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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要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点位-直线数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面钻、铣、镋、铰、攻丝等多种工序的加工。数控卧式镋铣床的发展和应用，极大的减少了零件的加工辅助时间，很大程度上提高了生产效率，数控卧式机床的发展已经变成了当今广泛应用的一种更为新颖、更为先进的制造设备。数控卧式镗铣床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。分析刀库机械手升降机构的性能要求;分析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;数控卧式镗铣床机械手回转与装卸刀机构用于主轴和刀库间的装刀与卸刀操作，良好的结构设计能够实现刀库与机床主轴之间刀具的快速装卸。进行了回转与装卸刀机身的整体机构设计和回转机构的设计，机械手手架选择双臂单爪机械手结构，对其运动作了详细的分析，对机械手手架机构进行了设计计算。关键词: 升降机构；回转与装卸刀机构；机械手手架；数控卧式镗铣床 ABSTRACTCNC horizontal boring and milling machine is a automatic tool change device and arbitrary dividing point - linear digital control machine tool, nc rotary table after a clamping workpiece can automatically complete several side drilling, milling, Tang, reaming, tapping and other machining process. CNC horizontal Tang development and application of the milling machine, greatly reduces the parts processing auxiliary time, greatly improving the production efficiency, the development of numerical control horizontal machine tool has become the current widely used a more novel, more advanced manufacturing equipment.CNC horizontal boring and milling machine is composed of liquid motive, ball screw pair, reduction gear and friction disc electromagnetic clutch. To analyze the performance requirements of the manipulator lifting mechanism; This paper analyzes the working principle of the manipulator lifting mechanism, and carries out the structure design and calculation analysis. CNC horizontal boring and milling machine mechanical rotary tool used in the spindle with loading and discharging and unloading is a knife and knife between knife library operation, good design can achieve dao library between the spindle and the cutting tool for quick loading and unloading. The fuselage of the overall organization design and the design of the slewing mechanism, mechanical hand choose manipulator arms single claw structure, the movement has made the detailed analysis of calculation in design of robot hand frame mechanism.Keywords: lifting mechanism; Turning and loading and unloading mechanism; Manipulator holder; CNC horizontal boring and milling machineIV压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目录摘 要IABSTRACTII1.