數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計與分析
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畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
題目：數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計與分析
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2013年 3 月 20 日
1.設(shè)計（論文）進展?fàn)顩r :
本畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是了解刀庫機械手升降機構(gòu)的性能要求，了解刀庫機械手升降機構(gòu)的工作原理，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析，從一開始拿到任務(wù)書正式開始畢業(yè)設(shè)計以來，按照任務(wù)書的要求，我的工作進展還較為順利。至今為止，通過大量查閱相關(guān)資料，我了解了課題的背景和發(fā)展?fàn)顩r，完成了對課題的分析，對升降機構(gòu)的裝配圖有了認(rèn)識，并提出了自己的方案，完成了開題報告和對外文文獻的翻譯，對升降機構(gòu)有了一定的認(rèn)識。
圖1 升降機構(gòu)
自動換刀機械手由升降絲杠1、滑座2、橫梁3、液動機4、裝刀手5、手架6、卸刀手7組成并與刀庫8（由四排帶刀套的鏈條組成，每條鏈條上均有15個刀套）組成自動換刀裝置。
升降機構(gòu)由液動機、滾珠絲杠、螺旋副間隙調(diào)整墊、導(dǎo)向柱、減速齒輪和無觸點行程開關(guān)等組成。當(dāng)接受使手架上升或下降(找刀排)指令后,壓力油進到液動機中,液動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動,使手架帶著裝、卸刀手升降。因刀庫有四排刀排,手架可上下移動3*420毫米的距離,當(dāng)手架上下運動接近所選刀排位置時,其上的懸臂感應(yīng)塊使安裝在刀排相應(yīng)位置的無觸點行程開關(guān)發(fā)信,控制手架升降油路的調(diào)速閥作用使手架減速,當(dāng)?shù)竭_(dá)所選刀排要求準(zhǔn)確定位時,裝在減速齒輪上的感應(yīng)塊無觸點行程開關(guān)(12XK或20XK)發(fā)信,切斷手架升降油路, 液動機停止轉(zhuǎn)動,手架即停在所規(guī)定的位置上。 滾珠絲杠和螺母間隙,可用修磨調(diào)整墊來達(dá)到。導(dǎo)向柱除起導(dǎo)向作用外,并使?jié)L珠絲杠在傳動中免受彎曲力距的作用,使手架升降運動平穩(wěn)可靠。
圖2 機械手升降機構(gòu)裝配圖
數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)由液動機,滾珠絲杠副，手架，減速離合器2，減速齒輪,訊號盤3,訊號開關(guān)5導(dǎo)向柱6等組成。
2.存在問題及解決措施:
由于畢業(yè)設(shè)計涉及的范圍很廣，幾乎囊括了在大學(xué)里所學(xué)的全部知識，很多在大一、大二學(xué)習(xí)的知識由于很久沒有接觸造成了這些知識的模糊甚至淡忘，所以在某些細(xì)節(jié)方面總是會有多多少少的問題，給設(shè)計帶來了不小的麻煩。下面是我設(shè)計過程中遇到的問題以及解決方案。
問題(1)：液動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，那么滾珠絲杠副的工作原理是什么？
在設(shè)計過程中，通過翻閱大量資料，我首先想到的是看圖冊，和同學(xué)討論，在查閱相關(guān)資料，目前基本了解了滾珠絲杠副的工作原理。
圖3 滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu)
從圖可知滾珠絲杠副就是指在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間,連續(xù)填滿滾珠作為中間體的螺旋傳動。其工作原理如上當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動時在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動同時滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運動。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出,在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置(返向器)4,構(gòu)成一個滾珠循環(huán)通道。借助于這個返回裝置,可以使?jié)L珠沿滾道面運動后,經(jīng)通道自動地返回到其工作的入口處,從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作。為了消除間隙和提高傳動精度及剛度滾珠螺母常由兩段組成。
問題(2)：刀庫機械手升降機構(gòu)的性能要求是什么？
目前知道了刀庫機械手升降機構(gòu)的工作原理,但對它的性能要求不了解,正在翻閱資料,以便之后對它進行計算分析。
問題(3)：升降機構(gòu)中電機是如何受力的？
當(dāng)手抓接到上升找刀排的指令后，電動機帶動滾珠絲杠向使手抓上升的方向轉(zhuǎn)動，帶動手抓上升到接近所選刀排位置時，手臂支架上的感應(yīng)塊，使刀庫上與刀排位置相應(yīng)的無觸點開關(guān)發(fā)出訊號，電動機變速，手架隨之減速，裝在訊號盤上的定位塊轉(zhuǎn)到使訊號開關(guān)同時發(fā)出訊號時，電動機停轉(zhuǎn)，摩擦片式離合器吸合，絲杠制動，手抓準(zhǔn)確地停在預(yù)定的換刀位置上。手架下降找刀排過程與上升情況基本相同，只是電動機帶動絲杠時旋轉(zhuǎn)的方向相反。
問題四：結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析？
在設(shè)計中，不知道用哪些計算公式來計算升降機構(gòu)，正在網(wǎng)上查閱相關(guān)文獻，來完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析。
3.后期工作安排:
(1)．10—11周: 在了解了性能要求后，翻閱資料，查找公式；
(2)．11—12周: 完成詳細(xì)的設(shè)計并計算；
(3)．12—13周: 根據(jù)計算數(shù)據(jù)以及所選機構(gòu)畫出零件圖和裝配圖；
(4)．13—14周: 編寫設(shè)計說明書以及校核圖紙，交給導(dǎo)師查閱；
(5). 14—15周: 準(zhǔn)備完成最后答辯。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
4
叉車升降機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計
清華大學(xué)精密儀器和機械學(xué)部門, 100084, 北京,中國
文章歷史:
2010年6月17收到題目,2010年8月3日開始修訂到2010年8月4日,2010年9月1日網(wǎng)上可用。
關(guān)鍵詞:
叉車,空間多連桿機構(gòu),連桿
摘要:
在物流中叉車是一種最重要的工具。然而,一個叉車采用通用桅桿系統(tǒng),不僅影響駕駛員的視野,而且增加了卡車的重量,從而降低了燃油經(jīng)濟性。因此,本文主要對叉車升降機構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計。首先,提議一個空間多連桿升降機構(gòu)。然后,根據(jù)約束條件、流動性、在理論上研究了叉架。最后,確定升降機構(gòu),在計算機上模擬,證明運動的可行性。此多連桿式升降機構(gòu)利用了靈活的電纜驅(qū)動和連桿,不僅給駕駛員提供了更大范圍的視野,也降低了叉車重量,因此提高了燃油經(jīng)濟性。
1. 介紹：
叉車通常用于火車站、倉庫、港口和工廠裝卸與運輸。叉車由底盤和工作裝置組成,可傾斜吊和垂直吊。然而,一般的叉車有以下主要缺點。首先,桅桿系統(tǒng)由幾個大組件組成且在司機前面,將嚴(yán)重影響司機的視野。許多叉車碰撞行人的事故本質(zhì)上都是由于可見性[1、2]。此外,在支持負(fù)載和指導(dǎo)叉架垂直提升時,桅桿系統(tǒng)扮演一個重要的角色,所以它的強度和剛度必須足夠好,它的自重也必須增加。后面的重量平衡裝置也增加,這就造成不必要的浪費。
擴大駕駛員的視野一直是一個重要的研究項目。一些類型的叉車已經(jīng)通過改變桅桿[2、3],而加大了司機的視野范圍,而其他的利用視覺制導(dǎo)方法空間操作[4]或計算機指導(dǎo)[5,6]加大視野范圍。這些叉車司機有更好的視野,但是對于通用桅桿結(jié)構(gòu)的不足和自重問題,他們不是根本的解決方案。為了提高駕駛的舒適性和駕駛員的安全,減少能源消耗,重點考慮叉車升降機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。先提出一個升降機構(gòu)的設(shè)計方案,然后確定他的可行性,最后確定方案.這種機制不僅擴展了司機的視野,也減少了車輛的重量。
2. 機構(gòu)的提升:
眾所周知,三個轉(zhuǎn)動副和兩個鏈接,生成平面運動。假設(shè)兩個這樣的平面以非零的角度放置,如圖1。兩端的兩個連桿機構(gòu)都與同一剛體連接并轉(zhuǎn)動，如圖1所示。連桿1是基礎(chǔ)，連桿4是連桿1通過兩個平行的連桿機構(gòu)ABC和DEF從而傳遞運動。很容易發(fā)現(xiàn),這兩個連桿機構(gòu)之間有很緊密的聯(lián)系。因此,剛體4必須平行于倆個連桿機構(gòu)所在的平面α和β。即剛體4只能是直的。
機制和機理論45(2010)1892 – 1896
圖1空間多連桿結(jié)構(gòu)
曲柄滑塊機構(gòu)是一種常見的開鏈結(jié)構(gòu)。在汽油和柴油引擎[7]中被廣泛使用。然而,在曲柄滑塊機構(gòu)中,死點是一個致命的缺點。為了提高穩(wěn)定性,避免死點,本文取代了曲柄滑塊機構(gòu)中的運動鏈,是由兩個轉(zhuǎn)動副和運動副組成, 可以在沒有死點的前提下生成平面運動。
