數控鏜銑床換刀機械手升降機構的設計【含CAD圖紙、說明書】

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本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目： 數控鏜銑床換刀機械 手升降機構的設計 學 院 ： 專 業(yè) 、 班 級 ： 學 生 姓 名： 指導教師（職稱）： 年 12 月 27 日填 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據 1. 論文（設計）題目及研究領域； 2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2. 開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過； 3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5. 開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 7 一、選題依據 1. 論文（設計）題目 數控鏜銑床換刀機械手升降機構的設計 2. 研究領域機械手 3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 數控臥式鏜銑床是一種具有自動換刀裝置和任意分度數控轉臺的數字控制機床， 工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面的多種工序的加工。鏜銑床加工特點是在加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉動，在實踐中具有“萬能機床”的稱號。通常，刀具旋轉為主運動，刀具或工件的移動為進給運動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關的其他加工面的加工[1] 。 現代工業(yè)機械手起源于 20 世紀 50 年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。工業(yè)機械手是在新技術革命中迅速發(fā)展起來的一項高新技術，它在傳統(tǒng)的科技領域與工業(yè)部門中獲得應用，并顯示出強大的生命力，成為人類不可或缺的幫手。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象，機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中， 加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中， 有 75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新的技術，是現代控制理論與工業(yè)生產自動化實踐相結合的產物，并已成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 自上世紀六十年代，機械手被實現為一種產品后，對它的開發(fā)應用也在不斷發(fā)展， 利用機械手搬運物體、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛?，F在已經應用在了機械制造、冶金、化工、電力、采礦、建材、輕工、食品、環(huán)保等各行各業(yè)之中。隨著技術的進步，機械手的設計已經實破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。隨著社會的快速發(fā)展，工業(yè)現場機械手的要求將越來越高，其技術也越來越成熟。 機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等 惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 4.1 數控臥式鏜銑床 4.1.1 國外研究概況和發(fā)展趨勢 國外數控臥式鏜床和臥式加工中心均有突飛猛進的發(fā)展。其表現在于機床的結構、精度和壽命，以及自動化水平、生產效率等方面都有很大的提高。在產品開發(fā)工作上，采用模塊化設計和家算計輔助設計等現代化設計方法，在確保產品設計質量和技術水平的前提下，產品品種大量涌現，變形產品也越來越多，除了可滿足市場的需求外，并獲得了較大的經濟效益。一些科學技術比較發(fā)達的國家，已由生產臥式鏜床轉向生產更高水平的自動化機床，并已產生和研制出更高一級的現代化水平的設備， 從而為實現無人化工廠奠定了基礎。國外數控臥式鏜床及臥式加工中心的形成、演變過程，一種是以普通臥式鏜床為基礎，配以控制系統(tǒng)，而成為數控臥式鏜床；進而在配以刀庫及機械手等獨立部件后，演變成為臥式加工中心；另一種是與普通臥式鏜床無關，獨立設計而成。很多機床廠家已不生產一般的普通臥式機床，已將其擴散到發(fā)展中國家去生產，而把主要精力集中到更高級的數控臥式鏜床和臥式加工中心，并進行大量的科學研究工作，因而取得了較大技術和經濟利益[2] 。 4.1.2 國內研究概況和發(fā)展趨勢 我國臥式鏜床生產時在 1954 年由仿制開始的。目前已由 13 個省、一個自治區(qū)、 三個直轄市的二十六個廠，臥式鏜床的年產量到 1971 年，已經超過一千臺。臥式鏜 床的品種，第一個五年計劃期間，只能生產主軸直徑 85 毫米的臥式鏜銑床，現在已經能生產主軸直徑 63、85、125、150 等毫米的臥式鏜床及主軸直徑 110 毫米的加大主軸直徑和移動式鏜床。從只能根據國外圖紙生產單一產品，發(fā)展到資興設計試制并采用一定先進技術的多種產品。國內生產廠家在相關領域取得了快速增長，相關設備廠家在國家政策的扶持下取得了不少成果，與國際同行的差距越來越小，甚至有所超越。具有高精度、高效率及卓越的加工能力。