绪论11.1数控镗铣床的结构组成1 1.2国内外数控机床的发展22.数控卧式镗铣床机械手升降机构设计52.1机械手升降机构的组成和运动过程52.2液动机的选择62.3滚珠丝杆副的选用102.4摩擦片式电磁离合器的设计和计算153.数控卧式镗铣床机械手回转与装卸刀机构设计173.1回转与装卸刀机构的组成和运动173.2机械手回转与装卸刀的整体设计184.数控卧式镗铣床机械手手架机构设计214.1机械手手架的组成和运动214.2机械手手部的结构设计225.结论29参考文献30附录1 外文译文31附录2 外文原文44致谢511.绪论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。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。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。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。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 。1.2.2数控卧式镗铣床的发展趋势 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。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.数控卧式镗铣床机械手升降机构设计2.1机械手升降机构的组成和运动过程2.1.1升降机构的组成以及刀库的组成机械手的手架升降机构是由、杠副、减速、离合器、讯号盘和导向柱等组成。从左到右四排带刀套的链条组成了刀库，每一排刀一圈一共有十五把导套，并且刀库的最大容量是不超过六十把刀，整个刀库是靠电动机带动通过齿轮使其运动，链条在转动的过程中，最快的速度是八米每分钟，最慢的速度是零点二米每分钟。刀具识别是利用了编号方法，六十个刀套分别按照相应的距离安装在四排链条上，每一排链条的位置都是相互对应的，所以找刀的程序分为两步：一是通过机械手手架升降来发现刀排，二是在一排刀套内选刀。在一排内选择刀是靠第一排刀套下面的一组无触点开关和第一排每个刀套上的感应块发信号实现的。升降机构的作用就是在某一命令下，自动的实现机械手刀架的升降动作，并且在位置有相应的要求，为了让自动换刀能成功的实现，链条在移动寻找刀的过程中，刀套停留的位置应该是在要求的位置停在同一个地方，所以刀套在定位的过程中必须要求精准。为了使刀具在装入的时候在方向上能够固定住，每一个刀套都存在定位的装置，由于刀库在运行过程中的速度很快，刀具容易出现被甩出的情况，所以在每一个刀套的后面都加装了一个由弹簧连接的顶梢，这样可以确保刀库运行时的安全。2.1.2升降机构的运动过程图2-1机械手升降机构装配图 由上图可知，在机械手接到指令之后，机械手会自动往上移动去找到刀排，滚珠丝杠副会被液动机的工作带动，并进行顺时针的转动使机械手上升，直到当机械手快要到达自动刀排的位置时，机械手升降机构的转动处的感应块会感应刀机械手的接近，这时机械手刀库与刀排相对应的开关15XK(或16XK、18XK、19XK)会发出讯号，这是手架会进行减速，装在讯号盘行程开关上的定位挡块5a和5b转到使讯号开关（20XK2和20XK1）同时发出要进行定位的讯号时，液动机就会停止再转动，摩擦片式电磁离合器进行，滚珠丝杆就会制动，手架这时就会很准确的停留在换刀的位置上。机械手在进行下降的时候，液动机带动滚珠丝杆逆时针转动，其它的运动基 本和上升时无异，通过讯号开关20XK1和20XK2同时发出讯号，让机械手手架进行定位。2.2液动机的选择液动机在运动的时候受到外力，这里对它所受到的力进行分析如图2.2所示： 图2-2液动机运动受力示意图由上图所示液动机的运转工作过程可以看出，电动机在工作的时候，它的运行时长并不长，可以说是相当短的，相对来说电动机停止的时间反而较长，因此这属于工作时间比较短的电动机。由此可以发现当机械手在进行升降运动的时候电动机的工作属性是：由于在工作的时候，因为温度的快速上升，电动机往往达不到最高的数值，但停车的时候应该是等到它冷却到和周围环境相同的温度时，就像图2.2中显示的。液动机在运转的时候因为它的工作的时间有长有短，液动机的发热也有高有低，所以当我们在进行液动机的选择时，要考虑到它的这两点情况，在这里根据数控卧式机床升降机构的工作要求，选择了相对来说更加稳定可靠的工作时间相对较短的液动机，这样可以提高液动机的工作效率，同时也增加了液动机的稳定程度。借助机械设计手册中电动机在传动的过程中所受力的分析图可以看出液动机的负载是恒定的，它不会因为温度等情况而改变它的负载，在进行液动机的输出功率的计算时，要考虑到减速齿轮和丝杠两个零件产生的功率，因为液动机的功率是由这两部分的功率所组成的，在进行计算的时候，本次设计没有考虑到功率的损失而产生的影响，因为这对液动机的总功率没有产生较大的影响。计算公式如下所示： 电为液动机在输出时候的理论输出功率，为液动机在输出的时候手抓的理论输出功率，为液动机在输出时的液动机的理论功率。