数控镗铣床换刀机械手升降机构的设计含SW三维及7张CAD图
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附录1外文翻译具有动态特性约束的高速灵活的机械手优化设计摘要:本文提出了一种强调时间独立和位移约束的机器手优化设计理论,该理论用数学编程的方法给予了实现。将各元件用灵活的连杆连接起来。设计变量即为零件横截面尺寸。另用最关键的约束等量替换时间约束。结果表明,此方法产生的设计结果比运用Kresselmeier-Steinhauser函数,且利用等量约束所产生的设计方案更好。建立了序列二次方程基础上的优化设计方案,且设计灵敏度通过总体有限偏差来评定。动态非线性方程组包含了有效运动和实际运动的自由度。为了举例说明程序,设计了一款平面机器人,其中利用某一特定的方案并且运用了不同的等量约束进行了设计。 版权属于 1997年埃尔塞维尔科技有限公司1 导论目前对高速机器人的设计要求越来越高,元件质量的最小化是必不可少的要求。传统机器手的设计取决于静态体系中运动方式的多样化,但这并不适合于高速系统即应力和绕度均受动力效应控制的系统。为了防止失败,在设计的时候必须考虑到有效轨迹和实际运动轨迹之间的相互影响。在暂态负载下对结构系统进行设计已经开始展开研究,该研究是基于下面几个不同的等量约束条件下进行的,分别为对临界点的选择上1 , 反约束的时间限制2 ,和Kreisselmeier - Steinhauser函数3,4的基础上进行研究。在选择临界点时,假定临界点的位置的时间是固定的,然而这种假设不适合高速系统。第二个办法的缺点是等量约束在可行域内几乎为0,因此现在还没有迹象表明这些约束是否重要。使用Kreisselmeier - Steinhauser函数在可行域中产生了非零的等量约束,但它定义了一个保守的约束,从而产生了一个过于安全的设计方法。 在设计机器手的时候,常规方法是考虑多静态姿态5-7,而不是考虑时间上的约束。这种方法并不适合高速系统,原因是一些姿态不能代表整个系统的运动,此外,位移和应力的计算也是不准确的,这是因为在计算的时候省略了刚性和弹性运动之间的联系。事实上,这种联系是灵活多体分析中最基本的8-10 。 在这项研究中,开发了一种设计高速机械手的方法,这种方法考虑了系统刚性弹性运动之间的联系及时间独立等约束。把最关键的约束作为等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量值的变化而变化。反应灵敏度由整体偏移所决定,设计的最优化取决于序列二次方程式。为了说明程序, 对双杆平面机器手的强度和刚度进行了优化。设计结果与那些采用了Kreisselmeier - Steinhauser函数的机器手进行对比。2、设计理念在这一节中,机器手的优化设计方法使用用于计算强度和刚性的非线性数学编程方法。机器手由N个活动连杆组成,每一个连杆由Ek个有限零件柱组成。其目的是尽可能的减小机械手的质量。与强度关联的约束主要是应力元素和刚性约束。这些约束将使得有效运动的位移产生偏移。设计变量就是连杆和零件的截面特性。从数学上来说,目标函数应满足这样的约束: (1)其中和分别是第k个机构的第i个零件的密度和体积,x是设计变量的矢量,是时间约束总数。在验证位移和应力的时候,参考文献10中的递推公式可用来计算机器手有效轨迹与实际轨迹。将连杆的变形与连杆参照系联系起来,其中在一定边界约束条件下做完整运动。这样通过缩小模型就可以减少每个连杆的实际自由度数了。 系统的广义坐标系是由连杆变量和模块变量组成的。微粒P的运动速度可表式为 (2)其中和是相互制约的系数。凯恩(Kane)等人的方程式12曾被用来测定一些运动方程式如 (3)其中是整体速度向量,F是合成外力向量,M、Q还有分别为总质量、柯氏力、地心引力和弹力,计算公式如下: (4) (5) (6)其中上标r和f分别代表有效自由度和实际自由度。K为对角矩阵,其对角线上的子矩阵是减少了的有效矩阵以连杆变量的形式出现的。为了验证子矩阵在方程(4,5)中是否正确,和可表示如下: p, r=1,2,3; q=1,; s=1, ,12 (7a) p, r=1,2,3; q=1,m; s=1,12 (7b) 其中是元件形状函数,是连杆变量数,m是模块变量数。方程式中的标注即多次出现的下标指数是以概括的形式出现的,这些下标只不过是公式的一部分,并不表示某一含义除非特定指明。这些子矩阵可表示成: 其中和;z,u=1,2,3; s,v=1,12是时间变量,是第k个机构的第i个元件的质量。在定义和时,柯氏力和地心引力可由下列算式计算出来: 这个运动方程式综合了变量步长和变量预测校正的算法,以获取坐标系和中的时间记录。于是,有关物体参考系的节点位移可由模块转换公式获得。由应力与位移关系式计算出零件受到的压应力。整个参考系中各点的位移可用和机架的各节点位移算出。点的偏移可由那个点在实际运动和有效运动的位移差精确的求出。应当指出的是,在运动方程式中,设计变量函数的形式有矩阵,零件的质量和初始矢量中的、阵列。因此在对灵敏度进行分析的时候,这些都应与设计变量区分开来。然而,分析并且验证灵敏度在这次研究中是个非常困难的项目。不全面的分析或是允许极小误差的方式来研究这一问题也未尝不是个好方法。3.减少约束对机器手进行动态分析的方法就是计算个独立点在同一时间内的运动。因此,约束数目最好满足 ,而且这么多的约束在优化设计时也是不切实际的。不过有一个很有效的办法可以使约束数控制在范围内又可以使约束数满足t的所有值,这就是用Kreisselmeier - Steinhauser函数 3 等量替换单个时间约束,此函数表示如下: 其中和C是正数并由和之间的关系决定即min().这可以说明Kreisselmeier-Steinhauser函数限定了一个保守的值域4比如总是比min()更重要,而且c的值越大和min()之间的差就越小。这就是所谓用最关键的约束等量替换了诸如 (11)之类的约束。