卧式加工中心的机械手升降机构毕业设计.docx

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卧式加工中心的机械手升降机构毕业设计

本科毕业设计（论文）

题目：

卧式加工中心的机械手升降机构设计

系别：

机电信息系

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

学生：

学号：

指导教师：

2013年05月

卧式加工中心的机械手升降机构设计

摘要

数控卧式机床的发展与应用，大大降低了零件的加工辅助时间，提高了生产效率。

随着数控机床的普及应用，机械加工的自动化程度大大提高，数控机床发展成了当今普遍应用的一种更新、更先进的制造设备。

加工中心带有刀库和自动换刀装置，可以实现按照预定程序对工件进行多工序加工。

数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的的多种工序的加工。

数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构由液动机、滚珠丝杠副、减速齿轮、摩擦片式电磁离合器等构成。

了解刀库机械手升降机构的性能要求;了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析;液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置，良好的结构设计能够实现刀库中刀具的快速更换，提高机床的加工效率。

关键词:

升降机构；JCS-013数控镗铣床；液动机；滚珠丝杠；手架；离合器；

Abstract

WiththedevelopmentofNC,theautomatictoolchangersystemismoreandmoreimportantinthemodernadvancedmanufacture,becausetheATCcanshortenthecycletimeofproductmanufacturing,improvetheprecisionofproductmachining.Thelatestrequirementsofmachinetoolusercompriseofdiversificationofcontrolobject,complexityofprocess,flexibleofapplicationandhighreliability.Thefunctionoftoolmagazineisthatstoresthetoolandmovesthetool

whichwillbeusedinthenextmanufacturingprocesstotherightchangeoverpositionandrobotwillfinishthechangeovertool.

CNChorizontalboringandmillingmachineisaautomatictoolchangedeviceandarbitraryindexingofdigitalcontrolmachinetoolncrotarytable,Afteraclampingworkpiececanautomaticallycompleteseveralprofilesofavarietyofmachiningprocess.CNChorizontalboringandmillingmachinetoolstoragemanipulatorliftingmechanismbytheLiquidmotive,Theballscrewvice,Reductionear,Frictionplateelectromagneticclutch,etc.Understandingofknifelibrarymanipulatorliftingmechanismperformancerequirements,Theunderstandingoftheprincipleofoperationofknifelibrarymanipulatorliftingmechanism,Structuredesignandcalculationanalysis,Liquidmotivationdrivestheballscrewrotation,leadframehandmovement,Byslowingdownandclutchandscrewbrake,makehandaircraftparkedinknifepositionaccurately,

Gooddesigncanbringaboutquickreplacementknifetoolinlibrary,improvetheprocessingefficiencyofmachinetool.

Keywords:

Liftingmechanism;CNChorizontalboringandmillingmachine;Liquidmotive;Ballscrew;Hand;Clutch;

1绪论

在车床、镗床、铣床、插、拉床、磨床、数控加工中心、齿轮加工中心、切断机床、特种加工机床、组合机床、柔性制造系统等众多机械加工设备中，镗铣床加工特点：

加工过程中工件不动，让刀具移动，并使刀具转动（主运动），在实践中具有“万能机床”的称号。

镗铣床主要是刀具在工件上加工已有预制孔的机床。

通常，刀具旋转为主运动，刀具或工件的移动为进给运动。

它主要是用来加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，此外还可以从事与孔精加工有关的其他加工面的加工。

1.1数控镗铣床的结构组成

如图1.1所示，数控机床主要由机床本体、自动换刀装置、数控转台、液压油箱、数控电柜、主轴驱动调速控制柜、机床电气柜、主轴箱润滑冷却用自动油温调节器和空气干燥器等组成。

1-电动机2-换刀机械手3-数控柜4-刀库5-主轴箱6-操作面板7-电源柜8-工作台9-滑座10-床身

图1.1数控机床示意图

a.机床本体机床的本体是用来支撑机床的工作已达到加工生产目的。

主要由床身和立柱组成。

b.主轴结构主轴部件既要满足精加工精度较高的要求，又要满足粗加工时高效切削的能力。

因此在旋转精度、刚度、抗振性和热变形等方面，都有很高的要求。

在布局结构方面，对于具有自动换刀功能的数控镗铣床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有道具自动加紧、主轴自动准停和主轴装刀口吹净等装置。

c.数控转台数控转台可以进行任意角度定位，它的功能有两个：

一是使工作台进行圆周进给运动，二是使工作台进行分度运动。

d.换刀装置数控镗铣床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩减辅助时间和减少多次安装工件所引起的误差，必须具有自动换刀装置。

