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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
題目：數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
系 別 機(jī)電信息系
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
導(dǎo) 師
2013年 3 月 20 日
1.設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r :
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是了解刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的性能要求，了解刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，從一開(kāi)始拿到任務(wù)書(shū)正式開(kāi)始畢業(yè)設(shè)計(jì)以來(lái)，按照任務(wù)書(shū)的要求，我的工作進(jìn)展還較為順利。至今為止，通過(guò)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(duì)課題的分析，對(duì)升降機(jī)構(gòu)的裝配圖有了認(rèn)識(shí)，并提出了自己的方案，完成了開(kāi)題報(bào)告和對(duì)外文文獻(xiàn)的翻譯，對(duì)升降機(jī)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)。
圖1 升降機(jī)構(gòu)
自動(dòng)換刀機(jī)械手由升降絲杠1、滑座2、橫梁3、液動(dòng)機(jī)4、裝刀手5、手架6、卸刀手7組成并與刀庫(kù)8（由四排帶刀套的鏈條組成，每條鏈條上均有15個(gè)刀套）組成自動(dòng)換刀裝置。
升降機(jī)構(gòu)由液動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、螺旋副間隙調(diào)整墊、導(dǎo)向柱、減速齒輪和無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)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(jìn)到液動(dòng)機(jī)中,液動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),使手架帶著裝、卸刀手升降。因刀庫(kù)有四排刀排,手架可上下移動(dòng)3*420毫米的距離,當(dāng)手架上下運(yùn)動(dòng)接近所選刀排位置時(shí),其上的懸臂感應(yīng)塊使安裝在刀排相應(yīng)位置的無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)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(shí),裝在減速齒輪上的感應(yīng)塊無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)(12XK或20XK)發(fā)信,切斷手架升降油路, 液動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),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(lái)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(dòng)中免受彎曲力距的作用,使手架升降運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。
圖2 機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)裝配圖
數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)由液動(dòng)機(jī),滾珠絲杠副，手架，減速離合器2，減速齒輪,訊號(hào)盤(pán)3,訊號(hào)開(kāi)關(guān)5導(dǎo)向柱6等組成。
2.存在問(wèn)題及解決措施:
由于畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)，很多在大一、大二學(xué)習(xí)的知識(shí)由于很久沒(méi)有接觸造成了這些知識(shí)的模糊甚至淡忘，所以在某些細(xì)節(jié)方面總是會(huì)有多多少少的問(wèn)題，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的麻煩。下面是我設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及解決方案。
問(wèn)題(1)：液動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，那么滾珠絲杠副的工作原理是什么？
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)翻閱大量資料，我首先想到的是看圖冊(cè)，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(dòng)。其工作原理如上當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動(dòng)同時(shí)滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運(yùn)動(dòng)。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(gè)滾珠循環(huán)通道。借助于這個(gè)返回裝置,可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后,經(jīng)通道自動(dòng)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(dòng)精度及剛度滾珠螺母常由兩段組成。
問(wèn)題(2)：刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的性能要求是什么？
目前知道了刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的工作原理,但對(duì)它的性能要求不了解,正在翻閱資料,以便之后對(duì)它進(jìn)行計(jì)算分析。
問(wèn)題(3)：升降機(jī)構(gòu)中電機(jī)是如何受力的？
當(dāng)手抓接到上升找刀排的指令后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠向使手抓上升的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手抓上升到接近所選刀排位置時(shí)，手臂支架上的感應(yīng)塊，使刀庫(kù)上與刀排位置相應(yīng)的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)發(fā)出訊號(hào)，電動(dòng)機(jī)變速，手架隨之減速，裝在訊號(hào)盤(pán)上的定位塊轉(zhuǎn)到使訊號(hào)開(kāi)關(guān)同時(shí)發(fā)出訊號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，摩擦片式離合器吸合，絲杠制動(dòng)，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(guò)程與上升情況基本相同，只是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠時(shí)旋轉(zhuǎn)的方向相反。
問(wèn)題四：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析？
在設(shè)計(jì)中，不知道用哪些計(jì)算公式來(lái)計(jì)算升降機(jī)構(gòu)，正在網(wǎng)上查閱相關(guān)文獻(xiàn)，來(lái)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)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(jì)并計(jì)算；
(3)．12—13周: 根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)以及所選機(jī)構(gòu)畫(huà)出零件圖和裝配圖；
(4)．13—14周: 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(chē)升降機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
清華大學(xué)精密儀器和機(jī)械學(xué)部門(mén), 100084, 北京,中國(guó)
文章歷史:
2010年6月17收到題目,2010年8月3日開(kāi)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(chē),空間多連桿機(jī)構(gòu),連桿
摘要:
在物流中叉車(chē)是一種最重要的工具。然而,一個(gè)叉車(chē)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(chē)的重量,從而降低了燃油經(jīng)濟(jì)性。因此,本文主要對(duì)叉車(chē)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先,提議一個(gè)空間多連桿升降機(jī)構(gòu)。然后,根據(jù)約束條件、流動(dòng)性、在理論上研究了叉架。最后,確定升降機(jī)構(gòu),在計(jì)算機(jī)上模擬,證明運(yùn)動(dòng)的可行性。此多連桿式升降機(jī)構(gòu)利用了靈活的電纜驅(qū)動(dòng)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(chē)重量,因此提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。
1. 介紹：
叉車(chē)通常用于火車(chē)站、倉(cāng)庫(kù)、港口和工廠裝卸與運(yùn)輸。叉車(chē)由底盤(pán)和工作裝置組成,可傾斜吊和垂直吊。然而,一般的叉車(chē)有以下主要缺點(diǎn)。首先,桅桿系統(tǒng)由幾個(gè)大組件組成且在司機(jī)前面,將嚴(yán)重影響司機(jī)的視野。許多叉車(chē)碰撞行人的事故本質(zhì)上都是由于可見(jiàn)性[1、2]。此外,在支持負(fù)載和指導(dǎo)叉架垂直提升時(shí),桅桿系統(tǒng)扮演一個(gè)重要的角色,所以它的強(qiáng)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(fèi)。
擴(kuò)大駕駛員的視野一直是一個(gè)重要的研究項(xiàng)目。一些類(lèi)型的叉車(chē)已經(jīng)通過(guò)改變桅桿[2、3],而加大了司機(jī)的視野范圍,而其他的利用視覺(jué)制導(dǎo)方法空間操作[4]或計(jì)算機(jī)指導(dǎo)[5,6]加大視野范圍。這些叉車(chē)司機(jī)有更好的視野,但是對(duì)于通用桅桿結(jié)構(gòu)的不足和自重問(wèn)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(diǎn)考慮叉車(chē)升降機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。先提出一個(gè)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,然后確定他的可行性,最后確定方案.這種機(jī)制不僅擴(kuò)展了司機(jī)的視野,也減少了車(chē)輛的重量。
2. 機(jī)構(gòu)的提升:
眾所周知,三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)鏈接,生成平面運(yùn)動(dòng)。假設(shè)兩個(gè)這樣的平面以非零的角度放置,如圖1。兩端的兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)都與同一剛體連接并轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。連桿1是基礎(chǔ)，連桿4是連桿1通過(guò)兩個(gè)平行的連桿機(jī)構(gòu)ABC和DEF從而傳遞運(yùn)動(dòng)。很容易發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)之間有很緊密的聯(lián)系。因此,剛體4必須平行于倆個(gè)連桿機(jī)構(gòu)所在的平面α和β。即剛體4只能是直的。