在这一方法中,用等量约束限定了分段函数并使其由向间断的过渡。在这一值域里尽管左右突出的构件在过渡点有差异,但他们具有相同的标识和梯度,因此可在过渡点自然结合。随着时间逐步的趋近零点,等量约束也变得逐渐光滑。上述所提到的非线性约束优化问题可以由NLPQL11来解决,即运用序列二次方程的方法。这种优化需要初始信息和,m=1, 这两个可由目前研究出的有限差来计算。4.举例双杆平面机器人如图1所示。运动原理是被动块E沿直线从初始位置(1=120,2=-150)运动到终点位置(1=60,2=-30)。E的运动轨迹表示如下:整个运动过程的时间T=0.5s。 每一个连杆的长度为0.6米并由两个等长的零件连接着。其零件的外径,其为本设计的变量,k=1,2;i=1,2。零件的厚度为0.1。物体的压强和密度分别是E=72GPa,=2700Kg/m-3。模块变量缩小了形状尺寸。最先结合的两个模块和最先有着固定自由的约束条件的轴也都被考虑到了。位于连接点B处的杆2质量为2kg,被动物块和有效载荷的总质量为1kg。设计的约束条件如下:-75MPai75MPa i=1, 0,001m其中应力约束由节点顶部或底部的个点来验证。是E的实际运动轨迹与有效运动轨迹的偏离量(即x和y方向的最大偏移值)。初始设计变量均为50mm. 图1 平面机器手操作器在这个例子里,等量约束是由最关键的约束组成的并且其结果与Kreisselmeier-Steunhauser函数的结果进行了比较。后者函数中适用了c的不同值,可以发现c的值越小其产生的设计就越死板。c=50时的设计是最理想的。应当指出的是编译器的限制可能会超过c的最大值,这完全取决于指数函数也就是只要设计变量的低限足够的小。另一方面,最关键的约束会产生极小质量的设计并且精确的迎合偏移位移量。最小的质量,恰当的直径和反复运动的次数在表1中列出。设计轨迹见表2。表KS-c表明了由Kreisselmeier-Steinhauser函数产生的结果,然而MCC表示关键约束。可见应力远远小于允许值,因此应力约束受到了限制。连杆2中间的应力最大(见)图3。被动物块的偏移量的最佳解决方案见图4图2 设计参数表1 平面机器人控制器最佳方法图3 顶部连接两个的平均压力的最佳设计图4 最终效应器偏差的最佳设计5.总结在研究中,高速遥控操纵器的最佳设计方案取决于动态特性。操纵器的固定轨迹与实际轨迹运动也必须考虑到。把最关键的约束用作等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量的改变而变化。这表明分段的等量约束并不会使设计过程产生缺陷。序列二次方程用于解决设计问题,其是运用整体偏差进行灵敏度计算。 高速平面遥控操纵器已被优化设计成在应力和偏差限制下的最小质量。基于Kreisselmeier - Steinhauser函数产生的保守设计下使用等量约束,最好的设计理念就是用最关键的约束。附录2外文原文数控镗铣床换刀机械手升降结构的设计摘 要换刀机械手在各种机床中应用十分广泛,是机床中的重要组成部件,换刀机械手关系到整个机床的运作。数控镗铣床是一种数字控制机床,装夹工件后能完成多种工序的加工。本文运用模块化思维一一设计出机械手升降机构的各个组成部件、驱动方法及控制方式。该升降机构由电动机、滚珠丝杠、导向柱、减速齿轮、螺旋副间隙调整垫以及无触点形成开关等构成。驱动方法为电动机驱动,由传感器控制机械手的升降运动。最后通过SolidWorks软件对换刀机械手升降机构做了零件三维建模并完成零件的装配。关键词:数控镗铣床;换刀机械手;升降机构;SolidWorksIIABSTRACTTool changers are widely used in a variety of machine tools, is an important component in the machine tool, tool changer related to the operation of the entire machine. In this paper, the design of the lifting mechanism of CNC boring and milling machine tool change is introduced in detail. CNC boring and milling machine is a digital control machine, after clamping the workpiece to complete a variety of processes. The lifting mechanism consists of an electric motor, a ball screw, a guide post, a reduction gear, a screw auxiliary clearance adjustment pad and a non-contact forming switch. The driving method is driven by the motor, and the sensor controls the movements of the manipulator. Finally, through the SolidWorks software on the tool changer lift mechanism to do parts three-dimensional modeling and complete the assembly of parts.Key Words:CNC boring and milling machine;Tool changer;Lift mechanism;SolidWorks目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景目的及意义11.2 