數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計【含3張CAD圖】
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I數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計摘 要數(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)控轉臺的點位-直線數(shù)字控制機床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側面鉆、銑、镋、鉸、攻絲等多種工序的加工。數(shù)控臥式镋銑床的發(fā)展和應用，極大的減少了零件的加工輔助時間，很大程度上提高了生產效率，數(shù)控臥式機床的發(fā)展已經變成了當今廣泛應用的一種更為新穎、更為先進的制造設備。數(shù)控臥式鏜銑床機械手升降機構由液動機、滾珠絲杠副、減速齒輪、摩擦片式電磁離合器等構成。分析刀庫機械手升降機構的性能要求;分析刀庫機械手升降機構的工作原理，進行結構設計和計算分析;數(shù)控臥式鏜銑床機械手回轉與裝卸刀機構用于主軸和刀庫間的裝刀與卸刀操作，良好的結構設計能夠實現(xiàn)刀庫與機床主軸之間刀具的快速裝卸。進行了回轉與裝卸刀機身的整體機構設計和回轉機構的設計，機械手手架選擇雙臂單爪機械手結構，對其運動作了詳細的分析，對機械手手架機構進行了設計計算。關鍵詞: 升降機構；回轉與裝卸刀機構；機械手手架；數(shù)控臥式鏜銑床IIABSTRACTCNC horizontal boring and milling machine is a automatic tool change device and arbitrary dividing point - linear digital control machine tool, nc rotary table after a clamping workpiece can automatically complete several side drilling, milling, Tang, reaming, tapping and other machining process. CNC horizontal Tang development and application of the milling machine, greatly reduces the parts processing auxiliary time, greatly improving the production efficiency, the development of numerical control horizontal machine tool has become the current widely used a more novel, more advanced manufacturing equipment.CNC horizontal boring and milling machine is composed of liquid motive, ball screw pair, reduction gear and friction disc electromagnetic clutch. To analyze the performance requirements of the manipulator lifting mechanism; This paper analyzes the working principle of the manipulator lifting mechanism, and carries out the structure design and calculation analysis. CNC horizontal boring and milling machine mechanical rotary tool used in the spindle with loading and discharging and unloading is a knife and knife between knife library operation, good design can achieve dao library between the spindle and the cutting tool for quick loading and unloading. The fuselage of the overall organization design and the design of the slewing mechanism, mechanical hand choose manipulator arms single claw structure, the movement has IIImade the detailed analysis of calculation in design of robot hand frame mechanism.Keywords: lifting mechanism; Turning and loading and unloading mechanism; Manipulator holder; CNC horizontal boring and milling machine目錄摘 要 ..............................................................IABSTRACT...........................................................II1.