采用絕對坐標，不需要長距離的原點回歸操作，有效縮短非加工時間。五軸（X,Y,Z,W,B 軸）控制，四軸同動控制，任意角度定位工作臺（B 軸功能）。適合工件的書面加工，只需一次安裝工件及調整，配置回轉式工作臺，定位精準，確保各加工面之間相互精度。配置刀庫就升級為加工中心。適用于各類大型箱體、缸體的加工[4] 。當代臥式鏜銑床與落地式鏜銑床技術發(fā)展非?？欤饕w現在設計理念的更新和機床運行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機床結構變化大，新技術的應用層出不窮。臥式鏜銑床的結構向高速電主軸、多軸聯(lián)動、結構形式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術發(fā)展的新趨勢[5] 。 4.2 機械手 4.2.1 國外研究概況和發(fā)展趨勢 機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構。 1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機 械手。商名為 Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業(yè)機械手。 1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學， 麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產，一半是進口。 第一代機械手主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的 能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。 4.2.2 國內研究概況和發(fā)展趨勢 在國內，應用于生產實際的工業(yè)機械手特別是示教再現性機械手不斷增多，而且計算機控制的也有所應用。國內近年來在移動機械手控制方面也開展了許多研究工作，如清華大學徐文立教授在考慮了動力學耦合的情況下，設計了急于 Lyanpov 穩(wěn)定性理論的魯棒控制器設計方法，保證了全部狀態(tài)漸進跟蹤期望軌跡。中國科學院自動化研究所的易建強教授對移動機械手的視覺定位和導航、冗余度運動分析進行了研究。北京科技大學的余達太教授提出了優(yōu)化準則，利用遺傳算法求解移動載體的運動代價、機械手的運動代價、機械手偏離優(yōu)化位姿勢所需的運動代價。 在國外應用于生產實際的工業(yè)機械手多為示教再現型機械手，而且計算機控制的工業(yè)機械手占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機械手”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機械手是工業(yè)機械手技術的發(fā)展方向。國外還在高完整性機器人、遙控移動機器人、環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)的集成等方面作了大量的研究。 隨著科技及計算機發(fā)展步伐的進一步加快,機械手仍具有非常廣闊的發(fā)展前景, 今后的機械手會向更加小型化、高科技化、多功能化、以人為本化方向發(fā)展。 二、論文（設計）研究的內容 1. 重點解決的問題 （1） 數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構的結構設計； （2） 機械手升降機構的電氣動控制原理設計； （3） 運用 SolidWorks 軟件進行升降機構的零部件、裝配后結構的三維建模。 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1） 查閱相關數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構產品的資料，了解產品的理論意義和應用價值以及國內外研究概況和發(fā)展趨勢； （2） 分析各主要組件的特點，確定數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構總體設計方案； （3） 數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構的結構設計及計算； （4） 數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構的三維實體建模； （5） 動態(tài)演示。 3. 本論文（設計）預期取得的成果 （1） 數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構的總體方案，包括機械手升降機構的電氣動控制部分； （2） 數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構的三維實體模型，包括零件圖、裝配體； （3） 數控臥式鏜銑床自動換刀機械手-升降機構的動態(tài)演示。 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數） 通過查閱文獻、類比方法進行研究，用 SolidWorks 軟件進行三維建模和動態(tài)演示。規(guī)格參數（機械手）： --抓 重：20 公斤 --自由度數：4 個 --坐標形式：圓柱坐標 --手指夾持刀柄的直徑：f100 毫米 --驅動方式：液壓 --手架運動參數： 升降行程（即找刀排 Y）： 3x420 毫米(刀排間垂直方向距離為 420 毫米，共四排) --控制方式：數字控制 --位置檢測與定位方式： 手架升降運動采用無觸點行程開關進行位置檢測，并控制三位四通閥適時“關閉” 來定位。 --緩沖方式： 手架升降運動采用無觸點行程開關發(fā)信，切斷油路減速緩沖。 2. 