機(jī)制和機(jī)理論45(2010)1892 – 1896
圖1空間多連桿結(jié)構(gòu)
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種常見(jiàn)的開(kāi)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(jī)構(gòu)中,死點(diǎn)是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。為了提高穩(wěn)定性,避免死點(diǎn),本文取代了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)鏈,是由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)副組成, 可以在沒(méi)有死點(diǎn)的前提下生成平面運(yùn)動(dòng)。
假設(shè)兩個(gè)垂直平面,滑塊及運(yùn)動(dòng)鏈位于與縱向?qū)ΨQ(chēng)的平面內(nèi)。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈如圖2。
對(duì)空間多連桿升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原則進(jìn)行理論分析。研究叉架的自由度,可以建立一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系,來(lái)確定A和D對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),A和D的交點(diǎn)為原點(diǎn),軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副a為x軸 .坐標(biāo)系如圖3。
假設(shè)軸對(duì)D的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)角用θ(0°bθb180°)表示。每個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)運(yùn)動(dòng)副、一連桿和滑道。連桿和滑道都連接在一個(gè)運(yùn)動(dòng)副中，叉架有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。在這個(gè)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(gè)垂直平面中添加另一個(gè)類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)鏈可以提高強(qiáng)度和剛度。在該滑塊的位置,連接叉架和叉車(chē)底盤(pán)，與此同時(shí),上下運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)沁B接約束棒的。隨著軌道的上下運(yùn)動(dòng),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(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是平行的,所以研究D和F對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。A和C對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用s1 =（1 0 0）T表示, D和F對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用s2 =（cosφ sinφ 0）T表示, B對(duì)矢量方向的位移用s3 =（0 yc zc）T表示，E對(duì)矢量方向的位移用s4 =（xF?bcosφ yF? bsinφ zF）T表示。
1894 j- y wang etal。/機(jī)制和機(jī)理論45(2010)1892 - 1896
圖2升降機(jī)構(gòu)
1叉;2叉架;3擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)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$是一個(gè)螺旋矩陣,$τ是終端約束螺旋。
ABC是這個(gè)運(yùn)動(dòng)螺旋矩陣的一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)模擬升降機(jī)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(yùn)動(dòng)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(gè)自由度,即叉架為一條直線。在此約束下的升降機(jī)構(gòu)中，叉架垂直于地面。
3. 實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu):
在計(jì)算機(jī)上模擬叉車(chē)升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。如上所述, 升降機(jī)構(gòu)的軌跡和叉架在一條直線上。在不影響司機(jī)視野的前提下,為了提升貨物可以使用錨機(jī)和軟鋼電纜，結(jié)構(gòu)如圖4所示。錨機(jī)在叉車(chē)的后面，回輪和支持桿在頂部，每個(gè)電纜的一端連接叉架,另一端固定在錨機(jī)上。當(dāng)錨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí),電纜將帶動(dòng)叉架上下運(yùn)動(dòng)。
為了驗(yàn)證這種叉車(chē)是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng),特別是保證叉架的垂直運(yùn)動(dòng),用Proe來(lái)模擬它的運(yùn)動(dòng)，如圖4中(a)、(b)(c)顯示不同的位置時(shí)叉架的運(yùn)動(dòng)。可以看出叉架是在垂直于地面的一條直線上運(yùn)動(dòng)。此外,沒(méi)有桅桿系統(tǒng),司機(jī)可以有一個(gè)更好的視野范圍。 這種升降機(jī)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(jī)械手以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),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(duì)升降機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求是較低的,它的重量也可以減輕。通用叉車(chē)的組件,如氣缸、鏈條、鏈輪子和支架系統(tǒng),錨機(jī)、電纜和連桿,他們的重量和重心向后移動(dòng)。因此,后面的重量平衡裝置,大大減小了整個(gè)卡車(chē)的重量。所以提出的叉車(chē)升降機(jī)構(gòu)降低了能耗,提高了車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。
4. 結(jié)論:
本文基于空間多連桿升降機(jī)構(gòu)，提出了一種新型的叉車(chē)升降機(jī)構(gòu)。為了驗(yàn)證升降機(jī)構(gòu)的可行性，對(duì)其進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)模擬。升降機(jī)構(gòu)由靈活的電纜驅(qū)動(dòng)和連桿組成,降低了自重。與一般的叉車(chē)對(duì)比,司機(jī)有一個(gè)更廣泛的視野, 明顯的提高了叉車(chē)的可靠性和駕駛舒適性。此外對(duì)升降機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求低,使的整個(gè)叉車(chē)的重量大大降低。提高了叉車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
致謝:
作者在中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，設(shè)計(jì)的這個(gè)升降機(jī)構(gòu),被授予全國(guó)優(yōu)秀博士論文。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
題目：數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
系 別 機(jī)電信息系
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
導(dǎo) 師
2012年12月25日
9
1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)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(dòng)換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動(dòng)完成幾個(gè)側(cè)面的的多種工序的加工。數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)由液動(dòng)機(jī)、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(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)刀庫(kù)中刀具的快速更換，提高機(jī)床的加工效率。在車(chē)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(jī)床、特種加工機(jī)床、組合機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機(jī)械加工設(shè)備中，鏜銑床加工特點(diǎn)：加工過(guò)程中工件不動(dòng)，讓刀具移動(dòng)，并使刀具轉(zhuǎn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)），在實(shí)踐中具有“萬(wàn)能機(jī)床”的稱(chēng)號(hào)。鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預(yù)制孔的機(jī)床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，刀具或工件的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。它主要是用來(lái)加工高精度孔或一次定位完成多個(gè)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(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況:
1.2.1 國(guó)外數(shù)控臥式鏜銑床的研究現(xiàn)狀
國(guó)外數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心均有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其表現(xiàn)在于機(jī)床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作上，采用模塊化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，在確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(lái)越多，除可滿足市場(chǎng)的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。一些科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動(dòng)化機(jī)床，并已生產(chǎn)和研制出更高一級(jí)的現(xiàn)代化水平的設(shè)備，從而為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工廠奠定了基礎(chǔ)。國(guó)外數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的形成、演變過(guò)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(jìn)而在配以刀庫(kù)及機(jī)械手等獨(dú)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(wú)關(guān)，獨(dú)立設(shè)計(jì)而成。很多機(jī)床公司都是由過(guò)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(jī)床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥室機(jī)床，已將其擴(kuò)散到發(fā)展中國(guó)家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級(jí)的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進(jìn)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(jì)利益[2] 。
