数控镗铣床换刀机械手升降机构的设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
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开题报告论文 题 目：数控镗铣床换刀机械手升降机构的设计学院：专 业 、班级：学生 姓名：指导教师（职称）：2016 年 12 月 27 日填毕业论文（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）。1一、选题依据1论文（设计）题目数控镗铣床换刀机械手升降机构的设计2研究领域机械手3论文（设计）工作的理论意义和应用价值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多种工序的加工。镗铣床加工特点是在加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动，在实践中具有“万能机床”的称号。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 。现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。工业机械手是在新技术革命中迅速发展起来的一项高新技术，它在传统的科技领域与工业部门中获得应用，并显示出强大的生命力，成为人类不可或缺的帮手。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象，机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，利用机械手搬运物体、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。现在已经应用在了机械制造、冶金、化工、电力、采矿、建材、轻工、食品、环保等各行各业之中。随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。随着社会的快速发展，工业现场机械手的要求将越来越高，其技术也越来越成熟。机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等2恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。4目前研究的概况和发展趋势4.1 数控卧式镗铣床 4.1.1 国外研究概况和发展趋势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，采用模块化设计和家算计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，变形产品也越来越多，除了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，并已产生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。很多机床厂家已不生产一般的普通卧式机床，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 。4.1.2 国内研究概况和发展趋势我国卧式镗床生产时在 1954 年由仿制开始的。目前已由 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 毫米的卧式镗铣床，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，发展到资兴设计试制并采用一定先进技术的多种产品。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，任意角度定位工作台（B 轴功能）。适合工件的书面加工，只需一次安装工件及调整，配置回转式工作台，定位精准，确保各加工面之间相互精度。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镗铣床技术发展非常快，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、多轴联动、结构形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 。4.2 机械手4.2.1 国外研究概况和发展趋势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长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构。1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机3械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。第一代机械手主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。4.2.2 国内研究概况和发展趋势在国内，应用于生产实际的工业机械手特别是示教再现性机械手不断增多，而且计算机控制的也有所应用。国内近年来在移动机械手控制方面也开展了许多研究工作，如清华大学徐文立教授在考虑了动力学耦合的情况下，设计了急于 Lyanpov 稳定性理论的鲁棒控制器设计方法，保证了全部状态渐进跟踪期望轨迹。中国科学院自动化研究所的易建强教授对移动机械手的视觉定位和导航、冗余度运动分析进行了研究。北京科技大学的余达太教授提出了优化准则，利用遗传算法求解移动载体的运动代价、机械手的运动代价、机械手偏离优化位姿势所需的运动代价。在国外应用于生产实际的工业机械手多为示教再现型机械手，而且计算机控制的工业机械手占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机械手”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机械手是工业机械手技术的发展方向。国外还在高完整性机器人、遥控移动机器人、环境与移动机器人系统的集成等方面作了大量的研究。随着科技及计算机发展步伐的进一步加快,机械手仍具有非常广阔的发展前景,今后的机械手会向更加小型化、高科技化、多功能化、以人为本化方向发展。4二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题（1）数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构的结构设计；（2）机械手升降机构的电气动控制原理设计；（3）运用 SolidWorks 软件进行升降机构的零部件、装配后结构的三维建模。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）查阅相关数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构产品的资料，了解产品的理论意义和应用价值以及国内外研究概况和发展趋势；（2）分析各主要组件的特点，确定数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构总体设计方案；（3）数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构的结构设计及计算；（4）数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构的三维实体建模；（5）动态演示。