論文（設計）進度計劃第 1 周：布置畢設任務 第 2 周：根據題目查閱文獻 第 3 周：準備開題報告材料 第 4 周：撰寫開題報告，準備開題 第 5 周：查閱文獻，初步進行方案設計 第 6 周：方案設計 第 7 周：根據設計任務完善設計方案 第 8 周：根據方案完成結構設計 第 9 周：零件三維建模 第 11 周：零件圖裝配 第 12 周：完善裝配圖和零件圖 第 13 周：設計說明書 第 14 周：修改設計說明書 第 15 周：上交設計成果，準備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 徐寧安.從 CIMT2005 看數控臥式鏜銑床與落地式銑鏜床的發(fā)展[J].世界制造技術與裝備市場,2005(6):98-100. 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Optimal performance of pneumatic. Powder Technology,1999(104):240-247. 文獻綜述 數控臥式銑鏜床適用于加工大、中型零件和箱形零件的粗、精鏜孔，銑削等多種工序的加工。工作臺設有 4x90°光學定位裝置，能滿足大形零件調頭加工的要求。數控臥式銑鏜床適宜工序較多的箱形零件孔及平面加工，外圓柱面的車削、孔內環(huán)形槽切削和利用絲錐攻公英制螺紋等，還具有數控機床所具有的直角坐標系、極坐標系及輪廓加工的工藝機能。由于數控臥式銑鏜床具有高剛性和閉環(huán)檢測系統(tǒng)，能滿足粗精加工的要求，所以數控臥式銑鏜床為數控高效、精密通用大型機加工設備。 目前，臥式鏜銑床技術發(fā)展呈現新的特點，在提高進給速度和快速移動速度的同時，又出現了提高加速度這一新的概念，提高起動加速度，以提高速度挖掘機床的潛力，達到了極至。因此，臥式鏜銑床采用電主軸也就成為新的追求。但是，電主軸的結構單一，僅能提高加工速度與效率，而不適合重切削，更不能替代臥式主軸鏜桿伸縮移動，進行深孔加工，其加工能力受到了限制，可謂顧此失彼。 徐寧安的《從 CIMT2005 看數控臥式鏜銑床與落地式銑鏜床的發(fā)展》[1]一文中，德國生產的ALPFA 系列臥式加工中心就完全解決了這一不足，立柱采用斜面概念的設計， 剛性極高，具有臥式主軸和電主軸可交換使用的功能，具有“一機兩用”之功效，大大提高了機床的工藝性能，也降低了制造成本，這一創(chuàng)新引領著臥式鏜銑床的發(fā)展方向。武重的 TR6513 型臥式柔性加工單元，是目前國內同類產品中規(guī)格最大的產品， 處國內領先水平。主軸直徑 130mm，最高轉速 2500r/min，X、Y、W 軸快速移動速度10m/min，快速進給 10m/min。配有兩個交換工作臺和 1 個回轉工作臺，交換工作臺的定位精度在 0.01mm 以內。 通過對國內外臥式鏜銑床的能性水平對比，國內廠家產品的差距仍不小，主要是設計上的差距，國外已全部采用模塊化設計，強化設計的“柔性化”，產品結構型式多樣，供用戶的可選性大；其次，機床性能和制造水平上的差距，國外產品的運行速度、進給速度都非常高；國內制造工藝水平仍較低，尤其是機床外觀造型、銑頭附件、防護罩、油漆等，國外產品的外觀猶如藝術品，制造驚喜，并帶有裝飾品味，給人以美的感受。 刀庫及自動換刀裝置作為實現加工中也刀具儲備及與主軸刀具自動交換的重要功能部件，其儲備能力和換刀性能等是影響主機性能水平的重要標志。通過刀庫及自動換刀裝置，加工中也能夠實現一次裝夾即可完成多道工序，因此大幅縮短了加工的輔助時間，同時也降低了工件在加工過程中因多次裝夾而引起的誤差，提高了加工中也的加工效率和精度。自動換刀機械手是數控機床的重要組成部分，其功能是將刀具傳送到主軸上進行加工。 羅玉龍的《數控機床自動換刀裝置及其控制研究》[9]中，出于對自動換刀成本還有數控機床的生產效率的考慮，對數控機床自動換刀展開了進一步的優(yōu)化和研究。設計的機械手臂部分擬采用鑄造件，而且工件剛度好，整體性強，且能吸振減振效果好， 材料應用廣泛。 李占賢、黃田、梅江平的《二平動自由度高速輕型并聯(lián)機械手控制技術研究》[3] 中，研究了一種二平動自由度高速、輕型并聯(lián)機械手的控制技術.針對這類機構的結構特點,利用虛位移原理和矩陣奇異值理論,估算出主動關節(jié)負載慣量隨位形變化的規(guī)律.在此基礎上,構建了單軸誤差反饋控制系統(tǒng),并通過計算機仿真預估出定增益PID 調節(jié)器的參數.最后,通過實驗驗證了參數整定方法的正確性和有效性. 杜干的《升降平臺機構研究現狀分析》[11]一文中介紹，升降平臺作為一種起重機械，在物流、搬運、裝配、城市停車系統(tǒng)、海上油田等各種工作場合中得到了廣泛的 應用。其最主要功能是依靠驅動機構與升降機構將物體升降至不同高度。升降機構具有剛性與柔性的性質，根據升降機構屬性的不同，可將其分為３類：①剛性升降機構， 主要利用機構的剛性特性對平臺進行直接頂升或推送；②柔性升降機構，主要通過鋼絲繩、鏈條等柔性構件以拉曳的方式實現平臺的升降；③剛柔雙屬性升降機構，此類機構進行頂升作業(yè)時具有剛性屬性，不工作時則表現出柔性屬性。 高希功在《剪叉式液壓升降機的結構設計與優(yōu)化》[12]一文中，對剪叉式液壓升降機的起升機構綻開了系統(tǒng)的理論研究和探討，設計出了一種變截面形式的升降機。該文對剪叉式液壓升降機進行了結構的優(yōu)化，通過有限元分析軟件對其結構進行了分析，優(yōu)化了升降機受風影響的穩(wěn)定性。 目前，國內機械手的發(fā)展方向主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時， 相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還可以研制示教型機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手，既便于設計制造、又便于改換工作，擴大了應用范圍。