1876_MD1200型直线坐标码垛机机械系统设计
1876_MD1200型直线坐标码垛机机械系统设计,_md1200,直线,坐标,码垛,机械,系统,设计
黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 1 页 MD1200 型直线坐标码垛机机械系统设计摘要:本文介绍了码垛机,码垛机是立体仓库系统的重要组成部分,它是整个系统的执行部件,存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里,取货时将货物从货位中取回到出入货台。码垛机主要用于食品饮料行业、化工行业等;配套于三合一灌装线等,对各类瓶罐箱包进行码垛。首先介绍了码垛机的发展、结构特点、主要用途、工作原理;其次介绍了码垛机的种类及其特点;最后本文介绍双立柱码垛机机械结构。通过这些对码垛机机有一个大致的了解,为设计做准备。关键词:码垛机,工作原理,发展前景前言码垛机是立体仓库系统的重要组成部分,它是整个系统的执行部件,存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里,取货时将货物从货位中取回到出入货台。无论何种类型的码垛机,一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创,结构形式有些差异,但可以说大同小异,所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。体现码垛机动态性能优劣的指标主要有:运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。随着科学技术的不断进步,立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。1 码垛机的发展、结 构 特 点 及 主 要 用 途初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础,这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架,利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960 年左右在美国出现了巷道式码垛机,随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。1967 年日本安装了高度 1015 米的高层码垛机,1969 年出现了联机全自动化仓库,我国是在上世纪 70 年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。目前的码垛机技术取得了重大的发展,控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。巷道式码垛 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 2 页 机的起升速度已经可以达到 90m/min,运行速度达到 240m/min,在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。按现行机械行业标准,有轨巷道式码垛机分类方式很多,如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。中、低位码垛机主要由压平输送机、缓停输送机、转位输送机、托盘仓、托盘输送机、编组机、推袋装置、码垛装置、垛盘输送机组成。其结构设计优化,动作平稳可靠。码垛过程完全自动,正常运转时无须人工干预 , 具 有 广 泛 的 适 用范围。码垛机主要用于食品饮料行业、化工行业等;配套于三合一灌装线等,对各类瓶罐箱包进行码垛。码垛机自动运行分为自动进箱、转箱、分排、成堆、移堆、提堆、进托、下堆、出垛等步骤。2码垛机的工作原理平板上工件符合栈板要求的一层工件,平板及工件向前移动直至栈板垂直面。上方挡料杆下降,另三方定位挡杆起动夹紧,此时平板复位。各工件下降到栈板平面,栈板平面与平板底面相距 10mm,栈板下降一个工件高度。往复上述直到栈板堆码达到设定要求。码垛机器人配备有特殊定制设计的多功能抓取器,不管包装箱尺寸或重量如何,机器人都可以使用真空吸盘牢固地夹持和传送包装箱。3码垛机的种类码垛机一般有很多种,根据不同的场地和商品的尺寸需要不同的码垛机常见的有一些几种:3.1 码垛机器人 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 3 页 码 垛 机 器 人此码垛机人属于私自由度柱面坐标机器人,柱面坐标机器人的空间位置机构主要有旋转机座、垂直位移和水平位移轴构成,起动作空间呈圆柱形。此码垛机人又四个自由度,除旋转基座、垂直和水平移动外,还有前端端持器的旋转共四个自由度。它有教快的抓取码垛速度,可以有效的进行工作,但是由于其自动化较高,制造成本较高因此价格比较高。3.2 桥式码垛机桥 式 码 垛 机 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 4 页 从图片可以看出此类码垛机属于大型码垛机主要用于大量物品的大量存储该产品广泛用于面粉、淀粉、油脂、饲料、煤化工、盐化工、水泥等行业。