目前研究的概况和发展趋势21.2.1数控卧式镗铣床21.2.2机械手21.3 主要研究内容42 机械手升降机构的总体方案设计52.1 设计任务52.2 设计步骤52.3 主要设计内容52.4总体方案确定52.4.1 换刀机械手升降机构的驱动方案52.5小结63 升降机构的结构设计及尺寸计算73.1 升降电机的选择73.2 减速器齿轮的选用83.2.1 齿轮材料的选择83.2.2 按齿面接触硬度确定中心距103.2.3 验算齿面接触疲劳强度113.2.4 校核齿根弯度疲劳强度133.2.5 齿轮主要几何参数143.3 滚珠丝杠的选择163.4 轴的确定163.5 传感器的选择173.5.1 光电传感器工作原理173.5.2 光电传感器分类和工作方式173.6小结184 升降机构的三维建模194.1 典型零件的三维建模194.1.1 丝杠的三维建模194.1.2 轴承的三维建模244.3 小结285 升降机构的装配305.1 装配的基本步骤及装配模型305.2 升降机构的装配305.2.1 创建装配体305.2.2 插入装配体零件305.2.3 装配体零件的配合315.3 装配体的静态干涉检查345.4 小结346 总结35参考文献35致谢36附录1 外文翻译37附录2 外文原文45 数控镗铣床换刀机械手升降机构的设计1 绪论1.1 课题研究背景目的及意义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多种工序的加工。镗铣床加工特点是在加工过程中工件不动,让刀具移动,并使刀具转动,在实践中具有“万能机床”的称号。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。现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。工业机械手是在新技术革命中迅速发展起来的一项高新技术,它在传统的科技领域与工业部门中获得应用,并显示出强大的生命力,成为人类不可或缺的帮手。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象,机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。自上世纪六十年代,机械手被实现为一种产品后,对它的开发应用也在不断发展,利用机械手搬运物体、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。现在已经应用在了机械制造、冶金、化工、电力、采矿、建材、轻工、食品、环保等各行各业之中。随着技术的进步,机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。随着社会的快速发展,工业现场机械手的要求将越来越高,其技术也越来越成熟。机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率,可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。1.2 目前研究的概况和发展趋势 1.2.1数控卧式镗铣床 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,采用模块化设计和家算计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,变形产品也越来越多,除了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,并已产生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。很多机床厂家已不生产一般的普通卧式机床,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。我国卧式镗床生产时在1954年由仿制开始的。目前已由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毫米的卧式镗铣床,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,发展到资兴设计试制并采用一定先进技术的多种产品。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,任意角度定位工作台(B轴功能)。适合工件的书面加工,只需一次安装工件及调整,配置回转式工作台,定位精准,确保各加工面之间相互精度。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。当代卧式镗铣床与落地式镗铣床技术发展非常快,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、多轴联动、结构形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。 1.2.2机械手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长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构。1962年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手,至1977年底,其中一半是国产,一半是进口。第一代机械手主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。在国内,应用于生产实际的工业机械手特别是示教再现性机械手不断增多,而且计算机控制的也有所应用。国内近年来在移动机械手控制方面也开展了许多研究工作,如清华大学徐文立教授在考虑了动力学耦合的情况下,设计了急于Lyanpov稳定性理论的鲁棒控制器设计方法,保证了全部状态渐进跟踪期望轨迹。