假設(shè)兩個垂直平面,滑塊及運動鏈位于與縱向?qū)ΨQ的平面內(nèi)。兩個運動鏈如圖2。
對空間多連桿升降機構(gòu)的運動原則進行理論分析。研究叉架的自由度,可以建立一個笛卡爾坐標(biāo)系,來確定A和D對軸的轉(zhuǎn)動,A和D的交點為原點,軸的轉(zhuǎn)動副a為x軸 .坐標(biāo)系如圖3。
假設(shè)軸對D的轉(zhuǎn)動角度用φ(0°＜φ＜180°)表示,與 A和D坐標(biāo)系統(tǒng)的起源是相同的。D的坐標(biāo)可以表示為（a 0 0）和（acosφ asinφ所示,兩者之間的對角用θ(0°bθb180°)表示。每個運動鏈包括兩個轉(zhuǎn)動副和一個運動副、一連桿和滑道。連桿和滑道都連接在一個運動副中，叉架有兩個運動鏈。在這個空間多連桿結(jié)構(gòu)中,軌道和叉架是在一條直線的。此外, 在每一個垂直平面中添加另一個類似的運動鏈可以提高強度和剛度。在該滑塊的位置,連接叉架和叉車底盤，與此同時,上下運動鏈?zhǔn)沁B接約束棒的。隨著軌道的上下運動,約束棒提供約束,提高剛度和穩(wěn)定性，從而提升[8]的承載能力0）。C、F的坐標(biāo)可以表示為（a yc zc）和（xF yF zF）。
不難發(fā)現(xiàn),A和C對軸的轉(zhuǎn)動是平行的,所以研究D和F對軸的轉(zhuǎn)動。A和C對軸的轉(zhuǎn)動用s1 =（1 0 0）T表示, D和F對軸的轉(zhuǎn)動用s2 =（cosφ sinφ 0）T表示, B對矢量方向的位移用s3 =（0 yc zc）T表示，E對矢量方向的位移用s4 =（xF?bcosφ yF? bsinφ zF）T表示。
1894 j- y wang etal。/機制和機理論45(2010)1892 - 1896
圖2升降機構(gòu)
1叉;2叉架;3擠壓轉(zhuǎn)動副;4連桿;5約束桿;6導(dǎo)軌;7支持塊
根據(jù)螺旋理論[9],終端約束螺旋矩陣可以得到方程:
$TE$τ = 0
其中$是一個螺旋矩陣,$τ是終端約束螺旋。
ABC是這個運動螺旋矩陣的一個運動鏈,可以表示為:
$ABC =[ $A $B $C]= 1 0 0 0 0 0 t
0 0 0 0 yC zC
1 0 0 0 zC ?yC
依照Eq.(1)可以得到,終端約束螺旋矩陣由一組基本的終端約束螺旋組成。
$τABC =1 0 0 0 0 0 t
0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 1
圖3笛卡爾坐標(biāo)系
依照Eq.(1)可以得到,終端約束螺旋矩陣由一組基本的終端約束螺旋組成。
圖4 計算機模擬升降機構(gòu)
1叉架;2前皮帶輪;3前支持桿;4后支持桿;5電纜;6回輪
同樣得到終端約束螺旋矩陣的運動鏈:
$τDEF = cosφ sinφ 0 0 0 0 t
0 0 0 sinφ ?cosφ 0
0 0 0 0 0 1
因此,終端約束螺旋矩陣在CF上可以表示為:
$τCF = [$τABC $τDEF]
根據(jù)Eq. (1), 只要0°＜φ＜180°CF可以表示為：
$CF =（0 0 0 0 0 1）t
由此證明了：叉架沿z軸方向只有一個自由度,即叉架為一條直線。在此約束下的升降機構(gòu)中，叉架垂直于地面。
3. 實現(xiàn)升降機構(gòu):
在計算機上模擬叉車升降機構(gòu)的運動。如上所述, 升降機構(gòu)的軌跡和叉架在一條直線上。在不影響司機視野的前提下,為了提升貨物可以使用錨機和軟鋼電纜，結(jié)構(gòu)如圖4所示。錨機在叉車的后面，回輪和支持桿在頂部，每個電纜的一端連接叉架,另一端固定在錨機上。當(dāng)錨機運動時,電纜將帶動叉架上下運動。
為了驗證這種叉車是否能實現(xiàn)預(yù)期的運動,特別是保證叉架的垂直運動,用Proe來模擬它的運動，如圖4中(a)、(b)(c)顯示不同的位置時叉架的運動?？梢钥闯霾婕苁窃诖怪庇诘孛娴囊粭l直線上運動。此外,沒有桅桿系統(tǒng),司機可以有一個更好的視野范圍。 這種升降機構(gòu)有柔性電纜和剛體使它有更好的結(jié)構(gòu)性能。鋼絲繩牽引的機械手以其獨特的優(yōu)勢,如低慣性、低重量等,被廣泛應(yīng)用。貨物的重量主要由電纜支持,因此對升降機構(gòu)的強度和剛度要求是較低的,它的重量也可以減輕。通用叉車的組件,如氣缸、鏈條、鏈輪子和支架系統(tǒng),錨機、電纜和連桿,他們的重量和重心向后移動。因此,后面的重量平衡裝置,大大減小了整個卡車的重量。所以提出的叉車升降機構(gòu)降低了能耗,提高了車輛的燃油經(jīng)濟性。
4. 結(jié)論:
本文基于空間多連桿升降機構(gòu)，提出了一種新型的叉車升降機構(gòu)。為了驗證升降機構(gòu)的可行性，對其進行了理論分析和計算機模擬。升降機構(gòu)由靈活的電纜驅(qū)動和連桿組成,降低了自重。與一般的叉車對比,司機有一個更廣泛的視野, 明顯的提高了叉車的可靠性和駕駛舒適性。此外對升降機構(gòu)的強度和剛度要求低,使的整個叉車的重量大大降低。提高了叉車的燃油經(jīng)濟性。
致謝:
作者在中國國家自然科學(xué)基金的資助下，設(shè)計的這個升降機構(gòu),被授予全國優(yōu)秀博士論文。
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計與分析
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2012年12月25日
9
1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1 題目背景、研究意義:
數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的數(shù)字控制機床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側(cè)面的的多種工序的加工。數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)由液動機、滾珠絲杠副、減速齒輪、摩擦片式電磁離合器等構(gòu)成。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)刀庫中刀具的快速更換，提高機床的加工效率。在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數(shù)控加工中心、齒輪加工中心、切斷機床、特種加工機床、組合機床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機械加工設(shè)備中，鏜銑床加工特點：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運動），在實踐中具有“萬能機床”的稱號。鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預(yù)制孔的機床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)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(guān)的其他加工面的加工 [1] 。
1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況:
1.2.1 國外數(shù)控臥式鏜銑床的研究現(xiàn)狀
國外數(shù)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(xiàn)在于機床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開發(fā)工作上，采用模塊化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計等現(xiàn)代化設(shè)計方法，在確保產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和技術(shù)水平的前提下，產(chǎn)品品種大量涌現(xiàn)，變型產(chǎn)品也越來越多，除可滿足市場的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟效益。一些科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動化機床，并已生產(chǎn)和研制出更高一級的現(xiàn)代化水平的設(shè)備，從而為實現(xiàn)無人化工廠奠定了基礎(chǔ)。國外數(shù)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(chǔ)，配以控制系統(tǒng)，而成為數(shù)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(guān)，獨立設(shè)計而成。很多機床公司都是由過去生產(chǎn)普通臥式鏜床轉(zhuǎn)而生產(chǎn)當(dāng)代的數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的。很多機床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥室機床，已將其擴散到發(fā)展中國家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進行大量的科學(xué)研究工作因而取得了較大技術(shù)和經(jīng)濟利益[2] 。
1.2.2國內(nèi)數(shù)控臥式鏜銑床研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