它主要由主行车、行车输送机、移动小车、转向盘、滑包升降输送装置、控制中心等组成,主梁依靠电机驱动在行车钢轨上做往返运动。桥式码垛机能前后、左右、上下自动运行。当包装袋经胶带输送机通过一定距离的输送后,由转弯器 90o送入主机的行车输送带上,再经转弯器转 90o后进入悬臂滑包升降机的滑包输送机,根据堆码垛垛层的需要自动落位。其产品具有安全性能可靠、控制系统操作灵活、故障率低、维修保养方便等特点。3.3 直线码垛机直线码垛机一般分为单柱码垛机和双柱码垛机单 立 柱 码 垛 机 双 立 柱 码 垛 机3.3.1 单立柱码垛机单立柱码垛机包括底座,底座上设有立柱,立柱上设有上下方向的第一导轨,导轨上有有滑块运动的驱动机构,驱动机构上有横梁,横梁上设有水平运动第二导轨,第二导轨上有抓手伸出机构,伸出机构可以前后运动。此机器最大特点就是结构简单、方便移动,占用较少的空间,不足之处就是它所能提起的物品重量受到限制,移动速度有限,因此多用于较轻物品的码垛,物品摆放拥挤的地方。3.3.2 双立柱码垛机双立柱码垛机的结构与单立柱式类似,包括底座安装在底座上的两个立柱以及安装在两个立柱上的横梁,在横梁上安装有抓手机构,这种机构的码垛机工作时,抓手 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 5 页 机构和横梁能够在立柱上上下运动,抓手机构能够在横梁上水平运动。通过上述的运动方式将运过来的物品堆放在托盘上以完成码垛任务,当物品不规则时难以保证码垛的稳定性,这种码垛机结构复杂,价格较高。但是这种码垛机能够抓取教重的物品,使用过程中不易出现毛病。4.双立柱码垛机的机械结构4.1 滚珠丝杠滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展,这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。4.1.1 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反覆作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 (1) 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。(2)高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的,特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。(3)微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。(4)无侧隙、刚性高 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 6 页 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。(5)高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。4.2 带传动带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同,有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动,也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力,且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点,在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低,但传动比不准确(滑动率在 2%以下) ;同步带传动可保证传动同步,但对载荷变动的吸收能力稍差,高速运转有噪声。 带传动除用以传递动力外,有时也用来输送物料、进行零件的整列等。4.3 直线导轨直线导轨称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合,拥有比直线轴承更高的额定负载, 同时可以承担一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。4.3.1 直线导轨分类和组件直线导轨分为方形滚珠直线导轨,双轴芯滚轮直线导轨,单轴芯直线导轨。直线导轨有两个基本组件,一个作为导向的为固定组件(导轨) ,另一个是移动组件(滑块) 作为导向的导轨为淬硬钢,经精磨后置于安装平面上,其横截面的几何形状比较复杂,因为导轨上需要加工出沟槽,以利于滑动组件的移动 滑块包裹着导轨的顶部和两侧面 直线导轨以滚动钢球作为导轨和滑块之间的动力传输界面,因为滚动钢球适应于高速运动 摩擦系数小 灵敏度高,满足运动部件的工作要求,可进行无限滚动循环的运动,并将滑块限制在导轨上,使负载平台能沿导轨以高速度 高精度做直线运动 负载平台移动时,钢球就在滑块支架沟槽中循环流动,把滑块支架的磨损量分摊到各个钢球上,从而延长直线导轨的使用寿命为了消除滑块支架与导轨之间的间隙, 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 7 页 可预加载荷能提高导轨系统的稳定性直线导轨结构组成见图 4-3-1。