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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計(文獻綜述) 第 9 頁
MD1200型直線坐標碼垛機機械系統(tǒng)設(shè)計
摘要：本文介紹了碼垛機，碼垛機是立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將貨物從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。碼垛機主要用于食品飲料行業(yè)、化工行業(yè)等；配套于三合一灌裝線等，對各類瓶罐箱包進行碼垛。首先介紹了碼垛機的發(fā)展、結(jié)構(gòu)特點、主要用途、工作原理；其次介紹了碼垛機的種類及其特點；最后本文介紹雙立柱碼垛機機械結(jié)構(gòu)。通過這些對碼垛機機有一個大致的了解，為設(shè)計做準備。
關(guān)鍵詞：碼垛機，工作原理，發(fā)展前景
前言
碼垛機是立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將貨物從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。無論何種類型的碼垛機，一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的碼垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。
體現(xiàn)碼垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨著科學技術(shù)的不斷進步，立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲機械設(shè)備的動態(tài)性能也在不斷提高。
1． 碼垛機的發(fā)展、結(jié)構(gòu)特點及主要用途
初期的立體倉庫使用的碼垛機以橋式起重機為基礎(chǔ)，這種碼垛機是從起重機的大梁上懸掛一個門架，利用門架的上下和旋轉(zhuǎn)來搬運貨物。1960年左右在美國出現(xiàn)了巷道式碼垛機，隨后巷道式碼垛機逐漸替代了受重量和跨度限制的橋式碼垛機。1967年日本安裝了高度10～15米的高層碼垛機，1969年出現(xiàn)了聯(lián)機全自動化倉庫，我國是在上世紀70年代初期開始研究采用巷道式碼垛機的立體倉庫。目前的碼垛機技術(shù)取得了重大的發(fā)展，控制技術(shù)、定位精度、運行速度都得到了很大程度的提高。巷道式碼垛機的起升速度已經(jīng)可以達到90m/min，運行速度達到240m/min，在有的立體倉庫中采用上、下兩層分別用巷道碼垛機進行搬運作業(yè)的方法提高出入庫能力。
按現(xiàn)行機械行業(yè)標準，有軌巷道式碼垛機分類方式很多，如按支承方式、用途、控制方式、結(jié)構(gòu)、運行軌跡等分類。無論何種類型的碼垛機一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。
中、低位碼垛機主要由壓平輸送機、緩停輸送機、轉(zhuǎn)位輸送機、托盤倉、托盤輸送機、編組機、推袋裝置、碼垛裝置、垛盤輸送機組成。其結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，動作平穩(wěn)可靠。碼垛過程完全自動，正常運轉(zhuǎn)時無須人工干預(yù)，具有廣泛的適用范圍。
碼垛機主要用于食品飲料行業(yè)、化工行業(yè)等；配套于三合一灌裝線等，對各類瓶罐箱包進行碼垛。碼垛機自動運行分為自動進箱、轉(zhuǎn)箱、分排、成堆、移堆、提堆、進托、下堆、出垛等步驟。
2． 碼垛機的工作原理
平板上工件符合棧板要求的一層工件，平板及工件向前移動直至棧板垂直面。上方擋料桿下降，另三方定位擋桿起動夾緊，此時平板復位。各工件下降到棧板平面，棧板平面與平板底面相距10mm,棧板下降一個工件高度。往復上述直到棧板堆碼達到設(shè)定要求。碼垛機器人配備有特殊定制設(shè)計的多功能抓取器，不管包裝箱尺寸或重量如何，機器人都可以使用真空吸盤牢固地夾持和傳送包裝箱。
3． 碼垛機的種類
碼垛機一般有很多種，根據(jù)不同的場地和商品的尺寸需要不同的碼垛機常見的有一些幾種：
3.1碼垛機器人
碼垛機器人
此碼垛機人屬于私自由度柱面坐標機器人，柱面坐標機器人的空間位置機構(gòu)主要有旋轉(zhuǎn)機座、垂直位移和水平位移軸構(gòu)成，起動作空間呈圓柱形。此碼垛機人又四個自由度，除旋轉(zhuǎn)基座、垂直和水平移動外，還有前端端持器的旋轉(zhuǎn)共四個自由度。它有教快的抓取碼垛速度，可以有效的進行工作，但是由于其自動化較高，制造成本較高因此價格比較高。
3.2橋式碼垛機
橋式碼垛機
從圖片可以看出此類碼垛機屬于大型碼垛機主要用于大量物品的大量存儲該產(chǎn)品廣泛用于面粉、淀粉、油脂、飼料、煤化工、鹽化工、水泥等行業(yè)。它主要由主行車、行車輸送機、移動小車、轉(zhuǎn)向盤、滑包升降輸送裝置、控制中心等組成，主梁依靠電機驅(qū)動在行車鋼軌上做往返運動。橋式碼垛機能前后、左右、上下自動運行。當包裝袋經(jīng)膠帶輸送機通過一定距離的輸送后，由轉(zhuǎn)彎器90o送入主機的行車輸送帶上，再經(jīng)轉(zhuǎn)彎器轉(zhuǎn)90o后進入懸臂滑包升降機的滑包輸送機，根據(jù)堆碼垛垛層的需要自動落位。其產(chǎn)品具有安全性能可靠、控制系統(tǒng)操作靈活、故障率低、維修保養(yǎng)方便等特點。