緒論 ..............................................................11.1 數(shù)控鏜銑床的結構組成 ........................................11.2 國內外數(shù)控機床的發(fā)展 ........................................22.數(shù)控臥式鏜銑床機械手升降機構設計 ..................................52.1 機械手升降機構的組成和運動過程 ..............................52.2 液動機的選擇 ................................................62.3 滾珠絲桿副的選用 ...........................................102.4 摩擦片式電磁離合器的設計和計算 .............................153.數(shù)控臥式鏜銑床機械手回轉與裝卸刀機構設計 .........................173.1 回轉與裝卸刀機構的組成和運動 ...............................173.2 機械手回轉與裝卸刀的整體設計 ...............................184.數(shù)控臥式鏜銑床機械手手架機構設計 .................................214.1 機械手手架的組成和運動 .....................................214.2 機械手手部的結構設計 .......................................225.結論 .............................................................29參考文獻 ...........................................................30附錄 1 外文譯文 ....................................................31附錄 2 外文原文 ....................................................44致謝 ...............................................................51數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計11.緒論鏜銑床主要是刀具在工件上加工已有預制孔的機床。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。1.1 數(shù)控鏜銑床的結構組成如圖 1.1 所示，數(shù)控機床主要由機床本體、自動換刀裝置、數(shù)控轉臺、液壓油箱、數(shù)控電柜、主軸驅動調速控制柜、機床電氣柜、主軸箱潤滑冷卻用自動油溫調節(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)控機床示意圖機床本體 機床的本體是用來支撐機床的工作已達到加工生產目的。主要由床身和立柱組成。主軸結構 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。因此在旋轉精度、剛度、抗振性和熱變形等方面，都有很高的數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計2要求。在布局結構方面，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、主軸自動準停和主軸裝刀口吹凈等裝置。數(shù)控轉臺 數(shù)控轉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。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、滑座伸縮機構、手架回轉機構、裝刀手和卸刀手組成。機床導軌 導軌主要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方叫運動導軌，不運動的一方叫支撐導軌。運動導軌相對于支撐導軌的運動，通常是直線運動或回轉運動 [1]。1.2國內外數(shù)控機床的發(fā)展隨著數(shù)控技術的發(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，它能縮短產品的制造周期，提高產品的加工精度，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）或凸輪機構組成。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國內外數(shù)控臥式鏜銑床的現(xiàn)狀當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(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、數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計3計算機技術的進步。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，采用模塊化設計和計算機輔助設計等現(xiàn)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(xiàn)，變型產品也越來越多，除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，并已生產和研制出更高一級的現(xiàn)代化水平的設備，從而為實現(xiàn)無人化工廠奠定了基礎。