翻阅相关资料和查询机械设计手册，相对来说数值较小，在较大的情况下可不予以考虑。计算公式等同于： 在液动机负载是确定了的情况下，液动机在进行工作的时候，若温度没有变化，它应该是成直线上升的，但由于存在温度的变化影响液动机的工作，所以在温度上升的时候，液动机的功率呈曲线变化，而且是在随着温度的升高，液动机的功率的上升速度下降如下图2.3所示。所以我们在选择电机的时候为，需要根据机床设计中液动机的功率计算公式，计算出当存在负载时液动机的功率，然后通过计算计算出液动机的功率，通过这个功率就可以确定需要选择什么样功率的液动机，计算公式如下： PNPW 图2-3存在负载时液动机随温度变化示意图液动机在工作时的为： （2-1） 液动机在工作时的，单位是千瓦；是液动机在工作时候的。由于机械手的电动机是通过间连接直接传递到的，所以;于是：Pn=PW （2-2）液动机在进行工作的时候，需要对它的输入功率计算，计算公式如下： （2-3）是；v为的上升速度；w为的效率。查表可知，；根据受力分析图知： ；液动机在进行传动工作的时候，整体机构包括了两个部分，其中一个是滚珠丝杠副，另一个是一对滚子球轴承运动副，通过查阅机床设计手册；计算滚子球轴承在进行传动工作时候的效率和滚珠丝杠副的工作效率： ；通过对比选择：；则：；把带入下列公式中可得工作机要求为：;通过上式可计算出液动机的输出功率，计算公式如下所示： ；在进行液动机选用时候，要求所选用的液动机在功率上的要求应该满足 ，若满足这个条件可认为选用的液动机的功率是合适的。在已经确定好滚珠丝杆的情况下，选用的导程，根据下述公式可进行计算： （2-4）由于按照机械手册表，取；可推算出： 因为已经算出了液动机的功率和转速，可以查阅机械设计手册，对液动机的型号进行选择，在这里考虑到上述的一些条件，本次设计选了的三相异步液动机的型号为： 2.3滚珠丝杆副的选用对于滚珠丝杠副，其结构上最明显的特征是：构成的运动件的可以移动的部分在很多情况下不需要依靠运动副自身，它通常时利用丝杠和螺母这两个原件之间的滚珠这个结构来进行工作的，在很大程度上我们可以将滚珠丝杠副和滚动轴承进行比较，他们两个有些相同，它们两个都是通过利用丝杠和螺母之间的滚珠来实现可运动的连接的。滚珠丝杠副主要是用来将变换为直线运动或将直线运动变换为。2.3.1滚珠丝杠副的选择和工作原理是在和之间放入合适数量的，让与之间由滑动摩擦变为滚动摩擦。在机械传动中的有重要的作用，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。丝杠在和螺母进行组合中的运动存在很多种不同的情况，不同的丝杠和螺母的组合会有不同的相对运动，因为滚珠丝杠副的传动方式也会有很多种。滚珠丝杆是由、 3和等结构组成，由于循环方式的不同，将它分为了两种不同的滚珠丝杠，如下图所示:图2-4滚珠丝杠的两种不同形式由上图2.4可知，滚珠丝杠其实就是在丝杠装置和螺母的螺旋槽间的结构，将滚珠按照顺序地装入装置中，并将它作为中间装置进行螺旋传动。副的工作原理如下：在进行转动的时候，与中间的滚珠就会按照顺序挨个地靠着滚道进行直线运动，这时会出现滚珠从滚道中滚出去。本次设计设计了滚珠循环装置，使滚珠可以沿着轨道运动后再通过这个返回结构，从循环装置中重新返回到运动开始的地方，这样我们就可以让滚珠可以在这个装置中不断的工作。为了提高传动装置的精度和刚度以及减少中间装置的空隙，将滚珠分为了两个阶段。2.3.2滚珠丝杠副的设计计算（1）初算导程由机床设计手册中的公式 通过查表选择最合适的导程就是：（2）计算 （2-5） (3) 计算转速 （2-6）查找机床设计手册，确定升降电机的转速： nm=1500r/min确定了升降液动机的转速对在接下来选那种类型的液动机是很重要的 (4) 计算 （2-7）是，查表可得： ；是预期，查表可得：是，查表可得 是，查表可得：将上面所查的带入下列公式中： 在这里采用了预紧丝杠，机床设计手册表取f，在这里通过最大的载荷验算，通过查找机床设计手册： 比较和从它们两中选取最大值由上可知：C。(5) 查表可得： 查表可得： 确定一个更小的数值：利用上式计算出的结果计算： （2-8）计算 当算得L=1580mm。将数据代入下列的公式中： （6）确定滚珠丝杠副的规格代号由于需用的是，垫片的型号是预紧。查表得，计算出相关数值，根据机械手册表：，通过查找出的数值：，从表中可以找到长度应该为，同时选定推荐的端型式，通过表选择。 （7）计算 可以选用（8）通过下列公式计算： 得 FP=150N。（9）计算行程补偿值C根据机床设计手册表取, 取lu=1400mm，则 （10）由机床设计手册 (11) 滚珠丝杠副临界转速nc的计算根据机床设计手册和机械设计手册表,可以查处 则 由上可知滚珠丝杠副的临界转速是符合要求的（12）滚珠丝杠压感稳定性验算由于轴方向上的最大对比丝杠的， 丝杠是不会由于压力而失稳，因为最大轴向的载荷明显没有拉伸力大，因此不需要检验。按照表验算 上数值满足要求（13）的拉压刚度选择螺母的位置：查表可得： 查机械设计手册由于：, 。查找机械设计手册表，对两端固定并预紧的轴承。滚珠丝杠副中的和的结束时的刚度按机械设计手册表可得： 由机械设计手册表可得R的最大值和最小值可以由下面的公式计算： 的计算：计算不同方向上的差值：是 10m。则： 传动系统的定位误差： 选滚珠丝杠的 V300p=12m 2R结合奇异性不能发生在该机械手。