1.2.2國(guó)內(nèi)數(shù)控臥式鏜銑床研究與應(yīng)用現(xiàn)狀
我國(guó)臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開(kāi)始的。目前已有13個(gè)省、一個(gè)自治區(qū)、三個(gè)直轄市的二十六個(gè)廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過(guò)一千臺(tái)。臥式鏜床的品種，第一個(gè)五年計(jì)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(dòng)式鏜床。從只能根據(jù)國(guó)外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設(shè)計(jì)試制并采用一定先進(jìn)技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無(wú)產(chǎn)階級(jí)大革命中，就有17個(gè)廠先后設(shè)計(jì)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(wú)伸縮主軸簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在相關(guān)領(lǐng)域取得了快速增長(zhǎng)，相關(guān)設(shè)備廠家在國(guó)家政策的扶持下取得了不少成果，與國(guó)際同行的差距越來(lái)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(duì)坐標(biāo)，不需要長(zhǎng)距離的原點(diǎn)回歸操作，有效縮短非加工時(shí)間。五軸(X,Y,Z,W,B軸)控制，四軸同動(dòng)控制，任一角度定位工作臺(tái)(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(tái)，定位精準(zhǔn)，確保各加工面之相互精度。配置刀庫(kù)就升級(jí)為加工中心。 適用于各類(lèi)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(jì)理念的更新和機(jī)床運(yùn)行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機(jī)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(wú)鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動(dòng)、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，這將是今后一個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì) [5] 。
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)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(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手[6] 。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問(wèn)題構(gòu)成。
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)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(zhuān)用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)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(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問(wèn)題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)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(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[7] 。
在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)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(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)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(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)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(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的性能要求；
（2）. 了解刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析；
（3）. 設(shè)計(jì)指標(biāo)：液動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手架運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速和離合器吸合，絲杠制動(dòng)，使手架準(zhǔn)確停在換刀位置。
(4）. 應(yīng)用CAD系統(tǒng)對(duì)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(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
(1）數(shù)控臥式鏜銑床機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
數(shù)控臥式鏜銑床的主軸是水平設(shè)置的,刀庫(kù)容量一般較大,有的刀庫(kù)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(jià)格較高,臥式加工較適用于加工箱體類(lèi)零件,特別對(duì)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(kù)機(jī)械手設(shè)計(jì)
機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)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(jī)械手系統(tǒng)
圖2機(jī)械手系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手抓、裝卸刀手臂、滑座,橫梁和行走機(jī)構(gòu)等組成。機(jī)械手是自動(dòng)換刀裝置中交換刀具的主要工具，它擔(dān)負(fù)著把刀庫(kù)上的刀具送到主軸上，再把主軸上用過(guò)的刀具返回刀庫(kù)上的任務(wù)。自動(dòng)換刀可分為有機(jī)械手換刀方式和無(wú)機(jī)械手換刀方式倆類(lèi)。采用機(jī)械手進(jìn)行換刀的方式應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)闄C(jī)械手換刀有很大的靈活性，而且可以減少換刀時(shí)間[10] 。
圖3機(jī)械手的換刀動(dòng)作
機(jī)械手種類(lèi)：
圖4單臂單爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手 圖5單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
單臂單爪回轉(zhuǎn)式擁有刀庫(kù)換刀位置的刀座的軸線相平行的場(chǎng)合。
單臂雙爪回轉(zhuǎn)式有倆個(gè)卡爪，一個(gè)只執(zhí)行取走，一個(gè)執(zhí)行取回。
雙臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手可同時(shí)抓取刀庫(kù)及主軸上的刀具，在回轉(zhuǎn)180°后同時(shí)將刀具歸回刀庫(kù)及裝入主軸，是最常用的一種形式，換刀時(shí)間要比前倆種都短[11] 。
圖6雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手
（3）升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
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(dòng)[12] 。其工作原理如上當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動(dòng)同時(shí)滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運(yùn)動(dòng)。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(gè)滾珠循環(huán)通道。借助于這個(gè)返回裝置,可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后,經(jīng)通道自動(dòng)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(dòng)精度及剛度滾珠螺母常由兩段組成[13] 。
圖8機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)裝配圖[15]
2.2.2 刀庫(kù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析
多自由度機(jī)械手是具有多個(gè)關(guān)節(jié)的空間機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)上建立一個(gè)坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系來(lái)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(gè)連桿相對(duì)于固定參考系的空間幾何關(guān)系，用一個(gè)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(duì)于基坐標(biāo)系的等價(jià)其次坐標(biāo)變換矩陣，建立操作臂的運(yùn)動(dòng)方程[17] 。
3. 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開(kāi)展工作
本課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)：在于設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的確定。
前期已開(kāi)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(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)大量期刊、書(shū)籍，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)有了初步了解,初步擬定了設(shè)計(jì)方案和整體的結(jié)構(gòu)。
4. 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫(xiě)）
（1）1—3周：調(diào)研并收集資料；
（2）3—6周：確定設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；
（3）7—9周：完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(xiě)，準(zhǔn)備答辯。
5. 指導(dǎo)教師意見(jiàn)（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6. 所在系審查意見(jiàn)：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