图 4-3-1 直线滑轨的结构组成4.3.2 直线导轨特点(1) 自动调心能力来自圆弧沟槽的 DF(45-45)组合,在安装的时候,藉由钢珠的弹性变形及接触点的转移,即使安装面多少有些偏差,也能被线轨滑块内部吸收,产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 8 页 (2) 具有互换性由于对生产制造精度严格管控,直线导轨尺寸能维持在一定的水准内,且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落,因此部份系列精度具可互换性,客户可依需要订购导轨或滑块,亦可分开储存导轨及滑块,以减少储存空间。(3) 所有方向皆具有高刚性运用四列式圆弧沟槽,配合四列钢珠等 45 度之接触角度,让钢珠达到理想的两点接触构造,能承受来自上下和左右方向的负荷;在必要时更可施加预压以提高刚性。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 9 页 参考文献1 陈立德.机械设计C.上海:上海交通大学出版社,2002.2 张世昌.机械制造技术基础M.北京:高等教育出版社,2002.3 李云.机械制造工艺及设备设计指导手册C.北京:机械工业出版社,1992.4 刘极峰.计算机辅助设计与制造M.北京:高等教育出版社,2004.5 王勇军,周奇才自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究J起重运输机械,2003(1):27-296 周兴万立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制J基础自动化,1998,6:487 陈晓军 PLC 控制技术在立体仓库码垛机中的应用J工业技术,2007,34:118 周奇才基于现代物流的立体仓库系统(AS/RS)管理及控制技术研究D 四川:西南交通大学20029 熊肖磊巷道堆垛起重机的认址方式与调速J,起重运输机械,1996,(8)10 (日本)吉国宏自动化仓库码垛机设计M北京: 人民铁道出版社,1979,3-3111 吴丽,梅杨电气控制与 PLC 应用技术北京:机械工业出版社,200812 吉国宏自动化仓库码垛机设计M北京:人民铁道出版社,199713 熊肖磊巷道堆垛起重机的认址方式与调速J,起重运输机械,1996,(8)14 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京:机械工业出版社,199515 R.L.Wernli. AUVS-The Maturity of the Technology. OCEANS 99 MTS/IEE Coference Proceedings.16 A.Tonge. Marlin. The UK Military UUV Programme-A Programme Overview. Proceedingsof the International UUV Conference, Newport,RI,2000,(4):31-38.17 J.Westwood. Future Prospects for AUVs. A Presentation to the Maridan PING Symposium. Copenhagen,1999,9.18 http:/mw.newmaker.com/art_21337.html. 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 1 页 MD1200 型直线坐标码垛机机械系统设计摘要:本文介绍了码垛机,码垛机是立体仓库系统的重要组成部分,它是整个系统的执行部件,存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里,取货时将货物从货位中取回到出入货台。码垛机主要用于食品饮料行业、化工行业等;配套于三合一灌装线等,对各类瓶罐箱包进行码垛。首先介绍了码垛机的发展、结构特点、主要用途、工作原理;其次介绍了码垛机的种类及其特点;最后本文介绍双立柱码垛机机械结构。通过这些对码垛机机有一个大致的了解,为设计做准备。关键词:码垛机,工作原理,发展前景前言码垛机是立体仓库系统的重要组成部分,它是整个系统的执行部件,存货时将货物从出入货台准确的存放到货位里,取货时将货物从货位中取回到出入货台。无论何种类型的码垛机,一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。它是在所谓高层、高速、高密度储藏的概念下的产物。尽管各厂家各有独创,结构形式有些差异,但可以说大同小异,所有的码垛机都不外乎由机架、载货台、伸缩货叉、轨道和控制系统等部分组成。体现码垛机动态性能优劣的指标主要有:运行速度、提升速度、货叉速度、平稳性、认址精度等。随着科学技术的不断进步,立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断提高。1 码垛机的发展、结 构 特 点 及 主 要 用 途初期的立体仓库使用的码垛机以桥式起重机为基础,这种码垛机是从起重机的大梁上悬挂一个门架,利用门架的上下和旋转来搬运货物。