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，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，獨立設計而成。很多機床公司都是由過去生產普通臥式鏜床轉而生產當代的數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的。很多機床廠家已不生產一般的普通臥室機床，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(shù)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] 。我國臥式鏜床生產是在 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 毫米的臥式鏜床，現(xiàn)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)展到自行設計試制并采用一定先進技術的多種產品。在無產階級大革命中，就有 17 個廠先后設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 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 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 整 ， 配 置回 轉 式 工 作 臺 ， 定 位 精 準 ， 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] 。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計41.2.2數(shù)控臥式鏜銑床的發(fā)展趨勢 當代臥式鏜銑床與落地式銑鏜床技術發(fā)展非?？?，主要體現(xiàn)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方向發(fā)展，落地式銑鏜床向滑枕式(無鏜軸)結構方向發(fā)展，功能附件呈高速、多軸聯(lián)動、結構型式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術發(fā)展的新趨勢 [5] 。機 械 手 是 在 機 械 化 ， 自 動 化 生 產 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 上 發(fā) 展 起 來 的 ， 機 械 手 研 究 始 于 20 世 紀 中 期 ，隨 著 計 算 機 和 自 動 化 技 術 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 的 迫 切 需 求 推 動 了 自 動 化 技 術 的 進 展 ， 又 為 機 器 人 的 開 發(fā)奠 定 了 基 礎 。 另 一 方 面 ， 核 能 技 術 的 研 究 要 求 某 些 操 作 機 械 代 替 人 處 理 放 射性 物 質 。 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 構 是 ； 機 體 上 安 裝 一 個 回 轉 臂 ， 頂 部 裝 有 電 磁 塊 的 工 件抓 放 機 構 ， 控 制 系 統(tǒng) 是 示 教 形 的 ， 隨 著 計 算 機 和 自 動 控 制 技 術 的 迅 速 發(fā) 展 ,農業(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 用 可 以 提 高 勞 動生 產 率 和 產 品 質 量 ,改 善 勞 動 條 件 ,解 決 勞 動 力 不 足 等 問 題 構 成 。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(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)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動） 、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，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 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。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。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景 [7] 。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計5和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，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用 [8] 。2.數(shù)控臥式鏜銑床機械手升降機構設計2.1機械手升降機構的組成和運動過程2.1.1 升降機構的組成以及刀庫的組成機械手的手架升降機構是由 、 杠副、減速 、液 動 機 滾 珠 絲 齒 輪離合器、 、訊號盤和導向柱等組成。摩 擦 片 式 電 磁 訊 號 開 關從左到右四排帶刀套的鏈條組成了刀庫，每一排刀一圈一共有十五把導套，并且刀庫的最大容量是不超過六十把刀，整個刀庫是靠電動機帶動通過齒輪使其運動，鏈條在轉動的過程中，最快的速度是八米每分鐘，最慢的速度是零點二米每分鐘。刀具識別是利用了編號方法，六十個刀套分別按照相應的距離安裝在四排鏈條上，每一排鏈條的位置都是相互對應的，所以找刀的程序分為兩步：一是通過機械手手架升降來發(fā)現(xiàn)刀排，二是在一排刀套內選刀。