系 別： 機(jī)電信息系
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)：
學(xué) 生：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
2013年05月
數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
摘 要
數(shù)控臥式機(jī)床的發(fā)展與應(yīng)用，大大降低了零件的加工輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用，機(jī)械加工的自動(dòng)化程度大大提高，數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備。加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，可以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定程序?qū)ぜM(jìn)行多工序加工。
數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動(dòng)換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動(dòng)完成幾個(gè)側(cè)面的的多種工序的加工。數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)由液動(dòng)機(jī)、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(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的性能要求;了解刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析;液動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手架運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速和離合器吸合，絲杠制動(dòng)，使手架準(zhǔn)確停在換刀位置，良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)刀庫(kù)中刀具的快速更換，提高機(jī)床的加工效率。
關(guān)鍵詞: 升降機(jī)構(gòu)；JCS-013數(shù)控鏜銑床；液動(dòng)機(jī)；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(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 2
1.2.1國(guó)內(nèi)外數(shù)控臥式鏜銑床的現(xiàn)狀 2
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 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(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 設(shè)計(jì)目的 7
2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 7
2.3升降機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng) 7
2.3.1升降機(jī)構(gòu)的組成 7
2.3.2 手架升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng) 8
3 升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 9
3.1 升降電機(jī)的選擇 9
3.1.1 升降電機(jī)的理論分析 9
3.1.2升降電機(jī)的選擇 10
3.2 電機(jī)調(diào)速 11
3.2.1 變頻調(diào)速原理 12
3.2.2變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn) 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(dòng)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(cè)試方法 14
4.4.1靜力矩的測(cè)定 14
4.4.2動(dòng)力矩的測(cè)定 14
4.4.3空轉(zhuǎn)力矩的測(cè)定 15
4.4.4殘留力矩及力矩消滅時(shí)間的測(cè)定 15
4.5選用電磁離合器的注意事項(xiàng) 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(lèi)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(dòng)特點(diǎn) 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(jì)計(jì)算 20
5.6滾珠絲杠的保護(hù) 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(kāi)關(guān) 25
6.2.2接近開(kāi)關(guān) 26
總 結(jié) 27
參 考 文 獻(xiàn) 28
致 謝 29
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 30
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 31
V
1 緒論
在車(chē)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(jī)床、特種加工機(jī)床、組合機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等眾多機(jī)械加工設(shè)備中，鏜銑床加工特點(diǎn)：加工過(guò)程中工件不動(dòng)，讓刀具移動(dòng)，并使刀具轉(zhuǎn)動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)），在實(shí)踐中具有“萬(wàn)能機(jī)床”的稱(chēng)號(hào)。
鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預(yù)制孔的機(jī)床。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，刀具或工件的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。它主要是用來(lái)加工高精度孔或一次定位完成多個(gè)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(jī)床主要由機(jī)床本體、自動(dòng)換刀裝置、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、液壓油箱、數(shù)控電柜、主軸驅(qū)動(dòng)調(diào)速控制柜、機(jī)床電氣柜、主軸箱潤(rùn)滑冷卻用自動(dòng)油溫調(diào)節(jié)器和空氣干燥器等組成。
1-電動(dòng)機(jī) 2-換刀機(jī)械手 3-數(shù)控柜 4-刀庫(kù) 5-主軸箱 6-操作面板 7-電源柜 8-工作臺(tái) 9-滑座 10-床身
圖1.1數(shù)控機(jī)床示意圖
a. 機(jī)床本體 機(jī)床的本體是用來(lái)支撐機(jī)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(shí)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(duì)于具有自動(dòng)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(dòng)件等一般組成部分外，還有道具自動(dòng)加緊、主軸自動(dòng)準(zhǔn)停和主軸裝刀口吹凈等裝置。
c. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái) 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)可以進(jìn)行任意角度定位，它的功能有兩個(gè)：一是使工作臺(tái)進(jìn)行圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，二是使工作臺(tái)進(jìn)行分度運(yùn)動(dòng)。
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(shí)間和減少多次安裝工件所引起的誤差，必須具有自動(dòng)換刀裝置。其主要有刀庫(kù)、橫梁升降機(jī)構(gòu)、滑座伸縮機(jī)構(gòu)、手架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝刀手和卸刀手組成。
e. 機(jī)床導(dǎo)軌 導(dǎo)軌主要用來(lái)支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌道運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方叫運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，不運(yùn)動(dòng)的一方叫支撐導(dǎo)軌。運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支撐導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，通常是直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1]。
1.2國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)種起著越來(lái)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(kù)的功能是儲(chǔ)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(jī)械手完成新舊刀具的交換。完成此功能的機(jī)械包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱(chēng)為機(jī)械手。具體來(lái)說(shuō)，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫(kù)之間的傳遞。驅(qū)動(dòng)裝置則是使刀庫(kù)和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進(jìn)電機(jī)或液壓（或氣液機(jī)構(gòu)）或凸輪機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械手完成刀庫(kù)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(kù)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(dòng)換刀就是進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，提高成產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。所以數(shù)控機(jī)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(shí)間，減小多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。