我國臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開始的。目前已有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(chǎn)量到1971年，已經(jīng)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(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)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(jù)國外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設(shè)計試制并采用一定先進技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無產(chǎn)階級大革命中，就有17個廠先后設(shè)計試制了三十一種臥式鏜床。其中直徑63毫米的有五種；直徑125毫米的有一種；無伸縮主軸簡易臥式鏜床有兩種；直徑160毫米落地鏜床有兩種，直徑200毫米的有一種，直徑250毫米的有一種 [3] 。國內(nèi)生產(chǎn)廠家在相關(guān)領(lǐng)域取得了快速增長，相關(guān)設(shè)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(biāo)，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，任一角度定位工作臺(B軸功能)。適合工件的數(shù)面加工，只需一次安裝工件及調(diào)整，配置回轉(zhuǎn)式工作臺，定位精準(zhǔn)，確保各加工面之相互精度。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(dāng)代臥式鏜銑床與落地式銑鏜床技術(shù)發(fā)展非?？?，主要體現(xiàn)在設(shè)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(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸方向發(fā)展，落地式銑鏜床向滑枕式(無鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術(shù)發(fā)展的新趨勢 [5] 。
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手[6] 。
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(jié)構(gòu)是；機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的，隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動條件,解決勞動力不足等問題構(gòu)成。
機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[7] 。
在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用[8] 。
2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1 本課題的主要內(nèi)容:
(1）. 了解刀庫機械手升降機構(gòu)的性能要求；
（2）. 了解刀庫機械手升降機構(gòu)的工作原理，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析；
（3）. 設(shè)計指標(biāo)：液動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，帶動手架運動，通過減速和離合器吸合，絲杠制動，使手架準(zhǔn)確停在換刀位置。
(4）. 應(yīng)用CAD系統(tǒng)對系統(tǒng)零件和裝配建模和仿真。
2.2 擬采用的研究方案、研究方法:
2.2.1 數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)的設(shè)計
(1）數(shù)控臥式鏜銑床機構(gòu)總體設(shè)計
數(shù)控臥式鏜銑床的主軸是水平設(shè)置的,刀庫容量一般較大,有的刀庫可存放幾百把刀具,臥式加工的結(jié)構(gòu)比立式加工的要復(fù)雜,占地面積大,價格較高,臥式加工較適用于加工箱體類零件,特別對箱體零件上的一些孔和孔系,以及孔和型腔與基面有嚴(yán)格要求的箱體,容易得到保證,適合于批量加工.
臥式加工的功能較立式加工多，在立式加工上加工不了的工件，在臥式加工上一般都能加工[9] 。
圖1臥式加工的總體布局
(2)刀庫機械手設(shè)計
機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的,各部分關(guān)系如圖所示。
圖2機械手系統(tǒng)
圖2機械手系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)由手抓、裝卸刀手臂、滑座,橫梁和行走機構(gòu)等組成。機械手是自動換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫上的刀具送到主軸上，再把主軸上用過的刀具返回刀庫上的任務(wù)。自動換刀可分為有機械手換刀方式和無機械手換刀方式倆類。采用機械手進行換刀的方式應(yīng)用最為廣泛，因為機械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時間[10] 。
圖3機械手的換刀動作
機械手種類：
圖4單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手 圖5單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手
單臂單爪回轉(zhuǎn)式擁有刀庫換刀位置的刀座的軸線相平行的場合。
單臂雙爪回轉(zhuǎn)式有倆個卡爪，一個只執(zhí)行取走，一個執(zhí)行取回。
雙臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手可同時抓取刀庫及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180°后同時將刀具歸回刀庫及裝入主軸，是最常用的一種形式，換刀時間要比前倆種都短[11] 。
圖6雙臂回轉(zhuǎn)式機械手
（3）升降機構(gòu)的設(shè)計
圖7滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu)
從圖可知滾珠絲杠副就是指在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間,連續(xù)填滿滾珠作為中間體的螺旋傳動[12] 。其工作原理如上當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動時在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動同時滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運動。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出,在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置(返向器)4,構(gòu)成一個滾珠循環(huán)通道。借助于這個返回裝置,可以使?jié)L珠沿滾道面運動后,經(jīng)通道自動地返回到其工作的入口處,從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作。為了消除間隙和提高傳動精度及剛度滾珠螺母常由兩段組成[13] 。
圖8機械手升降機構(gòu)裝配圖[15]
2.2.2 刀庫機械手的運動分析
多自由度機械手是具有多個關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，為了描述末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)，可以在每個關(guān)節(jié)上建立一個坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系來描述末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。建立D-H坐標(biāo)系，用其次變換描述各個連桿相對于固定參考系的空間幾何關(guān)系，用一個4*4的其次變換矩陣描述相鄰倆連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出末端執(zhí)行器坐標(biāo)系，相對于基坐標(biāo)系的等價其次坐標(biāo)變換矩陣，建立操作臂的運動方程[17] 。
3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
本課題的重點和難點：在于設(shè)計方案和整體結(jié)構(gòu)特點的確定。
前期已開展的工作：目前已經(jīng)查找和閱讀了數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)大量期刊、書籍，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行了分析，對數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)有了初步了解,初步擬定了設(shè)計方案和整體的結(jié)構(gòu)。
4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）
（1）1—3周：調(diào)研并收集資料；
（2）3—6周：確定設(shè)計方案和整體結(jié)構(gòu)特點；
（3）7—9周：完成結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；
（4）9—12周：完成零件圖和裝配圖的繪制；
（5）12-15周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯。
5. 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6. 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
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畢業(yè)設(shè)計（論文）
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
題目：數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計與分析
系 別： 機電信息系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