1960 年左右在美国出现了巷道式码垛机,随后巷道式码垛机逐渐替代了受重量和跨度限制的桥式码垛机。1967 年日本安装了高度 1015 米的高层码垛机,1969 年出现了联机全自动化仓库,我国是在上世纪 70 年代初期开始研究采用巷道式码垛机的立体仓库。目前的码垛机技术取得了重大的发展,控制技术、定位精度、运行速度都得到了很大程度的提高。巷道式码垛 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 2 页 机的起升速度已经可以达到 90m/min,运行速度达到 240m/min,在有的立体仓库中采用上、下两层分别用巷道码垛机进行搬运作业的方法提高出入库能力。按现行机械行业标准,有轨巷道式码垛机分类方式很多,如按支承方式、用途、控制方式、结构、运行轨迹等分类。无论何种类型的码垛机一般都由水平行走机构、起升机构、载货台及货叉机构、机架和电气设备等基本部分组成。中、低位码垛机主要由压平输送机、缓停输送机、转位输送机、托盘仓、托盘输送机、编组机、推袋装置、码垛装置、垛盘输送机组成。其结构设计优化,动作平稳可靠。码垛过程完全自动,正常运转时无须人工干预 , 具 有 广 泛 的 适 用范围。码垛机主要用于食品饮料行业、化工行业等;配套于三合一灌装线等,对各类瓶罐箱包进行码垛。码垛机自动运行分为自动进箱、转箱、分排、成堆、移堆、提堆、进托、下堆、出垛等步骤。2码垛机的工作原理平板上工件符合栈板要求的一层工件,平板及工件向前移动直至栈板垂直面。上方挡料杆下降,另三方定位挡杆起动夹紧,此时平板复位。各工件下降到栈板平面,栈板平面与平板底面相距 10mm,栈板下降一个工件高度。往复上述直到栈板堆码达到设定要求。码垛机器人配备有特殊定制设计的多功能抓取器,不管包装箱尺寸或重量如何,机器人都可以使用真空吸盘牢固地夹持和传送包装箱。3码垛机的种类码垛机一般有很多种,根据不同的场地和商品的尺寸需要不同的码垛机常见的有一些几种:3.1 码垛机器人 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 3 页 码 垛 机 器 人此码垛机人属于私自由度柱面坐标机器人,柱面坐标机器人的空间位置机构主要有旋转机座、垂直位移和水平位移轴构成,起动作空间呈圆柱形。此码垛机人又四个自由度,除旋转基座、垂直和水平移动外,还有前端端持器的旋转共四个自由度。它有教快的抓取码垛速度,可以有效的进行工作,但是由于其自动化较高,制造成本较高因此价格比较高。3.2 桥式码垛机桥 式 码 垛 机 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 4 页 从图片可以看出此类码垛机属于大型码垛机主要用于大量物品的大量存储该产品广泛用于面粉、淀粉、油脂、饲料、煤化工、盐化工、水泥等行业。它主要由主行车、行车输送机、移动小车、转向盘、滑包升降输送装置、控制中心等组成,主梁依靠电机驱动在行车钢轨上做往返运动。桥式码垛机能前后、左右、上下自动运行。当包装袋经胶带输送机通过一定距离的输送后,由转弯器 90o送入主机的行车输送带上,再经转弯器转 90o后进入悬臂滑包升降机的滑包输送机,根据堆码垛垛层的需要自动落位。其产品具有安全性能可靠、控制系统操作灵活、故障率低、维修保养方便等特点。3.3 直线码垛机直线码垛机一般分为单柱码垛机和双柱码垛机单 立 柱 码 垛 机 双 立 柱 码 垛 机3.3.1 单立柱码垛机单立柱码垛机包括底座,底座上设有立柱,立柱上设有上下方向的第一导轨,导轨上有有滑块运动的驱动机构,驱动机构上有横梁,横梁上设有水平运动第二导轨,第二导轨上有抓手伸出机构,伸出机构可以前后运动。此机器最大特点就是结构简单、方便移动,占用较少的空间,不足之处就是它所能提起的物品重量受到限制,移动速度有限,因此多用于较轻物品的码垛,物品摆放拥挤的地方。3.3.2 双立柱码垛机双立柱码垛机的结构与单立柱式类似,包括底座安装在底座上的两个立柱以及安装在两个立柱上的横梁,在横梁上安装有抓手机构,这种机构的码垛机工作时,抓手 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 5 页 机构和横梁能够在立柱上上下运动,抓手机构能够在横梁上水平运动。通过上述的运动方式将运过来的物品堆放在托盘上以完成码垛任务,当物品不规则时难以保证码垛的稳定性,这种码垛机结构复杂,价格较高。但是这种码垛机能够抓取教重的物品,使用过程中不易出现毛病。4.双立柱码垛机的机械结构4.1 滚珠丝杠滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动,这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展,这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。4.1.1 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反覆作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 (1) 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。