数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构由液动机、滚珠丝杠副、减速齿轮、摩擦片式电磁离合器等构成。了解刀库机械手升降机构的性能要求;了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析;液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置，良好的结构设计能够实现刀库中刀具的快速更换，提高机床的加工效率。

关键词: 升降机构；JCS-013数控镗铣床；液动机；滚珠丝杠；手架；离合器；

1 绪论1

1.1数控镗铣床的结构组成1

1.2国内外数控机床的发展2

1.2.1国内外数控卧式镗铣床的现状2

1.3数控机床的发展趋势5

1.3.1高速化、高精度化、高可靠性5

1.3.2复合化6

1.3.3智能化6

1.3.4柔性化、集成化6

2数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计7

2.1 设计目的7

2.2 设计内容7

2.3升降机构的组成和运动7

2.3.1升降机构的组成7

2.3.2 手架升降机构的运动8

3 升降机构驱动电机9

3.1 升降电机的选择9

3.1.1 升降电机的理论分析9

3.1.2升降电机的选择10

3.2 电机调速11

3.2.1 变频调速原理12

3.2.2变频器选型时要确定以下几点12

4摩擦片式电磁离合器的选用13

4.1转矩特性13

4.2动作特性14

4.3散热特性与寿命14

4.4摩擦片式电磁离合器的测试方法14

4.4.1静力矩的测定14

4.4.2动力矩的测定14

4.4.3空转力矩的测定15

4.4.4残留力矩及力矩消灭时间的测定15

4.5选用电磁离合器的注意事项16

5 滚珠丝杠副的选用17

5.1滚珠丝杠副的工作原理17

5.2滚珠丝杠副的类型18

5.2.1外循环18

5.2.2 内循环18

5.3滚珠丝杠副的传动特点19

5.4滚珠丝杠的选用指标19

5.5滚珠丝杠副的设计计算20

5.6滚珠丝杠的保护24

6 控制系统25

6.1模拟式25

6.2数字式25

6.2.1行程开关25

6.2.2接近开关26

总结27

参考文献28

致谢29

数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计

2.1设计目的

　　机械手升降机构设计是机械设计制造及其自动化专业的一个重要环节，是所学专业课程的一次综合学习。通过设计提高学生的综合能力、机械结构设计的能力。

通过设计，把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的运用，使这些知识的到巩固和发展。

培养学生独立设计的能力，树立正确的设计思想，掌握设计的基本方法和步骤，为以后工作打下良好的基础。

2.2设计内容

a. 了解刀库机械手升降机构的性能要求；

b. 了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析；

c. 设计指标：液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置；

d. 应用CAD系统对系统零件和装配的设计。

2.3升降机构的组成和运动

2.3.1升降机构的组成

　　升降机构由液动机、滚珠丝杠、螺旋副间隙调整垫、导向柱、减速齿轮和无触点行程开关等组成。刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条上有15个刀套,刀库能存放60把刀具如图2.1所示。安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动,找刀采用刀套编号方式。由于四排刀套链中，每排刀套

动在一排内选刀。升降机构的作用是：在给定的程序指令下，完成手架的升降，位置一一对应，因此找刀是由两部分运动来实现，即手架升降找刀排，刀链转使得手架在四个换刀位置准确的换刀。

　　　当接受使手架升降(找刀排)指今后，升降电机1带动滚珠丝杠转动，滑座就作升降运动，使其上的手架带动装刀手和卸刀手一同作升降运动。因刀库有四排刀排，所以滑座应上下移动3X420毫米的距离。手架上下运动到接近所选刀徘位置时，其上带的悬臂感应块，使无触点行程开关发信号，控制滑座升降的电机减速，使滑座减速。当到达所选刀排所要求谁确定位时，装在减速齿轮传动轴上的感应块使无触点行程开关发信号，切断滑座升降电机电源，电磁离合器吸合，电机停转，滑座(即手架)停在所规定的位置上。导向柱除起导向作用外，还使滚珠丝杠在传动小，免受滑座及手架、装卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降运动平稳可靠。滚珠丝杠和螺母间的间隙，可修磨调整垫的厚度进行调节[10]

