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数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析【11张图/18500字】【优秀机械毕业设计论文】

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数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

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叉车升降机构的创新设计英文.pdf---(点击预览)

A0-刀库升降台.dwg

A1-刀排架.dwg

A1-支撑架.dwg

A2-齿轮2.dwg

A3-滚珠丝杠.dwg

A3-行程开关示意图.dwg

A3-讯号盘.dwg

A3-齿轮1.dwg

A4-固定座.dwg

A4-滚珠丝杠螺母.dwg

A4-调整垫片.dwg

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关键词：: 数控卧式铣床机械手升降机构设计分析优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份，36页，18500字左右。
中期报告一份。
开题报告一份。
外文翻译一份。

图纸共11张，如下所示
A0-刀库升降台.dwg
A1-刀排架.dwg
A1-支撑架.dwg
A2-齿轮2.dwg
A3-滚珠丝杠.dwg
A3-行程开关示意图.dwg
A3-讯号盘.dwg
A3-齿轮1.dwg
A4-固定座.dwg
A4-滚珠丝杠螺母.dwg
A4-调整垫片.dwg

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 analysis
Abstract
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 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
毕业设计（论文）知识产权声明 30
毕业设计（论文）独创性声明 31

1. 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2～3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[15]
2.2.2 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）1—3周：调研并收集资料；
（2）3—6周：确定设计方案和整体结构特点；
（3）7—9周：完成结构设计计算；
（4）9—12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。

系主管领导：年月日
参考文献
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数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析