中国科学院自动化研究所的易建强教授对移动机械手的视觉定位和导航、冗余度运动分析进行了研究。北京科技大学的余达太教授提出了优化准则,利用遗传算法求解移动载体的运动代价、机械手的运动代价、机械手偏离优化位姿势所需的运动代价。在国外应用于生产实际的工业机械手多为示教再现型机械手,而且计算机控制的工业机械手占有相当比例。带有“触觉”,“视觉”等感觉的“智能机械手”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机械手是工业机械手技术的发展方向。国外还在高完整性机器人、遥控移动机器人、环境与移动机器人系统的集成等方面作了大量的研究。随着科技及计算机发展步伐的进一步加快,机械手仍具有非常广阔的发展前景,今后的机械手会向更加小型化、高科技化、多功能化、以人为本化方向发展。1.3 主要研究内容 (1)确定机械手升降机构的总体方案; (2)设计机械手升降机构的结构; (3)通过计算确定升降机构的各部分尺寸; (4)通过SolidWorks软件对升降机构进行三维建模,完成装配。582 机械手升降机构的总体方案设计2.1 设计任务本次设计任务是设计一种数控镗铣床换刀机械手的升降机构,该机构在设置的命令下,来配合刀库和镗铣床,以实现其所有换刀取刀动作的自动升降过程。2.2 设计步骤1、确定换刀机械手升降机构的组成与配置。2、通过设计计算和参考文献确定换刀机械手的升降机构的结构。3、升降机构尺寸。4、升降机构零件的相互位置关系。2.3 主要设计内容换刀机械手的升降机构的三维设计,包括零件三维建模以及装配。2.4总体方案确定2.4.1 换刀机械手升降机构的驱动方案工业机械手分类繁多,按驱动方式可分为:1.液压驱动机械手通过液体的压力驱动的机械手。其抓重高、传动平稳、动作灵敏,但能量损失较多、传动比不能保证,且受到温度影响时工作不稳定,造价高。2. 气压驱动机械手通过压缩气体的压力来驱动的机械手。其装置简单且轻便、工作介质是空气,无穷无尽,故而能量损失小、成本低。但传动效率低、稳定性较差,且冲击大、噪声大。3. 电力驱动机械手由电动机直接驱动的机械手。其结构简单,易于维护,使用方便。4. 机械驱动机械手由机械传动机构驱动的机械手。其运动准确,传动精度高,但结构较大,动作程序单一。综合分析以上各类机械手,本课题方案选择电力驱动机械手。2.4.2 换刀机械手升降机构的组成该升降机构由滚珠丝杠1、滑座2、横梁3、升降电机4、装刀手5、手架6、卸刀手7及刀库8组成换刀装置,其配置如图2. 1所示。图2.1 换刀机械式配置示意图2.4.3换刀机械手升降机构的工作原理 当手架6收到升降命令后,升降电机4带着滚珠丝杠转动,因而滑座2作升降直线运动,其上手架升降运动到靠近刀排所在位置时,光电传感器敏感部件发生反馈,使无触点形成开关发出信号,使电机4减速,从而滑座2也跟着减速。既而到了换刀位置时,装在减速齿轮传动轴上的敏感部件使无触点形成开关发信号,从而关掉升降电机4的电源,电机停止转动,手架6便停在所需相应的位置。这个过程中,改变调整垫的厚度就可以调节滚珠丝杠和螺母之间的间隙,导向柱虽起的是导向的用途,也使滑座2的升降运动更平稳。2.5小结 本章主要分析了设计任务,制定了设计的步骤,确定了升降机构的驱动方案,换刀机械手升降机构的组成,并分析了升降机构的工作原理,从而确定升降机构的设计方案。3 升降机构的结构设计及尺寸计算3.1 升降电机的选择电动机所需的输出功率为:式中,为工作机要求的输入功率; 为电动机到工作机的总效率。由于升降电机是直接传递到工作机的,所以,故而工作机要求输入功率为:式中,F为工作机的阻力; v为升降机构的升降速度; 为工作机的效率。升降电机受力分析如图:图3.1 换刀机械手升降电机受力分析(M为机械手自量,m为爪重)查表得,v=250mm/s,由图得,F=(M+m)g=(22+20)10=420N查表得故,工作机要求输入功率为:选择型号为Y80M1-4的三相异步电动机。其额定功率为0.55Kw,同步转速为1500r/min。3.2 减速器齿轮的选用3.2.1 齿轮材料的选择小齿轮转速=420 r/min,传动比i为4,每天一班,平均寿命10年,传递功率=0.55kw。选择材料:小齿轮材料40 钢,调制处理,齿面硬度250280HBS(表3.1)。大齿轮材料选用ZG310570,正火处理,齿面硬度162185HBS(表3.1)。由N=60nj,计算应力循环次数N =60j=604201(103008)=6.048次=1.512次查机械设计书得=1.05 ,=1.14 (允许有一定点蚀),由式=1.0 调质钢、正火刚 12mm 时 ,=1.0得=1.0,取=1.0 ,=1.0 ,=0.92按齿面硬度250HBS和162HBS,由图3.2,得=690,=440由=()计算许用接触应力: 因 ,计算中取=461.5表3.1 齿轮常用材料及其力学性能材料牌号热处理方法强度极限屈服极限硬度(HBS)齿芯部齿面HT250250170241HT300300187255HT350350197269QT500-5常化500147241QT600-2600229302ZG310-570580320156217ZG340-640650350 16922945580290162217ZG340-640调质7003802412694565036021725530CrMnSi110090031036035SiMn75045021726938SiMnMo70055021726940Cr70050024128645调质后表面淬火2172554050HRC40Cr2412864855HRC20Cr渗碳后淬火6504003005862HRC20CrMnTi110085012Cr2Ni4110085032020Cr2Ni41200110035035CrAlA调质后氮化(氮化层厚)95075025532185038CrMoAlA1000850夹布塑胶1002535图3.2 调质钢和铸钢3.2.2 按齿面接触硬度确定中心距 小齿轮转矩: =9.55=9.55=13131 Nmm 初取=1.1 ,取=0.4 ,=188.9 ,减速传动 u =i =4 ,由和,得: 189.2mm取中心距a = 190mm,估算模数m=(0.0070.02) a = (0.0070.02) 190 =1.333.8mm查表3.2取标准模数m=3mm齿数=25,=u=425=100齿轮分度圆直径=m=325=75 mm=m=3100=300mm 齿轮齿顶圆直径=+2=75+21.03=81 mm=+2=300+21.03=306 mm 齿轮基圆直径 = =75=70.48 mm = =300=281.9 mm 圆周速度 v=1.57 m/s 查表3.3得 ,齿轮精度为8级。