数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析.gif

内容简介：: 毕业设计（论文）中期报告题目：数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析系别机电信息系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号导师 2013年 3 月 20 日1.设计（论文）进展状况 : 本毕业设计的主要内容是了解刀库机械手升降机构的性能要求，了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析，从一开始拿到任务书正式开始毕业设计以来，按照任务书的要求，我的工作进展还较为顺利。至今为止，通过大量查阅相关资料，我了解了课题的背景和发展状况，完成了对课题的分析，对升降机构的装配图有了认识，并提出了自己的方案，完成了开题报告和对外文文献的翻译，对升降机构有了一定的认识。图1 升降机构自动换刀机械手由升降丝杠1、滑座2、横梁3、液动机4、装刀手5、手架6、卸刀手7组成并与刀库8（由四排带刀套的链条组成，每条链条上均有15个刀套）组成自动换刀装置。升降机构由液动机、滚珠丝杠、螺旋副间隙调整垫、导向柱、减速齿轮和无触点行程开关等组成。当接受使手架上升或下降(找刀排)指令后,压力油进到液动机中,液动机带动滚珠丝杠转动,使手架带着装、卸刀手升降。因刀库有四排刀排,手架可上下移动3*420毫米的距离,当手架上下运动接近所选刀排位置时,其上的悬臂感应块使安装在刀排相应位置的无触点行程开关发信,控制手架升降油路的调速阀作用使手架减速,当到达所选刀排要求准确定位时,装在减速齿轮上的感应块无触点行程开关(12XK或20XK)发信,切断手架升降油路, 液动机停止转动,手架即停在所规定的位置上。滚珠丝杠和螺母间隙,可用修磨调整垫来达到。导向柱除起导向作用外,并使滚珠丝杠在传动中免受弯曲力距的作用,使手架升降运动平稳可靠。图2 机械手升降机构装配图数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构由液动机,滚珠丝杠副，手架，减速离合器2，减速齿轮,讯号盘3,讯号开关5导向柱6等组成。2.存在问题及解决措施: 由于毕业设计涉及的范围很广，几乎囊括了在大学里所学的全部知识，很多在大一、大二学习的知识由于很久没有接触造成了这些知识的模糊甚至淡忘，所以在某些细节方面总是会有多多少少的问题，给设计带来了不小的麻烦。下面是我设计过程中遇到的问题以及解决方案。问题(1)：液动机带动滚珠丝杠转动，那么滚珠丝杠副的工作原理是什么？在设计过程中，通过翻阅大量资料，我首先想到的是看图册，和同学讨论，在查阅相关资料，目前基本了解了滚珠丝杠副的工作原理。图3 滚珠丝杠副基本结构从图可知滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间,连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如上当螺母2(或丝杠1)转动时在丝杠与螺母间布量的滚珠3依次沿螺纹滚道滚动同时滚珠3促使丝杠1(或螺母2)作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出,在螺母上设有滚珠循环返回装置(返向器)4,构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置,可以使滚珠沿滚道面运动后,经通道自动地返回到其工作的入口处,从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度滚珠螺母常由两段组成。问题(2)：刀库机械手升降机构的性能要求是什么？目前知道了刀库机械手升降机构的工作原理,但对它的性能要求不了解,正在翻阅资料,以便之后对它进行计算分析。问题(3)：升降机构中电机是如何受力的？当手抓接到上升找刀排的指令后，电动机带动滚珠丝杠向使手抓上升的方向转动，带动手抓上升到接近所选刀排位置时，手臂支架上的感应块，使刀库上与刀排位置相应的无触点开关发出讯号，电动机变速，手架随之减速，装在讯号盘上的定位块转到使讯号开关同时发出讯号时，电动机停转，摩擦片式离合器吸合，丝杠制动，手抓准确地停在预定的换刀位置上。手架下降找刀排过程与上升情况基本相同，只是电动机带动丝杠时旋转的方向相反。问题四：结构设计和计算分析？在设计中，不知道用哪些计算公式来计算升降机构，正在网上查阅相关文献，来完成结构设计和计算分析。3.后期工作安排:(1)1011周: 在了解了性能要求后，翻阅资料，查找公式；(2)1112周: 完成详细的设计并计算；(3)1213周: 根据计算数据以及所选机构画出零件图和装配图；(4)1314周: 编写设计说明书以及校核图纸，交给导师查阅；(5). 1415周: 准备完成最后答辩。指导教师签字：年月日4毕业设计(论文)开题报告题目：数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析系别机电信息系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号导师 2012年12月25日91. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景、研究意义:数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构由液动机、滚珠丝杠副、减速齿轮、摩擦片式电磁离合器等构成。良好的结构设计能够实现刀库中刀具的快速更换，提高机床的加工效率。在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号。镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工 1 。1.2 国内外相关研究情况:1.2.1 国外数控卧式镗铣床的研究现状国外数控卧式镗床和卧式加工中心均有突飞猛进的发展。其表现在于机床的结构、精度和寿命，以及自动化水平、生产效率等方面都有很大的提高。在产品开发工作上，采用模块化设计和计算机辅助设计等现代化设计方法，在确保产品设计质量和技术水平的前提下，产品品种大量涌现，变型产品也越来越多，除可满足市场的需求外，并获得了较大的经济效益。一些科学技术比较发达的国家，已由生产卧式镗床转向生产更高水平的自动化机床，并已生产和研制出更高一级的现代化水平的设备，从而为实现无人化工厂奠定了基础。国外数控卧式镗床及卧式加工中心的形成、演变过程，一种是以普通卧式镗床为基础，配以控制系统，而成为数控卧式镗床；进而在配以刀库及机械手等独立部件后，演变成为卧式加工中心；另一种是与普通卧式镗床无关，独立设计而成。很多机床公司都是由过去生产普通卧式镗床转而生产当代的数控卧式镗床及卧式加工中心的。很多机床厂家已不生产一般的普通卧室机床，已将其扩散到发展中国家去生产，而把主要精力集中到更高级的数控卧式镗床和卧式加工中心，并进行大量的科学研究工作因而取得了较大技术和经济利益2 。1.2.2国内数控卧式镗铣床研究与应用现状我国卧式镗床生产是在1954年由仿制开始的。目前已有13个省、一个自治区、三个直辖市的二十六个厂，卧式镗床的年产量到1971年，已经超过一千台。卧式镗床的品种，第一个五年计划期间，只能生产主轴直径85毫米的卧式镗床，现在已经能生产主轴直径63、85、125、150等毫米的卧式镗床及主轴直径110毫米的加大主轴直径和移动式镗床。从只能根据国外图纸生产单一产品，发展到自行设计试制并采用一定先进技术的多种产品。在无产阶级大革命中，就有17个厂先后设计试制了三十一种卧式镗床。其中直径63毫米的有五种；直径125毫米的有一种；无伸缩主轴简易卧式镗床有两种；直径160毫米落地镗床有两种，直径200毫米的有一种，直径250毫米的有一种 3 。国内生产厂家在相关领域取得了快速增长，相关设备厂家在国家政策的扶持下取得了不少成果，与国际同行的差距越来越小，甚至有所超越。具有高精度、高效率及卓越的加工能力。采用绝对坐标，不需要长距离的原点回归操作，有效缩短非加工时间。五轴(X,Y,Z,W,B轴)控制，四轴同动控制，任一角度定位工作台(B轴功能)。适合工件的数面加工，只需一次安装工件及调整，配置回转式工作台，定位精准，确保各加工面之相互精度。配置刀库就升级为加工中心。适用于各类大型箱体、缸体的加工4 。