(2)高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的,特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。(3)微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。(4)无侧隙、刚性高 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 6 页 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。(5)高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。4.2 带传动带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同,有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动,也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力,且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点,在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低,但传动比不准确(滑动率在 2%以下) ;同步带传动可保证传动同步,但对载荷变动的吸收能力稍差,高速运转有噪声。 带传动除用以传递动力外,有时也用来输送物料、进行零件的整列等。4.3 直线导轨直线导轨称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合,拥有比直线轴承更高的额定负载, 同时可以承担一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。4.3.1 直线导轨分类和组件直线导轨分为方形滚珠直线导轨,双轴芯滚轮直线导轨,单轴芯直线导轨。直线导轨有两个基本组件,一个作为导向的为固定组件(导轨) ,另一个是移动组件(滑块) 作为导向的导轨为淬硬钢,经精磨后置于安装平面上,其横截面的几何形状比较复杂,因为导轨上需要加工出沟槽,以利于滑动组件的移动 滑块包裹着导轨的顶部和两侧面 直线导轨以滚动钢球作为导轨和滑块之间的动力传输界面,因为滚动钢球适应于高速运动 摩擦系数小 灵敏度高,满足运动部件的工作要求,可进行无限滚动循环的运动,并将滑块限制在导轨上,使负载平台能沿导轨以高速度 高精度做直线运动 负载平台移动时,钢球就在滑块支架沟槽中循环流动,把滑块支架的磨损量分摊到各个钢球上,从而延长直线导轨的使用寿命为了消除滑块支架与导轨之间的间隙, 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 7 页 可预加载荷能提高导轨系统的稳定性直线导轨结构组成见图 4-3-1。图 4-3-1 直线滑轨的结构组成4.3.2 直线导轨特点(1) 自动调心能力来自圆弧沟槽的 DF(45-45)组合,在安装的时候,藉由钢珠的弹性变形及接触点的转移,即使安装面多少有些偏差,也能被线轨滑块内部吸收,产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 8 页 (2) 具有互换性由于对生产制造精度严格管控,直线导轨尺寸能维持在一定的水准内,且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落,因此部份系列精度具可互换性,客户可依需要订购导轨或滑块,亦可分开储存导轨及滑块,以减少储存空间。(3) 所有方向皆具有高刚性运用四列式圆弧沟槽,配合四列钢珠等 45 度之接触角度,让钢珠达到理想的两点接触构造,能承受来自上下和左右方向的负荷;在必要时更可施加预压以提高刚性。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 9 页 参考文献1 陈立德.机械设计C.上海:上海交通大学出版社,2002.2 张世昌.机械制造技术基础M.北京:高等教育出版社,2002.3 李云.机械制造工艺及设备设计指导手册C.北京:机械工业出版社,1992.4 刘极峰.计算机辅助设计与制造M.北京:高等教育出版社,2004.5 王勇军,周奇才自动化仓库码垛机的高速运行控制技术研究J起重运输机械,2003(1):27-296 周兴万立体仓库中码垛机的位置定位和速度控制J基础自动化,1998,6:487 陈晓军 PLC 控制技术在立体仓库码垛机中的应用J工业技术,2007,34:118 周奇才基于现代物流的立体仓库系统(AS/RS)管理及控制技术研究D 四川:西南交通大学20029 熊肖磊巷道堆垛起重机的认址方式与调速J,起重运输机械,1996,(8)10 (日本)吉国宏自动化仓库码垛机设计M北京: 人民铁道出版社,1979,3-3111 吴丽,梅杨电气控制与 PLC 应用技术北京:机械工业出版社,200812 吉国宏自动化仓库码垛机设计M北京:人民铁道出版社,199713 熊肖磊巷道堆垛起重机的认址方式与调速J,起重运输机械,1996,(8)14 