表3.2 圆柱齿轮的标准模数(GB1357-87)表3.3 各种精度等级齿轮的传动的最大圆周速度(m/s)齿的种类传动种类齿面硬度/HBS齿轮精度等级3,4,56789直齿圆柱齿轮3501218126435010151053锥齿轮35071074335069632.5斜齿及曲齿圆柱齿轮35025362512835020302096锥齿轮3501624169635013191575 3.2.3 验算齿面接触疲劳强度按电机驱动、载荷平稳、由表3.4得,取=1.0。 由机械设计书11,按分级精度和/100=1.65 25/100 =0.4125 m/s ,得=1.06, 齿宽b= =0.4190=76 mm。由图3.3得 按b/=112/112 =1.0,取1.08,由表3.5,得=1.1,计算载荷系数 K=1.01.061.081.1=1.26。按机械原理12的公式计算端面重合度:齿顶压力角= = =1.73由=0.87,计算齿面接触应力: = =432.5 =461.5 ,安全图3.3 齿向载荷分布系数(两轮均为软齿面或其中之一为软齿面)1-齿轮在两轴承中间对称布置; 2-齿轮在两轴承间非对称布置、轴的刚性较大;3-齿轮在两轴承间非对称布置、轴的刚性较小; 4-齿轮悬臂布置 表3.4 使用系数表3.5 齿间载荷分配系数 3.2.4 校核齿根弯度疲劳强度按=25 ,=100,由图3.4得,=2.56 ,=2.20 由图3.5 得,=16.5 , =1.81 +=0.25+=0.68 由3. 2,得=290 ,=152 , =1.0 , =1.0, m= 3 5 mm , = =1.0,取=2.0 , =1.4计算许用弯曲应力: =414 =217 计算齿根弯曲应力: = =85.7 =414 ,安全。 =80.88 =217 ,安全。3.2.5 齿轮主要几何参数=25,=100,u=4,m=4=m=325=75 mm=m=3100=300mm=+2=75+21.03=81 mm=+2=300+21.03=306 mm=75-2(1.0+0.25)3=67.5 mm=300-2(1.0+0.25)3=292.5 mma=187.5 190 mm齿宽=b=76 mm ,取=+(510)=81 mm 图3.4 外齿轮齿形系数 ()图3.5 外齿轮应力修正系数 ()3.3 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的导程选用10mm,电动机每转动一圈通过与齿轮联接,带动齿轮旋转一周,同时滚珠丝杠也同样旋转一周,上升高度为10mm。电动机的转速为400r/min,所以滚珠丝杠上升400mm的距离,需要旋转40圈,40圈所需要的时间是6s,根据传动比4,大齿轮旋转10圈。3.4 轴的确定轴的强度计算:(1)按转矩估算轴径。 (2)按弯转合成力矩近似计算。 (3)精确计算。 d-计算剖面处的轴的直径(mm) T-轴传递的额定转矩(Nmm) A-按定的系数 118107 取1073.5 传感器的选择3.5.1 光电传感器工作原理光电传感器是一种基于光电效应将光信号转为电信号输出的传感器。光电传感器一般由光源、敏感组件和光电组件三部分组成。光源发射的光经过被测量的环境,通过传感组件感知光的某个物理量变化,再由光电组件接收检测。3.5.2 光电传感器分类和工作方式 1、槽型光电传感器 光源与敏感组件相对装在一个槽的两边就组成了一个槽型光电传感器。光源发出可见光或红外光,敏感组件便感知光。当一个物体从槽中间,即光源与敏感组件中间穿过,敏感组件接收不到光,光电开关就输出一个信号,断开或连接负载电流,然后完成一次控制动作。2、对射型光电传感器如果将光源和敏感组件之间的距离拉开,便能使作为检测元件的光电组件的检测距离增大。由一个光源和一个敏感组件组成的光电开关便称为对射型光电开关。它的检测距离比普通传感器长得多,往往能达到好几米甚至好几十米。把电源和敏感组件分别放在需要检测的物体将要经过的路径的两旁,物体通过时遮挡光源,敏感组件便输出一个开关控制信号。 3、反光板型光电开关反光型光电开关是将光源和敏感组件装在一起,在它们的前面放一块反光板,利用光的反射原理,来达到光电的控制作用。光源发出的光被反光板反射回来被敏感组件感知,可当光的路线被检测物体挡住,敏感组件接收不到光。每挡住一次,光电开关输出一个开关控制信号。4、扩散反射型光电开关这种传感器也装有一个光源和一个敏感组件,但是它们前面没有放置反光板。所以电源发出的光敏感组件是感知不到的。当物体经过时挡住了光,将一部分光反射回来,敏感组件便感知到光信号,输出一个开关信号。根据各传感器的特点,本次设计选择的是反光板型光电开关。3.6小结升降机构各部分零件机构确定之后,进行了电动机、减速器齿轮、滚珠丝杠、轴、传感器的相关选择和计算,为三维建模提供了数据支持。可见计算的承上启下的重要性。4 升降机构的三维建模4.1 典型零件的三维建模升降机构由众多零部件组成,在此挑选其中较重要的一些零部件如丝杠及轴承对建模过程做举例说明。4.1.1 丝杠的三维建模启动SolidWorks软件-新建-零件-右视基准面-草图绘制,画出草图4. 