其主要有刀库、横梁升降机构、滑座伸缩机构、手架回转机构、装刀手和卸刀手组成。

e.机床导轨导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。

在导轨副中，运动的一方叫运动导轨，不运动的一方叫支撑导轨。

运动导轨相对于支撑导轨的运动，通常是直线运动或回转运动[1]。

1.2国内外数控机床的发展

随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业种起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工。

刀库的功能是储存刀具并把下一把即将要用的道具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。

完成此功能的机械包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。

具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。

驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。

机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。

由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高成产效率，改善劳动条件。

所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减小多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。

1.2.1国内外数控卧式镗铣床的现状

当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精度、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。

长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着电子、计算机技术的进步。

国外数控卧式镗床和卧式加工中心均有突飞猛进的发展。

其表现在于机床的结构、精度和寿命，以及自动化水平、生产效率等方面都有很大的提高。

在产品开发工作上，采用模块化设计和计算机辅助设计等现代化设计方法，在确保产品设计质量和技术水平的前提下，产品品种大量涌现，变型产品也越来越多，除可满足市场的需求外，并获得了较大的经济效益。

一些科学技术比较发达的国家，已由生产卧式镗床转向生产更高水平的自动化机床，并已生产和研制出更高一级的现代化水平的设备，从而为实现无人化工厂奠定了基础。

国外数控卧式镗床及卧式加工中心的形成、演变过程，一种是以普通卧式镗床为基础，配以控制系统，而成为数控卧式镗床；进而在配以刀库及机械手等独立部件后，演变成为卧式加工中心；另一种是与普通卧式镗床无关，独立设计而成。

很多机床公司都是由过去生产普通卧式镗床转而生产当代的数控卧式镗床及卧式加工中心的。

很多机床厂家已不生产一般的普通卧室机床，已将其扩散到发展中国家去生产，而把主要精力集中到更高级的数控卧式镗床和卧式加工中心，并进行大量的科学研究工作因而取得了较大技术和经济利益[2]。

我国卧式镗床生产是在1954年由仿制开始的。

目前已有13个省、一个自治区、三个直辖市的二十六个厂，卧式镗床的年产量到1971年，已经超过一千台。

卧式镗床的品种，第一个五年计划期间，只能生产主轴直径85毫米的卧式镗床，现在已经能生产主轴直径63、85、125、150等毫米的卧式镗床及主轴直径110毫米的加大主轴直径和移动式镗床。

从只能根据国外图纸生产单一产品，发展到自行设计试制并采用一定先进技术的多种产品。

在无产阶级大革命中，就有17个厂先后设计试制了三十一种卧式镗床。

其中直径63毫米的有五种；直径125毫米的有一种；无伸缩主轴简易卧式镗床有两种；直径160毫米落地镗床有两种，直径200毫米的有一种，直径250毫米的有一种[3]。

国内生产厂家在相关领域取得了快速增长，相关设备厂家在国家政策的扶持下取得了不少成果，与国际同行的差距越来越小，甚至有所超越。

具有高精度、高效率及卓越的加工能力。

采用绝对坐标，不需要长距离的原点回归操作，有效缩短非加工时间。

五轴（X,Y,Z,W,B轴）控制，四轴同动控制，任一角度定位工作台（B轴功能）。

适合工件的数面加工，只需一次安装工件及调整，配置回转式工作台，定位精准，确保各加工面之相互精度。

配置刀库就升级为加工中心。

适用于各类大型箱体、缸体的加工[4]。

当代卧式镗铣床与落地式铣镗床技术发展非常快，主要体现在设计理念的更新和机床运行速度及制造工艺水平有很大的提高，另一方面是机床结构变化大，新技术的应用层出不穷。

卧式镗铣床的结构向高速电主轴方向发展，落地式铣镗床向滑枕式（无镗轴）结构方向发展，功能附件呈高速、多轴联动、结构型式多样化的发展态势，这将是今后一个时期技术发展的新趋势[5]。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。

同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。

在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手[6]。

机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的，随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题构成。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。

同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。

控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景[7]。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用[8]。

