1、本科毕业设计(论文)题目：数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析系 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I数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计与分析摘 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
2、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；IICNC horizontal boring and milling machine tool storage manipulator lifting mech
3、anism design and analysisAbstract 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 machi
4、ne 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
5、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 bor
6、ing 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 operat
7、ion 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 q
8、uick 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;III目 录1 绪论 11.1 数控镗铣床的结构组成 11.2 国内外数控机床的发展 21.2.1 国内外数控卧式镗铣床的现状 .21.3 数控机床的发展趋势 51.3.1 高速化、高精度化、高可
9、靠性 .51.3.2 复合化 .61.3.3 智能化 .61.3.4 柔性化、集成化 .62 数控卧式镗铣床刀库机械手升降机构设计 72.1 设计目的 .72.2 设计内容 .72.3 升降机构的组成和运动 72.3.1 升降机构的组成 .72.3.2 手架升降机构的运动 83 升降机构驱动电机 93.1 升降电机的选择 .93.1.1 升降电机的理论分析 93.1.2 升降电机的选择 .103.2 电机调速 .113.2.1 变频调速原理 123.2.2 变频器选型时要确定以下几点 .12IV4 摩擦片式电磁离合器的选用 134.1 转矩特性 134.2 动作特性 144.3 散热特性与寿命
10、 144.4 摩擦片式电磁离合器的测试方法 144.4.1 静力矩的测定 .144.4.2 动力矩的测定 .144.4.3 空转力矩的测定 .154.4.4 残留力矩及力矩消灭时间的测定 .154.5 选用电磁离合器的注意事项 165 滚珠丝杠副的选用 175.1 滚珠丝杠副的工作原理 175.2 滚珠丝杠副的类型 185.2.1 外循环 .185.2.2 内循环 185.3 滚珠丝杠副的传动特点 195.4 滚珠丝杠的选用指标 195.5 滚珠丝杠副的设计计算 205.6 滚珠丝杠的保护 246 控制系统 256.1 模拟式 256.2 数字式 256.2.1 行程开关 .256.2.2 接
11、近开关 .26V总 结 27参 考 文 献 28致 谢 29毕业设计（论文）知识产权声明 30毕业设计（论文）独创性声明 .311设计图纸和说明书联系 QQ25766365382 数控卧式镗铣床刀库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。22.2 设计内容a. 了解刀库机械手升降机构的
12、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
13、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32.3.2 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
14、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 1043.1 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
15、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5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
16、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PNPW
17、（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）PWPW 为工作机械所要求的输入功率（Kw） ； 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 =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）Fv1000w6F 为工作机的阻力； v 为升降机构的上升速度； w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+2
18、0Kg)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Q=0.99；滚珠丝杠副的传动效率G=0.850.95；选 择 G=0.85；则 ： w=QxG=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；Fv1000w420N 250mm/s 0.0011000 0.8415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 PN0.125Kw 即 可 。由 于 滚 珠 丝
19、杠 的 导 程 选 择 为 10； 根 据 导 程 公 式 ：Ph= （3.7）vmaxnmaxvmax=250mm/s；按照机械手册表 12-1-14，取 Ph=10；可推算出：nmax= = =25r/s=1500r/min （3.8）vmaxPh 250mm/s10由以上分析可选择一个功率大于 0.36kW，同步转速为 1500r/min 的三相异步电机。按机械设计手册表 17-1-35，选取型号为 Y801-4 的三相异步电动机。基本参数如表所示。表 3.1满载时型号额定功率/（kW）同步转速/rmin-1额定电流/A 转速/rmin-1效率/%功率因数 Y801-4 0.55 150
20、0 1.5 1390 73.0 0.7673.2 电机调速三相异步电机的调速方法有调压调速、转子电路串电阻调速、改变极对数调速和变频调速。变频调速的机械特性如图 3 所示。异步电动机的转速正比于定子电源的频率 f，若连续的调节定子电源频率，即可实现连续地改变电动机的转速。图 3.3 三相异步电机变频调速认为机械特性3.2.1 变频调速原理所谓变频调速，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速刀低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。变频器是利用电力半导体器件的通断作
21、用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 12。3.2.2 变频器选型时要确定以下几点a. 采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。b. 变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。c . 变频器与负载的
22、匹配问题：（1）电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。8（2）电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。（3）转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。d. 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。e. 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。f. 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。电磁离合器是实现设备自动化控制的主要执行元件之一,可在原动机不中断旋转的情况下控制传动系统。如机床主轴的自动起动、停止(制动 )、反向、变速、定位和进给系统中的切换等。加之电磁离合器体积小、结构紧凑、动作灵敏、消耗功率小及操作方便等,在现代技术中被广泛应用 139