1;拉伸凸台/基体,给定深度1700mm,如图4. 2。 图4.1 拉伸草图 图4.2 拉伸实体 选被拉伸面为基准面,草图绘制,画出草图4. 3;拉伸凸台/基体-给定深度28mm,如图4. 4。 图4.3 拉伸草图 图4.4 拉伸实体选拉伸的面为基准面,草图绘制,画出草图4. 5;拉伸凸台/基体-给定深度19mm,如图4. 6。图4.5 拉伸草图 图4.6 拉伸实体 选右视基准面为基准面,草图绘制,画出草图4. 7;拉伸凸台/基体,给定深度29.6mm,如图4. 8。 图4. 7 拉伸草图 图4. 8 拉伸实体选上次拉伸所得面为基准面,草图绘制,如图4. 9;拉伸凸台/基体,给定深度47.21mm,如图4. 10。 图4. 9 拉伸草图 图4. 10 拉伸实体选上次拉伸面为基准面,草图绘制,画出草图4. 11;拉伸凸台/基体-给定深度3mm,如图4. 12。 图4. 11 拉伸草图 图4. 12 拉伸实体添加基准面,如图4. 13。 图4. 13 添加基准面 选基准面2为基准面-草图绘制,画出草图4. 14;螺旋线/涡状线,如图4. 15。 图4. 14 螺旋线的外圆图4. 15 螺旋线选择上视基准面为基准面,草图绘制,画出草图4. 16;扫描,如图4. 17。 图4. 16 切除草图 图4. 17 丝杠的切除扫描在应有倒角的地方倒角,最后完成零件如图5. 18。图4. 18 滚珠丝杠4.1.2 轴承的三维建模滚动轴承是标准件,可以在标准件库直接选择,本次毕业设计选择自己建模。启动SolidWorks软件-新建-零件-前视基准面-草图绘制,画出草图4. 19;旋转凸台/基体,即完成了轴承内外圈的画法,如图4. 20。 图4. 19 轴承内外圈旋转草图 图4. 20 轴承内外圈启动SolidWorks软件-新建-零件-前视基准面-草图绘制,画出草图5. 21;旋转凸台/基体,如图4. 22图4. 21 滚珠旋转草图 图4. 22 滚珠新建-装配-上视基准面-草图绘制,如图4. 23;圆周零部件阵列,如图4. 24。图4. 23 圆周阵列草图 图4. 24 圆周阵列新建-装配-插入零部件,打开内,外圈和滚珠-配合,如图4. 25,图4. 26,图4. 27,完成滚动轴承的装配如图4. 28。4. 25 滚珠与轴承内外圈同心配合4. 26 轴承内外圈右视基准面与滚珠前视基准面重合配合4. 27 轴承内外圈上视基准面与滚珠上视基准面重合配合 图4. 28 轴承4.3 小结本章基于SolidWorks软件,对升降机构的零件进行三维建模设计,建模时用到了诸如拉伸、切除、旋转、镜像、插入基准轴。基准面、圆周阵列实体等特征,从二维到三维,从简单到复杂,从生疏到熟练,从开始到最终完成所有升降机构零件的三维建模,其过程收获颇丰。5 升降机构的装配5.1 装配的基本步骤及装配模型装配体是多个零件和子装配体的有机结合,它表达了实体信息,即装配中各零件、部件实体信息的总和,如点、线、面、材料、颜色等,人们能通过各种感觉来感知它的存在,在产品的功能设计和产品考察阶段把大部分的注意力都集中在这部分关系的信息上,几乎所有装配体的功能都是通过零部件间的运动来实现的,要得到升降机构的的装配体,并且实现其功能,须建立升降机构的零件之间的完整且正确无误的关系。装配建模是虚拟装配要面临的首要问题,为装配顺序生成、装配路径规划,可装配性评价和装配仿真等后续产品设计过程奠定基础。装配对计算机硬件条件的要求高,且应用也十分广泛。5.2 升降机构的装配进行两个零件的装配时,关键之处在于正确确定两个零件的配合关系,这种配合关系实际上也就是零件之间的装配约束关系。一般装配体中的约束有三种:1、面贴合与等距偏离;2、对齐;3、定向。在配合过程中主要用到了同轴心、重合、平行等命令来限制各零部件的自由度,使它们正确配合,不会出现干涉现象,以免在生成动画时出现大的误差。5.2.1 创建装配体1、进入SolidWorks软件,点击菜单栏中“文件”/“新建”按钮,出现“新建SolidWorks文件”对话框。2、选装配体图标,单击“确定”按钮进入装配体制作界面。5.2.2 插入装配体零件1、选择菜单栏中的,出现PropertyManager设计树。2、选“浏览”按钮,出现“打开”对话框,在这个对话框中选择我们要插入的升降机构零件。5.2.3 装配体零件的配合1、单击“配合”,出现了“配合” PropertyManager设计树。2、选择丝杠外侧圆与轴承盖外侧圆,如图5. 1所示,所选的面被列在项目框中,点同心,单击“确定”,以确定两个平面之间的配合关系。3、选丝杠侧面与轴承盖侧面,如图5. 2所示,所选的面被列在项目框中,点重合,单击“确定”,两个平面之间的配合关系也确定了下来。4、选丝杠前视基准面与轴承盖右视基准面,如图5. 3,所选的面被列在项目框中,点重合,单击确定按钮,两个零件的配合关系显示出来,如图5. 4所示。图5. 1 丝杠外侧圆与轴承盖外侧圆同心装配图图5.2 丝杠侧面与轴承盖侧面重合装配图图5.3 丝杠前视基准面与轴承盖右视基准面重合装配图图5.4 丝杠与轴承盖装配图最后,将子装配和剩余的零部件装配成总装配体,检查干涉,经过几次修改得到最终的总装配体,如图5. 5。图5.5 升降机构图5.6 爆炸视图5.3 装配体的静态干涉检查三维模型装配完成后,需要对各个部件之间的相互位置关系进行干涉检查及其相对运动关系的各个部件进行运动校核。5.4 小结 本章基于SolidWorks软件,对换刀机械手升降机构的零件进行装配体设计,将升降机构的一个或多个零部件或子装配体按一定的约束组合在一起得到了我们需要的装配图;装配爆炸视图能直观、形象的演示产品;而干涉检查是装配完成后的常规操作。6 总结 本文对换刀机械手的结构进行了深入的研究,并设计了数控镗铣床换刀机械手的升降机构。现总结如下: 1.换刀机械手升降机构的方案设计。综合分析各种机械手的结构原理及优缺点,确定机械手升降机构的结构方案、驱动方案及控制方案。 2.换刀机械手升降机构的结构设计。