2013年05月
數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計與分析
摘 要
數(shù)控臥式機床的發(fā)展與應(yīng)用，大大降低了零件的加工輔助時間，提高了生產(chǎn)效率。隨著數(shù)控機床的普及應(yīng)用，機械加工的自動化程度大大提高，數(shù)控機床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進的制造設(shè)備。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，可以實現(xiàn)按照預(yù)定程序?qū)ぜM行多工序加工。
數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的數(shù)字控制機床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側(cè)面的的多種工序的加工。數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)由液動機、滾珠絲杠副、減速齒輪、摩擦片式電磁離合器等構(gòu)成。了解刀庫機械手升降機構(gòu)的性能要求;了解刀庫機械手升降機構(gòu)的工作原理，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析;液動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，帶動手架運動，通過減速和離合器吸合，絲杠制動，使手架準(zhǔn)確停在換刀位置，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)刀庫中刀具的快速更換，提高機床的加工效率。
關(guān)鍵詞: 升降機構(gòu)；JCS-013數(shù)控鏜銑床；液動機；滾珠絲杠；手架；離合器；
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;
目錄
1 緒論 1
1.1數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)組成 1
1.2國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展 2
1.2.1國內(nèi)外數(shù)控臥式鏜銑床的現(xiàn)狀 2
1.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 5
1.3.1高速化、高精度化、高可靠性 5
1.3.2復(fù)合化 6
1.3.3智能化 6
1.3.4柔性化、集成化 6
2數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計 7
2.1 設(shè)計目的 7
2.2 設(shè)計內(nèi)容 7
2.3升降機構(gòu)的組成和運動 7
2.3.1升降機構(gòu)的組成 7
2.3.2 手架升降機構(gòu)的運動 8
3 升降機構(gòu)驅(qū)動電機 9
3.1 升降電機的選擇 9
3.1.1 升降電機的理論分析 9
3.1.2升降電機的選擇 10
3.2 電機調(diào)速 11
3.2.1 變頻調(diào)速原理 12
3.2.2變頻器選型時要確定以下幾點 12
4摩擦片式電磁離合器的選用 13
4.1轉(zhuǎn)矩特性 13
4.2動作特性 14
4.3散熱特性與壽命 14
4.4摩擦片式電磁離合器的測試方法 14
4.4.1靜力矩的測定 14
4.4.2動力矩的測定 14
4.4.3空轉(zhuǎn)力矩的測定 15
4.4.4殘留力矩及力矩消滅時間的測定 15
4.5選用電磁離合器的注意事項 16
5 滾珠絲杠副的選用 17
5.1滾珠絲杠副的工作原理 17
5.2滾珠絲杠副的類型 18
5.2.1外循環(huán) 18
5.2.2 內(nèi)循環(huán) 18
5.3滾珠絲杠副的傳動特點 19
5.4滾珠絲杠的選用指標(biāo) 19
5.5滾珠絲杠副的設(shè)計計算 20
5.6滾珠絲杠的保護 24
6 控制系統(tǒng) 25
6.1模擬式 25
6.2數(shù)字式 25
6.2.1行程開關(guān) 25
6.2.2接近開關(guān) 26
總 結(jié) 27
參 考 文 獻 28
致 謝 29
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 30
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 31
V
1 緒論
在車床、鏜床、銑床、插、拉床、磨床、數(shù)控加工中心、齒輪加工中心、切斷機床、特種加工機床、組合機床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機械加工設(shè)備中，鏜銑床加工特點：加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉(zhuǎn)動（主運動），在實踐中具有“萬能機床”的稱號。
鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預(yù)制孔的機床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)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(guān)的其他加工面的加工。
1.1數(shù)控鏜銑床的結(jié)構(gòu)組成
如圖1.1所示，數(shù)控機床主要由機床本體、自動換刀裝置、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、液壓油箱、數(shù)控電柜、主軸驅(qū)動調(diào)速控制柜、機床電氣柜、主軸箱潤滑冷卻用自動油溫調(diào)節(jié)器和空氣干燥器等組成。
1-電動機 2-換刀機械手 3-數(shù)控柜 4-刀庫 5-主軸箱 6-操作面板 7-電源柜 8-工作臺 9-滑座 10-床身
圖1.1數(shù)控機床示意圖
a. 機床本體 機床的本體是用來支撐機床的工作已達(dá)到加工生產(chǎn)目的。主要由床身和立柱組成。
b. 主軸結(jié)構(gòu) 主軸部件既要滿足精加工精度較高的要求，又要滿足粗加工時高效切削的能力。因此在旋轉(zhuǎn)精度、剛度、抗振性和熱變形等方面，都有很高的要求。在布局結(jié)構(gòu)方面，對于具有自動換刀功能的數(shù)控鏜銑床，其主軸部件除主軸、主軸軸承和傳動件等一般組成部分外，還有道具自動加緊、主軸自動準(zhǔn)停和主軸裝刀口吹凈等裝置。
c. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺 數(shù)控轉(zhuǎn)臺可以進行任意角度定位，它的功能有兩個：一是使工作臺進行圓周進給運動，二是使工作臺進行分度運動。
d. 換刀裝置 數(shù)控鏜銑床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件所引起的誤差，必須具有自動換刀裝置。其主要有刀庫、橫梁升降機構(gòu)、滑座伸縮機構(gòu)、手架回轉(zhuǎn)機構(gòu)、裝刀手和卸刀手組成。
e. 機床導(dǎo)軌 導(dǎo)軌主要用來支撐和引導(dǎo)運動部件沿一定的軌道運動。在導(dǎo)軌副中，運動的一方叫運動導(dǎo)軌，不運動的一方叫支撐導(dǎo)軌。運動導(dǎo)軌相對于支撐導(dǎo)軌的運動，通常是直線運動或回轉(zhuǎn)運動[1]。
1.2國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)種起著越來越重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。刀庫的功能是儲存刀具并把下一把即將要用的道具準(zhǔn)確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。完成此功能的機械包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動裝置則是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進電機或液壓（或氣液機構(gòu)）或凸輪機構(gòu)組成。機械手完成刀庫里的刀與主軸上的刀的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提高成產(chǎn)效率，改善勞動條件。所以數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減小多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。
1.2.1國內(nèi)外數(shù)控臥式鏜銑床的現(xiàn)狀
當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精度、自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨著電子、計算機技術(shù)的進步。國外數(shù)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(xiàn)在于機床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開發(fā)工作上，采用模塊化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計等現(xiàn)代化設(shè)計方法，在確保產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和技術(shù)水平的前提下，產(chǎn)品品種大量涌現(xiàn)，變型產(chǎn)品也越來越多，除可滿足市場的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟效益。一些科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動化機床，并已生產(chǎn)和研制出更高一級的現(xiàn)代化水平的設(shè)備，從而為實現(xiàn)無人化工廠奠定了基礎(chǔ)。國外數(shù)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(chǔ)，配以控制系統(tǒng)，而成為數(shù)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(guān)，獨立設(shè)計而成。很多機床公司都是由過去生產(chǎn)普通臥式鏜床轉(zhuǎn)而生產(chǎn)當(dāng)代的數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的。很多機床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥室機床，已將其擴散到發(fā)展中國家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進行大量的科學(xué)研究工作因而取得了較大技術(shù)和經(jīng)濟利益[2] 。