3.3 直線碼垛機
直線碼垛機一般分為單柱碼垛機和雙柱碼垛機
單立柱碼垛機 雙立柱碼垛機
3.3.1 單立柱碼垛機
單立柱碼垛機包括底座，底座上設(shè)有立柱，立柱上設(shè)有上下方向的第一導軌，導軌上有有滑塊運動的驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)上有橫梁，橫梁上設(shè)有水平運動第二導軌，第二導軌上有抓手伸出機構(gòu)，伸出機構(gòu)可以前后運動。此機器最大特點就是結(jié)構(gòu)簡單、方便移動，占用較少的空間，不足之處就是它所能提起的物品重量受到限制，移動速度有限，因此多用于較輕物品的碼垛，物品擺放擁擠的地方。
3.3.2 雙立柱碼垛機
雙立柱碼垛機的結(jié)構(gòu)與單立柱式類似，包括底座安裝在底座上的兩個立柱以及安裝在兩個立柱上的橫梁，在橫梁上安裝有抓手機構(gòu)，這種機構(gòu)的碼垛機工作時，抓手機構(gòu)和橫梁能夠在立柱上上下運動，抓手機構(gòu)能夠在橫梁上水平運動。通過上述的運動方式將運過來的物品堆放在托盤上以完成碼垛任務(wù)，當物品不規(guī)則時難以保證碼垛的穩(wěn)定性，這種碼垛機結(jié)構(gòu)復雜，價格較高。但是這種碼垛機能夠抓取教重的物品，使用過程中不易出現(xiàn)毛病。
4. 雙立柱碼垛機的機械結(jié)構(gòu)
4.1 滾珠絲杠
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。
4.1.1滾珠絲杠的特點
滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。
（1) 與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
（2)高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度·濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
（3)微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。
（4)無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。
（5) 高速進給可能
滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。
4.2 帶傳動
帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進行運動或動力傳遞的一種機械傳動。根據(jù)傳動原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動的摩擦型帶傳動，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的同步帶傳動。
帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力，且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點，在近代機械傳動中應(yīng)用十分廣泛。摩擦型帶傳動能過載打滑、運轉(zhuǎn)噪聲低，但傳動比不準確（滑動率在2%以下）；同步帶傳動可保證傳動同步，但對載荷變動的吸收能力稍差，高速運轉(zhuǎn)有噪聲。 帶傳動除用以傳遞動力外，有時也用來輸送物料、進行零件的整列等。
4.3直線導軌
直線導軌稱線軌、滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載， 同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。
4.3.1 直線導軌分類和組件
直線導軌分為方形滾珠直線導軌，雙軸芯滾輪直線導軌，單軸芯直線導軌。
直線導軌有兩個基本組件，一個作為導向的為固定組件（導軌），另一個是移動組件（滑塊） 作為導向的導軌為淬硬鋼，經(jīng)精磨后置于安裝平面上，其橫截面的幾何形狀比較復雜，因為導軌上需要加工出溝槽，以利于滑動組件的移動 滑塊包裹著導軌的頂部和兩側(cè)面 直線導軌以滾動鋼球作為導軌和滑塊之間的動力傳輸界面，因為滾動鋼球適應(yīng)于高速運動 摩擦系數(shù)小 靈敏度高，滿足運動部件的工作要求，可進行無限滾動循環(huán)的運動，并將滑塊限制在導軌上，使負載平臺能沿導軌以高速度 高精度做直線運動 負載平臺移動時，鋼球就在滑塊支架溝槽中循環(huán)流動，把滑塊支架的磨損量分攤到各個鋼球上，從而延長直線導軌的使用壽命為了消除滑塊支架與導軌之間的間隙，可預(yù)加載荷能提高導軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性直線導軌結(jié)構(gòu)組成見圖4-3-1。
圖4-3-1 直線滑軌的結(jié)構(gòu)組成
4.3.2直線導軌特點
（1) 自動調(diào)心能力