在一排內選擇刀是靠第一排刀套下面的一組無觸點開關和第一排每個刀套上的感應塊發(fā)信號實現(xiàn)的。升降機構的作用就是在某一命令下，自動的實現(xiàn)機械手刀架的升降動作，并且在位置有相應的要求，為了讓自動換刀能成功的實現(xiàn)，鏈條在移動尋找刀數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計6的過程中，刀套停留的位置應該是在要求的位置停在同一個地方，所以刀套在定位的過程中必須要求精準。為了使刀具在裝入的時候在方向上能夠固定住，每一個刀套都存在定位的裝置，由于刀庫在運行過程中的速度很快，刀具容易出現(xiàn)被甩出的情況，所以在每一個刀套的后面都加裝了一個由彈簧連接的頂梢，這樣可以確保刀庫運行時的安全。2.1.2 升降機構的運動過程圖 2-1 機械手升降機構裝配圖由上圖可知，在機械手接到指令之后，機械手會自動往上移動去找到刀排，滾珠絲杠副會被液動機的工作帶動，并進行順時針的轉動使機械手上升，直到當機械手快要到達自動刀排的位置時，機械手升降機構的轉動處的感應塊會感應刀機械手的接近，這時機械手刀庫與刀排相對應的開關 15XK(或16XK、18XK、19XK)會發(fā)出訊號，這是手架會進行減速，裝在訊號盤行程開關上的定位擋塊 5a 和 5b 轉到使訊號開關（20XK 2和 20XK1）同時發(fā)出要進行定位的訊號時，液動機就會停止再轉動，摩擦片式電磁離合器進行 ，滾珠絲吸 合桿就會制動，手架這時就會很準確的停留在換刀的位置上。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計7機械手在進行下降的時候，液動機帶動滾珠絲桿逆時針轉動，其它的運動基 本和上升時無異，通過訊號開關 20XK1和 20XK2同時發(fā)出訊號，讓機械手手架進行定位。2.2液動機的選擇液動機在運動的時候受到外力，這里對它所受到的力進行分析如圖 2.2 所示：圖 2-2 液動機運動受力示意圖由上圖所示液動機的運轉工作過程可以看出，電動機在工作的時候，它的運行時長并不長，可以說是相當短的，相對來說電動機停止的時間反而較長，因此這屬于工作時間比較短的電動機。由此可以發(fā)現(xiàn)當機械手在進行升降運動的時候電動機的工作屬性是：由于在工作的時候，因為溫度的快速上升，電動機往往達不到最高的數(shù)值，但停車的時候應該是等到它冷卻到和周圍環(huán)境相同的溫度時，就像圖 2.2 中顯示的。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計8液動機在運轉的時候因為它的工作的時間有長有短，液動機的發(fā)熱也有高有低，所以當我們在進行液動機的選擇時，要考慮到它的這兩點情況，在這里根據數(shù)控臥式機床升降機構的工作要求，選擇了相對來說更加穩(wěn)定可靠的工作時間相對較短的液動機，這樣可以提高液動機的工作效率，同時也增加了液動機的穩(wěn)定程度。借助機械設計手冊中電動機在傳動的過程中所受力的分析圖可以看出液動機的負載是恒定的，它不會因為溫度等情況而改變它的負載，在進行液動機的輸出功率的計算時，要考慮到減速齒輪和絲杠兩個零件產生的功率，因為液動機的功率是由這兩部分的功率所組成的，在進行計算的時候，本次設計沒有考慮到功率的損失而產生的影響，因為這對液動機的總功率沒有產生較大的影響。計算公式如下所示：手 抓0電 P??電為液動機在輸出時候的理論輸出功率， 為液動機在輸出的時候手P 手 抓抓的理論輸出功率， 為液動機在輸出時的液動機的理論功率。翻閱相關資料0P和查詢機械設計手冊， 相對來說數(shù)值較小，在 較大的情況下可不予以考手 抓P慮。計算公式等同于：手 抓電P?在液動機負載是確定了的情況下，液動機在進行工作的時候，若溫度沒有變化，它應該是成直線上升的，但由于存在溫度的變化影響液動機的工作，所以在溫度上升的時候，液動機的功率呈曲線變化，而且是在隨著溫度的升高，液動機的功率的上升速度下降如下圖 2.3 所示。所以我們在選擇電機的時候為，需要根據機床設計中液動機的功率計算公式，計算出當存在負載時液動機的功率 ，然后通過計算計算出液動機的功率Pw，通過這個功率就可以確定需要選擇什么樣功率的液動機，計算公式如下： NPPN≥PW 數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計9圖 2-3 存在負載時液動機隨溫度變化示意圖液動機在工作時的 為：輸 出 功 率（2-1?WNP?） 液動機在工作時的 ， 單位是千瓦； 是 液 動 機 在 工 作 時 候 的Pw輸 出 功 率。總 效 率由于機械手 的電動機是通過間連接直接傳遞到 的， 所 以升 降 機 構 工 作 機;于 是 ：1??Pn=PW （ 2-2）液動機在進行工作的時候，需要對它的輸入功率計算，計算公式如下： （2-3）wvwFP?10?是 ；v 為 的上升速度；η w為 的 效 率 。F工 作 機 的 阻 力 升 降 機 構 工 作 機查表可知， ；sm/250?根據受力分析圖知： ；NKgNxKgMF 420/10)2()( ???液動機在進行傳動工作的時候，整體機構包括了兩個部分，其中一個是滾數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計10珠絲杠副，另一個是一對滾子球軸承運動副，通過查閱機床設計手冊；計算滾子球軸承在進行傳動工作時候的效率和滾珠絲杠副的工作效率： ；9.0??；5-8G通 過 對 比 選 擇 ：；.0?G?則 ： ；841590xw把 帶入下列公式中可得工作機要求 為：w?輸 出 功 率;KwxsXmNFPwv 125.08415.0/2410w ??通過上式可計算出液動機的輸出功率，計算公式如下所示： ；KwPwn125.0?在 進 行 液 動 機 選 用 時 候 ， 要 求 所 選 用 的 液 動 機 在 功 率 上 的 要 求 應 該 滿 足 ， 若 滿 足 這 個 條 件 可 認 為 選 用 的 液 動 機 的 功 率 是 合 適 的 。