内容简介：: 5,6. to 5 (2010) 18921896of of to A is of on it is of of of a s ,3,+86 10 2010 an of in to be of a a be of of 1,2. In to So be of is as a of 00084, 7 010in 010 010 010is of in a s of a of of is in a on it is a of of 2010 in a of 1. is et (2010) 18921896 is It is nd As a of is a is a It is of 1. in 7. in of to In to of to of As is 2, is (0. in a a a of As is in a of is in a by in to by As of of 8of be in In of is by of , of ,is of . is of of is (0 to of by a. 0, In be as is nd of so of 00of of , of of , of xFyFof to 9, of a be by E$=0 12. A 1234567et (2010) 18921896000001in q. (1), of a of 000000000102435 is a is of a be $A$B$C0000 000003. et (2010) 18921896of be up to F=000001oF of is to a q. (1), so of F be $F be 0 0 00 0 0 00000 14 54of EF is of 136of a a on in a of in a In to (a)of is to or to of to is to 4(a), (b) c) to In a of of n in as so 10. 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E. of in of an of 998 14591464.6 C. an 2008, 6170,787 a PM 1 (1999) 337et (2010) 189218968 5083, 2003, 431439.9 2009.10 S. of a 31 (2009) 061005,叉车升降机构的创新设计清华大学精密仪器和机械学部门 , 100084, 北京 ,中国文章历史 : 2010年 6月 17收到题目 ,2010年 8月 3日开始修订到 2010年 8月 4日 ,2010年 9月 1日网上可用。关键词 : 叉车 ,空间多连杆机构 ,连杆摘要 : 在物流中叉车是一种最重要的工具。然而 ,一个叉车采用通用桅杆系统 ,不仅影响驾驶员的视野 ,而且增加了卡车的重量 ,从而降低了燃油经济性。因此 ,本文主要对叉车升降机构进行创新设计。首先 ,提议一个空间多连杆升降机构。然后 ,根据约束条件、流动性、在理论上研究了叉架。最后 ,确定升降机构 ,在计算机上模拟 ,证明运动的可行性。此多连杆式升降机构利用了灵活的电缆驱动和连杆 ,不仅给驾驶员提供了更大范围的视野 ,也降低了叉车重量 ,因此提高了燃油经济性。 1. 介绍：叉车通常用于火车站、仓库、港口和工厂装卸与运输。叉车由底盘和工作装置组成 ,可倾斜吊和垂直吊。然而 ,一般的叉车有以下主要缺点。首先 ,桅杆系统由几个大组件组成且在司机前面 ,将严重影响司机的视野。许多叉车碰撞行人的事故本质上都是由于可见性 1、 2。此外 ,在支持负载和指导叉架垂直提升时 ,桅杆系统扮演一个重要的角色 ,所以它的强度和刚度必须足够好 ,它的自重也必须增加。后面的重量平衡装置也增加 ,这就造成不必要的浪费。扩大驾驶员的视野一直是一个重要的研究项目。一些类型的叉车已经通过改变桅杆 2、 3,而加大了司机的视野范围 ,而其他的利用视觉制导方法空间操作 4或计算机指导 5,6加大视野范围。这些叉车司机有更好的视野 ,但是对于通用桅杆结构的不足和自重问题 ,他们不是根本的解决方案。为了提高驾驶的舒适性和驾驶员的安全 ,减少能源消耗 ,重点考虑叉车升降机构的创新设计。先提出一个升降机构的设计方案 ,然后确定他的可行性 ,最后确定方案扩展了司机的视野 ,也减少了车辆的重量。 2. 机构的提升 : 众所周知 ,三个转动副和两个链接 ,生成平面运动。假设两个这样的平面以非零的角度放置 ,如图 1。两端的两个连杆机构都与同一刚体连接并转动，如图 1所示。连杆 1是基础，连杆 4是连杆 1通过两个平行的连杆机构容易发现 ,这两个连杆机构之间有很紧密的联系。因此 ,刚体 4必须平行于俩个连杆机构所在的平面和。即刚体 4只能是直的。机制和机理论 45(2010)1892 1896 图 1 空间多连杆结构曲柄滑块机构是一种常见的开链结构。在汽油和柴油引擎 7中被广泛使用。然而 ,在曲柄滑块机构中 ,死点是一个致命的缺点。为了提高稳定性 ,避免死点 ,本文取代了曲柄滑块机构中的运动链 ,是由两个转动副和运动副组成 , 可以在没有死点的前提下生成平面运动。假设两个垂直平面 ,滑块及运动链位于与纵向对称的平面内。两个运动链如图 2。对空间多连杆升降机构的运动原则进行理论分析。研究叉架的自由度 ,可以建立一个笛卡尔坐标系 ,来确定对轴的转动 ,的交点为原点 ,轴的转动副 a为。假设轴对 0 180 )表示 ,与坐标系统的起源是相同的。 a 0 0）和（示 ,两者之间的对角用 (0)表示。每个运动链包括两个转动副和一个运动副、一连杆和滑道。连杆和滑道都连接在一个运动副中，叉架有两个运动链。在这个空间多连杆结构中 ,轨道和叉架是在一条直线的。此外 , 在每一个垂直平面中添加另一个类似的运动链可以提高强度和刚度。在该滑块的位置 ,连接叉架和叉车底盘，与此同时 ,上下运动链是连接约束棒的。随着轨道的上下运动 ,约束棒提供约束 ,提高刚度和稳定性，从而提升 8的承载能力 0）。 C、 a yc （ xF yF 不难发现 ,对轴的转动是平行的 ,所以研究对轴的转动。对轴的转动用（ 1 0 0）对轴的转动用（）（ 0 yc （ xF 1894 j- y (2010)1892 - 1896 图 2 升降机构 1叉 ;2叉架 ;3 挤压转动副 ;4连杆 ;5约束杆 ;6导轨 ;7支持块根据螺旋理论 9,终端约束螺旋矩阵可以得到方程 : $ = 0 其中 $是一个螺旋矩阵 ,$是终端约束螺旋。可以表示为 : $ $A $B $C= 1 0 0 0 0 0 t 0 0 0 0 yC 0 0 0 照 1)可以得到 ,终端约束螺旋矩阵由一组基本的终端约束螺旋组成。 $A 1 0 0 0 0 0 t 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 图 3 笛卡尔坐标系依照 1)可以得到 ,终端约束螺旋矩阵由一组基本的终端约束螺旋组成。图 4 计算机模拟升降机构 1叉架 ;2 前皮带轮 ;3前支持杆 ;4 后支持杆 ;5电缆 ;6回轮同样得到终端约束螺旋矩阵的运动链 : $ 0 0 0 t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 因此 ,终端约束螺旋矩阵在 $ $ 根据 (1), 只要 0 180 以表示为： $（ 0 0 0 0 0 1） t 由此证明了：叉架沿即叉架为一条直线。