來自圓弧溝槽的DF(45-°45)°組合，在安裝的時候，藉由鋼珠的彈性變形及接觸點的轉(zhuǎn)移，即使安裝面多少有些偏差，也能被線軌滑塊內(nèi)部吸收，產(chǎn)生自動調(diào)心能力之效果而而得到高精度穩(wěn)定的平滑運動。
(2) 具有互換性
由于對生產(chǎn)制造精度嚴格管控，直線導軌尺寸能維持在一定的水準內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計以防止鋼珠脫落，因此部份系列精度具可互換性，客戶可依需要訂購導軌或滑塊，亦可分開儲存導軌及滑塊，以減少儲存空間。
(3) 所有方向皆具有高剛性
運用四列式圓弧溝槽，配合四列鋼珠等45度之接觸角度，讓鋼珠達到理想的兩點接觸構(gòu)造，能承受來自上下和左右方向的負荷；在必要時更可施加預(yù)壓以提高剛性。
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畢業(yè)設(shè)計
文獻綜述
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名
位艷亮
指導教師
薛東彬
2012年 3 月 10 日
黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計(文獻翻譯) 第 16 頁
三種類型五軸聯(lián)動機床的后處理器開發(fā)
摘要：本文提出了一種五軸機床操作界面的方法，即通過控制刀具切削位置來建立一個介于計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)和數(shù)控編程之間的操作界面。此外后處理器的解決辦法是通過在五軸機床上切削試驗和坐標測量機上驗證的。試驗結(jié)果證實了關(guān)于后處理器的解決辦法的猜想所產(chǎn)生的影響，用來整合五軸機床的工具在機械制造系統(tǒng)中的使用。
關(guān)鍵詞：坐標變換矩陣，刀具切割規(guī)矩數(shù)據(jù)，五軸機床，數(shù)控編程，后處理器
1.簡介
剪裁曲面(或雕刻表面)已經(jīng)大量在工業(yè)中使用,如在汽車的身體、船舶殼體、航空零件。模具和沖壓模具的加工大部分是用數(shù)控加工(NC)機床加工的。常規(guī)的加工是使用三軸數(shù)控機床和球頭銑刀。三軸機床不能改變刀具方向 ,所以一個五軸數(shù)控機床能使刀具正確定位并能高效加工。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,商業(yè)性的CAD / CAM系統(tǒng)可以設(shè)計和生成自由平面不管是三軸還是五軸的刀具軌跡。刀具位置數(shù)據(jù)包括刀尖位置和刀具方向,可以在CAD / CAM系統(tǒng)所產(chǎn)生的CAD模型中直接獲得然而,當使用很多種刀具的時候還是有困難的。包括CAM系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)之間聯(lián)系的輸入界面被稱為后處理器它包含了刀具位置數(shù)據(jù)的機床編碼。
很多研究人員在從事機床后處理器的研究。Bedi和Vickers[1]為FANUCE6MB機床研發(fā)了一種后處理器程序。Balaji[2]提出一種后處理器的發(fā)展和應(yīng)用，就是將APT資源編碼轉(zhuǎn)換為機床床程序代碼。Lin和Chu[3]通過使用帶有復雜的D-H記號的平面追蹤得到了生產(chǎn)凸輪軸時的機床刀具的數(shù)控數(shù)據(jù)。然而，以上的工作僅僅是關(guān)于三軸機床的。此外，既然對于三軸機床刀具軸線是固定的，從刀具軌跡數(shù)據(jù)到數(shù)控數(shù)據(jù)的傳輸?shù)闹苯觽鬏?，所以增量坐標技術(shù)是必不可少的。為了滿足工業(yè)關(guān)于幾何圖形多樣性和高精密的需求，多軸聯(lián)動技術(shù)的使用在增多，特別是機械雕刻成型表面。Suh和Lee[4]發(fā)明了一種四軸CAM系統(tǒng)包括刀具切削位置數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和后處理器。Vickers etal.[5]提出了無碰撞五軸控制刀具路徑和后處理器兩種類型的機器配置方法。Takeuchi和Watanabc[6]提出了無碰撞五軸控制刀具路徑和后處理器兩種類型的機器配置的方法。Sakamoto和Inasaki[7]將五軸機床刀具的輪廓分為三種類型。然而，NC數(shù)據(jù)的分析表達式是無法使用在上述作品。
Lin和Tsai最近使用D-H符號來生成四軸機床加工空間凸輪的數(shù)控數(shù)據(jù)方程。此外，Warkentin et al[9]還提出了一種球面加工技術(shù)。在他們的工作中，僅僅從五軸機床上得到了廓形的理想數(shù)控數(shù)據(jù)。同時，Rao et al.[10]研發(fā)了一種主軸線法在兩種配置的五軸機床實現(xiàn)復雜表面的加工。盡管如此，僅僅旋轉(zhuǎn)運動被應(yīng)用。并沒有研究機床刀具的直線運動。既然五軸機床刀具軌跡有那么多優(yōu)點，那么后處理器的發(fā)展是很必然的[6]。然而，符合Satamoto和Inasaki所提出的分類方法，五軸機床刀具的機構(gòu)可以分為三種基本類型。以上所有研究中沒有一種能完全解決包含三個直線運動和兩個旋轉(zhuǎn)運動的數(shù)控數(shù)據(jù)的問題。