当代卧式镗铣床与落地式铣镗床技术发展非常快，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷。卧式镗铣床的结构向高速电主轴方向发展，落地式铣镗床向滑枕式(无镗轴)结构方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势，这将是今后一个时期技术发展的新趋势 5 。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手6 。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的，随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题构成。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。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7 。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用8 。2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题的主要内容: (1）. 了解刀库机械手升降机构的性能要求；（2）. 了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析；（3）. 设计指标：液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置。(4）. 应用CAD系统对系统零件和装配建模和仿真。2.2 拟采用的研究方案、研究方法:2.2.1 数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构的设计(1）数控卧式镗铣床机构总体设计数控卧式镗铣床的主轴是水平设置的,刀库容量一般较大,有的刀库可存放几百把刀具,卧式加工的结构比立式加工的要复杂,占地面积大,价格较高,卧式加工较适用于加工箱体类零件,特别对箱体零件上的一些孔和孔系,以及孔和型腔与基面有严格要求的箱体,容易得到保证,适合于批量加工.卧式加工的功能较立式加工多，在立式加工上加工不了的工件，在卧式加工上一般都能加工9 。图1卧式加工的总体布局(2)刀库机械手设计机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的,各部分关系如图所示。图2机械手系统图2机械手系统执行机构由手抓、装卸刀手臂、滑座,横梁和行走机构等组成。机械手是自动换刀装置中交换刀具的主要工具，它担负着把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上用过的刀具返回刀库上的任务。自动换刀可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式俩类。采用机械手进行换刀的方式应用最为广泛，因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间10 。图3机械手的换刀动作机械手种类：图4单臂单爪回转式机械手图5单臂双爪回转式机械手单臂单爪回转式拥有刀库换刀位置的刀座的轴线相平行的场合。单臂双爪回转式有俩个卡爪，一个只执行取走，一个执行取回。双臂双爪回转式机械手可同时抓取刀库及主轴上的刀具，在回转180后同时将刀具归回刀库及装入主轴，是最常用的一种形式，换刀时间要比前俩种都短11 。图6双臂回转式机械手（3）升降机构的设计图7滚珠丝杠副基本结构从图可知滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间,连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动12 。其工作原理如上当螺母2(或丝杠1)转动时在丝杠与螺母间布量的滚珠3依次沿螺纹滚道滚动同时滚珠3促使丝杠1(或螺母2)作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出,在螺母上设有滚珠循环返回装置(返向器)4,构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置,可以使滚珠沿滚道面运动后,经通道自动地返回到其工作的入口处,从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度滚珠螺母常由两段组成13 。图8机械手升降机构装配图152.2.2 刀库机械手的运动分析多自由度机械手是具有多个关节的空间机构，为了描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置和姿态。建立D-H坐标系，用其次变换描述各个连杆相对于固定参考系的空间几何关系，用一个4*4的其次变换矩阵描述相邻俩连杆的空间关系，从而推导出末端执行器坐标系，相对于基坐标系的等价其次坐标变换矩阵，建立操作臂的运动方程17 。3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作本课题的重点和难点：在于设计方案和整体结构特点的确定。前期已开展的工作：目前已经查找和阅读了数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构大量期刊、书籍，并对相关数据进行了分析，对数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构有了初步了解,初步拟定了设计方案和整体的结构。4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）（1）13周：调研并收集资料；（2）36周：确定设计方案和整体结构特点；（3）79周：完成结构设计计算；（4）912周：完成零件图和装配图的绘制；（5）12-15周：完成论文撰写，准备答辩。5. 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师：年月日 6. 所在系审查意见：系主管领导：年月日参考文献【1】徐宁安.从CIMT2005看数控卧式镗铣床与落地铣镗床的发展.世界制造技术与装备市场.2005年06期：98100.【2】吴波，周云龙.数控机床现状及发展趋势简析.科技信息.2010年25期：461479.【3】徐国威.国内外数控机床的发展及应用.兵工自动化.1993年02期：3135.【4】王斌，徐艳新.数控镗铣床改造设计.科技风.2010年10期：234.【5】梁训瑄.我国机床工业60年发展.航空制造技术.2009年19期：5659.【6】谢存禧,张铁主编.机器人技术及其应用.北京:机械工业出版社,2005【7】朱世强,王宣银主遍.机器人技术及其应用.浙江大学出版社.2001【8】张铁,谢存禧编.机器人学.广州:华南理工大学出版社.2002【9】成大先.机械设计手册M.第 4 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Feedback control of Dynamis . systems, 4E.【22】 Martin Healey,Principles of Automatic Control,Hodder and Stouthton.毕业设计（论文）本科毕业设计(论文)题目：数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析系别：机电信息系专业：机械设计制造及其自动化班级：学生：学号：指导教师： 2013年05月数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析摘要数控卧式机床的发展与应用，大大降低了零件的加工辅助时间，提高了生产效率。随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备。加工中心带有刀库和自动换刀装置，可以实现按照预定程序对工件进行多工序加工。数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的的多种工序的加工。数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构由液动机、滚珠丝杠副、减速齿轮、摩擦片式电磁离合器等构成。