在此约束下的升降机构中，叉架垂直于地面。 3. 实现升降机构 : 在计算机上模拟叉车升降机构的运动。如上所述 , 升降机构的轨迹和叉架在一条直线上。在不影响司机视野的前提下 ,为了提升货物可以使用锚机和软钢电缆，结构如图 4所示。锚机在叉车的后面，回轮和支持杆在顶部，每个电缆的一端连接叉架 ,另一端固定在锚机上。当锚机运动时 ,电缆将带动叉架上下运动。为了验证这种叉车是否能实现预期的运动 ,特别是保证叉架的垂直运动 ,用图 4中 (a)、 (b)(c)显示不同的位置时叉架的运动。可以看出叉架是在垂直于地面的一条直线上运动。此外 ,没有桅杆系统 ,司机可以有一个更好的视野范围。这种升降机构有柔性电缆和刚体使它有更好的结构性能。钢丝绳牵引的机械手以其独特的优势 ,如低惯性、低重量等 ,被广泛应用。货物的重量主要由电缆支持 ,因此对升降机构的强度和刚度要求是较低的 ,它的重量也可以减轻。通用叉车的组件 ,如气缸、链条、链轮子和支架系统 ,锚机、电缆和连杆 ,他们的重量和重心向后移动。因此 ,后面的重量平衡装置 ,大大减小了整个卡车的重量。所以提出的叉车升降机构降低了能耗 ,提高了车辆的燃油经济性。 4. 结论 : 本文基于空间多连杆升降机构，提出了一种新型的叉车升降机构。为了验证升降机构的可行性，对其进行了理论分析和计算机模拟。升降机构由灵活的电缆驱动和连杆组成 ,降低了自重。与一般的叉车对比 ,司机有一个更广泛的视野 , 明显的提高了叉车的可靠性和驾驶舒适性。此外对升降机构的强度和刚度要求低 ,使的整个叉车的重量大大降低。提高了叉车的燃油经济性。致谢 : 作者在中国国家自然科学基金的资助下，设计的这个升降机构 ,被授予全国优秀博士论文。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 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 (120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。 2 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。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。 3 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。 (1) 10 11 周 : 在了解了性能要求后，翻阅资料，查找公式； 4 (2) 11 12 周 : 完成详细的设计并计算； (3) 12 13 周 : 根据计算数据以及所选机构画出零件图和装配图； (4) 13 14 周 : 编写设计说明书以及校核图纸，交给导师查阅； (5). 14 15 周 : 准备完成最后答辩。指导教师签字：年月日毕业设计 (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 1 1. 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）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 。内外相关研究情况 : 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 。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 2 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 3 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 2 3 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 。究方法或措施课题的主要内容 : (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） . 应用统对系统零件和装配建模和仿真。采用的研究方案、研究方法 : 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 4 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 5 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。 6 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 。 7 图 8 机械手升降机构装配图 15 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 。 8 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） 1 3 周：调研并收集资料；（ 2） 3 6 周：确定设计方案和整体结构特点；（ 3） 7 9 周：完成结构设计计算；（ 4） 9 12 周：完成零件图和装配图的绘制；（ 5） 12：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 9 参考文献【 1】徐宁安数控卧式镗铣床与落地铣镗床的发展 2005 年 06 期： 98100. 【 2】吴波，周云龙科技信息 25 期： 461479. 【 3】徐国威兵工自动化 02 期： 3135. 【 4】王斌，徐艳新科技风 10 期： 234. 【 5】梁训瑄 0 年发展 2009 年 19 期： 5659. 【 6】谢存禧 ,张铁主编北京 :机械工业出版社 ,2005 【 7】朱世强 ,王宣银主遍浙江大学出版社 8】张铁 ,谢存禧编广州 :华南理工大学出版社 9】成大先 M 4 版学工业出版社 10】白婕静万宏强 .机械制造工程学课程设计手册器工业出版社【 11】赵永成王丰李明颖等 .机电传动控制北京：中国计量出版社【 12】胡占齐杨丽 .机床数控技术北京：机械工业出版社【 13】李育锡 .机械设计课程设计等教育车版社【 14】孙桓陈作模葛文杰 .机械原理北京：高等教育出版社【 15】机械设计手册编委会 M 3 版械工业出版社 16】卢秉恒 .机械制造技术基础北京：机械工业出版社 2 【 17】现代实用机床设计手册编委会 M 械工业出版社 18】凡仁建 M2009,19(10):178【 19】濮良贵纪名刚 .机械设计北京：高等教育出版社， 20】 , NC of 1994. 【 21】 4E. 【 22】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 月毕业设计（论文） I 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；控镗铣床；液动机；滚珠丝杠；手架；离合器；毕业设计（论文） NC C,is in TC of of of of of of of of is be in to is a of nc a of a of by of of of of By in in of 毕业设计（论文）录 1 绪论 . 1 控镗铣床的结构组成 . 