陈伯时电力拖动自动控制系统M北京:机械工业出版社,199515 R.L.Wernli. AUVS-The Maturity of the Technology. OCEANS 99 MTS/IEE Coference Proceedings.16 A.Tonge. Marlin. The UK Military UUV Programme-A Programme Overview. Proceedingsof the International UUV Conference, Newport,RI,2000,(4):31-38.17 J.Westwood. Future Prospects for AUVs. A Presentation to the Maridan PING Symposium. Copenhagen,1999,9.18 http:/mw.newmaker.com/art_21337.html. 毕 业 设 计文献综述院 ( 系 ) 名 称 工 学 院 机 械 系专 业 名 称 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化学 生 姓 名 位 艳 亮指 导 教 师 薛 东 彬2012 年 3 月 10 日 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 1 页三种类型五轴联动机床的后处理器开发摘要:本文提出了一种五轴机床操作界面的方法,即通过控制刀具切削位置来建立一个介于计算机辅助设计系统和数控编程之间的操作界面。此外后处理器的解决办法是通过在五轴机床上切削试验和坐标测量机上验证的。试验结果证实了关于后处理器的解决办法的猜想所产生的影响,用来整合五轴机床的工具在机械制造系统中的使用。关键词:坐标变换矩阵,刀具切割规矩数据,五轴机床,数控编程,后处理器1.简介剪裁曲面(或雕刻表面)已经大量在工业中使用,如在汽车的身体、船舶壳体、航空零件。模具和冲压模具的加工大部分是用数控加工(NC)机床加工的。常规的加工是使用三轴数控机床和球头铣刀。三轴机床不能改变刀具方向 ,所以一个五轴数控机床能使刀具正确定位并能高效加工。随着计算机技术的迅速发展,商业性的CAD / CAM 系统可以设计和生成自由平面不管是三轴还是五轴的刀具轨迹。刀具位置数据包括刀尖位置和刀具方向,可以在 CAD / CAM 系统所产生的 CAD 模型中直接获得然而,当使用很多种刀具的时候还是有困难的。包括 CAM 系统和数控系统之间联系的输入界面被称为后处理器它包含了刀具位置数据的机床编码。很多研究人员在从事机床后处理器的研究。Bedi和Vickers1为FANUCE6MB机床研发了一种后处理器程序。Balaji2提出一种后处理器的发展和应用,就是将APT资源编码转换为机床床程序代码。Lin和Chu3通过使用带有复杂的D-H记号的平面追踪得到了生产凸轮轴时的机床刀具的数控数据。然而,以上的工作仅仅是关于三轴机床的。此外,既然对于三轴机床刀具轴线是固定的,从刀具轨迹数据到数控数据的传输的直接传输,所以增量坐标技术是必不可少的。为了满足工业关于几何图形多样性和高精密的需求,多轴联动技术的使用在增多,特别是机械雕刻成型表面。Suh和Lee4发明了一种四轴CAM系统包括刀具切削位置数据的产生和后处理 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 2 页器。Vickers etal.5提出了无碰撞五轴控制刀具路径和后处理器两种类型的机器配置方法。Takeuchi和Watanabc6提出了无碰撞五轴控制刀具路径和后处理器两种类型的机器配置的方法。Sakamoto和Inasaki7将五轴机床刀具的轮廓分为三种类型。然而,NC数据的分析表达式是无法使用在上述作品。Lin和Tsai最近使用D-H符号来生成四轴机床加工空间凸轮的数控数据方程。此外,Warkentin et al9还提出了一种球面加工技术。在他们的工作中,仅仅从五轴机床上得到了廓形的理想数控数据。同时,Rao et al.10研发了一种主轴线法在两种配置的五轴机床实现复杂表面的加工。尽管如此,仅仅旋转运动被应用。并没有研究机床刀具的直线运动。既然五轴机床刀具轨迹有那么多优点,那么后处理器的发展是很必然的6。然而,符合Satamoto和Inasaki所提出的分类方法,五轴机床刀具的机构可以分为三种基本类型。以上所有研究中没有一种能完全解决包含三个直线运动和两个旋转运动的数控数据的问题。这项工作旨在基于齐次坐标变换矩阵发展三种类型五轴机床的后置处理器。数控数据的分析结果可以通过功能矩阵与已知CL数据解代数方程组求得。此外,不同配置的机床的特点和程序也是不同的。后处理器的正是通过设计Bezier曲线模型材料在加工中心加工典型表面,然后使用五轴坐标测量机测量(CMM)来验证后置处理器的正确性和有效性。2.运动学模型机床刀具是通过开放式铰链关节串接连接的。关节可以是旋转的也可以是棱形的。旋转接头的执行机构旋转时连接联合轴,而移动关节沿着联合轴的轴线方向移动。为了充分控制机床和刀具的位置和方向,建立了机床的运动学模型是必需的,运动学模型包括几何形状和运动学的描述。 denavit和Hartenberg11首先使用一个4 * 4齐次坐标变换矩阵介绍了两个连续环节坐标系统之间的空间转换,后来被Paul12引用。