了解刀库机械手升降机构的性能要求;了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析;液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置，良好的结构设计能够实现刀库中刀具的快速更换，提高机床的加工效率。关键词: 升降机构；JCS-013数控镗铣床；液动机；滚珠丝杠；手架；离合器；CNC horizontal boring and milling machine tool storage manipulator lifting mechanism design and analysisAbstract With the development of NC,the automatic tool changer system is more and more important in the modern advanced manufacture,because the ATC can shorten the cycle time of product manufacturing,improve the precision of product machining.The latest requirements of machine tool user comprise of diversification of control object,complexity of process,flexible of application and high reliability.The function of tool magazine is that stores the tool and moves the tool which will be used in the next manufacturing process to the right changeover position and robot will finish the change over tool.CNC horizontal boring and milling machine is a automatic tool change device and arbitrary indexing of digital control machine tool nc rotary table, After a clamping workpiece can automatically complete several profiles of a variety of machining process. CNC horizontal boring and milling machine tool storage manipulator lifting mechanism by the Liquid motive, The ball screw vice, Reduction ear, Friction plate electromagnetic clutch, etc. Understanding of knife library manipulator lifting mechanism performance requirements ,The understanding of the principle of operation of knife library manipulator lifting mechanism, Structure design and calculation analysis, Liquid motivation drives the ball screw rotation, lead frame hand movement, By slowing down and clutch and screw brake, make hand aircraft parked in knife position accurately, Good design can bring about quick replacement knife tool in library, improve the processing efficiency of machine tool.Key words: Lifting mechanism; CNC horizontal boring and milling machine ;Liquid motive ;Ball screw;Hand; Clutch;目录1 绪论1 1.1数控镗铣床的结构组成1 1.2国内外数控机床的发展2 1.2.1国内外数控卧式镗铣床的现状2 1.3数控机床的发展趋势5 1.3.1高速化、高精度化、高可靠性5 1.3.2复合化6 1.3.3智能化6 1.3.4柔性化、集成化62数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计7 2.1 设计目的7 2.2 设计内容7 2.3升降机构的组成和运动7 2.3.1升降机构的组成7 2.3.2 手架升降机构的运动83 升降机构驱动电机9 3.1 升降电机的选择9 3.1.1 升降电机的理论分析9 3.1.2升降电机的选择10 3.2 电机调速11 3.2.1 变频调速原理12 3.2.2变频器选型时要确定以下几点124摩擦片式电磁离合器的选用13 4.1转矩特性13 4.2动作特性14 4.3散热特性与寿命14 4.4摩擦片式电磁离合器的测试方法14 4.4.1静力矩的测定14 4.4.2动力矩的测定14 4.4.3空转力矩的测定15 4.4.4残留力矩及力矩消灭时间的测定15 4.5选用电磁离合器的注意事项165 滚珠丝杠副的选用17 5.1滚珠丝杠副的工作原理17 5.2滚珠丝杠副的类型18 5.2.1外循环18 5.2.2 内循环18 5.3滚珠丝杠副的传动特点19 5.4滚珠丝杠的选用指标19 5.5滚珠丝杠副的设计计算20 5.6滚珠丝杠的保护246 控制系统25 6.1模拟式25 6.2数字式25 6.2.1行程开关25 6.2.2接近开关26总结27参考文献28致谢29V1 绪论在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号。镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。1.1数控镗铣床的结构组成如图1.1所示，数控机床主要由机床本体、自动换刀装置、数控转台、液压油箱、数控电柜、主轴驱动调速控制柜、机床电气柜、主轴箱润滑冷却用自动油温调节器和空气干燥器等组成。1-电动机 2-换刀机械手 3-数控柜 4-刀库 5-主轴箱 6-操作面板 7-电源柜 8-工作台 9-滑座 10-床身图1.1数控机床示意图a. 机床本体机床的本体是用来支撑机床的工作已达到加工生产目的。主要由床身和立柱组成。b. 主轴结构主轴部件既要满足精加工精度较高的要求，又要满足粗加工时高效切削的能力。因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有道具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀口吹净等装置。c. 数控转台数控转台可以进行任意角度定位，它的功能有两个：一是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。d. 换刀装置数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须具有自动换刀装置。其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回转机构、装刀手和卸刀手组成。e. 机床导轨导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不运动的一方叫支撑导轨。运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动1。1.2国内外数控机床的发展随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业种起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。