這項工作旨在基于齊次坐標變換矩陣發(fā)展三種類型五軸機床的后置處理器。數(shù)控數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以通過功能矩陣與已知CL數(shù)據(jù)解代數(shù)方程組求得。此外,不同配置的機床的特點和程序也是不同的。后處理器的正是通過設(shè)計Bezier曲線模型材料在加工中心加工典型表面,然后使用五軸坐標測量機測量(CMM)來驗證后置處理器的正確性和有效性。
2. 運動學模型
機床刀具是通過開放式鉸鏈關(guān)節(jié)串接連接的。關(guān)節(jié)可以是旋轉(zhuǎn)的也可以是棱形的。旋轉(zhuǎn)接頭的執(zhí)行機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時連接聯(lián)合軸，而移動關(guān)節(jié)沿著聯(lián)合軸的軸線方向移動。為了充分控制機床和刀具的位置和方向，建立了機床的運動學模型是必需的，運動學模型包括幾何形狀和運動學的描述。 denavit和Hartenberg[11]首先使用一個4 * 4齊次坐標變換矩陣介紹了兩個連續(xù)環(huán)節(jié)坐標系統(tǒng)之間的空間轉(zhuǎn)換，后來被Paul·[12]引用。傳統(tǒng)的建模技術(shù)被用在機器、機器人、誤差分析和計算機視覺上。在本文中，通過引用Paul的方法介紹了四個根本型變換矩陣。他們可以表示如下：
trans(a,b,c)是通過矢量ai + bj + ck得到的，Rot(X,θ), Rot (Y,θ), Rot(Z,θ)分別表示繞X,Y,Z軸旋轉(zhuǎn)的角度θ，“C”和“S”分別指余弦和正弦函數(shù)，從一個坐標系到另一個坐標系的空間轉(zhuǎn)換是由分解矩陣相結(jié)合的根本性轉(zhuǎn)變。
3. 五軸機床的切削軌跡數(shù)據(jù)的定義
如圖1所示，五軸銑削的刀具位置數(shù)據(jù)由刀具的位置和方向與工件坐標系組成，在本文中點向量寫成[Qx Qy Qz 1] T，，向量[Kx Ky Kz O]T用來表示齊次坐標方向，上標注“T”表示轉(zhuǎn)置矩陣。值得一提的是，將刀具中心定義為刀位點而不是刀具接觸點是非常有意義的。對于一個給定的參數(shù)化設(shè)計表面加工使用的五軸銑床依據(jù)西德國家工業(yè)標準66215在任何角度的刀具可以被定義為接觸點,適當?shù)腃L數(shù)據(jù)可以[13]通過微分幾何齊次坐標變換矩陣確定。
4. 五軸機床的后處理器
一旦獲得CL文件就應(yīng)該使用五軸機床控制器的逆運動學變換把它轉(zhuǎn)換為5個參考輸入（即三個直線運動，加上兩個旋轉(zhuǎn)運動）。這個轉(zhuǎn)換被稱為后置處理，轉(zhuǎn)換軟件被稱為后處理器。機器人的逆運動學變換取決于幾何結(jié)構(gòu)的五軸機床的使用。從理論上講,有眾多的組合機床都配置五軸機床刀具輪廓。然而,在實踐中根據(jù)兩種旋轉(zhuǎn)運動單元[6,7]可將輪廓分為三種基本類型：
1、工作臺傾斜，繞工作臺兩個方向的旋轉(zhuǎn)。
2、主軸傾斜，繞主軸的兩個方向旋轉(zhuǎn)。
3、工作臺和主軸都傾斜，一個繞工作臺旋轉(zhuǎn)一個繞主軸旋轉(zhuǎn)。
本文提出的五軸加工后處理應(yīng)用到上述三種類型。此外，使用運動結(jié)構(gòu)圖2（a）-2（C）來證明推導過程。此外，兩旋轉(zhuǎn)軸不斷互相相交是為了工作臺傾斜和主軸傾斜兩種類型簡化。
一般來說，在數(shù)控機床上加工一個工件時，數(shù)控機床根據(jù)零件程序首先建立一個工件坐標系和一個軸向名稱。除了三個線性垂直軸（X，Y，Z軸），數(shù)控機床還可能涉及周圍旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)軸，這里由指定字符A，B和C表示分別繞X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)。因此，五軸機床配置在圖2（a）-2（C）分別由（X，Y，Z，A，C）和（X，Y，Z，A，B）表征。所有的動作應(yīng)由統(tǒng)一的程序坐標系統(tǒng)生成，如G54-G59的代碼是用來定義FANUC控制器的程序。在大多數(shù)情況下，程序的坐標系與工件坐標系重合，因此，本文所采用此種方式。
圖2.為三種五軸加工中心。(a)Table-tilting類型。 (b)Spindle-tilting類型。 (c)表/ spindle-tilting類型。
4.1 Table-Tilting類型
對于table-tilting類型圖3表示了相應(yīng)的坐標。OwXwYwZw和OtXtYt坐標系統(tǒng)是直接對應(yīng)在工件和刀具上的。
旋轉(zhuǎn)點R是兩個旋轉(zhuǎn)軸的交點。位移向量Lxi + Lyj + Lzk是從原點Ow指向R點的，也是所需的坐標變換。由于機床的結(jié)構(gòu)元素線性表、床身、主軸、刀具組成的一個轉(zhuǎn)盤,即機床產(chǎn)生的運動,決定了機床設(shè)計的特點,被稱為form-shaping功能[14]。其主要特征是起始于工件,終止于刀具。對機床配置如圖2(a)、連續(xù)結(jié)構(gòu)元素描述如圖4。