传统的建模技术被用在机器、机器人、误差分析和计算机视觉上。在本文中,通过引用Paul的方法介绍了四个根本型变换矩阵。他们可以表示如下: 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 3 页trans(a,b,c)是通过矢量ai + bj + ck得到的,Rot(X,), Rot (Y,), Rot(Z,)分别表示绕X,Y,Z轴旋转的角度,“C”和“S”分别指余弦和正弦函数,从一个坐标系到另一个坐标系的空间转换是由分解矩阵相结合的根本性转变。3.五轴机床的切削轨迹数据的定义如图1所示,五轴铣削的刀具位置数据由刀具的位置和方向与工件坐标系组成, 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 4 页在本文中点向量写成Q x Qy Qz 1 T, ,向量K x Ky Kz OT用来表示齐次坐标方向,上标注“T”表示转置矩阵。值得一提的是,将刀具中心定义为刀位点而不是刀具接触点是非常有意义的。对于一个给定的参数化设计表面加工使用的五轴铣床依据西德国家工业标准66215在任何角度的刀具可以被定义为接触点,适当的CL数据可以13通过微分几何齐次坐标变换矩阵确定。4.五轴机床的后处理器一旦获得CL文件就应该使用五轴机床控制器的逆运动学变换把它转换为5个参考输入(即三个直线运动,加上两个旋转运动) 。这个转换被称为后置处理,转换软件被称为后处理器。机器人的逆运动学变换取决于几何结构的五轴机床的使用。从理论上讲,有众多的组合机床都配置五轴机床刀具轮廓。然而,在实践中根据两种旋转运动单元6,7可将轮廓分为三种基本类型:1、工作台倾斜,绕工作台两个方向的旋转。2、主轴倾斜,绕主轴的两个方向旋转。3、工作台和主轴都倾斜,一个绕工作台旋转一个绕主轴旋转。本文提出的五轴加工后处理应用到上述三种类型。此外,使用运动结构图2(a)-2(C)来证明推导过程。此外,两旋转轴不断互相相交是为了工作台倾斜和主轴倾斜两种类型简化。一般来说,在数控机床上加工一个工件时,数控机床根据零件程序首先建立一个工件坐标系和一个轴向名称。除了三个线性垂直轴(X,Y,Z 轴) ,数控机床还可能涉及周围旋转运动的旋转轴,这里由指定字符 A,B 和 C 表示分别绕 X,Y,Z轴旋转。因此,五轴机床配置在图 2(a)-2(C)分别由(X,Y,Z,A,C)和(X,Y,Z,A,B)表征。所有的动作应由统一的程序坐标系统生成,如 G54-G59的代码是用来定义 FANUC 控制器的程序。在大多数情况下,程序的坐标系与工件坐标系重合,因此,本文所采用此种方式。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 5 页图2.为三种五轴加工中心。( a)Table-tilting类型。 (b)Spindle-tilting类型。 (c)表/ spindle-tilting类型。4.1 Table-Tilting类型对于table-tilting类型图3表示了相应的坐标。OwXwYwZw和OtXtYt坐标系统是直接对应在工件和刀具上的。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 6 页旋转点R是两个旋转轴的交点。位移向量Lxi + Lyj + Lzk是从原点Ow指向R点的,也是所需的坐标变换。由于机床的结构元素线性表、床身、主轴、刀具组成的一个转盘,即机床产生的运动,决定了机床设计的特点,被称为form-shaping功能14。其主要特征是起始于工件,终止于刀具。对机床配置如图2(a)、连续结构元素描述如图4。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 7 页因此,刀具相对于工件坐标系的位置可以决定相应的系列中的基本变换矩阵,相当于Cl数据, Kx Ky Kz 0 T 和Qx Qy Qz 1 T。数学表达式分别描述如下:A和C分别是绕X、Z轴的旋转角度 ,+X,+Z的正方向是根据右手螺旋法则确定的。Px,Py,Pz分别沿X,Y,Z方向的距离。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 8 页将式(5),(6)相乘可得:从以上方程可以解出旋转角度(A, C)及相关距(Px,Py,Pz)。另一方面,数控数据X,Y,Z的值可以通过方程(6)在A = c = 0和Q x Qy Qz 1 T = X Y Z 1 T时解出,所以该程序坐标系统是符合工件坐标系的。这导出:因此,这种轮廓的理想的数控数据被表达如下:通过检验X和Y的轨迹函数arctan2(y,x)的值应在和- 范围内。4.2 Spindle-Tilting类型spindle-tilting 类型的配置,两个转动轴(A、B 轴)应垂直于主轴(图 2 B),这样,基准点 R(图 5)是选定两个轴的交点。此外,既然在加工过程中主轴会旋转,工具有效长度 Lt,是从基准点 R 与刀具中心 Or 的距离或用数控数据得到。