1.2.1國(guó)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(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精度、自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上相互展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，已形成一條無(wú)形戰(zhàn)線，特別是隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。國(guó)外數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心均有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其表現(xiàn)在于機(jī)床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作上，采用模塊化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，在確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(lái)越多，除可滿足市場(chǎng)的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。一些科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動(dòng)化機(jī)床，并已生產(chǎn)和研制出更高一級(jí)的現(xiàn)代化水平的設(shè)備，從而為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工廠奠定了基礎(chǔ)。國(guó)外數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的形成、演變過(guò)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(jìn)而在配以刀庫(kù)及機(jī)械手等獨(dú)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(wú)關(guān)，獨(dú)立設(shè)計(jì)而成。很多機(jī)床公司都是由過(guò)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(jī)床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥室機(jī)床，已將其擴(kuò)散到發(fā)展中國(guó)家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級(jí)的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進(jìn)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(jì)利益[2] 。
我國(guó)臥式鏜床生產(chǎn)是在1954年由仿制開(kāi)始的。目前已有13個(gè)省、一個(gè)自治區(qū)、三個(gè)直轄市的二十六個(gè)廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過(guò)一千臺(tái)。臥式鏜床的品種，第一個(gè)五年計(jì)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(dòng)式鏜床。從只能根據(jù)國(guó)外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到自行設(shè)計(jì)試制并采用一定先進(jìn)技術(shù)的多種產(chǎn)品。在無(wú)產(chǎn)階級(jí)大革命中，就有17個(gè)廠先后設(shè)計(jì)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(wú)伸縮主軸簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在相關(guān)領(lǐng)域取得了快速增長(zhǎng)，相關(guān)設(shè)備廠家在國(guó)家政策的扶持下取得了不少成果，與國(guó)際同行的差距越來(lái)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(duì)坐標(biāo)，不需要長(zhǎng)距離的原點(diǎn)回歸操作，有效縮短非加工時(shí)間。五軸(X,Y,Z,W,B軸)控制，四軸同動(dòng)控制，任一角度定位工作臺(tái)(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(tái)，定位精準(zhǔn)，確保各加工面之相互精度。配置刀庫(kù)就升級(jí)為加工中心。 適用于各類(lèi)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(jì)理念的更新和機(jī)床運(yùn)行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機(jī)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(wú)鏜軸)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動(dòng)、結(jié)構(gòu)型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，這將是今后一個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì) [5] 。
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)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(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手[6] 。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問(wèn)題構(gòu)成。
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)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(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)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(zhuān)用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)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(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機(jī)械手的聯(lián)網(wǎng)操作問(wèn)題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)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(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[7] 。
在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)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(lái)的一門(mén)新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)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(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門(mén)的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用[8] 。
升降機(jī)的發(fā)展階段升降機(jī)的發(fā)展階段升降機(jī)的發(fā)展階段升降機(jī)的發(fā)展階段對(duì)垂直運(yùn)送的需求與人類(lèi)的文明一樣久遠(yuǎn)，最早的升降機(jī)使用人力、畜力和水力來(lái)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(dòng)力方式。 古希臘時(shí)，阿基米德開(kāi)發(fā)了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的用繩子和滑輪操作的升降裝置，它用絞盤(pán)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(dòng)物乘坐原始的升降機(jī)到達(dá)羅馬大劇場(chǎng)中競(jìng)技場(chǎng)的高度。 中世紀(jì)的紀(jì)錄包括無(wú)數(shù)拉升升降裝置的人和為孤立地點(diǎn)進(jìn)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(jī)。這個(gè)修道院位于距離地面大約61米高的山頂上，提升機(jī)使用籃子或者貨物網(wǎng)，運(yùn)送人員與貨物上下。 1203年，位于法國(guó)海岸邊的一座修道院的升降機(jī)安裝于使用一個(gè)巨大的踏輪，由毛驢提供提升的動(dòng)力，通過(guò)把繩子纏繞在一個(gè)巨大的柱子上，負(fù)重就被提升了起來(lái)。 18世紀(jì)，機(jī)械力開(kāi)始被用于升降機(jī)的發(fā)展。 1743年，法國(guó)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(jī)。1833年，一種使用往復(fù)桿的系統(tǒng)在德國(guó)哈爾茨山脈地區(qū)升降礦工。 1835年，一種被稱(chēng)為“絞盤(pán)機(jī)”的用皮帶牽引的升降機(jī)安裝在英國(guó)的一家工廠。 1846年，第一部工業(yè)用水壓式升降機(jī)出現(xiàn)。然后其他動(dòng)力的升降裝置緊跟著很快出現(xiàn)了。 1854年，美國(guó)技工奧蒂斯發(fā)明了一個(gè)棘輪機(jī)械裝置，在紐約貿(mào)易展覽會(huì)上展示了安全升降機(jī)。 1889年，埃菲爾鐵塔建塔時(shí)安裝了以蒸汽為動(dòng)力的升降機(jī)，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(tái)升降機(jī)仍然使用著110多年前的機(jī)械設(shè)備。液壓升降機(jī)廣泛適用于大型機(jī)械設(shè)備、汽車(chē)、集裝箱、模具制造，木材加工，化工灌裝等各類(lèi)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(shí)可配裝各類(lèi)臺(tái)面形式(如滾珠、滾筒、轉(zhuǎn)盤(pán)、轉(zhuǎn)向、傾翻、伸縮)，配合各種控制方式(分動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、防爆)，具有升降平穩(wěn)準(zhǔn)確、頻繁啟動(dòng)、載重量大等特點(diǎn)，有效解決工業(yè)企業(yè)中各類(lèi)升降作業(yè)難點(diǎn)，使生產(chǎn)作業(yè)輕松自如。
1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1高速化、高精度化、高可靠性
質(zhì)量、效率是先進(jìn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
高速化：（1）提高進(jìn)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(jī)技術(shù)，直接將電機(jī)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(duì)機(jī)電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機(jī)床用戶對(duì)機(jī)床的加工精度的要求也越來(lái)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(gè)數(shù)量級(jí)以上。
1.3.2復(fù)合化
數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化得發(fā)展，以其復(fù)合加工實(shí)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(jià)值的輔助時(shí)間，提高了機(jī)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(jī)床近年來(lái)發(fā)展很快的機(jī)種，其核心是在一臺(tái)機(jī)床上要完成車(chē)、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔和擴(kuò)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(dòng)生成等；為提高驅(qū)動(dòng)性能的智能化，如：前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化；還有如職能化得自動(dòng)編程、智能化得人機(jī)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(hù)等。
1.3.4柔性化、集成化