因此，刀具相對于工件坐標系的位置可以決定相應(yīng)的系列中的基本變換矩陣，相當于Cl數(shù)據(jù)， [Kx Ky Kz 0]T 和[Qx Qy Qz 1 ]T。數(shù)學表達式分別描述如下：
?A和?C分別是繞X、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度,+X,+Z的正方向是根據(jù)右手螺旋法則確定的。Px,Py,Pz分別沿X,Y,Z方向的距離。
將式（5），（6）相乘可得:
從以上方程可以解出旋轉(zhuǎn)角度(?A,?C)及相關(guān)距(Px,Py,Pz)。另一方面,數(shù)控數(shù)據(jù)X,Y,Z的值可以通過方程(6)在?A =?c = 0和[Qx Qy Qz 1] T = [X Y Z 1] T時解出,所以該程序坐標系統(tǒng)是符合工件坐標系的。這導出：
因此,這種輪廓的理想的數(shù)控數(shù)據(jù)被表達如下：
通過檢驗X和Y的軌跡函數(shù)arctan2(y,x)的值應(yīng)在和-л ≤ θ ≤ л范圍內(nèi)。
4.2 Spindle-Tilting類型
spindle-tilting類型的配置,兩個轉(zhuǎn)動軸(A、B軸)應(yīng)垂直于主軸(圖2 B),這樣,基準點R(圖5)是選定兩個軸的交點。此外,既然在加工過程中主軸會旋轉(zhuǎn),工具有效長度Lt,是從基準點R與刀具中心Or的距離或用數(shù)控數(shù)據(jù)得到。同樣的坐標轉(zhuǎn)換程序,類似于table-tilting類型配置,導出下列方程:
因此,數(shù)控數(shù)據(jù)解析方程可以歸納為求解方程(15)-(17):
4.3 table/ Spindle-Tilting型
在這種配置情況下,有一個轉(zhuǎn)動軸,轉(zhuǎn)臺和主軸,支點分別在軸(A)和軸(B)。,如圖6,基準點RA位于任意軸,基準點RB是選為傾斜軸(B軸)和主軸的交匯點。位移向量Lj 1 + LyJ + Lzk計算出的是從原點到RA的有效長度,L~是支點RB和刀具中心點的距離。和以上一樣, 利用坐標變換矩陣可以得到以下方程：
再次,通過求解方程(23)-(25)、這臺機器配置的數(shù)控數(shù)據(jù)的解析方程可以被表示為:
5.討論
從前面部分的描述中可推出一些結(jié)論,敘述如下:
1、如果在旋轉(zhuǎn)的工作臺上有一個旋轉(zhuǎn)運動(如table-tilting類型和表/ spindle-tilting型)位移向量與工件原點和基準點有關(guān)，必須確定在接觸傳感器后工件一直夾緊在工作臺上。
2、當旋轉(zhuǎn)運動是應(yīng)用于主軸(例如spindle-tilting類型和表/ spindle-tilting型)有效的工具長度是支點和刀具中心點之間的距離,可以認為刀具半徑是變化的。刀具預(yù)先設(shè)置單元是用來測量距離的,這就叫做設(shè)定長度,從儀表層面到工具頂端,如圖7。儀表水平面是在某一特定的直徑圓錐柄,確保所有工具都在高速主軸的同樣位置。然后,可以計算出有效的工具長度增加設(shè)定長度與距離,這是一個由生產(chǎn)廠家給定的固定值,從主軸頂端到旋轉(zhuǎn)支點。
3、該旋轉(zhuǎn)點的定義是兩個轉(zhuǎn)動軸的交叉口。然而,對于table/ spindle-tilting配置、轉(zhuǎn)動軸在空間是不相交的。如前所述,轉(zhuǎn)臺的基準點可任意在旋轉(zhuǎn)軸上選擇。這種現(xiàn)象可以通過觀察數(shù)控系統(tǒng)方程(28)-(30)的數(shù)據(jù)來解釋,因為這些方程的都有各自的Lx值。
6.實施和驗證
6.1實驗的實現(xiàn)
要驗證的建議后處理方法的可行性，進行了試切實驗表/主軸傾斜成大五軸加工中心。 NC數(shù)據(jù)，包括偏移向量和此配置的有效工具長度。 Bezier曲面與一個4 * 4控制點給出的矩陣：
在本文中，刀具路徑生成是基于用頭立銑刀的刀具方向被認為是正常的表面接觸點等參方法。數(shù)學上，Bezier曲面可表示為P（U，V），其中U和V是獨立的參數(shù)[15]。等參步長定義是在每個參數(shù)輸入增量變化。一旦U和V參數(shù)已經(jīng)明確，這一點可以被定義在表面上和刀位點[QX QY Qz1];同時，可以使用微分幾何[15]計算出切削刀具定向：
因此，等參刀具路徑的完成后CL數(shù)據(jù)才能確定。A C計劃用于生成CL數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換CL數(shù)據(jù)（NC代碼），使用的建議后處理方法。以下的實驗條件下的基礎(chǔ)上已進行試切：
1.球頭銑刀的直徑是10 RAM。
2.主軸轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)，進給200mm/rain。
3.刀具路徑是0.5毫米。
4.偏移向量LX = 0，LY = -10.0毫米和LZ = -25.0毫米。
5.有效的刀具長度LT是409.571毫米。
6.工件材料為丙烯酸樹脂
圖8描繪了五軸加工中心的實際切削。
6.2 CMM的核查