KwPN125.0?在 已 經 確 定 好 滾 珠 絲 桿 的 情 況 下 ， 選 用 的 導 程 ， 根 據 下 述 公 式 可10?h進 行 計 算 ： （2-4maxnVPh?）由于 smV/250max?按照機械手冊表，取 ；可推算出：10?hPmin/150/225maxmax rsrvnh ?因為已經算出了液動機的功率和轉速，可以查閱機械設計手冊，對液動機的型號進行選擇，在這里考慮到上述的一些條件，本次設計選了的三相異步液數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計11動機的型號為： 4801?Y2.3滾珠絲桿副的選用對于滾珠絲杠副，其結構上最明顯的特征是：構成的運動件的可以移動的部分在很多情況下不需要依靠運動副自身，它通常時利用絲杠和螺母這兩個原件之間的滾珠這個結構來進行工作的，在很大程度上我們可以將滾珠絲杠副和滾動軸承進行比較，他們兩個有些相同，它們兩個都是通過利用絲杠和螺母之間的滾珠來實現(xiàn)可運動的連接的。滾珠絲杠副主要是用來將 變換為直旋 轉 運 動線運動或將直線運動變換為 。旋 轉 運 動2.3.1 滾珠絲杠副的選擇和工作原理是在 和 之間放入合適數(shù)量的 ，讓 與 之滾 珠 絲 桿 絲 杠 螺 母 滾 珠 絲 杠 螺 母間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。 在機械傳動中的有重要的作用，可以將滾 珠 絲 桿旋轉運動變?yōu)橹本€運動．也可以將旋轉運動變?yōu)橹本€運動。絲杠在和螺母進行組合中的運動存在很多種不同的情況，不同的絲杠和螺母的組合會有不同的相對運動，因為滾珠絲杠副的傳動方式也會有很多種。滾珠絲桿是由 、 、 3 和 等結構組成，1絲 杠 2螺 母 滾 珠 4滾 珠 循 環(huán) 返 回 裝 置由于循環(huán)方式的不同，將它分為了兩種不同的滾珠絲杠，如下圖所示:圖 2-4 滾珠絲杠的兩種不同形式由上圖 2.4 可知，滾珠絲杠其實就是在絲杠裝置和螺母的螺旋槽間的結構，將滾珠按照順序地裝入裝置中，并將它作為中間裝置進行螺旋傳動。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計12副的工作原理如下：在 進行轉動的時候， 與 中間的滾滾 珠 絲 桿 螺 母 絲 杠 螺 母珠就會按照順序挨個地靠著滾道進行直線運動，這時會出現(xiàn)滾珠從滾道中滾出去。本次設計設計了滾珠循環(huán)裝置，使?jié)L珠可以沿著軌道運動后再通過這個返回結構，從循環(huán)裝置中重新返回到運動開始的地方，這樣我們就可以讓滾珠可以在這個裝置中不斷的工作。為了提高傳動裝置的精度和剛度以及減少中間裝置的空隙，將滾珠分為了兩個階段。2.3.2 滾珠絲杠副的設計計算（1）初算導程 Ph由機床設計手冊中的公式mrmrsmnVPh 10in/150in/1502max ???通過查表選擇最合適的導程 就是 ：Ph（2）計算 MF當 量 載 荷123 nmnttFt???????（2-5）NkgNxmMF 120/10)0()??(3) 計算轉速 n12nmtt????（2-6）查找機床設計手冊，確定升降電機的轉速：nm=1500r/min確定了升降液動機的轉速對在接下來選那種類型的液動機是很重要的(4) 計算 am額 定 動 載 荷 C數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計13'=wmhaac3fF(60nL)C1f? ?（2-7）是 ，查表可得： wf載 荷 性 系 數(shù)；1.?wf是預期 ，查表可得：hL工 作 壽 命 20hL是 ，查表可得 af精 度 系 數(shù) 8.?af是 ，查表可得：c可 靠 性 系 數(shù) 210c將上面所查的帶入下列公式中：3' 1.42061520348N=.5k.8wmhaac3fF(60nL)C=1f????? ?KNam5.在這里采用了預緊絲杠，機床設計手冊表取 f，在這里通過最大的5.4??載荷驗算，通過查找機床設計手冊：' max4.520189aeCfFN????比較 和 從它們兩中選取最大值,am,由上可知： C。KNC9.15(5) m2d徑確 定 允 許 的 最 小 螺 紋 底向 變 形估 算 絲 杠 允 許 的 最 大 軸 ?查表可得：數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計14'11~~03.~253434m m? ?????????????????重 復 定 位 精 度 =查表可得： '11~~256.~454m? ?????????????????定 位 精 度 =確定一個更小的數(shù)值： 2.5m???利用上式計算出的結果計算： '0FW?（2-8）計算 軸 向 載 荷0()(20)1/420'FMmgkgN???? 當 04N??khL=+2~4P+230169=57~1??行 程 安 全 行 程 兩 個 余 程 螺 母 長 一 個 支 撐 長（ ）算得 L=1580mm。將數(shù)據 代入下列的公式中：09.?Q02 420158.39.0.mFLdam????（6）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號由于需用的是 ， 墊片的型號是預緊 。內 循 環(huán) 固 定 法 蘭 式 雙 螺 母 4-01型G查表得 ， ，計算出相關數(shù)值，根據機m40d?mdmdm0.29.32???械手冊表： ， ，通過查找出kNCkNCaa 558 kNCa8245的數(shù)值： ， ，從表中可以找到 長度應該Dw9.uRnu/486' 螺 母為 ，同時選定 推薦的 端型式 ，通過表選擇91/TJB固 定 軸 md0?數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計15。 