我國臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開始的。目前已有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(chǎn)量到1971年，已經(jīng)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(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)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(jù)國外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設(shè)計試制并采用一定先進技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無產(chǎn)階級大革命中，就有17個廠先后設(shè)計試制了三十一種臥式鏜床。其中直徑63毫米的有五種；直徑125毫米的有一種；無伸縮主軸簡易臥式鏜床有兩種；直徑160毫米落地鏜床有兩種，直徑200毫米的有一種，直徑250毫米的有一種 [3] 。國內(nèi)生產(chǎn)廠家在相關(guān)領(lǐng)域取得了快速增長，相關(guān)設(shè)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(biāo)，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，任一角度定位工作臺(B軸功能)。適合工件的數(shù)面加工，只需一次安裝工件及調(diào)整，配置回轉(zhuǎn)式工作臺，定位精準(zhǔn)，確保各加工面之相互精度。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(dāng)代臥式鏜銑床與落地式銑鏜床技術(shù)發(fā)展非?？欤饕w現(xiàn)在設(shè)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(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸方向發(fā)展，落地式銑鏜床向滑枕式(無鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術(shù)發(fā)展的新趨勢 [5] 。
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手[6] 。
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(jié)構(gòu)是；機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的，隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動條件,解決勞動力不足等問題構(gòu)成。
機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[7] 。
在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用[8] 。
升降機的發(fā)展階段升降機的發(fā)展階段升降機的發(fā)展階段升降機的發(fā)展階段對垂直運送的需求與人類的文明一樣久遠(yuǎn)，最早的升降機使用人力、畜力和水力來提升重量。升降裝置直到工業(yè)革命前都一直依靠這些基本的動力方式。 古希臘時，阿基米德開發(fā)了經(jīng)過改進的用繩子和滑輪操作的升降裝置，它用絞盤和杠桿把提升繩纏繞在繞線柱上。 公元80年，角斗士和野生動物乘坐原始的升降機到達(dá)羅馬大劇場中競技場的高度。 中世紀(jì)的紀(jì)錄包括無數(shù)拉升升降裝置的人和為孤立地點進行供給的圖案。其中最著名的是位于希臘的圣巴拉姆修道院的升降機。這個修道院位于距離地面大約61米高的山頂上，提升機使用籃子或者貨物網(wǎng)，運送人員與貨物上下。 1203年，位于法國海岸邊的一座修道院的升降機安裝于使用一個巨大的踏輪，由毛驢提供提升的動力，通過把繩子纏繞在一個巨大的柱子上，負(fù)重就被提升了起來。 18世紀(jì)，機械力開始被用于升降機的發(fā)展。 1743年，法國路易十五授權(quán)在凡爾賽的私人宮殿安裝使用平衡物的人員升降機。1833年，一種使用往復(fù)桿的系統(tǒng)在德國哈爾茨山脈地區(qū)升降礦工。 1835年，一種被稱為“絞盤機”的用皮帶牽引的升降機安裝在英國的一家工廠。 1846年，第一部工業(yè)用水壓式升降機出現(xiàn)。然后其他動力的升降裝置緊跟著很快出現(xiàn)了。 1854年，美國技工奧蒂斯發(fā)明了一個棘輪機械裝置，在紐約貿(mào)易展覽會上展示了安全升降機。 1889年，埃菲爾鐵塔建塔時安裝了以蒸汽為動力的升降機，后改用電梯。 1892年，智利阿斯蒂列羅山的升降設(shè)備建成，直到現(xiàn)在，15臺升降機仍然使用著110多年前的機械設(shè)備。液壓升降機廣泛適用于大型機械設(shè)備、汽車、集裝箱、模具制造，木材加工，化工灌裝等各類工業(yè)企業(yè)及生產(chǎn)流水線，滿足不同作業(yè)高度的升降需求，同時可配裝各類臺面形式(如滾珠、滾筒、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)向、傾翻、伸縮)，配合各種控制方式(分動、聯(lián)動、防爆)，具有升降平穩(wěn)準(zhǔn)確、頻繁啟動、載重量大等特點，有效解決工業(yè)企業(yè)中各類升降作業(yè)難點，使生產(chǎn)作業(yè)輕松自如。
1.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
1.3.1高速化、高精度化、高可靠性
質(zhì)量、效率是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。
高速化：（1）提高進給速度：采用直線滾珠式導(dǎo)軌等；（2）提高主軸轉(zhuǎn)速：采用直線電機技術(shù)，直接將電機與主軸連接成一體后，裝入主軸部件，可以在1.8秒從0加速到15000r/min。
高精度化：精密化石為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機床用戶對機床的加工精度的要求也越來越高。
高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上。
1.3.2復(fù)合化
數(shù)控機床的功能復(fù)合化得發(fā)展，以其復(fù)合加工實現(xiàn)了一次裝夾后完成各種復(fù)雜零件的全部加工，從而減少了不床造價值的輔助時間，提高了機床的效率和加工精度，降低了生產(chǎn)制造成本，提高了生產(chǎn)的柔性。復(fù)合功能的機床近年來發(fā)展很快的機種，其核心是在一臺機床上要完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔和擴孔等多種操作工序。
1.3.3智能化
智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中各方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化：如自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成等；為提高驅(qū)動性能的智能化，如：前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載、自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化；還有如職能化得自動編程、智能化得人機界面等，及智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維護等。
1.3.4柔性化、集成化
為適應(yīng)制造自動化的發(fā)展，向FMC FMS CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)控系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還能夠具備自動測量自動上、下料，自動換刀，自動誤差補償、自動診斷、進線和聯(lián)網(wǎng)功能，依據(jù)用戶的不同要求，可方便地靈活配置及集成[9]。
2 數(shù)控臥式鏜銑床刀庫機械手升降機構(gòu)設(shè)計
2.1設(shè)計目的
機械手升降機構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一個重要環(huán)節(jié)，是所學(xué)專業(yè)課程的一次綜合學(xué)習(xí)。通過設(shè)計提高學(xué)生的綜合能力、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。
通過設(shè)計，把有關(guān)課程中所獲得的理論知識在實際中綜合的運用，使這些知識的到鞏固和發(fā)展。
培養(yǎng)學(xué)生獨立設(shè)計的能力，樹立正確的設(shè)計思想，掌握設(shè)計的基本方法和步驟，為以后工作打下良好的基礎(chǔ)。
2.2設(shè)計內(nèi)容
a. 了解刀庫機械手升降機構(gòu)的性能要求；