已完成的部分（圖9）在Mitutoyo（模式BHN710）橋型主體和一臺個人電腦組成的三坐標測量機上測量。在實際測量中，16套典型的測量數(shù)據(jù)（見圖10）通過CMM 2毫米直徑的Renishaw PH-9觸發(fā)式探頭。觸發(fā)式探頭可以帶動向沿法線方向的一部分。根據(jù)從方程（31）獲得表面法線向量生成外指導點和內(nèi)部指導點（圖11）。探測路徑可以表示在特定的數(shù)控代碼，發(fā)送到CNC控制器。處理測量操作時，最初的探頭移動到指定以外指南點迅速。下一步，探頭移動緩慢，直到它觸及的表??面點到里面指南點。一個探頭球中心的位置坐標測量點收集和保存在一個ASCII tbrmat文件。積累的數(shù)據(jù)所抵銷探針中心配合探頭球theradius的內(nèi)表面的沿法線方向的補償。設(shè)計圖面測量采樣點的比較如圖 12。這個數(shù)字表明，設(shè)計圖面相比，加工表面的最大偏差為0.02 RAM。這些結(jié)果表明，擬議的后處理方法是非常有效和可靠的。
7.結(jié)論
本文提出了三個典型的五軸聯(lián)動機床，形式塑造功能是根據(jù)齊次坐標變換矩陣分析方法來開發(fā)后處理器的。NC數(shù)據(jù)完整的解析方程可得到等同的形式塑造功能和CL數(shù)據(jù)。在五軸加工中心和CMM上實施驗證試驗，且證實了擬議的后處理方法是可靠的。此外，整合各種配置的五軸機床，廣義的后處理方法的發(fā)展是目前正在進行中。
畢業(yè)設(shè)計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名
位艷亮
指導教師
薛東彬
2012年 3 月 10 日
黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告表
課題名稱
MD1200型直線坐標碼垛機機械系統(tǒng)設(shè)計
課題來源
教師擬訂
課題類型
AX
指導教師
薛東彬
學生姓名
位艷亮
專 業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學 號
080105009
一、調(diào)研資料的準備
根據(jù)任務(wù)書的要求，在做本課題前，查閱了與課題相關(guān)的資料有：機械設(shè)計、機械制圖、機械制造工藝學、機械原理、機械制造工藝課程設(shè)計指導書、冶金機械設(shè)計、機床設(shè)計手冊等資料和CAD繪圖相關(guān)資料等以及與設(shè)計相關(guān)的手冊。
二、設(shè)計的目的與要求
畢業(yè)設(shè)計是大學中最后一個實踐性環(huán)節(jié)，通過該設(shè)計過程，可以檢驗所學的知識，同時培養(yǎng)處理工程中實際問題的能力，因此意義特別重大。
根據(jù)使用性能要求初定設(shè)計方案，進行設(shè)計方案對比后最終確定方案。根據(jù)碼垛機尺寸聯(lián)系圖、設(shè)計傳動系統(tǒng)部分裝配和主要零件圖。
三、設(shè)計的思路與預(yù)期成果
1、設(shè)計思路
結(jié)合調(diào)研資料，聯(lián)系本次設(shè)計的內(nèi)容及目的，做出以下安排：
(1)機座：機座是一實心帶凸臺的鉅形塊，用作支撐立柱及整個機器，要求有足夠的強度和剛度，一般用鑄鐵整體鑄造。
（2）立柱：立柱是一剛性架，用作支撐絲杠并承受吊起物料的反作用力，要求有足夠的強度和剛度，一般用鑄鋼整體鑄造，小型機也可用優(yōu)質(zhì)鑄鐵代替鑄鋼。中型機和大型機的機架需分段鑄成，再用螺栓牢固鏈接或者焊接成整體，鑄造工藝復雜。本次設(shè)計的碼垛機屬于中型機，所以機架選擇鑄鋼鑄造焊接。
（3）橫梁：橫梁是帶動機械手左右前后運動的，受物料重力帶來應(yīng)力，要求足夠的強度和剛度，從電機功率方面考慮，橫梁越輕越好，所以采用鋁合金制造。
（4）傳動系統(tǒng)：本設(shè)計碼垛機要實現(xiàn)橫向（X）、縱向（Y）、上下（Z）三個坐標方向的直線運動。因滾珠絲杠有工作精度高、承載能力大、剛度強、能微進給及安裝方便等特點。所以三個方向均采用滾珠絲杠傳動。
2、預(yù)期的成果
（1）完成文獻綜述一篇，不少與3000字，與專業(yè)相關(guān)的英文翻譯一篇，不少于3000字
（2）完成內(nèi)容與字數(shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設(shè)計說明書一份
（3）繪制裝配圖，部分零件圖
（4）刻錄包含本次設(shè)計的所有內(nèi)容的光盤一張
四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排
1--3周 完成文獻綜述、開題報告及英文資料翻譯，掌握CAD軟件應(yīng)用功能，完成畢業(yè)實習。
4--9周 碼垛機總體、細部、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算，用AutoCAD等軟件繪制總裝圖、部裝圖、典 型零件圖。
10--11周 完成編寫設(shè)計說明書，進一步修改完善畢業(yè)設(shè)計，準備并完成畢業(yè)答辯稿。
12周 畢業(yè)答辯。
五、完成設(shè)計所具備的條件因素