通过已确定的方案,确定换刀机械手升降机构的组成与配置。其结构由升降电机、螺旋副间隙调整垫、滚珠丝杠、减速齿轮、导向柱和无触点行程开关等组成。查阅文献计算出升降机构各结构的尺寸,并确定各零件相互位置关系。 3.换刀机械手升降机构的三维建模与装配。通过SolidWorks软件对换刀机械手的升降机构进行零件图的三维建模,并完成装配。参考文献1 徐宁安.从CIMT2005 看数控卧式镗铣床与落地式铣镗床的发展J.世界制造技术与装备市场,2005(6):98-100.2 吴波,周云龙.数控机床现状及发展趋势简析J.科技信息,2010(25):461-479.3 李占贤,黄田,梅江平.二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究J.机器人,2004,26(1):63-68.4 王斌,徐艳新.数控镗铣床改造设计J.科技风,2010(10):234.5 梁训瑄.我国机床工业60年发展J.航空制造技术,2009(19):56-59.6 汪劲松,黄田.并联机床-机床行业面临的机遇与挑战J.中国机械工程,2001,12:34-36.7 黄田.Steawart并联机器人局部灵活度与各向同性条件解析J.机械工程学报,1999,35(5):43.8 黄真,方跃法.并联机器人机构学与控制M.北京:机械工业出版社,1997,5:30-31.9 罗玉龙.数控机床自动换刀装置及其控制研究D.重庆:重庆理工大学,2014.10 工业机械手编写设计基础编写组.工业机械手设计基础M.天津:天津科学技术出版社,1979.11 社干.升降平台机构研究现状分析J.机械工程与自动化,2013(2):205-207.12 高希功.剪叉式液压升降机的结构设计与优化D.山东:济南大学,2014.13 C.J.Gantes,E.Konitopoulou.Geometric design of arbitrarily curved bistable deployable arches with discrete joint size.International Journal of Solids and Structures,2004, (41):5517-5540. 14 Trauis Langbecker.Kinematic amalysis of deployable scissor structesJ.International Journal of Space Structures,1999,14(1):1-15.15 Baker John D.Klinzing George E.Optimal performance of pneumatic.Po-Wder Technology,1999(104):240-247.致谢这次毕业设计得以顺利完成,并非我一个人努力的结果。在此,我要对老师以及同学们表达真挚的谢意。感谢大连大学四年来对我的培育,让我在这四年里受益匪浅。特别感谢机械学院四年来为我提供的学习与成长环境,让我得以学习到许多有用的知识。这次毕业论文是在我的指导老师何利老师悉心培养与指导下完成的。感谢我的指导老师,在我遇到困难都给予我指引和鼓励,让我能克服困难,将设计完成。在此,我还要感谢在班里同学和朋友,感谢你们在我遇到困难的时候帮助我,给我支持和鼓励,感谢你们。附录1外文翻译具有动态特性约束的高速灵活的机械手优化设计摘要:本文提出了一种强调时间独立和位移约束的机器手优化设计理论,该理论用数学编程的方法给予了实现。将各元件用灵活的连杆连接起来。设计变量即为零件横截面尺寸。另用最关键的约束等量替换时间约束。结果表明,此方法产生的设计结果比运用Kresselmeier-Steinhauser函数,且利用等量约束所产生的设计方案更好。建立了序列二次方程基础上的优化设计方案,且设计灵敏度通过总体有限偏差来评定。动态非线性方程组包含了有效运动和实际运动的自由度。为了举例说明程序,设计了一款平面机器人,其中利用某一特定的方案并且运用了不同的等量约束进行了设计。 版权属于 1997年埃尔塞维尔科技有限公司1 导论目前对高速机器人的设计要求越来越高,元件质量的最小化是必不可少的要求。传统机器手的设计取决于静态体系中运动方式的多样化,但这并不适合于高速系统即应力和绕度均受动力效应控制的系统。为了防止失败,在设计的时候必须考虑到有效轨迹和实际运动轨迹之间的相互影响。在暂态负载下对结构系统进行设计已经开始展开研究,该研究是基于下面几个不同的等量约束条件下进行的,分别为对临界点的选择上1 , 反约束的时间限制2 ,和Kreisselmeier - Steinhauser函数3,4的基础上进行研究。在选择临界点时,假定临界点的位置的时间是固定的,然而这种假设不适合高速系统。第二个办法的缺点是等量约束在可行域内几乎为0,因此现在还没有迹象表明这些约束是否重要。使用Kreisselmeier - Steinhauser函数在可行域中产生了非零的等量约束,但它定义了一个保守的约束,从而产生了一个过于安全的设计方法。 在设计机器手的时候,常规方法是考虑多静态姿态5-7,而不是考虑时间上的约束。这种方法并不适合高速系统,原因是一些姿态不能代表整个系统的运动,此外,位移和应力的计算也是不准确的,这是因为在计算的时候省略了刚性和弹性运动之间的联系。事实上,这种联系是灵活多体分析中最基本的8-10 。 在这项研究中,开发了一种设计高速机械手的方法,这种方法考虑了系统刚性弹性运动之间的联系及时间独立等约束。把最关键的约束作为等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量值的变化而变化。反应灵敏度由整体偏移所决定,设计的最优化取决于序列二次方程式。为了说明程序, 对双杆平面机器手的强度和刚度进行了优化。设计结果与那些采用了Kreisselmeier - Steinhauser函数的机器手进行对比。