3.本论文（设计）预期取得的成果（1）数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构的总体方案，包括机械手升降机构的电气动控制部分；（2）数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构的三维实体模型，包括零件图、装配体；（3）数控卧式镗铣床自动换刀机械手-升降机构的动态演示。5三、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）通过查阅文献、类比方法进行研究，用 SolidWorks 软件进行三维建模和动态演示。规格参数（机械手）：-抓重：20 公斤-自由度数：4 个-坐标形式：圆柱坐标-手指夹持刀柄的直径：f100 毫米-驱动方式：液压-手架运动参数：升降行程（即找刀排 Y）：3x420 毫米(刀排间垂直方向距离为 420 毫米，共四排) -控制方式：数字控制-位置检测与定位方式：手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。-缓冲方式：手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路减速缓冲。2.论文（设计）进度计划第 1 周：布置毕设任务第 2 周：根据题目查阅文献第 3 周：准备开题报告材料第 4 周：撰写开题报告，准备开题第 5 周：查阅文献，初步进行方案设计第 6 周：方案设计第 7 周：根据设计任务完善设计方案第 8 周：根据方案完成结构设计第 9 周：零件三维建模第 11 周：零件图装配第 12 周：完善装配图和零件图第 13 周：设计说明书第 14 周：修改设计说明书第 15 周：上交设计成果，准备答辩6四、需要阅读的参考文献1 徐宁安.从 CIMT2005 看数控卧式镗铣床与落地式铣镗床的发展J.世界制造技术与装备市场,2005(6):98-100.2 吴波,周云龙.数控机床现状及发展趋势简析J.科技信息,2010(25):461-479.3 李占贤,黄田,梅江平.二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究J.机器人,2004,26(1):63-68.4 王斌,徐艳新.数控镗铣床改造设计J.科技风,2010(10):234.5 梁训瑄.我国机床工业 60 年发展J.航空制造技术,2009(19):56-59.6 汪劲松 , 黄田 . 并联机床 - 机床行业面临的机遇与挑战 J. 中国机械工程,2001,12:34-36.7 黄田.Steawart 并联机器人局部灵活度与各向同性条件解析J.机械工程学报,1999,35(5):43.8 黄真,方跃法.并联机器人机构学与控制M.北京:机械工业出版社,1997,5:30-31.9 罗玉龙.数控机床自动换刀装置及其控制研究D.重庆:重庆理工大学,2014.10 工业机械手编写设计基础编写组.工业机械手设计基础M.天津:天津科学技术出版社,1979.11 杜干.升降平台机构研究现状分析J.机械工程与自动化,2013(2):205-207.12 高希功.剪叉式液压升降机的结构设计与优化D.山东:济南大学,2014.13 C.J.Gantes,E.Konitopoulou.Geometric design of arbitrarily curved bistable deployable arches with discrete joint size J.International Journal of Solids and Structures,2004,(41):5517-5540.14 Trauis Langbecker. Kinematic analysis of deployable scissor structures J.International Journal of Space Structures,1999,14(1):1-15.15 Baker John D.Klinzing George E. Optimal performance of pneumatic. Powder Technology,1999(104):240-247.7文献综述数控卧式铣镗床适用于加工大、中型零件和箱形零件的粗、精镗孔，铣削等多种工序的加工。工作台设有 4x90光学定位装置，能满足大形零件调头加工的要求。数控卧式铣镗床适宜工序较多的箱形零件孔及平面加工，外圆柱面的车削、孔内环形槽切削和利用丝锥攻公英制螺纹等，还具有数控机床所具有的直角坐标系、极坐标系及轮廓加工的工艺机能。由于数控卧式铣镗床具有高刚性和闭环检测系统，能满足粗精加工的要求，所以数控卧式铣镗床为数控高效、精密通用大型机加工设备。目前，卧式镗铣床技术发展呈现新的特点，在提高进给速度和快速移动速度的同时，又出现了提高加速度这一新的概念，提高起动加速度，以提高速度挖掘机床的潜力，达到了极至。因此，卧式镗铣床采用电主轴也就成为新的追求。但是，电主轴的结构单一，仅能提高加工速度与效率，而不适合重切削，更不能替代卧式主轴镗杆伸缩移动，进行深孔加工，其加工能力受到了限制，可谓顾此失彼。徐宁安的从 CIMT2005 看数控卧式镗铣床与落地式铣镗床的发展1一文中，德国生产的 ALPFA 系列卧式加工中心就完全解决了这一不足，立柱采用斜面概念的设计，刚性极高，具有卧式主轴和电主轴可交换使用的功能，具有“一机两用”之功效，大大提高了机床的工艺性能，也降低了制造成本，这一创新引领着卧式镗铣床的发展方向。武重的 TR6513 型卧式柔性加工单元，是目前国内同类产品中规格最大的产品，处国内领先水平。主轴直径 130mm，最高转速 2500r/min，X、Y、W 轴快速移动速度10m/min，快速进给 10m/min。配有两个交换工作台和 1 个回转工作台，交换工作台的定位精度在 0.01mm 以内。通过对国内外卧式镗铣床的能性水平对比，国内厂家产品的差距仍不小，主要是设计上的差距，国外已全部采用模块化设计，强化设计的“柔性化”，产品结构型式多样，供用户的可选性大；其次，机床性能和制造水平上的差距，国外产品的运行速度、进给速度都非常高；国内制造工艺水平仍较低，尤其是机床外观造型、铣头附件、防护罩、油漆等，国外产品的外观犹如艺术品，制造惊喜，并带有装饰品味，给人以美的感受。刀库及自动换刀装置作为实现加工中也刀具储备及与主轴刀具自动交换的重要功能部件，其储备能力和换刀性能等是影响主机性能水平的重要标志。通过刀库及自动换刀装置，加工中也能够实现一次装夹即可完成多道工序，因此大幅缩短了加工的辅助时间，同时也降低了工件在加工过程中因多次装夹而引起的误差，提高了加工中也的加工效率和精度。自动换刀机械手是数控机床的重要组成部分，其功能是将刀具传送到主轴上进行加工。罗玉龙的数控机床自动换刀装置及其控制研究9中，出于对自动换刀成本还有数控机床的生产效率的考虑，对数控机床自动换刀展开了进一步的优化和研究。设计的机械手臂部分拟采
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