本人已修完機械設(shè)計、機械制圖、液壓與氣壓傳動、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、AutoCAD，理論力學、材料力學 、互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)、機械原理、機械制造工藝學、數(shù)控機床、與畢業(yè)設(shè)計指導等課程，借助圖書館的相關(guān)文獻資料，以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等資源.
指導教師簽名： 日期：
課題來源：（1）教師擬訂；（2）學生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供
課題類型：（1）A—工程設(shè)計（藝術(shù)設(shè)計）；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報告
（2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題
要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
黃河科技學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
工 學院 機械 系 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 08 級 1 班
學 號 080105009 學生 位艷亮 指導教師 薛東彬
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目
MD1200型直線坐標碼垛機機械系統(tǒng)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容與基本要求（目標、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）以及設(shè)計技術(shù)要求、注意事項等）（紙張不夠可加頁）
一、設(shè)計技術(shù)要求、原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）
通過實習調(diào)研搜集資料，運用所學知識，并借助CAD軟件，設(shè)計MD1200型直線坐標碼垛機的機械系統(tǒng)，碼垛機用于在1200mm ×1000mm的托盤上自動碼放長方體型物料，碼放的最大高度為2000 mm。
碼垛機由機座、立柱、橫梁、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，可以實現(xiàn)橫向（X）、縱向（Y）、上下（Z）三個坐標方向的直線運動。
設(shè)計基本參數(shù)：
1、X向行程2400 mm 、Y向行程1200mm、Z向行程2400 mm；
2、運行速度40m/min；
3、最大加速度0.5G；
4、物料為最大尺寸500mm ×500mm×500 mm的長方體紙箱；
5、物料最大重量50㎏。
設(shè)計要求：
根據(jù)基本參數(shù)完成碼垛機設(shè)計計算，包括電機功率、絲杠、導軌、傳動系統(tǒng)部件、聯(lián)軸器等；在設(shè)計計算的基礎(chǔ)上完成傳動系統(tǒng)的設(shè)計，包括總體設(shè)計和關(guān)鍵零部件設(shè)計。
做課題時，需要查閱機械制圖、機械設(shè)計、機床設(shè)計手冊等資料和CAD繪圖相關(guān)資料，綜合分析使用，進行設(shè)計。
二、設(shè)計目標與任務(wù)
1、查閱文獻資料12種以上，外文資料不少于兩種。寫出3000字以上文獻綜述，單獨裝訂成冊。
2、翻譯外文科技資料，不少于3000漢字，單獨裝訂成冊。
3、完成開題報告，填寫開題報告表。
4、畢業(yè)設(shè)計說明書一份，內(nèi)容與字數(shù)都不少于規(guī)定的任務(wù)量。
5、根據(jù)使用性能要求初定設(shè)計方案，進行設(shè)計方案對比后最終確定方案；設(shè)計碼垛機總體、傳動系統(tǒng)部分裝配和主要零件圖；（圖紙量折合后不少于A1圖紙4張，用計算機繪圖）。
6、包含本次設(shè)計的所有內(nèi)容的光盤一張。
7、畢業(yè)設(shè)計說明書撰寫規(guī)范及有關(guān)要求，請查閱《黃河科技學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導手冊》。所有文字成果要求交打印稿。
三、時間安排
1---3周 完成文獻綜述、開題報告及英文資料翻譯，掌握CAD軟件應(yīng)用功能，完成畢業(yè)實習。
4---9周 碼垛機總體、細部、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算，用AutoCAD等軟件繪制總裝圖、部裝圖、典型零件圖。
10--11周 編寫設(shè)計說明書，進一步修改完善畢業(yè)設(shè)計，準備并完成畢業(yè)答辯稿。
12周 畢業(yè)答辯。
畢業(yè)設(shè)計（論文）時 間： 2012 年 02 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日
計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 05 月 19 日
專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人簽名：
日 期：