升降机的发展阶段升降机的发展阶段升降机的发展阶段升降机的发展阶段对垂直运送的需求与人类的文明一样久远，最早的升降机使用人力、畜力和水力来提升重量。

升降装置直到工业革命前都一直依靠这些基本的动力方式。

古希腊时，阿基米德开发了经过改进的用绳子和滑轮操作的升降装置，它用绞盘和杠杆把提升绳缠绕在绕线柱上。

公元80年，角斗士和野生动物乘坐原始的升降机到达罗马大剧场中竞技场的高度。

中世纪的纪录包括无数拉升升降装置的人和为孤立地点进行供给的图案。

其中最著名的是位于希腊的圣巴拉姆修道院的升降机。

这个修道院位于距离地面大约61米高的山顶上，提升机使用篮子或者货物网，运送人员与货物上下。

1203年，位于法国海岸边的一座修道院的升降机安装于使用一个巨大的踏轮，由毛驴提供提升的动力，通过把绳子缠绕在一个巨大的柱子上，负重就被提升了起来。

18世纪，机械力开始被用于升降机的发展。

1743年，法国路易十五授权在凡尔赛的私人宫殿安装使用平衡物的人员升降机。

1833年，一种使用往复杆的系统在德国哈尔茨山脉地区升降矿工。

1835年，一种被称为“绞盘机”的用皮带牵引的升降机安装在英国的一家工厂。

1846年，第一部工业用水压式升降机出现。

然后其他动力的升降装置紧跟着很快出现了。

1854年，美国技工奥蒂斯发明了一个棘轮机械装置，在纽约贸易展览会上展示了安全升降机。

1889年，埃菲尔铁塔建塔时安装了以蒸汽为动力的升降机，后改用电梯。

1892年，智利阿斯蒂列罗山的升降设备建成，直到现在，15台升降机仍然使用着110多年前的机械设备。

液压升降机广泛适用于大型机械设备、汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业及生产流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚珠、滚筒、转盘、转向、倾翻、伸缩），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点，使生产作业轻松自如。

1.3数控机床的发展趋势

1.3.1高速化、高精度化、高可靠性

质量、效率是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

高速化：

（1）提高进给速度：

采用直线滚珠式导轨等；

（2）提高主轴转速：

采用直线电机技术，直接将电机与主轴连接成一体后，装入主轴部件，可以在1.8秒从0加速到15000r/min。

高精度化：

精密化石为了适应高新技术发展的需要，随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床的加工精度的要求也越来越高。

高可靠性：

一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上。

1.3.2复合化

数控机床的功能复合化得发展，以其复合加工实现了一次装夹后完成各种复杂零件的全部加工，从而减少了不床造价值的辅助时间，提高了机床的效率和加工精度，降低了生产制造成本，提高了生产的柔性。

复合功能的机床近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。

1.3.3智能化

智能化的内容包括在数控系统中各方面：

为追求加工效率和加工质量的智能化：

如自适应控制、工艺参数自动生成等；为提高驱动性能的智能化，如：

前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如职能化得自动编程、智能化得人机界面等，及智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维护等。

1.3.4柔性化、集成化

为适应制造自动化的发展，向FMCFMSCIMS提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量自动上、下料，自动换刀，自动误差补偿、自动诊断、进线和联网功能，依据用户的不同要求，可方便地灵活配置及集成[9]。

2数控卧式加工中心机械手升降机构设计

2.1设计目的

机械手升降机构设计是机械设计制造及其自动化专业的一个重要环节，是所学专业课程的一次综合学习。

通过设计提高学生的综合能力、机械结构设计的能力。

通过设计，把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的运用，使这些知识的到巩固和发展。

培养学生独立设计的能力，树立正确的设计思想，掌握设计的基本方法和步骤，为以后工作打下良好的基础。

2.2设计内容

a.了解刀库机械手升降机构的性能要求；

b.了解刀库机械手升降机构的工作原理，进行结构设计和计算分析；

c.设计指标：

液动机带动滚珠丝杠转动，带动手架运动，通过减速和离合器吸合，丝杠制动，使手架准确停在换刀位置；

d.应用CAD系统对系统零件和装配的设计。

2.3升降机构的组成和运动

2.3.1升降机构的组成

升降机构由液动机、滚珠丝杠、螺旋副间隙调整垫、导向柱、减速齿轮和无触点行程开关等组成。

刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条上有15个刀套,刀库能存放60把刀具如图2.1所示。