刀库的功能是储存刀具并把下一把即将要用的道具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。完成此功能的机械包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高成产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。1.2.1国内外数控卧式镗铣床的现状当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精度、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着电子、计算机技术的进步。国外数控卧式镗床和卧式加工中心均有突飞猛进的发展。其表现在于机床的结构、精度和寿命，以及自动化水平、生产效率等方面都有很大的提高。在产品开发工作上，采用模块化设计和计算机辅助设计等现代化设计方法，在确保产品设计质量和技术水平的前提下，产品品种大量涌现，变型产品也越来越多，除可满足市场的需求外，并获得了较大的经济效益。一些科学技术比较发达的国家，已由生产卧式镗床转向生产更高水平的自动化机床，并已生产和研制出更高一级的现代化水平的设备，从而为实现无人化工厂奠定了基础。国外数控卧式镗床及卧式加工中心的形成、演变过程，一种是以普通卧式镗床为基础，配以控制系统，而成为数控卧式镗床；进而在配以刀库及机械手等独立部件后，演变成为卧式加工中心；另一种是与普通卧式镗床无关，独立设计而成。很多机床公司都是由过去生产普通卧式镗床转而生产当代的数控卧式镗床及卧式加工中心的。很多机床厂家已不生产一般的普通卧室机床，已将其扩散到发展中国家去生产，而把主要精力集中到更高级的数控卧式镗床和卧式加工中心，并进行大量的科学研究工作因而取得了较大技术和经济利益2 。我国卧式镗床生产是在1954年由仿制开始的。目前已有13个省、一个自治区、三个直辖市的二十六个厂，卧式镗床的年产量到1971年，已经超过一千台。卧式镗床的品种，第一个五年计划期间，只能生产主轴直径85毫米的卧式镗床，现在已经能生产主轴直径63、85、125、150等毫米的卧式镗床及主轴直径110毫米的加大主轴直径和移动式镗床。从只能根据国外图纸生产单一产品，发展到自行设计试制并采用一定先进技术的多种产品。在无产阶级大革命中，就有17个厂先后设计试制了三十一种卧式镗床。其中直径63毫米的有五种；直径125毫米的有一种；无伸缩主轴简易卧式镗床有两种；直径160毫米落地镗床有两种，直径200毫米的有一种，直径250毫米的有一种 3 。国内生产厂家在相关领域取得了快速增长，相关设备厂家在国家政策的扶持下取得了不少成果，与国际同行的差距越来越小，甚至有所超越。具有高精度、高效率及卓越的加工能力。采用绝对坐标，不需要长距离的原点回归操作，有效缩短非加工时间。五轴(X,Y,Z,W,B轴)控制，四轴同动控制，任一角度定位工作台(B轴功能)。适合工件的数面加工，只需一次安装工件及调整，配置回转式工作台，定位精准，确保各加工面之相互精度。配置刀库就升级为加工中心。适用于各类大型箱体、缸体的加工4 。当代卧式镗铣床与落地式铣镗床技术发展非常快，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷。卧式镗铣床的结构向高速电主轴方向发展，落地式铣镗床向滑枕式(无镗轴)结构方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势，这将是今后一个时期技术发展的新趋势 5 。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手6 。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的，随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题构成。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。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7 。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用8 。升降机的发展阶段升降机的发展阶段升降机的发展阶段升降机的发展阶段对垂直运送的需求与人类的文明一样久远，最早的升降机使用人力、畜力和水力来提升重量。升降装置直到工业革命前都一直依靠这些基本的动力方式。古希腊时，阿基米德开发了经过改进的用绳子和滑轮操作的升降装置，它用绞盘和杠杆把提升绳缠绕在绕线柱上。公元80年，角斗士和野生动物乘坐原始的升降机到达罗马大剧场中竞技场的高度。中世纪的纪录包括无数拉升升降装置的人和为孤立地点进行供给的图案。其中最著名的是位于希腊的圣巴拉姆修道院的升降机。这个修道院位于距离地面大约61米高的山顶上，提升机使用篮子或者货物网，运送人员与货物上下。 1203年，位于法国海岸边的一座修道院的升降机安装于使用一个巨大的踏轮，由毛驴提供提升的动力，通过把绳子缠绕在一个巨大的柱子上，负重就被提升了起来。 18世纪，机械力开始被用于升降机的发展。 1743年，法国路易十五授权在凡尔赛的私人宫殿安装使用平衡物的人员升降机。1833年，一种使用往复杆的系统在德国哈尔茨山脉地区升降矿工。 1835年，一种被称为“绞盘机”的用皮带牵引的升降机安装在英国的一家工厂。 1846年，第一部工业用水压式升降机出现。然后其他动力的升降装置紧跟着很快出现了。 1854年，美国技工奥蒂斯发明了一个棘轮机械装置，在纽约贸易展览会上展示了安全升降机。 1889年，埃菲尔铁塔建塔时安装了以蒸汽为动力的升降机，后改用电梯。 1892年，智利阿斯蒂列罗山的升降设备建成，直到现在，15台升降机仍然使用着110多年前的机械设备。液压升降机广泛适用于大型机械设备、汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式(如滚珠、滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩)，配合各种控制方式(分动、联动、防爆)，具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。1.3数控机床的发展趋势 1.3.1高速化、高精度化、高可靠性质量、效率是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。高速化：（1）提高进给速度：采用直线滚珠式导轨等；（2）提高主轴转速：采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入主轴部件，可以在1.8秒从0加速到15000r/min。高精度化：精密化石为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床的加工精度的要求也越来越高。高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上。1.3.2复合化数控机床的功能复合化得发展，以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不床造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。复合功能的机床近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。1.3.3智能化智能化的内容包括在数控系统中各方面：为追求加工效率和加工质量的智能化：如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能的智能化，如：前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如职能化得自动编程、智能化得人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维护等。1.3.4柔性化、集成化为适应制造自动化的发展，向FMC FMS CIMS提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量自动上、下料，自动换刀，自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，依据用户的不同要求，可方便地灵活配置及集成9。