單位代碼 0 2
學 號 080105009
分 類 號 TH6
密 級
畢業(yè)設(shè)計說明書
MD1200型直線坐標碼垛機機械系統(tǒng)設(shè)計
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名
位艷亮
指導教師
薛東彬
2012年 5 月 15 日
黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 IV 頁
MD1200型直線坐標碼垛機機械系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
碼垛機是立體倉庫系統(tǒng)的重要組成部分，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部件，存貨時將貨物從出入貨臺準確的存放到貨位里，取貨時將貨物從貨位中取回到出入貨臺。無論何種類型的碼垛機，一般都由水平行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、載貨臺及貨叉機構(gòu)、機架和電氣設(shè)備等基本部分組成。它是在所謂高層、高速、高密度儲藏的概念下的產(chǎn)物。盡管各廠家各有獨創(chuàng)，結(jié)構(gòu)形式有些差異，但可以說大同小異，所有的碼垛機都不外乎由機架、載貨臺、伸縮貨叉、軌道和控制系統(tǒng)等部分組成。
體現(xiàn)碼垛機動態(tài)性能優(yōu)劣的指標主要有：運行速度、提升速度、貨叉速度、平穩(wěn)性、認址精度等。隨著科學技術(shù)的不斷進步，立體倉庫的技術(shù)水平和倉儲機械設(shè)備的動態(tài)性能也在不斷提高。
關(guān)鍵詞 ：碼垛機，滾珠絲杠，導軌滑塊
MD1200 Rectilinear coordinate stacker Mechanical System Design
Author : Wei Yanhao
Tutor : Xue Dongbin
Abstract
The stacker which is the executive parts of the whole system, is an important part of the warehouse system.It can stock goods accurately from dock into cargo space and pick up goods in the opposite way.No matter what type of stacking machine ,is made up of walking mechanism , hoisting mechanism ,cargo and fork body ,rack and electrical equipment,and other basic components. It is the product of the concept of the so-called high-level, high-speed, high-density storage.Although the manufacturers have their own unique products, which is diffferent in structure, but it can be said much the same, all of the stacker are nothing more than the rack, cargo units, telescopic fork, track and control systems and other components.
Indicators which reflect the dynamic performance of the pros and cons of the stacker are: speed, lifting speed, fork speed, stability, and accuracy of recognition site. With the continuous progress of science and technology, the dynamic performance of the technical level of three-dimensional warehouse and warehousing machinery and equipment is also rising.
Keywords: Stacker ,Ball screw ,Rail slider
目 錄
1緒論 1
1.1碼垛機的分類 1
1.1.1碼垛機器人 1
1.1.2橋式碼垛機 2
1.1.3直線碼垛機 2
1.2給定的條件和要求 3
1.3方案的選取 3
2設(shè)備概述 4
2.1 結(jié)構(gòu)原理 4
3設(shè)計計算 6
3.1電動機的選擇 6
3.2滾珠絲杠的選擇 7
3.3導軌的選取 8
3.4傳動系統(tǒng)設(shè)計 9
3.4.1聯(lián)軸器的選取 9
3.4.2帶傳動 11
3.5軸承的選取 13
3.6潤滑和密封 15
4 機架的設(shè)計 17
4.1 設(shè)備安裝 17
結(jié) 論 19
致 謝 20
參考資料 21
附錄1 22
附錄2 23
附錄3 24
附錄4 25
附錄5 26