摘 要

在节奏越来越快的工业生产自动化进程中，为了提高效率、减少人力、提高产品质量，工业机械手已经成为了自动化生产线上的重要部分。本文针对法兰类零件装卸机械手的升降机构的设计展开了详细的说明。

本文通过分析现代机械手的作用、发展过程、基本组成以及国内外研究概况，全面详尽的讨论了法兰类零件装卸机械手的升降机构的结构设计。首先对整体的升降机构结构进行设计，并选择最佳结构方案。对其主要零部件：驱动电机、滚珠丝杠副、联轴器、电磁制动器和导向杆进行了具体的设计计算，包括分析其设计基本要求，种类选型，特点分析，基本参数的选定，计算与校核，以及安全性的分析等。

最终实现的目标包括：升降机构由电机驱动，实现指定速度和指定范围内的自动升降，运动过程平稳流畅，安全可靠，定位准确。整个升降机构机构满足体积小、重量轻、成本低和便于后期维护的特点。

关键词：机械手；升降机构；滚珠丝杠；强度校核

Abstract

In the faster and faster pace of industrial production process automation, in order to increase efficiency, reduce manpower, and to improve the quality of products, the industrial manipulator has become an important part of automatic production line. This article makes a detailed instruction of the lifting mechanism of manipulator for loading and unloading flange parts.

This article makes analysis of the role of modern manipulator, the development, the basic components and general research situation at home and abroad. The structure of the lifting mechanism of the manipulator has been designed. The whole structure of lifting mechanism has been designed firstly, including choosing the best structure scheme. Secondly, its main parts: the drive motor, ball screw pair, coupling, electromagnetic brake and guide bar have been made concrete design and calculation, including the basic requirements, type selection, characteristic analysis, selection of basic parameters, calculation and checking and security analysis, etc.

Ultimately, followed goals have been achieved: lifting mechanism, driven by a motor, is able to rise and fall automatically within the specified range and speed, and the movement is smooth, safe, reliable and accurate. The lifting mechanism structure has small volume, light weight, low cost and easy maintenance.

Key words: manipulator; lifting mechanism; ball screw pair; strength check

目 录

第1章 绪论 1

1.1 工业机械手的研究背景及意义 1

1.1.1 工业机械手的发展历史 1

1.1.2 工业机械手的研究意义 1

1.2 研究近况与发展趋势 2

1.2.1 国内机械手发展近况 2

1.2.2 国外机械手发展近况 3

1.2.3 机械手的发展趋势 4

1.3 主要研究内容 5

1.3.1 机械手的主要组成部分 5

1.3.2 设计目标 6

1.3.3 设计的基本内容 6

第2章 升降机构总体方案设计 7

2.1 机械手整体方案设计 7

2.1.1 机械手的坐标形式与自由度 7

2.1.2 机械手的手部结构方案设计 7

2.1.3 机械手的手腕结构方案设计 7

2.1.4 机械手的手臂结构方案设计 7

2.1.5 机械手的驱动和控制方案设计 7

2.2 升降机构的传动方案设计 8

第3章 动力源的选择设计 11

3.1 电动机的类型选择 11

3.2 确定传动装置效率 11

第4章 升降运动机构的设计与计算 14

4.1 螺旋传动方式的选择 14

4.2 滚珠丝杠的使用条件 14

4.3 导向精度与轴向间隙（予压）的选择 15

4.4 丝杠轴的设计与计算 15

4.4.1 丝杠轴的选择设计 15

4.4.2 轴向负载的校核 16

4.4.3 转速的校核 17

4.5 螺母的设计与计算 18

4.5.1 螺母的选择 18

4.5.2 螺母的容许轴向负荷的校核 18

4.6 滚珠丝杠副的计算与校核 19

4.6.1 工作寿命的校核 19

4.6.2 转矩的校核 20

4.7 支撑单元的选择（含轴承） 21

第5章 联轴器的设计与计算 23

5.1 联轴器的计算转矩 23

5.2 联轴器型号的选择 23

第6章 制动器的设计与计算 24

6.1 制动扭矩的计算 24

6.2 制动器型号的选择 24

第7章 导向杆的设计与计算 25

7.1 导向装置的选择设计 25

7.2 轴向压缩的强度校核 25

7.3 径向弯曲应力的计算与校核 26

第8章 箱体及附件的设计 29

8.1 箱体的设计 29

8.1.1 箱体的设计要求 29

8.1.2 箱体材料的选择 29

8.2 平衡装置的设计 29

8.3 行程开关的设计 29

第9章 结论 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

早在六十年代初期世界上就出现了机械手，能模仿的手臂和手部，代替人手实现一些指定的动作，完成一些危险或者相对繁琐的工作，它也是最早出现的工业机器人。机械手可以根据工作的要求，当工程师设计好搬运物件或者其他运动的程序后，机械手便能自动的进行作业，甚至可以操纵焊接、喷漆等工具来完成相关的工作。 ^[2]随着世界范围内制造业的繁荣发展，尽管机械手还存在着各种各样的缺陷，但不可否认的是，它在生产工业自动化的进程中起着极其重要的作用。 ^[1]

1.1 工业机械手的研究背景及意义

1.1.1 工业机械手的发展历史

机械手最早是由美国开始研制的，世界上的第一台机械手就是由美国联合控制公司在1958年是制造的，它采用的是示教形的控制系统，主要由机体上安装的回转长臂来实现工作所需的运动，由其顶部的电磁快实现工件的抓放。但是人们并没有满足于第一台机械手的工作能力，并继续在结构上进行研究，于是在四年后，该公司仿照坦克炮塔的结构研制出了Unimate，这一发明打破了原有的单一运动的限制，让机械手能够同时实现包括回转、俯仰、伸缩在内的多个运动。并且整个机械手由电机驱动转变为液压驱动，使得机械手在定位的精确度上有了新的突破。在这一年中，该公司还成功研制了机械手Vewrsatran，它也是由液压系统驱动控制的，通过中央的立柱结构实现机械手的回转。Unimate和Vewrsatran这两个六十年代的机械手都是后来世界范围内机械手制造业发展的基础。

随后，在上世纪八九十年代，日本后来居上，他们凭借对产业政策的重视，许多科学家和技术人才都投入到工业机器人的研发当中，同时随着日本经济的发展，日本设计制造的机械手在世界工业机器人的市场中占了相当大的竞争优势。而美国受到产业政策和公司模式的分歧影响，在工业机器人的发展上并不顺利，也没能够跻身进入工业机器人领域的“四大巨头”行列之中。除此之外，德国也在机器人领域迅速发展，目前也成为机械手产品里的凤毛麟角。

1.1.2 工业机械手的研究意义

1. 提高生产过程的自动化程度