為適應(yīng)制造自動(dòng)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(dòng)測(cè)量自動(dòng)上、下料，自動(dòng)換刀，自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、進(jìn)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(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)目的
機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是所學(xué)專(zhuān)業(yè)課程的一次綜合學(xué)習(xí)。通過(guò)設(shè)計(jì)提高學(xué)生的綜合能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。
通過(guò)設(shè)計(jì)，把有關(guān)課程中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合的運(yùn)用，使這些知識(shí)的到鞏固和發(fā)展。
培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容
a. 了解刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的性能要求；
b. 了解刀庫(kù)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析；
c. 設(shè)計(jì)指標(biāo)：液動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手架運(yùn)動(dòng)，通過(guò)減速和離合器吸合，絲杠制動(dòng)，使手架準(zhǔn)確停在換刀位置；
d. 應(yīng)用CAD系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)零件和裝配的設(shè)計(jì)。
2.3升降機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)
2.3.1升降機(jī)構(gòu)的組成
升降機(jī)構(gòu)由液動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、螺旋副間隙調(diào)整墊、導(dǎo)向柱、減速齒輪和無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)等組成。刀庫(kù)由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上有15個(gè)刀套,刀庫(kù)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(guò)齒輪組帶動(dòng)而同步轉(zhuǎn)動(dòng),找刀采用刀套編號(hào)方式。由于四排刀套鏈中，每排刀套
動(dòng)在一排內(nèi)選刀。升降機(jī)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(duì)應(yīng)，因此找刀是由兩部分運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即手架升降找刀排，刀鏈轉(zhuǎn)使得手架在四個(gè)換刀位置準(zhǔn)確的換刀。
圖 2.1自動(dòng)換刀裝置
2.3.2 手架升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)
當(dāng)接受使手架升降(找刀排)指今后，升降電機(jī)1帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑座就作升降運(yùn)動(dòng)，使其上的手架帶動(dòng)裝刀手和卸刀手一同作升降運(yùn)動(dòng)。因刀庫(kù)有四排刀排，所以滑座應(yīng)上下移動(dòng)3X420毫米的距離。手架上下運(yùn)動(dòng)到接近所選刀徘位置時(shí)，其上帶的懸臂感應(yīng)塊，使無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，控制滑座升降的電機(jī)減速，使滑座減速。當(dāng)?shù)竭_(dá)所選刀排所要求誰(shuí)確定位時(shí)，裝在減速齒輪傳動(dòng)軸上的感應(yīng)塊使無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，切斷滑座升降電機(jī)電源，電磁離合器吸合，電機(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行調(diào)節(jié)[10]
3.1 升降電機(jī)的選擇
3.1.1 升降電機(jī)的理論分析
電機(jī)拖動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析如圖3.1所示：
圖3.1機(jī)械手升降電機(jī)受力分析（ M表示機(jī)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠向使手抓上升的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手抓上升到接近所選刀排位置時(shí)，手臂支架上的感應(yīng)塊，使刀庫(kù)上與刀排位置相應(yīng)的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)發(fā)出訊號(hào)，電動(dòng)機(jī)變速，手架隨之減速，裝在訊號(hào)盤(pán)上的定位塊轉(zhuǎn)到使訊號(hào)開(kāi)關(guān)同時(shí)發(fā)出訊號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，摩擦片式離合器吸合，絲杠制動(dòng)，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(guò)程與上升情況基本相同，只是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠時(shí)旋轉(zhuǎn)的方向相反。
分析電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程可知，電機(jī)工作時(shí)間比較短，而停機(jī)時(shí)間比較長(zhǎng)，屬于短時(shí)工作制的電機(jī)。所以機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)工作特點(diǎn)是：工作時(shí)溫升達(dá)不到最高值，而停車(chē)時(shí)可完全冷卻到周?chē)h(huán)境溫度，如圖3.2所示。由于發(fā)熱情況與長(zhǎng)期連續(xù)工作方式的電機(jī)不同，所以，電動(dòng)機(jī)的選擇也不一樣，即可選擇專(zhuān)用短時(shí)工作的電機(jī)，也可選擇連續(xù)工作制的普通電機(jī)[11]。
通過(guò)傳動(dòng)過(guò)程的受力分析可知，如圖3.1。電機(jī)的負(fù)載為恒定負(fù)載，電機(jī)的輸出功率分為兩部分，一部分通過(guò)齒輪減速傳遞給制動(dòng)器。另外一部分通過(guò)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(jī)理論輸出功率。P手抓為手抓理論輸入功率。P制為制動(dòng)器理論輸入功率。由于制動(dòng)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(duì)于負(fù)載功率PL恒定不變的成產(chǎn)機(jī)械，拖動(dòng)這類(lèi)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)在短時(shí)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載圖及溫升曲線如圖3所示。為這類(lèi)工作機(jī)械選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需按設(shè)計(jì)手冊(cè)中的計(jì)算公式算出負(fù)載所需輸入功率PW，再選擇一臺(tái)額定功率為
PN≥PW （3.3）
的電機(jī)即可。
圖3.2恒定負(fù)載短時(shí)工作的負(fù)載圖及溫升圖
3.1.2升降電機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率為：
Pn = （3.4）
PW為工作機(jī)械所要求的輸入功率（Kw）；η為電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。
由于機(jī)械手升降機(jī)的電動(dòng)機(jī)是通過(guò)間連接直接傳遞到工作機(jī)的，所以η=1;于是：
Pn=PW （3.5）
工作機(jī)要求輸入功率根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查到計(jì)算公式：
PW = （3.6）
F為工作機(jī)的阻力；v為升降機(jī)構(gòu)的上升速度；ηw 為工作機(jī)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(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包括一對(duì)球軸承運(yùn)動(dòng)副和一個(gè)滾珠絲杠副，查機(jī)械手冊(cè)可知球軸承的傳動(dòng)效率
ηQ=0.99；
滾珠絲杠副的傳動(dòng)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(jī)要求輸入功率為：
PW = ==0.125Kw；
根據(jù)式3.4電機(jī)的理論輸出功率
Pn=PW=0.125Kw；
根據(jù)式3.3選用電機(jī)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(jī)械手冊(cè)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(gè)功率大于0.36kW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min的三相異步電機(jī)。按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表17-1-35，選取型號(hào)為Y801-4的三相異步電動(dòng)機(jī)?；緟?shù)如表所示。
表3.1
型號(hào)
額定
功率/（kW）
同步
轉(zhuǎn)速
/rmin-1
滿載時(shí)
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(jī)調(diào)速
三相異步電機(jī)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(duì)數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速。
變頻調(diào)速的機(jī)械特性如圖3所示。異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
圖3.3 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速認(rèn)為機(jī)械特性
3.2.1 變頻調(diào)速原理
所謂變頻調(diào)速，就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過(guò)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(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)機(jī)。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(gè)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(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率[12]。
3.2.2變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)
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(lèi)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(shí)的方式方法。
c . 變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)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(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過(guò)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(shí)有可能發(fā)生。
