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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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。控制系統(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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
參考文獻(xiàn)
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