图2显示了一个例子,每个类型的奇点。在实际应用中,通过限制避免了奇异性任务的工作区。 图2 奇异的配置3、工作空间分析工作区为二自由度平面的并联机械手是一个区域的平面所取得的工作空间参考点O的移动平台。方程(10)和(11)可以重写为 (x-r+R)2+(y-y1)2=l12 (18) (x+r-R)2+(y-y2)2=l22 (19)因此,可达工作空间的参考点O是交叉点的子工作区关联两个运动链见图3。 图3机械手工作空间任务工作空间是一个部分的可达工作空间。在实际应用中,这个任务的工作区通常定义为一个矩形区域的可达工作空间。 让最大限度的角度和,链接AiBi之间的夹角(i = 1,2)和垂直轴,用max和max。让yi,max和yi,min代表最大和最小的位置i-th滑块。当O到达点Q1滑块B1达到下限和的值最大,即yi=yi,min和=max。同样, 当O到达点Q4，即y2 =y2,min和=max。 一个垂直的线通过Q1与上界的可达工作空间点Q2。Q3在Q4的正上方(见图3)。该地区Q1 Q2 Q3 Q4 然后构成任务的工作区,作为一个矩形的宽度b和高度h,注明wt。4、最优运动设计4.1优化设计基于工作区 这个小节的目标是确定机械手参数所需的工作区。优化设计的范围可以表达为:给定r、b,和霍夫重量,确定R,l1、l2, 总长度为的滑块。从方程式(10),(11)和(17),机械手的性能与Rr但不要R或r独立。实际上,r应该尽可能的小,因为较小的值r导致较小的机械手。通常,r取决于轴,轴承,和工具维度在他移动平台。因此,r应该是设计师给出的。 当移动平台到达下限,见图4,以下参数关系可以被获得 （20） （21）其中d的距离左列到左极限任务的工作区。在实际应用中,l1应该等于l2改善系统性能和刚度。因此 （22）272 清华大学科学与技术,2007年6月,12(3):269 - 275 图4机械手的优化设计因此, 对于l1=l2当移动平台将从Q1到Q4点沿x轴、滑动距离的滑块在导轨应 (24)当移动平台从点Q4到Q3传播沿y方向,滑动距离的滑块 (25) 因此,总旅程的滑块 (26)因为优化设计基于任务的工作区不考虑灵巧和刚度的机械手,链接长度不是最优。最优长度的链4.2 全球,综合指数条件数的雅可比行列式作为当地的性能指标评估速度、精度和刚度映射特征变量之间的联合和移动平台。这个条件数被定义为 (27)在 和 是最大和最小奇异值的导数与给定的姿势有关。和 可以由求解特征方程I代表一个单位矩阵的订单2。这里研究了并联机械手, (28)在和因为K随机制配置,一个总体的能指标作为绩效测量的最优运动设计, （29）注意,本身不能充分描述总体的整体运动学性能由于其无法描述之间的差异的 最大值与最小值。黄et al7。提出了一种全局,综合条件指数为目标函数在运动设计。目标函数可以表示为 （30）在和max()和min()代表最大值与最小值的K在任务工作空间和w代表重量放在的比率到。 和可以计算的数值 （31）在 的价值评估在节点(m,n)(m1)(n1)同样网状的Wt。5、 应用程序5.1 XNZD2415混合机工具 一个二自由度平面并联机械手结合工作台有一个平移自由度在z轴和一个铣头和两个旋转自由度约x轴和z轴的创建一个五自由度混合串并联机床(XNZD2415)。与双轴铣头,该工具可以获得任何想要的取向在任务工作空间,它的高灵活性可以自由移动的工作台沿z轴,使机床制造长的工件。 任务的工作区Wt的并联机械手设计为一个长方形b = 1600毫米宽度和h = 1000毫米高。机械手也有max = 80,min = 10,r = 75毫米。奇点理论分析表明,并联机械手的奇异性不能发生任务工作空间。 最优设计基于任务的工作区结果在R = 1217.4毫米。然后通过计算最小化目标函数其他设计参数。图5表明,有最小值1.916当L1 = 2060毫米为w= 0.1。基于Eq。(26),它可以被获得为2345.2毫米。 图5为不同链接最小化长度 条件数的雅可比行列式的并联机械手在机床是图6所示。条件数的分布是对称的x轴。良好的运动性能是通过平衡和之间的矛盾。机床是由清华大学在中国轧机一系列叶片和导叶的水力透平发电机组并应用在哈尔滨电机有限公司。原型图7所示。 图6条件数的雅可比行列式的XNZD2415机床 图7 XNZD2415混合机工具5.2 XNZD2430重型机床 XNZD2415之后成功的应用在对各种加工任务,哈尔滨电机有限公司需要一个混合机工具机非常大的叶片和导叶的水力涡轮机发电机组。 当时另一个重型机床(XNZD2430)建基于二自由度并联机械手。新的类似于第一个机在结构与一个更大的XNZD2430新工作区和一些其他的包括修改两个额外的盖表固定的列和一个辅助盘固定在顶部的铣头。双方的盖表联系辅助托盘覆盖着薄铜板。辅助盘接触两个盖板和幻灯片之间的铣头动作。因此,覆盖表限制变形的铣头和提高机床刚度正常的平面机械手运动。四个括号也添加到新机床提高刚度。 两个额外的非旋转铣头被设计来取代二自由度铣头,安装在侧面或底部的移动平台。这种重型机床是那么一个三自由度的机器可以机纵向或横向。 Wt任务的工作区在新的并联机械手别被设计为一个长方形宽度b = 3000毫米和高度h = 1800毫米与max =,min =。这个机械手不能达到奇异con形状在任务的工作区。 