b. 了解刀庫機械手升降機構(gòu)的工作原理，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析；
c. 設(shè)計指標(biāo)：液動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，帶動手架運動，通過減速和離合器吸合，絲杠制動，使手架準(zhǔn)確停在換刀位置；
d. 應(yīng)用CAD系統(tǒng)對系統(tǒng)零件和裝配的設(shè)計。
2.3升降機構(gòu)的組成和運動
2.3.1升降機構(gòu)的組成
升降機構(gòu)由液動機、滾珠絲杠、螺旋副間隙調(diào)整墊、導(dǎo)向柱、減速齒輪和無觸點行程開關(guān)等組成。刀庫由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上有15個刀套,刀庫能存放60把刀具如圖2.1所示。安裝刀套的四條鏈條由油馬達(dá)通過齒輪組帶動而同步轉(zhuǎn)動,找刀采用刀套編號方式。由于四排刀套鏈中，每排刀套
動在一排內(nèi)選刀。升降機構(gòu)的作用是：在給定的程序指令下，完成手架的升降，位置一一對應(yīng)，因此找刀是由兩部分運動來實現(xiàn)，即手架升降找刀排，刀鏈轉(zhuǎn)使得手架在四個換刀位置準(zhǔn)確的換刀。
圖 2.1自動換刀裝置
2.3.2 手架升降機構(gòu)的運動
當(dāng)接受使手架升降(找刀排)指今后，升降電機1帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，滑座就作升降運動，使其上的手架帶動裝刀手和卸刀手一同作升降運動。因刀庫有四排刀排，所以滑座應(yīng)上下移動3X420毫米的距離。手架上下運動到接近所選刀徘位置時，其上帶的懸臂感應(yīng)塊，使無觸點行程開關(guān)發(fā)信號，控制滑座升降的電機減速，使滑座減速。當(dāng)?shù)竭_(dá)所選刀排所要求誰確定位時，裝在減速齒輪傳動軸上的感應(yīng)塊使無觸點行程開關(guān)發(fā)信號，切斷滑座升降電機電源，電磁離合器吸合，電機停轉(zhuǎn)，滑座(即手架)停在所規(guī)定的位置上。導(dǎo)向柱除起導(dǎo)向作用外，還使?jié)L珠絲杠在傳動小，免受滑座及手架、裝卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降運動平穩(wěn)可靠。滾珠絲杠和螺母間的間隙，可修磨調(diào)整墊的厚度進行調(diào)節(jié)[10]
3.1 升降電機的選擇
3.1.1 升降電機的理論分析
電機拖動機構(gòu)受力分析如圖3.1所示：
圖3.1機械手升降電機受力分析（ M表示機械手自重，m表示爪重）
當(dāng)手抓接到上升找刀排的指令后，電動機帶動滾珠絲杠向使手抓上升的方向轉(zhuǎn)動，帶動手抓上升到接近所選刀排位置時，手臂支架上的感應(yīng)塊，使刀庫上與刀排位置相應(yīng)的無觸點開關(guān)發(fā)出訊號，電動機變速，手架隨之減速，裝在訊號盤上的定位塊轉(zhuǎn)到使訊號開關(guān)同時發(fā)出訊號時，電動機停轉(zhuǎn)，摩擦片式離合器吸合，絲杠制動，手抓準(zhǔn)確地停在預(yù)定的換刀位置上。手架下降找刀排過程與上升情況基本相同，只是電動機帶動絲杠時旋轉(zhuǎn)的方向相反。
分析電機的運行過程可知，電機工作時間比較短，而停機時間比較長，屬于短時工作制的電機。所以機械手升降機構(gòu)的電機工作特點是：工作時溫升達(dá)不到最高值，而停車時可完全冷卻到周圍環(huán)境溫度，如圖3.2所示。由于發(fā)熱情況與長期連續(xù)工作方式的電機不同，所以，電動機的選擇也不一樣，即可選擇專用短時工作的電機，也可選擇連續(xù)工作制的普通電機[11]。
通過傳動過程的受力分析可知，如圖3.1。電機的負(fù)載為恒定負(fù)載，電機的輸出功率分為兩部分，一部分通過齒輪減速傳遞給制動器。另外一部分通過絲杠傳遞給手抓。忽略導(dǎo)向柱摩擦力引起的功率損失可用公如下公式表達(dá)：
P電=P制 + P手抓 （3.1）
P電為電機理論輸出功率。P手抓為手抓理論輸入功率。P制為制動器理論輸入功率。由于制動器的輸入功率相比手抓理論輸入功率很小，所以可忽略不記。于是：
P電=P手抓 （3.2）
對于負(fù)載功率PL恒定不變的成產(chǎn)機械，拖動這類機械的電動機在短時運行時的負(fù)載圖及溫升曲線如圖3所示。為這類工作機械選擇電動機時，只需按設(shè)計手冊中的計算公式算出負(fù)載所需輸入功率PW，再選擇一臺額定功率為
PN≥PW （3.3）
的電機即可。
圖3.2恒定負(fù)載短時工作的負(fù)載圖及溫升圖
3.1.2升降電機的選擇
電動機所需的輸出功率為：
Pn = （3.4）
PW為工作機械所要求的輸入功率（Kw）；η為電動機至工作機的總效率。
由于機械手升降機的電動機是通過間連接直接傳遞到工作機的，所以η=1;于是：
Pn=PW （3.5）
工作機要求輸入功率根據(jù)機械設(shè)計手冊可查到計算公式：
PW = （3.6）
F為工作機的阻力；v為升降機構(gòu)的上升速度；ηw 為工作機的效率。
查表知，v=250mm/s；
根據(jù)受力分析圖3.1知：
F=(M+m)g=(22Kg+20Kg)x10N/Kg=420N;
工作機的傳動機構(gòu)中包括一對球軸承運動副和一個滾珠絲杠副，查機械手冊可知球軸承的傳動效率
ηQ=0.99；
滾珠絲杠副的傳動效率
ηG=0.85~0.95；
選擇ηG=0.85；
則：ηw=ηQxηG=0.99x0.85=0.8415；
把數(shù)據(jù)帶入式3.5可得工作機要求輸入功率為：
PW = ==0.125Kw；
根據(jù)式3.4電機的理論輸出功率
Pn=PW=0.125Kw；
根據(jù)式3.3選用電機的額定功率PN≥0.125Kw即可。
由于滾珠絲杠的導(dǎo)程選擇為10；根據(jù)導(dǎo)程公式：
Ph= （3.7）
vmax=250mm/s；按照機械手冊表12-1-14，取Ph=10；可推算出：
nmax= ==25r/s=1500r/min （3.8）
由以上分析可選擇一個功率大于0.36kW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的三相異步電機。按機械設(shè)計手冊表17-1-35，選取型號為Y801-4的三相異步電動機?；緟?shù)如表所示。
表3.1
型號
額定
功率/（kW）
同步
轉(zhuǎn)速
/rmin-1
滿載時
額定電流
/A
轉(zhuǎn)速
/rmin-1
效率
/%
功率
因數(shù)
Y801-4
0.55
1500
1.5
1390
73.0
0.76
3.2 電機調(diào)速
三相異步電機的調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速。
變頻調(diào)速的機械特性如圖3所示。異步電動機的轉(zhuǎn)速正比于定子電源的頻率f，若連續(xù)的調(diào)節(jié)定子電源頻率，即可實現(xiàn)連續(xù)地改變電動機的轉(zhuǎn)速。
圖3.3 三相異步電機變頻調(diào)速認(rèn)為機械特性
3.2.1 變頻調(diào)速原理
所謂變頻調(diào)速，就是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過程中，從高速刀低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而，具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能?？梢哉J(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動機調(diào)速最有發(fā)展前途的一種方法。
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率[12]。
3.2.2變頻器選型時要確定以下幾點
a. 采用變頻的目的：恒壓控制或恒流控制等。
b. 變頻器的負(fù)載類型：如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法。
c . 變頻器與負(fù)載的匹配問題：
（1）電壓匹配：變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。
（2）電流匹配：普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。
（3）轉(zhuǎn)矩匹配：這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時有可能發(fā)生。
d. 在使用變頻器驅(qū)動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。
e. 變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。
f. 對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。電磁離合器是實現(xiàn)設(shè)備自動化控制的主要執(zhí)行元件之一,可在原動機不中斷旋轉(zhuǎn)的情況下控制傳動系統(tǒng)。如機床主軸的自動起動、停止(制動)、反向、變速、定位和進給系統(tǒng)中的切換等。加之電磁離合器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、消耗功率小及操作方便等,在現(xiàn)代技術(shù)中被廣泛應(yīng)用[13]
4 摩擦片式電磁離合器的選用
4.1轉(zhuǎn)矩特性