2、设计理念在这一节中,机器手的优化设计方法使用用于计算强度和刚性的非线性数学编程方法。机器手由N个活动连杆组成,每一个连杆由Ek个有限零件柱组成。其目的是尽可能的减小机械手的质量。与强度关联的约束主要是应力元素和刚性约束。这些约束将使得有效运动的位移产生偏移。设计变量就是连杆和零件的截面特性。从数学上来说,目标函数应满足这样的约束: (1)其中和分别是第k个机构的第i个零件的密度和体积,x是设计变量的矢量,是时间约束总数。在验证位移和应力的时候,参考文献10中的递推公式可用来计算机器手有效轨迹与实际轨迹。将连杆的变形与连杆参照系联系起来,其中在一定边界约束条件下做完整运动。这样通过缩小模型就可以减少每个连杆的实际自由度数了。 系统的广义坐标系是由连杆变量和模块变量组成的。微粒P的运动速度可表式为 (2)其中和是相互制约的系数。凯恩(Kane)等人的方程式12曾被用来测定一些运动方程式如 (3)其中是整体速度向量,F是合成外力向量,M、Q还有分别为总质量、柯氏力、地心引力和弹力,计算公式如下: (4) (5) (6)其中上标r和f分别代表有效自由度和实际自由度。K为对角矩阵,其对角线上的子矩阵是减少了的有效矩阵以连杆变量的形式出现的。为了验证子矩阵在方程(4,5)中是否正确,和可表示如下: p, r=1,2,3; q=1,; s=1, ,12 (7a) p, r=1,2,3; q=1,m; s=1,12 (7b) 其中是元件形状函数,是连杆变量数,m是模块变量数。方程式中的标注即多次出现的下标指数是以概括的形式出现的,这些下标只不过是公式的一部分,并不表示某一含义除非特定指明。这些子矩阵可表示成: 其中和;z,u=1,2,3; s,v=1,12是时间变量,是第k个机构的第i个元件的质量。在定义和时,柯氏力和地心引力可由下列算式计算出来: 这个运动方程式综合了变量步长和变量预测校正的算法,以获取坐标系和中的时间记录。于是,有关物体参考系的节点位移可由模块转换公式获得。由应力与位移关系式计算出零件受到的压应力。整个参考系中各点的位移可用和机架的各节点位移算出。点的偏移可由那个点在实际运动和有效运动的位移差精确的求出。应当指出的是,在运动方程式中,设计变量函数的形式有矩阵,零件的质量和初始矢量中的、阵列。因此在对灵敏度进行分析的时候,这些都应与设计变量区分开来。然而,分析并且验证灵敏度在这次研究中是个非常困难的项目。不全面的分析或是允许极小误差的方式来研究这一问题也未尝不是个好方法。3.减少约束对机器手进行动态分析的方法就是计算个独立点在同一时间内的运动。因此,约束数目最好满足 ,而且这么多的约束在优化设计时也是不切实际的。不过有一个很有效的办法可以使约束数控制在范围内又可以使约束数满足t的所有值,这就是用Kreisselmeier - Steinhauser函数 3 等量替换单个时间约束,此函数表示如下: 其中和C是正数并由和之间的关系决定即min().这可以说明Kreisselmeier-Steinhauser函数限定了一个保守的值域4比如总是比min()更重要,而且c的值越大和min()之间的差就越小。这就是所谓用最关键的约束等量替换了诸如 (11)之类的约束。在这一方法中,用等量约束限定了分段函数并使其由向间断的过渡。在这一值域里尽管左右突出的构件在过渡点有差异,但他们具有相同的标识和梯度,因此可在过渡点自然结合。随着时间逐步的趋近零点,等量约束也变得逐渐光滑。上述所提到的非线性约束优化问题可以由NLPQL11来解决,即运用序列二次方程的方法。这种优化需要初始信息和,m=1, 这两个可由目前研究出的有限差来计算。4.举例双杆平面机器人如图1所示。运动原理是被动块E沿直线从初始位置(1=120,2=-150)运动到终点位置(1=60,2=-30)。E的运动轨迹表示如下:整个运动过程的时间T=0.5s。 每一个连杆的长度为0.6米并由两个等长的零件连接着。其零件的外径,其为本设计的变量,k=1,2;i=1,2。零件的厚度为0.1。物体的压强和密度分别是E=72GPa,=2700Kg/m-3。模块变量缩小了形状尺寸。最先结合的两个模块和最先有着固定自由的约束条件的轴也都被考虑到了。位于连接点B处的杆2质量为2kg,被动物块和有效载荷的总质量为1kg。设计的约束条件如下:-75MPai75MPa i=1, 0,001m其中应力约束由节点顶部或底部的个点来验证。是E的实际运动轨迹与有效运动轨迹的偏离量(即x和y方向的最大偏移值)。初始设计变量均为50mm. 图1 平面机器手操作器在这个例子里,等量约束是由最关键的约束组成的并且其结果与Kreisselmeier-Steunhauser函数的结果进行了比较。后者函数中适用了c的不同值,可以发现c的值越小其产生的设计就越死板。c=50时的设计是最理想的。应当指出的是编译器的限制可能会超过c的最大值,这完全取决于指数函数也就是只要设计变量的低限足够的小。另一方面,最关键的约束会产生极小质量的设计并且精确的迎合偏移位移量。最小的质量,恰当的直径和反复运动的次数在表1中列出。设计轨迹见表2。表KS-c表明了由Kreisselmeier-Steinhauser函数产生的结果,然而MCC表示关键约束。可见应力远远小于允许值,因此应力约束受到了限制。连杆2中间的应力最大(见)图3。被动物块的偏移量的最佳解决方案见图4图2 设计参数表1 平面机器人控制器最佳方法图3 顶部连接两个的平均压力的最佳设计图4 最终效应器偏差的最佳设计5.总结在研究中,高速遥控操纵器的最佳设计方案取决于动态特性。操纵器的固定轨迹与实际轨迹运动也必须考虑到。把最关键的约束用作等量约束。 最关键的约束的时间点可能随着设计变量的改变而变化。这表明分段的等量约束并不会使设计过程产生缺陷。序列二次方程用于解决设计问题,其是运用整体偏差进行灵敏度计算。 高速平面遥控操纵器已被优化设计成在应力和偏差限制下的最小质量。基
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