最优设计基于任务的工作区结果在R = 2342.5毫米有最小值l1= 3550毫米,当 w= 0.1。可以从Eq决定。(26)。主要设计参数表1中列出。 表1的结果XNZD2430试机优化工具 参数 数值 l1 3550 mm l2 3550 mm r 550 mm 4010.7 mm 1.99 的分布为优化设计显示在图8。分布表明,条件数也是对称所以x轴和运动性能是最优的。 图8条件数的雅可比行列式的XNZD2430机床机床的XNZD2430显示在图9是由清华大学正在很快的建造与机床的动力学和控制 胡军(吴军)et al:最优运动设计的一个二自由度平面 275的测试。 图9 XNZD2430机床的原型 6 、结论运动学设计的一个二自由度平面并联机械手已被调查。调查显示如下。(1) 两列之间的距离通常是通过优化设计基于工作区。(2) 一个全球性的,综合性能指标,包括均值和条件数的范围的雅可比行列式在任务工作空间,可以用来有效地优化运动设计。(3) 平面并联机械手建立机床被成功用于机叶片和导叶的水力涡轮机。另一个重型机床基于并联机械手被建立更大的加工任务。参考文献1 Beqon P, Pierrot F, Dauchez P. 模糊滑模控制的快速并行机器人。在:IEEE机器人与自动化国际会议上,1995:1178 1183.2 Ferraresi C, Pastorelli S, Sorli M, Zhmud N. 静态和动态行为的高刚度Stewart平台力/力矩传感器。机器人系统杂志,1995,12(12):883 893.3 吴J,李T M,唐XQ:鲁棒轨迹跟踪控制的一个平面并联机构。j .清华大学(Sci。&工艺。),2005年,45(5):642 - 646。(在中国)4 Kock S, Schumacher W. 平行x - y机制与驱动冗余应用为高速和活跃的刚度。在:IEEE机器人与自动化国际会议上。鲁汶。比利时,1998:2295 2300.5 刘X J,王QM,小王J s. 运动学、动力学和空间合成二自由度平动机械手的一本小说。智能和机器人系统杂志,2004年,41(4):205 224.6 小王J S,唐XQ:分析和空间设计的一种新型的混合机工具。国际期刊的机床和制造,2003年,43(7):647 655.7 黄T,李Z X,李M,Chetwynd D G, Gosselin C M.概念设计和空间合成的二自由度平动并联机器人小说为选择和地点操作。ASME杂志机械设计,2004,126(3):449 455.8 高F,刘X J,Gruver WA .绩效评估两个程度的自由平面并联机器人。机制和机理论,1998,33(6):661 668.9 McCloy D.一些比较串行驱动和并行驱动的机械手。Robotica,1990,8(4):355 362.10 Arsenault M, Boudreau R.合成一个通用平面并联机械手与棱镜关节最佳刚度。在:第11届世界大会在机制和机科学。北京:中国机械出版社,2004:1633 1637.11 Gosselin C M. 优化设计的机器人机械手使用灵巧指数。机器人和自治系统,1992,9(4):213 226.12 Gosselin C M, Angeles J. 一个全球性能指数的运动优化机器人机械手。ASME杂志机械设计,1991,113(3):220 226.13黄T, 李M, 李Z X, Chetwynd D G, Whitehouse D J. 最优运动设计的二自由度并联机构工作空间边界的形状规整与指定条件指数。IEEE机器人和自动化,2004,20(3):538 543.14 刘X J、金Z L,高f .优化设计的三自由度球面并联机制对于调节和刚度指标。机制和机理论,2000,35(9):1257 1267.15 Gosselin C M, Angeles J. 奇异性分析的闭环运动链。IEEE机器人和自动化,1990,6(3):281 290.附录2 外文原文 致谢本毕业设计是在我的导师于靖华老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。这一次毕业设计，老师给我留下了很深刻的印象，不仅仅在专业知识上的渊博，而且对学术的态度，作为一名学生我很惭愧，也深深的知道自己离老师的水平还差了很远很远，在以后的路途中我任重而道远，感谢老师教会了我这么多，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在这里，我还要感谢在一和我并肩作战的同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，大家的互相讨论，互相交流，给了我的毕业设计很大的思路。 在毕业设计即将完成之际，我的心情非常复杂，不舍，难受等都无法表达我的情绪，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我巨大的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!67 本科毕业论文(设计)开题报告论文题目：数控卧式镗铣床机械手运动机构设计学院： 机械工程学院 专 业 、班级： 毕业论文（设计）开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。 