同样的坐标 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 9 页转换程序,类似于 table-tilting 类型配置,导出下列方程:因此,数控数据解析方程可以归纳为求解方程(15)-(17): 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 10 页4.3 table/ Spindle-Tilting型在这种配置情况下,有一个转动轴,转台和主轴,支点分别在轴(A)和轴(B)。,如图6,基准点R A位于任意轴,基准点R B是选为倾斜轴(B轴)和主轴的交汇点。位移向量Lj 1 + LyJ + Lzk计算出的是从原点到R A的有效长度,L是支点RB和刀具中心点的距离。和以上一样, 利用坐标变换矩阵可以得到以下方程: 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 11 页再次,通过求解方程(23)-(25)、这台机器配置的数控数据的解析方程可以被表示为:5.讨论从前面部分的描述中可推出一些结论,叙述如下:1、如果在旋转的工作台上有一个旋转运动(如table-tilting类型和表/ spindle-tilting型)位移向量与工件原点和基准点有关,必须确定在接触传感器后工件一直夹紧在工作台上。2、当旋转运动是应用于主轴(例如spindle-tilting类型和表/ spindle-tilting型)有效的工具长度是支点和刀具中心点之间的距离,可以认为刀具半径是变化的。刀具预先设置单元是用来测量距离的,这就叫做设定长度,从仪表层面到工具顶端,如图7。仪表水平面是在某一特定的直径圆锥柄,确保所有工具都在高速主轴的同样位置。然后,可以计算出有效的工具长度增加设定长度与距离,这是一个由生产厂家给定的固定值,从主轴顶端到旋转支点。3、该旋转点的定义是两个转动轴的交叉口。然而,对于table/ spindle-tilting配置、转动轴在空间是不相交的。如前所述,转台的基准点可任意在旋转轴上选择。这种现象可以通过观察数控系统方程(28)-(30)的数据来解释,因为这些方程的都有各自的Lx值。6.实施和验证 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 12 页6.1 实验的实现要验证的建议后处理方法的可行性,进行了试切实验表/主轴倾斜成大五轴加工中心。 NC 数据,包括偏移向量和此配置的有效工具长度。 Bezier 曲面与一个 4 * 4 控制点给出的矩阵:在本文中,刀具路径生成是基于用头立铣刀的刀具方向被认为是正常的表面接触点等参方法。数学上,Bezier 曲面可表示为 P(U,V),其中 U 和 V 是独立的参数15。等参步长定义是在每个参数输入增量变化。一旦 U 和 V 参数已经明确,这一点可以被定义在表面上和刀位点QX QY Qz1;同时,可以使用微分几何15计算出切削刀具定向:因此,等参刀具路径的完成后 CL 数据才能确定。A C 计划用于生成 CL 数据和转换 CL 数据(NC 代码),使用的建议后处理方法。以下的实验条件下的基础上已进行试切:1.球头铣刀的直径是 10 RAM。2.主轴转速为 500 转,进给 200mm/rain。3.刀具路径是 0.5 毫米。4.偏移向量 LX = 0,LY = -10.0 毫米和 LZ = -25.0 毫米。5.有效的刀具长度 LT 是 409.571 毫米。6.工件材料为丙烯酸树脂 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 13 页图 8 描绘了五轴加工中心的实际切削。6.2 CMM 的核查已完成的部分(图 9)在 Mitutoyo(模式 BHN710)桥型主体和一台个人电脑组成的三坐标测量机上测量。在实际测量中,16 套典型的测量数据(见图 10)通过 CMM 2 毫米直径的 Renishaw PH-9 触发式探头。触发式探头可以带动向沿法线方向的一部分。根据从方程(31)获得表面法线向量生成外指导点和内部指导点(图 11) 。探测路径可以表示在特定的数控代码,发送到 CNC 控制器。处理测量操作时,最初的探头移动到指定以外指南点迅速。下一步,探头移动缓慢,直到它触及的表面点到里面指南点。一个探头球中心的位置坐标测量点收集和保存在一个ASCII tbrmat 文件。积累的数据所抵销探针中心配合探头球 theradius 的内表面的沿法线方向的补偿。设计图面测量采样点的比较如图 12。这个数字表明,设计图面相比,加工表面的最大偏差为 0.02 RAM。这些结果表明,拟议的后处理方法是非常有效和可靠的。 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 14 页 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 15 页 黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 翻 译 ) 第 16 页7.结论本文提出了三个典型的五轴联动机床,形式塑造功能是根据齐次坐标变换矩阵分析方法来开发后处理器的。NC数据完整的解析方程可得到等同的形式塑造功能和CL数据。在五轴加工中心和CMM上实施验证试验,且证实了拟议的后处理方法是可靠的。此外,整合各种配置的五轴机床,广义的后处理方法的发展是目前正在进行中。
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