2 数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计2.1设计目的机械手升降机构设计是机械设计制造及其自动化专业的一个重要环节，是所学专业课程的一次综合学习。通过设计提高学生的综合能力、机械结构设计的能力。通过设计，把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的运用，使这些知识的到巩固和发展。培养学生独立设计的能力，树立正确的设计思想，掌握设计的基本方法和步骤，为以后工作打下良好的基础。2.2设计内容a. 了解刀库机械手升降机构的性能要求； b. 了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析；c. 设计指标：液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置； d. 应用CAD系统对系统零件和装配的设计。 2.3升降机构的组成和运动2.3.1升降机构的组成升降机构由液动机、滚珠丝杠、螺旋副间隙调整垫、导向柱、减速齿轮和无触点行程开关等组成。刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条上有15个刀套,刀库能存放60把刀具如图2.1所示。安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动,找刀采用刀套编号方式。由于四排刀套链中，每排刀套动在一排内选刀。升降机构的作用是：在给定的程序指令下，完成手架的升降，位置一一对应，因此找刀是由两部分运动来实现，即手架升降找刀排，刀链转使得手架在四个换刀位置准确的换刀。图 2.1自动换刀装置2.3.2 手架升降机构的运动当接受使手架升降(找刀排)指今后，升降电机1带动滚珠丝杠转动，滑座就作升降运动，使其上的手架带动装刀手和卸刀手一同作升降运动。因刀库有四排刀排，所以滑座应上下移动3X420毫米的距离。手架上下运动到接近所选刀徘位置时，其上带的悬臂感应块，使无触点行程开关发信号，控制滑座升降的电机减速，使滑座减速。当到达所选刀排所要求谁确定位时，装在减速齿轮传动轴上的感应块使无触点行程开关发信号，切断滑座升降电机电源，电磁离合器吸合，电机停转，滑座(即手架)停在所规定的位置上。导向柱除起导向作用外，还使滚珠丝杠在传动小，免受滑座及手架、装卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降运动平稳可靠。滚珠丝杠和螺母间的间隙，可修磨调整垫的厚度进行调节103.1 升降电机的选择3.1.1 升降电机的理论分析电机拖动机构受力分析如图3.1所示：图3.1机械手升降电机受力分析（ M表示机械手自重，m表示爪重）当手抓接到上升找刀排的指令后，电动机带动滚珠丝杠向使手抓上升的方向转动，带动手抓上升到接近所选刀排位置时，手臂支架上的感应块，使刀库上与刀排位置相应的无触点开关发出讯号，电动机变速，手架随之减速，装在讯号盘上的定位块转到使讯号开关同时发出讯号时，电动机停转，摩擦片式离合器吸合，丝杠制动，手抓准确地停在预定的换刀位置上。手架下降找刀排过程与上升情况基本相同，只是电动机带动丝杠时旋转的方向相反。分析电机的运行过程可知，电机工作时间比较短，而停机时间比较长，属于短时工作制的电机。所以机械手升降机构的电机工作特点是：工作时温升达不到最高值，而停车时可完全冷却到周围环境温度，如图3.2所示。由于发热情况与长期连续工作方式的电机不同，所以，电动机的选择也不一样，即可选择专用短时工作的电机，也可选择连续工作制的普通电机11。通过传动过程的受力分析可知，如图3.1。电机的负载为恒定负载，电机的输出功率分为两部分，一部分通过齿轮减速传递给制动器。另外一部分通过丝杠传递给手抓。忽略导向柱摩擦力引起的功率损失可用公如下公式表达：P电=P制 +P手抓（3.1）P电为电机理论输出功率。P手抓为手抓理论输入功率。P制为制动器理论输入功率。由于制动器的输入功率相比手抓理论输入功率很小，所以可忽略不记。于是：P电=P手抓（3.2）对于负载功率PL恒定不变的成产机械，拖动这类机械的电动机在短时运行时的负载图及温升曲线如图3所示。为这类工作机械选择电动机时，只需按设计手册中的计算公式算出负载所需输入功率PW，再选择一台额定功率为PNPW （3.3）的电机即可。图3.2恒定负载短时工作的负载图及温升图3.1.2升降电机的选择电动机所需的输出功率为：Pn = （3.4）PW为工作机械所要求的输入功率（Kw）；为电动机至工作机的总效率。由于机械手升降机的电动机是通过间连接直接传递到工作机的，所以=1;于是：Pn=PW （3.5）工作机要求输入功率根据机械设计手册可查到计算公式：PW = （3.6）F为工作机的阻力；v为升降机构的上升速度；w为工作机的效率。查表知，v=250mm/s；根据受力分析图3.1知： F=(M+m)g=(22Kg+20Kg)x10N/Kg=420N;工作机的传动机构中包括一对球轴承运动副和一个滚珠丝杠副，查机械手册可知球轴承的传动效率Q=0.99；滚珠丝杠副的传动效率G=0.850.95；选择G=0.85；则：w=QxG=0.99x0.85=0.8415；把数据带入式3.5可得工作机要求输入功率为：PW = =0.125Kw；根据式3.4电机的理论输出功率Pn=PW=0.125Kw；根据式3.3选用电机的额定功率PN0.125Kw即可。由于滚珠丝杠的导程选择为10；根据导程公式：Ph= （3.7）vmax=250mm/s；按照机械手册表12-1-14，取Ph=10；可推算出：nmax= =25r/s=1500r/min （3.8）由以上分析可选择一个功率大于0.36kW，同步转速为1500r/min的三相异步电机。按机械设计手册表17-1-35，选取型号为Y801-4的三相异步电动机。基本参数如表所示。表3.1型号额定功率/（kW）同步转速/rmin-1 满载时额定电流/A 转速/rmin-1效率/%功率因数 Y801-40.5515001.5139073.0 0.763.2 电机调速三相异步电机的调速方法有调压调速、转子电路串电阻调速、改变极对数调速和变频调速。变频调速的机械特性如图3所示。异步电动机的转速正比于定子电源的频率f，若连续的调节定子电源频率，即可实现连续地改变电动机的转速。图3.3 三相异步电机变频调速认为机械特性3.2.1 变频调速原理所谓变频调速，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速刀低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率12。3.2.2变频器选型时要确定以下几点 a. 采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。 b. 变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 c . 变频器与负载的匹配问题：（1）电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。（2）电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。（3）转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 d. 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 e. 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 f. 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。电磁离合器是实现设备自动化控制的主要执行元件之一,可在原动机不中断旋转的情况下控制传动系统。如机床主轴的自动起动、停止(制动)、反向、变速、定位和进给系统中的切换等。加之电磁离合器体积小、结构紧凑、动作灵敏、消耗功率小及操作方便等,在现代技术中被广泛应用134 摩擦片式电磁离合器的选用4.1转矩特性摩擦转矩有静摩擦转矩和动摩擦转矩,是选择离合器的基本参数。静转矩是离合器处于励磁状态,内、外摩擦片间无相对滑动,自主动侧传递到从动侧的最大转矩。