一、选题依据1. 论文（设计）题目及研究领域；2. 论文（设计）工作的理论意义和应用价值；3. 目前研究的概况和发展趋势。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题；2. 拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）；3. 本论文（设计）预期取得的成果。三、论文（设计）工作安排1. 拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；2. 论文（设计）进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通 过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相 关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺， 较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1. 开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成；2. 开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过；3. 开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论 文（设计）工作，否则不允许参加答辩；4. 开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师；5. 开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张 上，但封面需按统一格式打印）。14一、选题依据1. 论文（设计）题目及研究领域；本题目为数控卧式镗铣床机械手运动机构设计，属于金属切削机床设计研究域。2. 论文（设计）工作的理论意义和应用价值；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 。机械手运动机构的设计有升降机构，回转机构，装卸机构，手架等的设计。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。3. 目前研究的概况和发展趋势(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) 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。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。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。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。二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题 （1)数控卧式镗铣床工作参数分析； （2)机械手升降机构设计 升降机构的组成升降机构的运动 （3)机械手回转与装卸刀机构设计；回转与装卸刀机构的组成 回转与装卸刀机构的运动 （4） 机械手手架机构设计；机械手手部的结构的设计 机械手手腕部结构的设计机械手臂部结构的设计 机械手机身的设计计算 （5） 某零部件结构三维设计； 2. 拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） （1)机械手升降机构设计，相关参数计算； 升降机构驱动电机升降驱动电机的选择电机调速 摩擦片式电磁离合器的选用转矩特性动作特性散热特性与寿命摩擦片式 电磁离合器的测试方法 滚珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的类型滚珠丝杠副的传动特点滚珠丝杠的选 用指标滚珠丝杠副的设计计算 （2)机械手回转与装卸刀机构设计，相关参数计算； 主要技术参数自动换刀装置的设计参数确定卧式数控镗铣床自动换刀装置的 形式 （3）机械手手架机构设计，相关参数计算；手架运动参数；拔，插刀的行程（即滑座伸缩z），回转行程（即找刀排 y），装/卸刀手臂伸缩行程（x），手指夹持刀柄的直径，位置检测与定位方式； 3. 本论文（设计）预期取得的成果 升降机构装配图 A0 图纸 1 张 回转与装卸刀机构装配图 A0 图纸 1 张 手架机构装配图A0 图纸 1 张 主要零部件结构三维设计 相关外文资料翻译 说明书一份 三、论文（设计）工作安排 1. 拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）； （1）数控卧式镗铣床工作参数分析。 （2）机械手升降机构设计，相关参数计算，绘制升降机构装配图。 （3）机械手回转与装卸刀机构设计，相关参数计算，绘制回转机构与装卸刀 机构装配图。 （4）机械手手架机构设计，相关参数计算，绘制手架机构装配图。 （5）某零部件结构三维设 （6）相关外文资料翻译。 