d. 在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)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(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。
e. 變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)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(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化控制的主要執(zhí)行元件之一,可在原動(dòng)機(jī)不中斷旋轉(zhuǎn)的情況下控制傳動(dòng)系統(tǒng)。如機(jī)床主軸的自動(dòng)起動(dòng)、停止(制動(dòng))、反向、變速、定位和進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(lì)磁狀態(tài),內(nèi)、外摩擦片間無(wú)相對(duì)滑動(dòng),自主動(dòng)側(cè)傳遞到從動(dòng)側(cè)的最大轉(zhuǎn)矩。動(dòng)轉(zhuǎn)矩是離合器處于勵(lì)磁狀態(tài),內(nèi)、外摩擦片間有相對(duì)滑動(dòng),自主動(dòng)側(cè)傳遞到從動(dòng)側(cè)的轉(zhuǎn)矩。選擇時(shí)應(yīng)使機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以安全系數(shù)小于公稱(chēng)靜轉(zhuǎn)矩;連接時(shí)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(chēng)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。濕式的靜摩擦轉(zhuǎn)矩約為動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩的2倍,而干式的大致相同。離合器處于非勵(lì)磁狀態(tài),主動(dòng)側(cè)旋轉(zhuǎn),自主動(dòng)側(cè)傳遞到從動(dòng)側(cè)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)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(jì)。濕式由于存在潤(rùn)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(guò)渡狀態(tài)中,離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為殘留轉(zhuǎn)矩。無(wú)論是濕式還是干式離合器,在勵(lì)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(rùn)滑油的黏度和表面張力是另一因素。后一因素對(duì)干式的影響不太顯著,濕式離合器殘留轉(zhuǎn)矩的持續(xù)時(shí)間比干式離合器長(zhǎng)得多,這段時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)間愈長(zhǎng)?？辙D(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和殘留轉(zhuǎn)矩都將使離合器的負(fù)載不能脫開(kāi)而引起發(fā)熱,應(yīng)當(dāng)愈小愈好。
4.2動(dòng)作特性
當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí),由于線圈中存在電阻和電感,電流隨時(shí)間呈指數(shù)曲線上升,達(dá)到一定值時(shí),銜鐵被吸動(dòng)。此時(shí)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(dòng)。當(dāng)銜鐵將摩擦片壓緊時(shí),開(kāi)始傳遞轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩隨電流增加而增大,當(dāng)滑差為0時(shí)轉(zhuǎn)矩增至最大。連接過(guò)程終止時(shí)達(dá)到靜摩擦轉(zhuǎn)矩值。電磁離合器的動(dòng)作特性參數(shù)主要有: 銜鐵吸引時(shí)間,即從離合器線圈通電開(kāi)始到產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩所需的時(shí)間;!接通時(shí)間,即從離合器線圈通電開(kāi)始到轉(zhuǎn)矩上升至80%公稱(chēng)動(dòng)轉(zhuǎn)矩所需的時(shí)間;?斷開(kāi)時(shí)間,即從離合器線圈斷電開(kāi)始到轉(zhuǎn)矩下降至10%公稱(chēng)動(dòng)轉(zhuǎn)矩所需的時(shí)間
4.3散熱特性與壽命
離合器在摩擦片連接時(shí)會(huì)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(guò)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(jí),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(lái)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(cè)試方法
4.4.1靜力矩的測(cè)定
首先把離合器被動(dòng)側(cè)固定,通入額定勵(lì)磁電流,使主動(dòng)側(cè)與被動(dòng)側(cè)在靜止?fàn)顟B(tài)下完全連接。然后在主動(dòng)側(cè)施加一定力矩,測(cè)出離合器滑移開(kāi)始前的力矩,即靜摩擦力矩。力矩的測(cè)定常用彈簧秤或測(cè)力傳感器。
4.4.2動(dòng)力矩的測(cè)定
在原動(dòng)機(jī)輸出軸上裝上測(cè)定裝置的離合器,該離合器被動(dòng)部分的輸出軸裝一飛輪,在同一輸出軸的端部裝被測(cè)離合器的聯(lián)結(jié)或磁軛,被測(cè)離合器的被動(dòng)側(cè)與機(jī)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(cè)離合器的電壓飛電流等訊號(hào)接到示波器上。測(cè)定步驟如下:先接通試驗(yàn)裝置用的離合器,然后起動(dòng)原動(dòng)機(jī),此時(shí)飛輪和被測(cè)離合器的主動(dòng)側(cè)上升到規(guī)定轉(zhuǎn)速,待穩(wěn)定后測(cè)出轉(zhuǎn)速。這時(shí)將試驗(yàn)裝置用的離合器電源切斷,同時(shí)接通被測(cè)離合器電源,產(chǎn)生制動(dòng)力矩,并將試驗(yàn)裝置用的離合器被動(dòng)側(cè)、飛輪、被測(cè)離合器的主動(dòng)側(cè)均制動(dòng)停止。這時(shí)所發(fā)生的力矩,用力矩變換器測(cè)出。被測(cè)離合器的電壓、電流、轉(zhuǎn)速的變化同時(shí)用示波器記錄。由力矩定標(biāo)曲線讀出動(dòng)力矩值,也可由示波器得到制動(dòng)的時(shí)間按下式算出動(dòng)摩擦力矩Md[2]。
式中:Md為動(dòng)力矩,Nm;GD2為被動(dòng)側(cè)飛輪的慣性質(zhì)量,Nm2;N為飛輪轉(zhuǎn)速,rad/min;t1為動(dòng)力矩上升時(shí)間,s;t2為動(dòng)力矩達(dá)到最大值的穩(wěn)定時(shí)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(shí)間。
4.4.3空轉(zhuǎn)力矩的測(cè)定
在試架中裝上被測(cè)離合器,但不接通,使離合器從動(dòng)側(cè)與機(jī)架固定,其方法與測(cè)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(cè)離合器時(shí)飛輪的停車(chē)時(shí)間,s;t%為已裝上被測(cè)離合器時(shí)飛輪的停車(chē)時(shí)間,s。
4.4.4殘留力矩及力矩消滅時(shí)間的測(cè)定
先將離合器被動(dòng)側(cè)固定,接通電源,則主動(dòng)側(cè)與被動(dòng)側(cè)在靜止?fàn)顟B(tài)下完全連結(jié)。然后在主動(dòng)側(cè)加上任意力矩,使離合器被動(dòng)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(dòng)側(cè)的力矩衰減過(guò)程由力矩變換器送到示波器上記錄。測(cè)定力矩消滅時(shí)間:在離合器主動(dòng)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(shí)間,即為力矩消滅時(shí)間。額定摩擦力矩,對(duì)濕式離合器是動(dòng)力矩,對(duì)干式離合器則是靜力矩
4.5選用電磁離合器的注意事項(xiàng)
a. 應(yīng)根據(jù)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性與負(fù)載力矩來(lái)選擇離合器的動(dòng)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(guò)允許值。用在變速裝置中的離合器,要考慮發(fā)熱與散熱問(wèn)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(jī)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(gè)離合器的場(chǎng)合,必須對(duì)每個(gè)離合器的起動(dòng)、變速、空轉(zhuǎn)、停止的循環(huán)時(shí)間加以了解,從而了解發(fā)熱的主要原因。在高頻度使用場(chǎng)合,連接功損耗將占很大比例,而在高速回轉(zhuǎn)場(chǎng)合,空轉(zhuǎn)損耗將占很大比例。齒輪箱的設(shè)計(jì)過(guò)于緊湊、散熱面積小也會(huì)使溫升上升,因此,對(duì)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(guò)允許值,來(lái)計(jì)算供油量、油池儲(chǔ)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(guò)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(jī)床主傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的力矩折算到離合器軸上的最大力矩。否則,過(guò)載時(shí)會(huì)造成電磁離合器長(zhǎng)時(shí)間打滑而燒壞。
c. 在進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中選用電磁離合器時(shí),應(yīng)以動(dòng)作的可靠性、靈敏度及運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為主要依據(jù)。
d. 在切削負(fù)載下進(jìn)行變速,離合器接合時(shí)的動(dòng)作靈敏度總是比脫開(kāi)時(shí)差。從高速降到低速時(shí),離合器動(dòng)力矩和負(fù)載力矩共同克服傳動(dòng)系統(tǒng)中的慣性負(fù)載,實(shí)現(xiàn)變速。由低速升到高速時(shí),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(shí),從高速變向低速易于實(shí)現(xiàn),從低速變向高速時(shí),難以實(shí)現(xiàn)。如果離合器力矩選的不夠大,則會(huì)造成負(fù)載變速時(shí)丟轉(zhuǎn)悶車(chē)現(xiàn)象[14]。
5 滾珠絲杠副的選用
為了減小絲杠傳動(dòng)副的摩擦和提高傳動(dòng)效率，早在本20世紀(jì)四十年代國(guó)外已采用了以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦的原理，即簡(jiǎn)稱(chēng)“滾化”原理，而發(fā)明了滾珠絲杠副這種先進(jìn)的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所以，滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以滾珠為滾動(dòng)體螺旋傳動(dòng)元件。