1 内外数控机床的发展 . 2 . 2 控机床的发展趋势 . 5 精度化、高可靠性 . 5 . 6 . 6 成化 . 6 2 数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计 . 7 计目的 . 7 计内容 . 7 降机构的组成和运动 . 7 . 7 架升降机构的运动 . 8 3 升降机构驱动电机 . 8 降电机的选择 . 9 降电机的理论分析 . 9 . 10 机调速 . 11 频调速原理 . 12 以下几点 . 12 毕业设计（论文）摩擦片式电磁离合器的选用 . 13 矩特性 . 14 作特性 . 14 热特性与寿命 . 14 擦片式电磁离合器的测试方法 . 15 . 15 . 15 . 15 . 16 用电磁离合器的注意事项 . 16 5 滚珠丝杠副的选用 . 17 珠丝杠副的工作原理 . 17 珠丝杠副的类型 . 18 . 18 循环 . 18 珠丝杠副的传动特点 . 18 珠丝杠的选用指标 . 19 珠丝杠副的设计计算 . 20 珠丝杠的保护 . 24 6 控制系统 . 25 拟式 . 25 字式 . 25 . 25 . 25 毕业设计（论文） V 总结 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 毕业设计（论文）知识产权声明 . 错误 !未定义书签。毕业设计（论文）独创性声明 . 30 毕业设计（论文） 1 1 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。控镗铣床的结构组成如图示，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。 12345678 910图控机床示意图 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，又要满足粗加工时毕业设计（论文） 2 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。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。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。毕业设计（论文） 3 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。它是毕业设计（论文） 4 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 2 3 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 。毕业设计（论文） 5 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。控机床的发展趋势速化、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，从 0 加速到 15000r/ 毕业设计（论文） 6 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。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。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。性化、集成化为适应制造自动化的发展，向供基础设备，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。毕业设计（论文） 7 2 数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计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。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. 应用统对系统零件和装配的设计。降机构的组成和运动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。毕业设计（论文） 8 图动换刀装置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 3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 毕业设计（论文） 9 升降电机的选择降电机的理论分析电机拖动机构受力分析如图示：图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，即可选择专用短毕业设计（论文） 10 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（ 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（对于负载功率定不变的成产机械，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选择一台额定功率为 W （的电机即可。图定负载短时工作的负载图及温升图降电机的选择电动机所需的输出功率为：（工作机械所要求的输入功率（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： W （工作机要求输入功率根据机械设计手册可查到计算公式： 000w （ 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：毕业设计（论文） 11 F=(M+m)g=(220Kg)g=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= 滚珠丝杠副的传动效率 G= 选择 G= 则： w=5= 把数据带入式得工作机要求输入功率为： 000w=420N 250mm/s 000 = 根据式机的理论输出功率 W= 根据式用电机的额定功率可。由于滚珠丝杠的导程选择为 10；根据导程公式： 50mm/s；按照机械手册表 12 0；可推算出： h=250mm/s 10 =25r/s=1500r/ （由以上分析可选择一个功率大于步转速为 1500r/三相异步电机。按机械设计手册表 17取型号为三相异步电动机。基本参数如表所示。表号额定功率 /（同步转速 /载时额定电流 /A 转速 /率 /% 功率因数 500 390 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。毕业设计（论文） 12 图相异步电机变频调速认为机械特性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，逆变部分为相桥式逆变器，且输出为形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率12。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

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