任意分度数控转台尺寸（长X 宽）900X900 毫米 工作台最大移动距离（X 轴）1000 毫米 主轴箱最大移动距离（Y 轴）730 毫米 立柱最大移动距离（Z 轴）750 毫米 主轴中心线至数控转台台面距离 0-730 毫米 主轴轴端到转台中心距离 250-1000 毫米 主轴中心线到工作台台面距离 300-1030 毫米 主轴前端孔锥度7：24 主轴转速范围 有级 11.5-1600 转/ 分；无级 0-1000 转/分 主轴最大输出扭矩70 公斤力X 米 X、Y、Z 轴最大移动速度5 米/分 X、Y、Z 轴工作进给速度 5-1250 毫米/分 数控转台回转速度2 转/分 X、Y、Z 轴定位精度0.02/300 毫米毫米 X、Y、Z 轴重复定位精度0.005 毫米刀具尺寸（最大）长 400 毫米；直径 125 机床高度约 3200 毫米 机床重量约 15 吨2. 论文（设计）进度计划 第 1 周：安排设计任务，布置设计要求. 第 2 周：分析设计题目，了解设计内容，复习相关专业知识. 第 3 周：查找设计资料，查找设计文献. 第 4 周：撰写开题报告，修改开题报告，开题答辩. 第 5 周：分析数控卧式镗铣床工作参数. 第 6 周：设计机械手升降机构，计算相关参数. 第 7 周：绘制升降机构装配图. 第 8 周：设计机械手回转与装卸刀机构，计算相关参数. 第 9 周：绘制回转机构与装卸刀机构装配图. 第 10 周：设计机械手手架机构，计算相关参数 第 11 周：绘制机械手手架机构装配图. 第 12 周：某零部件结构三维设计. 第 13 周：撰写设计说明书和外文翻译. 第 14 周：修改设计说明书，准备答辩.四、需要阅读的参考文献 1 丁鹏超.升降机的工作原理J.时代农机，2015 年 3 期：1-3. 2 李贵三，訾克明.机械设计基础-机构运动设计M.北京:机械工业出版社2012.125-127. 3 马广勇.简易实用的分度装置设计J.金属加工冷加工.2016 年 5 期:1-3. 4王斌,徐艳新,数控镗铣床改造设计J.科技风.2010 年 10 期:234. 5 郁明山.现代机构手册M.北京：机械工业出版社.1994 年：35-37. 6 绉慧君.机械运动方案设计M.上海：上海交通大学出版社.1994 年 23-24. 7梁亮机.机械手的运动结构设计与分析.J南京:南京理工大学.2015 年 3 期：3. 8 濮良贵,纪名刚.机械设计.第八版.北京.高等教育出版社.2006 年 5 月. 9成大先.机械设计手册M.第四版.北京.兵器工业出版社.2008 年 3 月. 10凡仁建.当前数控机床改造的最新技术研究M.机械工业出版社.20009年:178-180. 11 Mou J, Liu C R.An error correction method for CNC machine tools using reference parts. Transactions of namre/sme, 1994. 12 Gene F.Franklin. Feedback control of Dynamis . systems, 4E. 13 Martin Healey,Principles of Automatic Control,Hodder and Stouthton. 附：文献综述文献一： 数控卧式镗铣床机械手运动机构设计综述 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 l5 个刀套，刀库能存放 60 把刀具。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。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。通过传动过程的受力分析可知：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 手抓式中：P 电为电机理论输出功率，P 手抓为手抓理论输人功率， 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，对于负载功率 PL 恒定不变的成产机械来拖动机械的电动机工作。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 的电机即可。通过以上分析可选择一个功率大于036kW，同步转速为 1500rmin 的三相异步电机。 文献二： 机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的。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。 机械手种类：单臂单爪回转式机械手和单臂双抓回转式机械手，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 。 文献三： 利用该分度装置,可以解决机床加工沿圆分布,形状较复杂且编程容量较大工件 的加工难题,零件只需要一次性装夹,通过分度即可实现加工所有的凹槽,无需多次重 复装夹,分度和找正,减少了重复定位误差,提高了加工精度,降低了工人的劳动强度, 提高工作效率。 文献四： 卧式镗铣床运行速度越来越高，快速移动速度达到 2530m/min，镗杆最高转速6000r/min。而卧式加工中心的速度更高，快速移动高