动转矩是离合器处于励磁状态,内、外摩擦片间有相对滑动,自主动侧传递到从动侧的转矩。选择时应使机器运转的最大负载转矩乘以安全系数小于公称静转矩;连接时的负载转矩加上加速转矩乘以安全系数小于公称动转矩。湿式的静摩擦转矩约为动摩擦转矩的2倍,而干式的大致相同。离合器处于非励磁状态,主动侧旋转,自主动侧传递到从动侧的转矩称为空转转矩。干式的空转转矩一般很小,可忽略不计。湿式由于存在润滑油,其黏度是引起空转转矩的主要原因。从切断电流到发生空转转矩的一段过渡状态中,离合器所传递的转矩称为残留转矩。无论是湿式还是干式离合器,在励磁电流切断后由于磁滞现象,磁力不能马上消失,是造成残留转矩的主要因素。润滑油的黏度和表面张力是另一因素。后一因素对干式的影响不太显著,湿式离合器残留转矩的持续时间比干式离合器长得多,这段时间的长短将随离合器的构造、供油条件等因素而变化。转速愈低,残留时间愈长。空转转矩和残留转矩都将使离合器的负载不能脱开而引起发热,应当愈小愈好。4.2动作特性当开关接通时,由于线圈中存在电阻和电感,电流随时间呈指数曲线上升,达到一定值时,衔铁被吸动。此时磁路中的间隙突然变小,阻抗随之降低,使电器回路中的电感急剧增加,电流相应有一波动。当衔铁将摩擦片压紧时,开始传递转矩,转矩随电流增加而增大,当滑差为0时转矩增至最大。连接过程终止时达到静摩擦转矩值。电磁离合器的动作特性参数主要有: 衔铁吸引时间,即从离合器线圈通电开始到产生转矩所需的时间;!接通时间,即从离合器线圈通电开始到转矩上升至80%公称动转矩所需的时间;断开时间,即从离合器线圈断电开始到转矩下降至10%公称动转矩所需的时间4.3散热特性与寿命离合器在摩擦片连接时会发热磨损甚至烧损,因此要有一定的散热能力。该参数的大小主要取决于摩擦材料的容许摩擦功。如果离合器连接部分温升过高,将使线圈、集流环、轴承的温度升高,绝缘线圈的温升极限决定于绝缘材料的耐热等级,标准中已有规定。离合器的寿命是以摩擦片磨损不能正常工作之前所离合的次数来表示。湿式多片电磁离合器的正常寿命一般规定为(50160)1000次4.4摩擦片式电磁离合器的测试方法4.4.1静力矩的测定首先把离合器被动侧固定,通入额定励磁电流,使主动侧与被动侧在静止状态下完全连接。然后在主动侧施加一定力矩,测出离合器滑移开始前的力矩,即静摩擦力矩。力矩的测定常用弹簧秤或测力传感器。4.4.2动力矩的测定在原动机输出轴上装上测定装置的离合器,该离合器被动部分的输出轴装一飞轮,在同一输出轴的端部装被测离合器的联结或磁轭,被测离合器的被动侧与机架固定。力矩变换器和转速表均装在输出轴上,并将转速、力矩和被测离合器的电压飞电流等讯号接到示波器上。测定步骤如下:先接通试验装置用的离合器,然后起动原动机,此时飞轮和被测离合器的主动侧上升到规定转速,待稳定后测出转速。这时将试验装置用的离合器电源切断,同时接通被测离合器电源,产生制动力矩,并将试验装置用的离合器被动侧、飞轮、被测离合器的主动侧均制动停止。这时所发生的力矩,用力矩变换器测出。被测离合器的电压、电流、转速的变化同时用示波器记录。由力矩定标曲线读出动力矩值,也可由示波器得到制动的时间按下式算出动摩擦力矩Md2。式中:Md为动力矩,Nm;GD2为被动侧飞轮的惯性质量,Nm2;N为飞轮转速,rad/min;t1为动力矩上升时间,s;t2为动力矩达到最大值的稳定时间,s;Mm为摩擦阻力矩,Mm=GD2n/375t；t为从飞轮的初始转速带静止所经历的时间。4.4.3空转力矩的测定在试架中装上被测离合器,但不接通,使离合器从动侧与机架固定,其方法与测定Mm相同,从而用下式求出空转力矩2。式中:t为未装被测离合器时飞轮的停车时间,s;t%为已装上被测离合器时飞轮的停车时间,s。4.4.4残留力矩及力矩消灭时间的测定先将离合器被动侧固定,接通电源,则主动侧与被动侧在静止状态下完全连结。然后在主动侧加上任意力矩,使离合器被动侧承受某一转矩,并在示波器上示出。之后,切断离合器电源,离合器被动侧的力矩衰减过程由力矩变换器送到示波器上记录。测定力矩消灭时间:在离合器主动侧加上100%的额定力矩下切断电源后,其力矩衰减到10%的额定力矩所需的时间,即为力矩消灭时间。额定摩擦力矩,对湿式离合器是动力矩,对干式离合器则是静力矩4.5选用电磁离合器的注意事项 a. 应根据机器运转的惯性与负载力矩来选择离合器的动力矩和静力矩。为保证离合器在工作中使用正常,还要求摩擦式电磁离合器一次接合功的发热量和连续工作1h的发热量不超过允许值。用在变速装置中的离合器,要考虑发热与散热问题。发热的主要原因除连接功外,还有空转力矩,线圈热损耗和其它机械损耗等。这些热量都发生在密闭的齿轮箱中,因而引起温度上升。在装有几个离合器的场合,必须对每个离合器的起动、变速、空转、停止的循环时间加以了解,从而了解发热的主要原因。在高频度使用场合,连接功损耗将占很大比例,而在高速回转场合,空转损耗将占很大比例。齿轮箱的设计过于紧凑、散热面积小也会使温升上升,因此,对发热和散热条件要综合考虑。总之,要尽量抑制产生发热的条件,根据最大发热条件,使油的温升不超过允许值,来计算供油量、油池储油量和箱体散热面积。通常油温控制在60&以下,若使用中,油温超过100&,则摩擦片的磨损就相当严重,应尽量避免。 b. 电磁离合器主要应用在机床主传动系统中,采用传递负载力矩。为保证切削正常工作,离合器的静力矩应稍大于电动机的力矩折算到离合器轴上的最大力矩。否则,过载时会造成电磁离合器长时间打滑而烧坏。 c. 在进给传动系统中选用电磁离合器时,应以动作的可靠性、灵敏度及运动转换时间为主要依据。 d. 在切削负载下进行变速,离合器接合时的动作灵敏度总是比脱开时差。从高速降到低速时,离合器动力矩和负载力矩共同克服传动系统中的惯性负载,实现变速。由低速升到高速时,离合器力矩在克服负载力矩后才能加速惯性负载。因此离合器负载变速时,从高速变向低速易于实现,从低速变向高速时,难以实现。如果离合器力矩选的不够大,则会造成负载变速时丢转闷车现象14。5 滚珠丝杠副的选用为了减小丝杠传动副的摩擦和提高传动效率，早在本20世纪四十年代国外已采用了以滚动摩擦代替滑动摩擦的原理，即简称“滚化”原理，而发明了滚珠丝杠副这种先进的新型传动机构。所以，滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以滚珠为滚动体螺旋传动元件。对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用中间元件(滚珠)来实现的。滚珠丝杠副与滚动轴承相类似，它们都是借助于滚珠来实现构件的可动连接的。滚珠丝杠副主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动16。5.1滚珠丝杠副的工作原理如前所地滚珠丝柱副是在丝杆和螺母之间放入适量滚珠；使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传功。滚珠丝杠副在机械传动中的作用，同样是可以将旋转运动变为直线运动也可以将旋转运动变为直线运动。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况，其传动方式也是多种多样的。滚珠丝杠副一般是由丝杠1、螺母2、滚珠(钢球)3及滚珠循环返回装置4，四个部分组成(图5.1所示)。（a）滚珠外循环式；(b)滚珠内循环式。图5.1滚珠丝杠副基本结构从图5.1可知，滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下：当螺母2(或丝杠1)转动时在丝杠与螺母间布量的滚珠3依次沿螺纹滚道滚动同时滚珠3促使丝杠1(或螺母2)作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置(返向器)4，构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度，滚珠螺母常由两段组成。5.2滚珠丝杠副的类型常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。5.2.1外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。端盖式，在螺母上加工一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。