摩擦轉(zhuǎn)矩有靜摩擦轉(zhuǎn)矩和動摩擦轉(zhuǎn)矩,是選擇離合器的基本參數(shù)。靜轉(zhuǎn)矩是離合器處于勵磁狀態(tài),內(nèi)、外摩擦片間無相對滑動,自主動側(cè)傳遞到從動側(cè)的最大轉(zhuǎn)矩。動轉(zhuǎn)矩是離合器處于勵磁狀態(tài),內(nèi)、外摩擦片間有相對滑動,自主動側(cè)傳遞到從動側(cè)的轉(zhuǎn)矩。選擇時應(yīng)使機器運轉(zhuǎn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以安全系數(shù)小于公稱靜轉(zhuǎn)矩;連接時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩加上加速轉(zhuǎn)矩乘以安全系數(shù)小于公稱動轉(zhuǎn)矩。濕式的靜摩擦轉(zhuǎn)矩約為動摩擦轉(zhuǎn)矩的2倍,而干式的大致相同。離合器處于非勵磁狀態(tài),主動側(cè)旋轉(zhuǎn),自主動側(cè)傳遞到從動側(cè)的轉(zhuǎn)矩稱為空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。干式的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一般很小,可忽略不計。濕式由于存在潤滑油,其黏度是引起空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的主要原因。從切斷電流到發(fā)生空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的一段過渡狀態(tài)中,離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩稱為殘留轉(zhuǎn)矩。無論是濕式還是干式離合器,在勵磁電流切斷后由于磁滯現(xiàn)象,磁力不能馬上消失,是造成殘留轉(zhuǎn)矩的主要因素。潤滑油的黏度和表面張力是另一因素。后一因素對干式的影響不太顯著,濕式離合器殘留轉(zhuǎn)矩的持續(xù)時間比干式離合器長得多,這段時間的長短將隨離合器的構(gòu)造、供油條件等因素而變化。轉(zhuǎn)速愈低,殘留時間愈長。空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和殘留轉(zhuǎn)矩都將使離合器的負(fù)載不能脫開而引起發(fā)熱,應(yīng)當(dāng)愈小愈好。
4.2動作特性
當(dāng)開關(guān)接通時,由于線圈中存在電阻和電感,電流隨時間呈指數(shù)曲線上升,達(dá)到一定值時,銜鐵被吸動。此時磁路中的間隙突然變小,阻抗隨之降低,使電器回路中的電感急劇增加,電流相應(yīng)有一波動。當(dāng)銜鐵將摩擦片壓緊時,開始傳遞轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩隨電流增加而增大,當(dāng)滑差為0時轉(zhuǎn)矩增至最大。連接過程終止時達(dá)到靜摩擦轉(zhuǎn)矩值。電磁離合器的動作特性參數(shù)主要有: 銜鐵吸引時間,即從離合器線圈通電開始到產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩所需的時間;!接通時間,即從離合器線圈通電開始到轉(zhuǎn)矩上升至80%公稱動轉(zhuǎn)矩所需的時間;?斷開時間,即從離合器線圈斷電開始到轉(zhuǎn)矩下降至10%公稱動轉(zhuǎn)矩所需的時間
4.3散熱特性與壽命
離合器在摩擦片連接時會發(fā)熱磨損甚至燒損,因此要有一定的散熱能力。該參數(shù)的大小主要取決于摩擦材料的容許摩擦功。如果離合器連接部分溫升過高,將使線圈、集流環(huán)、軸承的溫度升高,絕緣線圈的溫升極限決定于絕緣材料的耐熱等級,標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定。離合器的壽命是以摩擦片磨損不能正常工作之前所離合的次數(shù)來表示。濕式多片電磁離合器的正常壽命一般規(guī)定為(50~160)×1000次
4.4摩擦片式電磁離合器的測試方法
4.4.1靜力矩的測定
首先把離合器被動側(cè)固定,通入額定勵磁電流,使主動側(cè)與被動側(cè)在靜止?fàn)顟B(tài)下完全連接。然后在主動側(cè)施加一定力矩,測出離合器滑移開始前的力矩,即靜摩擦力矩。力矩的測定常用彈簧秤或測力傳感器。
4.4.2動力矩的測定
在原動機輸出軸上裝上測定裝置的離合器,該離合器被動部分的輸出軸裝一飛輪,在同一輸出軸的端部裝被測離合器的聯(lián)結(jié)或磁軛,被測離合器的被動側(cè)與機架固定。力矩變換器和轉(zhuǎn)速表均裝在輸出軸上,并將轉(zhuǎn)速、力矩和被測離合器的電壓飛電流等訊號接到示波器上。測定步驟如下:先接通試驗裝置用的離合器,然后起動原動機,此時飛輪和被測離合器的主動側(cè)上升到規(guī)定轉(zhuǎn)速,待穩(wěn)定后測出轉(zhuǎn)速。這時將試驗裝置用的離合器電源切斷,同時接通被測離合器電源,產(chǎn)生制動力矩,并將試驗裝置用的離合器被動側(cè)、飛輪、被測離合器的主動側(cè)均制動停止。這時所發(fā)生的力矩,用力矩變換器測出。被測離合器的電壓、電流、轉(zhuǎn)速的變化同時用示波器記錄。由力矩定標(biāo)曲線讀出動力矩值,也可由示波器得到制動的時間按下式算出動摩擦力矩Md[2]。
式中:Md為動力矩,Nm;GD2為被動側(cè)飛輪的慣性質(zhì)量,Nm2;N為飛輪轉(zhuǎn)速,rad/min;t1為動力矩上升時間,s;t2為動力矩達(dá)到最大值的穩(wěn)定時間,s;Mm為摩擦阻力矩,Mm=GD2n/375t；t為從飛輪的初始轉(zhuǎn)速帶靜止所經(jīng)歷的時間。
4.4.3空轉(zhuǎn)力矩的測定
在試架中裝上被測離合器,但不接通,使離合器從動側(cè)與機架固定,其方法與測定Mm相同,從而用下式求出空轉(zhuǎn)力矩[2]。
式中:t?為未裝被測離合器時飛輪的停車時間,s;t%為已裝上被測離合器時飛輪的停車時間,s。
4.4.4殘留力矩及力矩消滅時間的測定
先將離合器被動側(cè)固定,接通電源,則主動側(cè)與被動側(cè)在靜止?fàn)顟B(tài)下完全連結(jié)。然后在主動側(cè)加上任意力矩,使離合器被動側(cè)承受某一轉(zhuǎn)矩,并在示波器上示出。之后,切斷離合器電源,離合器被動側(cè)的力矩衰減過程由力矩變換器送到示波器上記錄。測定力矩消滅時間:在離合器主動側(cè)加上100%的額定力矩下切斷電源后,其力矩衰減到10%的額定力矩所需的時間,即為力矩消滅時間。額定摩擦力矩,對濕式離合器是動力矩,對干式離合器則是靜力矩
4.5選用電磁離合器的注意事項
a. 應(yīng)根據(jù)機器運轉(zhuǎn)的慣性與負(fù)載力矩來選擇離合器的動力矩和靜力矩。為保證離合器在工作中使用正常,還要求摩擦式電磁離合器一次接合功的發(fā)熱量和連續(xù)工作1h的發(fā)熱量不超過允許值。用在變速裝置中的離合器,要考慮發(fā)熱與散熱問題。發(fā)熱的主要原因除連接功外,還有空轉(zhuǎn)力矩,線圈熱損耗和其它機械損耗等。這些熱量都發(fā)生在密閉的齒輪箱中,因而引起溫度上升。在裝有幾個離合器的場合,必須對每個離合器的起動、變速、空轉(zhuǎn)、停止的循環(huán)時間加以了解,從而了解發(fā)熱的主要原因。在高頻度使用場合,連接功損耗將占很大比例,而在高速回轉(zhuǎn)場合,空轉(zhuǎn)損耗將占很大比例。齒輪箱的設(shè)計過于緊湊、散熱面積小也會使溫升上升,因此,對發(fā)熱和散熱條件要綜合考慮?？傊?要盡量抑制產(chǎn)生發(fā)熱的條件,根據(jù)最大發(fā)熱條件,使油的溫升不超過允許值,來計算供油量、油池儲油量和箱體散熱面積。通常油溫控制在60&以下,若使用中,油溫超過100&,則摩擦片的磨損就相當(dāng)嚴(yán)重,應(yīng)盡量避免。
b. 電磁離合器主要應(yīng)用在機床主傳動系統(tǒng)中,采用傳遞負(fù)載力矩。為保證切削正常工作,離合器的靜力矩應(yīng)稍大于電動機的力矩折算到離合器軸上的最大力矩。否則,過載時會造成電磁離合器長時間打滑而燒壞。
c. 在進給傳動系統(tǒng)中選用電磁離合器時,應(yīng)以動作的可靠性、靈敏度及運動轉(zhuǎn)換時間為主要依據(jù)。
d. 在切削負(fù)載下進行變速,離合器接合時的動作靈敏度總是比脫開時差。從高速降到低速時,離合器動力矩和負(fù)載力矩共同克服傳動系統(tǒng)中的慣性負(fù)載,實現(xiàn)變速。由低速升到高速時,離合器力矩在克服負(fù)載力矩后才能加速慣性負(fù)載。因此離合器負(fù)載變速時,從高速變向低速易于實現(xiàn),從低速變向高速時,難以實現(xiàn)。如果離合器力矩選的不夠大,則會造成負(fù)載變速時丟轉(zhuǎn)悶車現(xiàn)象[14]。
5 滾珠絲杠副的選用
為了減小絲杠傳動副的摩擦和提高傳動效率，早在本20世紀(jì)四十年代國外已采用了以滾動摩擦代替滑動摩擦的原理，即簡稱“滾化”原理，而發(fā)明了滾珠絲杠副這種先進的新型傳動機構(gòu)。所以，滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以滾珠為滾動體螺旋傳動元件。
對于滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)上最明顯的特征是：構(gòu)件間的可動聯(lián)接通常不是借助于運動副本身，而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件之間利用中間元件(滾珠)來實現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動軸承相類似，它們都是借助于滾珠來實現(xiàn)構(gòu)件的可動連接的。滾珠絲杠副主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動[16]。
5.1滾珠絲杠副的工作原理
如前所地滾珠絲柱副是在絲桿和螺母之間放入適量滾珠；使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的絲杠傳功。滾珠絲杠副在機械傳動中的作用，同樣是可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動．也可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況，其傳動方式也是多種多樣的。
滾珠絲杠副一般是由絲杠1、螺母2、滾珠(鋼球)3及滾珠循環(huán)返回裝置4，四個部分組成(圖5.1所示)。
（a）滾珠外循環(huán)式；(b)滾珠內(nèi)循環(huán)式。
圖5.1滾珠絲杠副基本結(jié)構(gòu)