m69（7）計算 的 校 驗 值nDmax2max()(32.95)1058279.0pwwdn??????? 可以選用（8） 確 定 滾 珠 絲 桿 副 預 緊 力通過下列公式計算： max142013pFN???得 FP=150N。（9）計算行程補償值 C根據機床設計手冊表取,05.2t??(8~14)23(80~14)3014ukhlLPm????? 取 lu=1400mm，則 3 3.0.5.uCtl ?????（10） 計 算 預 拉 伸 力 F由機床設計手冊2 21.95.53.976.ttdN???? (11) 滾珠絲杠副臨界轉速 nc 的計算根據機床設計手冊和機械設計手冊表,可以查處 921f2115806402KCLL m?????則數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計16772 max2101.9357/in150/in40ccfdnrrL?????由上可知滾珠絲杠副的臨界轉速是符合要求的（12）滾珠絲杠壓感穩(wěn)定性驗算由于軸方向上的最大 對比絲杠的 ， 載 荷 NP20?預 拉 伸 力 7.526?Ft絲杠是不會由于壓力而失穩(wěn)，因為最大軸向的載荷明顯沒有拉伸力大，因此不需要檢驗。按照表驗算 抗 拉 強 度22576..1394tpFMPad?????上數(shù)值滿足要求（13） 擇系 統(tǒng) 剛 度 驗 算 及 粒 度 選的拉壓剛度滾 珠 絲 杠選擇螺母的位置： 158026KLam???查表可得：222min1653.90645/()180sLdRNma ?????22max.2/()160(5)sL?查機械設計手冊由于： , , 47d0?17Z06??。umNRB/6查 找 機 械 設 計 手 冊 表 ， 對 兩 端 固 定 并 預 緊 的 軸 承。xRBb 13406720??數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計17滾珠絲杠副中的 和 的結束時的剛度按機械設計手冊表可得：滾 珠 滾 道13 13' 504867./.80.pnuaFR NmC?????????????????由機械設計手冊表可得 R 的最大值和最小值可以由下面的公式計算：minin11114452307.sbnuR?????axax 36.sbnuR的計算：0空 載 軸 向 力 FNkgxM201?計算不同方向上的差值：是 10μ m。則：0min1.61.235./435.,FNmR?????反 向 差 值 滿 足 重 復 定 位 要 求傳動系統(tǒng)的定位誤差： 0minax11()20()0.3146KFmR? ???????30pV.8.8.5.7K???定 位 精 度 -選滾珠絲杠的 V300p=12μ m 2R 結合奇異性不能發(fā)生在該機械手。圖2顯示了一個例子,每個類型的奇點。在實際應用中,通過限制避免了奇異性任務的工作區(qū)。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計45圖 2 奇異的配置3、工作空間分析工作區(qū)為二自由度平面的并聯(lián)機械手是一個區(qū)域的平面所取得的工作空間參考點 O′的移動平臺。方程(10)和(11)可以重寫為(x-r+R)2+(y-y1)2=l12 (18)(x+r-R)2+(y-y2)2=l22 (19)因此,可達工作空間的參考點 O′是交叉點的子工作區(qū)關聯(lián)兩個運動鏈見圖 3。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計46圖 3 機械手工作空間任務工作空間是一個部分的可達工作空間。在實際應用中,這個任務的工作區(qū)通常定義為一個矩形區(qū)域的可達工作空間。讓最大限度的角度 α 和 β,鏈接 AiBi之間的夾角(i = 1,2)和垂直軸,用α max和 β max。讓 yi,max和 yi,min代表最大和最小的位置 i-th 滑塊。當 O′到達點 Q1滑塊 B1達到下限和 α 的值最大,即 yi=yi,min和 α=α max。同樣, 當 O′到達點 Q4，即 y2 =y2,min和 β=β max。一個垂直的線通過 Q1與上界的可達工作空間點 Q2。Q 3在 Q4的正上方(見圖3)。該地區(qū) Q1 Q2 Q3 Q4 然后構成任務的工作區(qū),作為一個矩形的寬度 b 和高度 h,注明 wt。4、最優(yōu)運動設計4.1 優(yōu)化設計基于工作區(qū)這個小節(jié)的目標是確定機械手參數(shù)所需的工作區(qū)。優(yōu)化設計的范圍可以表達為:給定 r、b,和霍夫重量,確定 R,l1、l2, 總長度為的滑塊。從方程式(10),(11)和(17),機械手的性能與 R?r 但不要 R 或 r 獨立。實際上,r 應該盡可能的小,因為較小的值 r 導致較小的機械手。通常,r 取決于軸,軸承,和工具維度在他移動平臺。因此,r 應該是設計師給出的。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計47當移動平臺到達下限,見圖 4,以下參數(shù)關系可以被獲得（20）（21）其中 d 的距離左列到左極限任務的工作區(qū)。在實際應用中,l1 應該等于 l2 改善系統(tǒng)性能和剛度。因此（22）272 清華大學科學與技術,2007 年 6 月,12(3):269 - 275圖 4 機械手的優(yōu)化設計因此,對于 l1=l2 當移動平臺將從 Q1 到 Q4 點沿 x 軸、滑動距離的滑塊在導軌應數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計48(24)當移動平臺從點 Q4 到 Q3 傳播沿 y 方向,滑動距離的滑塊(25) 因此,總旅程的滑塊(26)因為優(yōu)化設計基于任務的工作區(qū)不考慮靈巧和剛度的機械手,鏈接長度不是最優(yōu)。