安装刀套的四条链条由油马达通过齿轮组带动而同步转动,找刀采用刀套编号方式。

由于四排刀套链中，每排刀套

动在一排内选刀。

升降机构的作用是：

在给定的程序指令下，完成手架的升降，位置一一对应，因此找刀是由两部分运动来实现，即手架升降找刀排，刀链转使得手架在四个换刀位置准确的换刀。

图2.1自动换刀装置

2.3.2手架升降机构的运动

当接受使手架升降（找刀排）指今后，升降电机1带动滚珠丝杠转动，滑座就作升降运动，使其上的手架带动装刀手和卸刀手一同作升降运动。

因刀库有四排刀排，所以滑座应上下移动3X420毫米的距离。

手架上下运动到接近所选刀徘位置时，其上带的悬臂感应块，使无触点行程开关发信号，控制滑座升降的电机减速，使滑座减速。

当到达所选刀排所要求谁确定位时，装在减速齿轮传动轴上的感应块使无触点行程开关发信号，切断滑座升降电机电源，电磁离合器吸合，电机停转，滑座（即手架）停在所规定的位置上。

导向柱除起导向作用外，还使滚珠丝杠在传动小，免受滑座及手架、装卸刀手等的重量所造成的偏重力矩的作用，使升降运动平稳可靠。

滚珠丝杠和螺母间的间隙，可修磨调整垫的厚度进行调节[10]

3.1升降电机的选择

3.1.1升降电机的理论分析

电机拖动机构受力分析如图3.1所示：

图3.1机械手升降电机受力分析（M表示机械手自重，m表示爪重）

当手抓接到上升找刀排的指令后，电动机带动滚珠丝杠向使手抓上升的方向转动，带动手抓上升到接近所选刀排位置时，手臂支架上的感应块，使刀库上与刀排位置相应的无触点开关发出讯号，电动机变速，手架随之减速，装在讯号盘上的定位块转到使讯号开关同时发出讯号时，电动机停转，摩擦片式离合器吸合，丝杠制动，手抓准确地停在预定的换刀位置上。

手架下降找刀排过程与上升情况基本相同，只是电动机带动丝杠时旋转的方向相反。

分析电机的运行过程可知，电机工作时间比较短，而停机时间比较长，属于短时工作制的电机。

所以机械手升降机构的电机工作特点是：

工作时温升达不到最高值，而停车时可完全冷却到周围环境温度，如图3.2所示。

由于发热情况与长期连续工作方式的电机不同，所以，电动机的选择也不一样，即可选择专用短时工作的电机，也可选择连续工作制的普通电机[11]。

通过传动过程的受力分析可知，如图3.1。

电机的负载为恒定负载，电机的输出功率分为两部分，一部分通过齿轮减速传递给制动器。

另外一部分通过丝杠传递给手抓。

忽略导向柱摩擦力引起的功率损失可用公如下公式表达：

P电=P制+P手抓（3.1）

P电为电机理论输出功率。

P手抓为手抓理论输入功率。

P制为制动器理论输入功率。

由于制动器的输入功率相比手抓理论输入功率很小，所以可忽略不记。

于是：

P电=P手抓（3.2）

对于负载功率PL恒定不变的成产机械，拖动这类机械的电动机在短时运行时的负载图及温升曲线如图3所示。

为这类工作机械选择电动机时，只需按设计手册中的计算公式算出负载所需输入功率PW，再选择一台额定功率为

PN≥PW（3.3）

的电机即可。

图3.2恒定负载短时工作的负载图及温升图

3.1.2升降电机的选择

电动机所需的输出功率为：

Pn=

（3.4）

PW为工作机械所要求的输入功率（Kw）；η为电动机至工作机的总效率。

由于机械手升降机的电动机是通过间连接直接传递到工作机的，所以η=1;于是：

Pn=PW（3.5）

工作机要求输入功率根据机械设计手册可查到计算公式：

PW=

（3.6）

F为工作机的阻力；v为升降机构的上升速度；ηw为工作机的效率。

查表知，v=250mm/s；

根据受力分析图3.1知：

F=（M+m）g=（22Kg+20Kg）x10N/Kg=420N;

工作机的传动机构中包括一对球轴承运动副和一个滚珠丝杠副，查机械手册可知球轴承的传动效率

ηQ=0.99；

滚珠丝杠副的传动效率

ηG=0.85~0.95；

选择ηG=0.85；

则：

ηw=ηQxηG=0.99x0.85=0.8415；

把数据带入式3.5可得工作机要求输入功率为：

PW=

=

=0.125Kw；

根据式3.4电机的理论输出功率

Pn=PW=0.125Kw；

根据式3.3选用电机的额定功率PN≥0.125Kw即可。

由于滚珠丝杠的导程选择为10；根据导程公式：

Ph=

（3.7）

vmax=250mm/s；按照机械手册表12-1-14，取Ph=10；可推算出：

nmax=

=

=25r/s=1