從圖5.1可知，滾珠絲杠副就是指在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間，連續(xù)填滿滾珠作為中間體的螺旋傳動。其工作原理如下：當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動時在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動同時滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運動。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置(返向器)4，構(gòu)成一個滾珠循環(huán)通道。借助于這個返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運動后，經(jīng)通道自動地返回到其工作的入口處，從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作。為了消除間隙和提高傳動精度及剛度，滾珠螺母常由兩段組成。
5.2滾珠絲杠副的類型
常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。
5.2.1外循環(huán)
外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。端蓋式，在螺母上加工一縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開有滾珠的回程口，滾珠由此進入回程管，形成循環(huán)。插管式，它用彎管作為返回管道，這種結(jié)構(gòu)工藝性好，但是由于管道突出螺母體外，徑向尺寸較大。螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復(fù)雜。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。
5.2.2 內(nèi)循環(huán)
內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對準(zhǔn)螺紋滾道方向。扁圓鑲塊反向器，反向器為一般圓頭平鍵鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽，用鑲塊的外輪廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。
5.3滾珠絲杠副的傳動特點
由上述工作原理可知，滾珠絲杠副與滑動絲杠副比較，它以滾動摩擦代替了滑動摩擦，因此，具有以下特點。
a. 摩擦損失小、傳動效率高
由于滾動絲杠副的摩擦損失小，其傳動效率可達(dá)90一96％，約為滑動螺旋機構(gòu)效率的2—3倍。
b. 磨損小、壽命長
通常，滾珠絲杠副的主要零件、如絲杠、螺母及滾珠都是經(jīng)過淬火的，并有很低的表面粗糙度；而且滾動摩擦的損失很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作壽命長。
c. 軸向剛度高
由于滾珠絲杠副可以完全地消除傳動間隙，而不致影響絲杠運動的靈活性，因而可以獲得較高的軸向剛度。通常，可以通過預(yù)緊來提高鈾向剛度。
d. 摩擦阻力小、運動平穩(wěn)
由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差極小，其摩擦阻力幾乎與速度無關(guān)，而且靜止摩擦力極小，啟動力矩與運動力矩近于相等。因而靈敏度高，運動較平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速傳動時無爬行現(xiàn)象。
e. 不能自鎖、具有傳動的可逆性
由于滾珠絲杠副沒有自鎖能力，故具有傳動的可逆性。當(dāng)它垂直升降傳動系統(tǒng)時必須增設(shè)自鎖裝置或制動裝置，以防止產(chǎn)生逆?zhèn)鲃印?
由于滾珠絲杠副具有上述優(yōu)點，所以它日益廣泛地應(yīng)用于精密機械、機床、汽車、船舶、火炮、航空、航天和紡織等工業(yè)部門。但是，與滑動絲杠副相比，滾珠絲杠副尚存在如下的缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝難度大，成本高[17]。
5.4滾珠絲杠的選用指標(biāo)
對于滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)上最明顯的特征是：構(gòu)件間的可動聯(lián)接通常不是借助于運動副本身，而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件之間利用中間元件(滾珠)來實現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動軸承相類似，它們都是借助于滾珠來實現(xiàn)構(gòu)件的可動連接的。滾珠絲杠副主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。
對于滾珠絲杠副，其結(jié)構(gòu)上最明顯的特征是：構(gòu)件間的可動聯(lián)接通常不是借助于運動副本身，而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件之間利用中間元件(滾珠)來實現(xiàn)的。
螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。 絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應(yīng)
用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標(biāo)：
a. 滾珠絲杠的精度等級；
b. 滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；
c. 載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值；
d. 滾珠絲杠的工作壽命；
e. 滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速；
f. 滾珠絲杠的剛度；
減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預(yù)加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過工作載荷的1/3。
5.5滾珠絲杠副的設(shè)計計算
（1）初算導(dǎo)程Ph
由機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（1）
Ph= = = =10mm （5.1）
按機械手設(shè)計手冊表12-1-14，取Ph=10mm。
（2）確定當(dāng)量載荷Fm
（5.2）
由于升降機的載荷是恒定的，所以：
Fm=(M+m)g=(100+20)kg × 10N/kg=1200N （5.3）
(3) 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm
由于機械手升降機的轉(zhuǎn)速基本也是恒定的，故：
nm=1500r/min
(4) 確定額定動載荷Cam
（5.4）
fw為載荷性質(zhì)系數(shù)，按機械設(shè)計手冊表12-1-43選擇
fw=1.1；
Lh為預(yù)期工作壽命，按機械設(shè)計手冊表12-1-45選擇
Lh=20000小時
fa為精度系數(shù)，按機械設(shè)計手冊表12-1-41選取
fa=0.8
fc為可靠性系數(shù)，按機械設(shè)計手冊表12-1-42選擇
fc=0.21。
把數(shù)據(jù)帶入公式（4.4）
Cam=33.5kN
擬采用中預(yù)緊絲杠，由表12-1-44取fe=4.5，按最大載荷計算，機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（7）可得
取C’am與C’’am交大值，則Cam=15.9kN。
(5)確定允許的最小螺紋底徑d2m
估算絲杠允許的最大軸向變形：
由機械設(shè)計手冊表12-1-40中式 （8）
（5.5）
由機械設(shè)計手冊表12-1-40中式 （9）
（5.6）
取兩結(jié)果最小值
按機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（11）
（5.7）
由于升降機不受徑向力，所以W=0；即 F‘0=0 。升降機只有軸向載荷
即
可取L=1580mm。
絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式Q=0.039代入機械設(shè)計手冊表12-1-40式（10）
（5.8）
（6）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號
內(nèi)循環(huán)固定法蘭式，雙螺母墊片預(yù)緊G型4010-4。由表12-1-33知d0=40mm，d2=32.9mm>d2m=20.0mm，Ca=34.358kN>Cam=33.5kN ，Coa=85.824kN，Dw=5.953mm，R’nu=486N/微米。由表12-1-33中查出螺母長為94mm，同時選定JB/T 3162推薦的固定軸端型式，d0=40mm，采用一個角接觸球軸承和推力球軸承，從表12-1-26中可查出一個支承長度69mm。
（7）Dn值校驗
按表12-1-40中式（12）
合格。
（8）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
按機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（13）
（5.9）
取 FP=150N。
（9）計算行程補償值C
按機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（14），取Δt=2.5℃,
（5.10）
取lu=1400mm，則
（5.11）
（10）計算預(yù)拉伸力Ft
由表機械設(shè)計手冊12-1-40中式（15）
（5.12）
(11) 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速nc的計算
按機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（16），按機械設(shè)計手冊表12-1-47,f=21.9
（5.12）
則
（5.13）
合格。
（12）滾珠絲杠壓感穩(wěn)定性驗算
由于升降機絲杠最大軸向載荷P=200N小于絲杠之預(yù)拉伸力Ft=5276.7絲杠不會受壓失穩(wěn)，不用驗算。
按機械設(shè)計手冊表12-1-40中式（
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