动的时时润滑系统跟随驱动的齿轮，时刻给齿轮和齿条提供润滑。

　　该定位系统具有较大的截面惯性距和极惯性矩，适合大跨距安装。

　　为方便运输和安装，实际使用中我们将该定位系统分成3段，每段的长度为4900mm，总长度为14700mm。一个特殊设计接缝将三段定位系统依次连接起来：

　　接缝图

　　连接好的ALLZQ203直线定位系统。

　　ALLZQ203的驱动结构图

　　X轴驱动的选择

　　作用在X轴定位系统上的负载大约有200Kg，其中负载50Kg；整个Z轴及驱动的重量为100Kg，X轴滑块和驱动的重量为50Kg。

　　为了获得较好的动态性能，我们必须计算系统的运动惯量和驱动扭矩，

　　我们已知X轴的加速度为2m/s2，运动速度为1000mm/s,运动的质量为200Kg，ALLZQ203驱动轮的周长为197.92,我们就可以计算出其负载惯量为1984Kg.cm2,加速扭矩为48Nm。

　　据此我们选择了一个3000W，转速3000rpm，惯量为7.8Kg.cm2的伺服电机和10：1的一个减速机作为驱动元。

　　3.2、Z轴定位系统及驱动的选择

　　通过垂直轴负载及刚性计算，我们选择了BAHR公司的ELSZ80作为垂直轴，该直线定位系统的垂直拉力为3800N，同步带轮的周长为256mm,

　　沿垂直轴运动的物体总重量为70Kg，其负载惯量为1186Kg.cm2,加速扭矩为40Nm。

　　据此我们选择了一个1500W，转速3000rpm，惯量为3.17Kg.cm2的伺服电机和10：1的一个减速机作为驱动元。

　　4、末端抓手的设计

　　通过对被抓取的物体的形态分析，我们设计了一个具有定位功能的气动抓手，四个定位销安装在抓取底板上。抓取物体前四个定位销先慢速插入被抓物体的工艺孔里。并且将物体压实，然后抓手物体的两侧向里动作，将物体夹住。

      如图

　　设备整体外观