最優(yōu)長度的鏈4.2 全球,綜合指數(shù)條件數(shù)的雅可比行列式作為當?shù)氐男阅苤笜嗽u估速度、精度和剛度映射特征變量之間的聯(lián)合和移動平臺。這個條件數(shù) κ 被定義為(27)在 和 是最大和最小奇異值的導數(shù)與給定的姿勢有關。和 可以由求解特征方程I 代表一個單位矩陣的訂單 2。這里研究了并聯(lián)機械手,(28)在和因為 K 隨機制配置,一個總體的能指標作為績效測量的最優(yōu)運動設計,（29）注意,本身不能充分描述總體的整體運動學性能由于其無法描述之間的差異的 最大值與最小值。黃 et al[7]。提出了一種全局,綜合條件指數(shù)為目標函數(shù)在運動設計。目標函數(shù)可以表示為數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計49（30）在和 max(κ)和 min(κ)代表最大值與最小值的 K 在任務工作空間和 wη 代表重量放在的比率到。和 η 可以計算的數(shù)值（31）在 κ 的價值評估在節(jié)點(m,n)(m?1)×(n? 1)同樣網狀的 Wt。5、應用程序5.1 XNZD2415混合機工具一個二自由度平面并聯(lián)機械手結合工作臺有一個平移自由度在 z 軸和一個銑頭和兩個旋轉自由度約 x 軸和 z 軸的創(chuàng)建一個五自由度混合串并聯(lián)機床(XNZD2415)。與雙軸銑頭,該工具可以獲得任何想要的取向在任務工作空間,它的高靈活性可以自由移動的工作臺沿 z 軸,使機床制造長的工件。任務的工作區(qū) Wt的并聯(lián)機械手設計為一個長方形 b = 1600 毫米寬度和 h = 1000 毫米高。機械手也有 α max = 80,β min = 10,r = 75 毫米。奇點理論分析表明,并聯(lián)機械手的奇異性不能發(fā)生任務工作空間。最優(yōu)設計基于任務的工作區(qū)結果在 R = 1217.4 毫米。然后通過計算最小化目標函數(shù) η 其他設計參數(shù)。圖 5 表明,η 有最小值 1.916 當 L1 = 2060 毫米為wη= 0.1?；?Eq。(26),它可以被獲得為 2345.2 毫米。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計50圖 5 為不同鏈接 η 最小化長度條件數(shù)的雅可比行列式的并聯(lián)機械手在機床是圖 6 所示。條件數(shù)的分布是對稱的 x 軸。良好的運動性能是通過平衡和 之間的矛盾。機床是由清華大學在中國軋機一系列葉片和導葉的水力透平發(fā)電機組并應用在哈爾濱電機有限公司。原型圖 7 所示。圖 6 條件數(shù)的雅可比行列式的 XNZD2415 機床數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計51圖 7 XNZD2415 混合機工具5.2 XNZD2430 重型機床XNZD2415 之后成功的應用在對各種加工任務,哈爾濱電機有限公司需要一個混合機工具機非常大的葉片和導葉的水力渦輪機發(fā)電機組。當時另一個重型機床(XNZD2430)建基于二自由度并聯(lián)機械手。新的類似于第一個機在結構與一個更大的 XNZD2430 新工作區(qū)和一些其他的包括修改兩個額外的蓋表固定的列和一個輔助盤固定在頂部的銑頭。雙方的蓋表聯(lián)系輔助托盤覆蓋著薄銅板。輔助盤接觸兩個蓋板和幻燈片之間的銑頭動作。因此,覆蓋表限制變形的銑頭和提高機床剛度正常的平面機械手運動。四個括號也添加到新機床提高剛度。兩個額外的非旋轉銑頭被設計來取代二自由度銑頭,安裝在側面或底部的移動平臺。這種重型機床是那么一個三自由度的機器可以機縱向或橫向。Wt 任務的工作區(qū)在新的并聯(lián)機械手別被設計為一個長方形寬度 b = 3000毫米和高度 h = 1800 毫米與 αmax =,βmin =。這個機械手不能達到奇異 con形狀在任務的工作區(qū)。最優(yōu)設計基于任務的工作區(qū)結果在 R = 2342.5 毫米 η 有最小值 l1= 3550毫米,當 wη= 0.1。數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計52可以從 Eq 決定。(26)。主要設計參數(shù)表 1 中列出。表1的結果XNZD2430試機優(yōu)化工具ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ參數(shù) 數(shù)值ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉl1 3550 mm l2 3550 mm r 550 mm 4010.7 mm η 1.99 ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉκ 的分布為優(yōu)化設計顯示在圖 8。分布表明,條件數(shù)也是對稱所以 x 軸和運動性能是最優(yōu)的。圖8條件數(shù)的雅可比行列式的XNZD2430機床數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計53機床的 XNZD2430 顯示在圖 9 是由清華大學正在很快的建造與機床的動力學和控制胡軍(吳軍)et al:最優(yōu)運動設計的一個二自由度平面… 275的測試。圖9 XNZD2430機床的原型6 、結論數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計54運動學設計的一個二自由度平面并聯(lián)機械手已被調查。調查顯示如下。(1) 兩列之間的距離通常是通過優(yōu)化設計基于工作區(qū)。