5.2.2 内循环内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 5.3滚珠丝杠副的传动特点由上述工作原理可知，滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较，它以滚动摩擦代替了滑动摩擦，因此，具有以下特点。 a. 摩擦损失小、传动效率高由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90一96，约为滑动螺旋机构效率的23倍。 b. 磨损小、寿命长通常，滚珠丝杠副的主要零件、如丝杠、螺母及滚珠都是经过淬火的，并有很低的表面粗糙度；而且滚动摩擦的损失很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。 c. 轴向刚度高由于滚珠丝杠副可以完全地消除传动间隙，而不致影响丝杠运动的灵活性，因而可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高铀向刚度。 d. 摩擦阻力小、运动平稳由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静止摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象。 e. 不能自锁、具有传动的可逆性由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它垂直升降传动系统时必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生逆传动。由于滚珠丝杠副具有上述优点，所以它日益广泛地应用于精密机械、机床、汽车、船舶、火炮、航空、航天和纺织等工业部门。但是，与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在如下的缺点：结构较复杂，工艺难度大，成本高17。5.4滚珠丝杠的选用指标对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用中间元件(滚珠)来实现的。滚珠丝杠副与滚动轴承相类似，它们都是借助于滚珠来实现构件的可动连接的。滚珠丝杠副主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件之间利用中间元件(滚珠)来实现的。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标： a. 滚珠丝杠的精度等级； b. 滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值； c. 载荷条件（静、动载荷）以及载荷允许值； d. 滚珠丝杠的工作寿命； e. 滚珠丝杠的临界转速； f. 滚珠丝杠的刚度；减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的1/3。5.5滚珠丝杠副的设计计算（1）初算导程Ph由机械设计手册表12-1-40中式（1）Ph= = = =10mm （5.1）按机械手设计手册表12-1-14，取Ph=10mm。（2）确定当量载荷Fm （5.2）由于升降机的载荷是恒定的，所以：Fm=(M+m)g=(100+20)kg 10N/kg=1200N （5.3） (3) 确定当量转速nm 由于机械手升降机的转速基本也是恒定的，故： nm=1500r/min (4) 确定额定动载荷Cam （5.4）fw为载荷性质系数，按机械设计手册表12-1-43选择 fw=1.1；Lh为预期工作寿命，按机械设计手册表12-1-45选择Lh=20000小时fa为精度系数，按机械设计手册表12-1-41选取fa=0.8fc为可靠性系数，按机械设计手册表12-1-42选择fc=0.21。把数据带入公式（4.4） Cam=33.5kN拟采用中预紧丝杠，由表12-1-44取fe=4.5，按最大载荷计算，机械设计手册表12-1-40中式（7）可得取Cam与Cam交大值，则Cam=15.9kN。(5)确定允许的最小螺纹底径d2m估算丝杠允许的最大轴向变形：由机械设计手册表12-1-40中式（8）（5.5）由机械设计手册表12-1-40中式（9）（5.6）取两结果最小值按机械设计手册表12-1-40中式（11）（5.7）由于升降机不受径向力，所以W=0；即 F0=0 。升降机只有轴向载荷即可取L=1580mm。丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式Q=0.039代入机械设计手册表12-1-40式（10）（5.8）（6）确定滚珠丝杠副的规格代号内循环固定法兰式，双螺母垫片预紧G型4010-4。由表12-1-33知d0=40mm，d2=32.9mmd2m=20.0mm，Ca=34.358kNCam=33.5kN ，Coa=85.824kN，Dw=5.953mm，Rnu=486N/微米。由表12-1-33中查出螺母长为94mm，同时选定JB/T 3162推荐的固定轴端型式，d0=40mm，采用一个角接触球轴承和推力球轴承，从表12-1-26中可查出一个支承长度69mm。（7）Dn值校验按表12-1-40中式（12）合格。（8）确定滚珠丝杠副预紧力按机械设计手册表12-1-40中式（13）（5.9）取 FP=150N。（9）计算行程补偿值C按机械设计手册表12-1-40中式（14），取t=2.5, （5.10）取lu=1400mm，则（5.11）（10）计算预拉伸力Ft由表机械设计手册12-1-40中式（15）（5.12）(11) 滚珠丝杠副临界转速nc的计算按机械设计手册表12-1-40中式（16），按机械设计手册表12-1-47,f=21.9 （5.12）则（5.13）合格。（12）滚珠丝杠压感稳定性验算由于升降机丝杠最大轴向载荷P=200N小于丝杠之预拉伸力Ft=5276.7丝杠不会受压失稳，不用验算。按机械设计手册表12-1-40中式（19）验算抗拉强度（5.14）远低于钢材需用拉应力。（13）系统刚度验算及粒度选择滚珠丝杠的拉压刚度是随螺母在丝杠上的位置变化而变化的，最大值在端部,螺母至固定支承距离最大时，即处。而螺母处于两支点中部，即处时刚度最小。由机械设计手册表12-1-40中式（21）（5.15）（5.16）支承轴承的组合刚度：由轴承样本dQ=7.144,Z=17, =60等资料得RBO=670N/m。由机械设计手册表12-1-46，对两端固定并预紧的轴承Rb=2RBO=2x670=1340N/m。滚珠丝杠副滚珠和滚道的结束刚度按机械设计手册表12-1-40中式（22）（5.17）由机械设计手册表12-1-40中式（20）可得R的最大于最小值如下：（5.18）（5.19）传动系统的最小刚度（空载运转时）：空载轴向力F0为Mg=22kgx10=220N，重复定位精度即为反向差值，为10m。则：传动系统的定位误差：任意300mm内行程变动量对半闭环系统而言选丝杠副为3级精度V300p=12m15.7m，可用。（14）最终确定滚珠丝杠副的规定代号：G型4010-4，d0=40mm,Ph=10mm,P类3级精度等级，标记为G4010-4-3-P3。5.6滚珠丝杠的保护滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、90180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件，只要避免磨料微粒及化学活性物质进入，就可以认为这些元件几乎是不产生磨损的情况下工作的。但如果在滚道上落入脏物，或使用肮脏的润滑油，不仅会妨碍滚珠的正常运转，而且使磨损急剧增加。通常采用毛毡圈对螺母副进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的23倍，而且内孔做成螺纹的形状，使之紧密地包住丝杠，并装入螺母或套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡之外，还可以采用耐油橡胶或尼龙材料。由于密封圈和丝杠直接接触，因此防尘效果较好，但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。为了避免这种摩擦阻力矩，可以采用由较硬塑料制成的非接触式迷宫密封圈，内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形

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