對(duì)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(dòng)聯(lián)接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動(dòng)軸承相類(lèi)似，它們都是借助于滾珠來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的可動(dòng)連接的。滾珠絲杠副主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[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(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的絲杠傳功。滾珠絲杠副在機(jī)械傳動(dòng)中的作用，同樣是可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)．也可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。根據(jù)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合情況，其傳動(dòng)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(gè)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(dòng)。其工作原理如下：當(dāng)螺母2(或絲杠1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在絲杠與螺母間布量的滾珠3依次沿螺紋滾道滾動(dòng)同時(shí)滾珠3促使絲杠1(或螺母2)作直線運(yùn)動(dòng)。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(gè)滾珠循環(huán)通道。借助于這個(gè)返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運(yùn)動(dòng)后，經(jīng)通道自動(dòng)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(dòng)精度及剛度，滾珠螺母常由兩段組成。
5.2滾珠絲杠副的類(lèi)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(guò)程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱(chēng)為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱(chēng)為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個(gè)循環(huán)閉路稱(chēng)為列，每個(gè)滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱(chēng)為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)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(guò)程結(jié)束后通過(guò)螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時(shí)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(kāi)有滾珠的回程口，滾珠由此進(jìn)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(jiǎn)單，使用廣泛。其缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類(lèi)型。圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開(kāi)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(duì)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(kāi)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(dòng)特點(diǎn)
由上述工作原理可知，滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副比較，它以滾動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦，因此，具有以下特點(diǎn)。
a. 摩擦損失小、傳動(dòng)效率高
由于滾動(dòng)絲杠副的摩擦損失小，其傳動(dòng)效率可達(dá)90一96％，約為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)效率的2—3倍。
b. 磨損小、壽命長(zhǎng)
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(guò)淬火的，并有很低的表面粗糙度；而且滾動(dòng)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(zhǎng)。
c. 軸向剛度高
由于滾珠絲杠副可以完全地消除傳動(dòng)間隙，而不致影響絲杠運(yùn)動(dòng)的靈活性，因而可以獲得較高的軸向剛度。通常，可以通過(guò)預(yù)緊來(lái)提高鈾向剛度。
d. 摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)
由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，其摩擦阻力幾乎與速度無(wú)關(guān)，而且靜止摩擦力極小，啟動(dòng)力矩與運(yùn)動(dòng)力矩近于相等。因而靈敏度高，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)，低速傳動(dòng)時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。
e. 不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性
由于滾珠絲杠副沒(méi)有自鎖能力，故具有傳動(dòng)的可逆性。當(dāng)它垂直升降傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須增設(shè)自鎖裝置或制動(dòng)裝置，以防止產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?dòng)。
由于滾珠絲杠副具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以它日益廣泛地應(yīng)用于精密機(jī)械、機(jī)床、汽車(chē)、船舶、火炮、航空、航天和紡織等工業(yè)部門(mén)。但是，與滑動(dòng)絲杠副相比，滾珠絲杠副尚存在如下的缺點(diǎn)：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(duì)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(dòng)聯(lián)接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠副與滾動(dòng)軸承相類(lèi)似，它們都是借助于滾珠來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的可動(dòng)連接的。滾珠絲杠副主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
對(duì)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(dòng)聯(lián)接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。
螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)龋挥幸詡鬟f運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%~98%），其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過(guò)預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)
用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)：
a. 滾珠絲杠的精度等級(jí)；
b. 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；
c. 載荷條件（靜、動(dòng)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(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛度。但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過(guò)工作載荷的1/3。
5.5滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）初算導(dǎo)程Ph
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式（1）
Ph= = = =10mm （5.1）
按機(jī)械手設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-14，取Ph=10mm。
（2）確定當(dāng)量載荷Fm
（5.2）
由于升降機(jī)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(jī)械手升降機(jī)的轉(zhuǎn)速基本也是恒定的，故：
nm=1500r/min
(4) 確定額定動(dòng)載荷Cam
（5.4）
fw為載荷性質(zhì)系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-43選擇
fw=1.1；
Lh為預(yù)期工作壽命，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-45選擇
Lh=20000小時(shí)
fa為精度系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-41選取
fa=0.8
fc為可靠性系數(shù)，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jì)算，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式 （8）
（5.5）
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式 （9）
（5.6）
取兩結(jié)果最小值
按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式（11）
（5.7）
由于升降機(jī)不受徑向力，所以W=0；即 F‘0=0 。升降機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40式（10）
（5.8）
（6）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)
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(zhǎng)為94mm，同時(shí)選定JB/T 3162推薦的固定軸端型式，d0=40mm，采用一個(gè)角接觸球軸承和推力球軸承，從表12-1-26中可查出一個(gè)支承長(zhǎng)度69mm。
（7）Dn值校驗(yàn)
按表12-1-40中式（12）
合格。
（8）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式（13）
（5.9）
取 FP=150N。
（9）計(jì)算行程補(bǔ)償值C
按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式（14），取Δt=2.5℃,
（5.10）
取lu=1400mm，則
（5.11）
（10）計(jì)算預(yù)拉伸力Ft
由表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)12-1-40中式（15）
（5.12）
(11) 滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速nc的計(jì)算
按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式（16），按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(yàn)算
由于升降機(jī)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(huì)受壓失穩(wěn)，不用驗(yàn)算。
按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-1-40中式（