(2) 一個全球性的,綜合性能指標,包括均值和條件數(shù)的范圍的雅可比行列式在任務工作空間,可以用來有效地優(yōu)化運動設計。(3) 平面并聯(lián)機械手建立機床被成功用于機葉片和導葉的水力渦輪機。另一個重型機床基于并聯(lián)機械手被建立更大的加工任務。參考文獻[1] Beqon P, Pierrot F, Dauchez P. 模糊滑模控制的快速并行機器人。在:IEEE 機器人與自動化國際會議上,1995:1178 – 1183.[2] Ferraresi C, Pastorelli S, Sorli M, Zhmud N. 靜態(tài)和動態(tài)行為的高剛度 Stewart 平臺力/力矩傳感器。機器人系統(tǒng)雜志》,1995,12(12):883 – 893.[3] 吳 J,李 T M,唐 XQ:魯棒軌跡跟蹤控制的一個平面并聯(lián)機構。j .清華大學(Sci。&工藝。),2005 年,45(5):642 - 646。(在中國 )[4] Kock S, Schumacher W. 平行 x - y 機制與驅動冗余應用為高速和活躍的剛度。在:IEEE機器人與自動化國際會議上。魯汶。比利時,1998:2295 – 2300.[5] 劉 X J,王 QM,小王 J s. 運動學、動力學和空間合成二自由度平動機械手的一本小說。智能和機器人系統(tǒng)雜志》,2004 年,41(4):205 – 224.[6] 小王 J S,唐 XQ:分析和空間設計的一種新型的混合機工具。國際期刊的機床和制造,2003 年,43(7):647 – 655.[7] 黃 T,李 Z X,李 M,Chetwynd D G, Gosselin C M.概念設計和空間合成的二自由度平動并聯(lián)機器人小說為選擇和地點操作。ASME 雜志機械設計,2004,126(3):449 – 455.[8] 高 F,劉 X J,Gruver WA .績效評估兩個程度的自由平面并聯(lián)機器人。機制和機理論,1998,33(6):661 – 668.[9] McCloy D.一些比較串行驅動和并行驅動的機械手。Robotica,1990,8(4):355 – 362.[10] Arsenault M, Boudreau R.合成一個通用平面并聯(lián)機械手與棱鏡關節(jié)最佳剛度。在:第11 屆世界大會在機制和機科學。北京:中國機械出版社,2004:1633 – 1637.數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計55[11] Gosselin C M. 優(yōu)化設計的機器人機械手使用靈巧指數(shù)。機器人和自治系統(tǒng),1992,9(4):213 – 226.[12] Gosselin C M, Angeles J. 一個全球性能指數(shù)的運動優(yōu)化機器人機械手。ASME 雜志機械設計,1991,113(3):220 – 226.[13]黃 T, 李 M, 李 Z X, Chetwynd D G, Whitehouse D J. 最優(yōu)運動設計的二自由度并聯(lián)機構工作空間邊界的形狀規(guī)整與指定條件指數(shù)。IEEE 機器人和自動化,2004,20(3):538 – 543.[14] 劉 X J、金 Z L,高 f .優(yōu)化設計的三自由度球面并聯(lián)機制對于調節(jié)和剛度指標。機制和機理論,2000,35(9):1257 – 1267.[15] Gosselin C M, Angeles J. 奇異性分析的閉環(huán)運動鏈。IEEE 機器人和自動化,1990,6(3):281 – 290.數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計56附錄 2 外文原文數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計57數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計58數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計59數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計60數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計61數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計62數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構設計63致謝本畢業(yè)設計是在我的導師于靖華老師的親切關懷和悉心指導下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。這一次畢業(yè)設計，老師給我留下了很深刻的印象，不僅僅在專業(yè)知識上的淵博，而且對學術的態(tài)度，作為一名學生我很慚愧，也深深的知道自己離老師的水平還差了很遠很遠，在以后的路途中我任重而道遠，感謝老師教會了我這么多，在此謹向老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在這里，我還要感謝在一和我并肩作戰(zhàn)的同學，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，大家的互相討論，互相交流，給了我的畢業(yè)設計很大的思路。 在畢業(yè)設計即將完成之際，我的心情非常復雜，不舍，難受等都無法表達我的情緒，從開始進入課題到設計的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我巨大的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!