高速盘销式摩擦磨损实验机结构设计

高速盘销式摩擦磨损实验机结构设计

1 选题背景及其意义

摩擦学是一门实践性很强的应用科学，研究材料摩擦磨损行为一般需要借助摩擦磨损试验机测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参量。在国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、四球式摩擦磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机、切人式摩擦、磨损试验机、盘销式摩擦磨损试验机等。

随着冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展，人们对磨损危害的认识有了相当的提高。为了弄清磨损机理以减少有害的磨损，各国学者对材料在常温下的各种磨损问题均进行了大量的研究，但对于材料在高温下的磨损问题至今却研究的较少，这和高温磨损试验装置的缺乏不无关系。1910年第一台磨料磨损试验机即以问世，1975年美国润滑工程师学会（ALSE）编著的“摩擦磨损装置”一书中所公布的不同类型的摩擦磨损试验机也有上百种，但其中大部分都是常温磨损试验机[1]。近几十年来，磨损试验机和试验方法虽然有了较大的发展，但这些试验机大多还是由企业和研究工作者根据工作需要和实际工况自行设计制造的，如高温磨料磨损试验机，适合高分子及其复合材料试验用的高温摩擦磨损试验机等。只有少数试验机是由专门的试验机厂或仪器制造公司制造和供应的，而且这些试验机大都结构复杂，价格较贵，这说明了磨损问题的复杂性和进行实验室磨损试验研究的困难所在。

摩擦磨损问题存在于人类物质活动的各个方面。在汽车、发电、设备、冶金、铁道、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量存在着摩擦学的问题。据估计，全世界约有1/2- 1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，如果从摩擦学方面采取正确的措施，就可以大大节约能源消耗。磨损是机械零部件3种主要的失效形式之一，所导致的经济损失是巨大的，大约有80%的机械零件由于各种磨损导致失效。特别是随着物质文明的进步和工业技术现代化的发展，机械设备的开发使用普遍趋于重载、高速、高效率化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状况、提高其使用寿命和工作可靠性，已成为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研究不断的深入和发展。

这些摩擦试验机多采用静态选位法观察摩擦试件，虽然简单易行，但不能获得摩擦过程的动态信息，更不能对磨损（摩擦）过程进行动态观测及动态数据记录；另外由于受到试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低（一般不超过10m/s ）。然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高，如高速列车运行时的速度约为300km/h，制动时制动盘与刹车片之间摩擦速度为60～70m/s.而目前还未曾见到可用于高速条件下数据动态测量所需的商用摩擦磨损试验机。

摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。摩擦磨损试验研究的内容非常广泛，如探讨摩擦、磨损和润滑机理以及影响摩擦、磨损的诸因素，对新的耐磨、减磨及摩擦材料和润滑剂进行评定等。由于摩擦磨损现象十分复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁多，如何准确地获取摩擦磨损过程中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。为了探索和验证机械工程中摩擦磨损问题的机理以及有关影响因素，在摩擦学研究中开展摩擦磨损测试技术和数据分析研究具有非常重要的作用。

高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温摩擦磨损性能进行测试和评价，是高速切削和新型刀具材料研制开发和应用的必备设备。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。

2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

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，控制系统是示教形的。

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。

目前，在国内，机械手产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机械手公司，年利润增长在40％左右。机械手在许多生产领

域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效3 研究内容

3.1 机械手的概述

机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。

3.2 机械手的组成

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。

3.3 机械手的分类

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方

4式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。

3.4 机械手的坐标形式

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。下图-1为其中两种典型坐标形式的机械手结构，有机械手、Z轴丝杠组、转

盘机构和旋转基座（b型）或X导轨和Y轴丝杠（a型）、旋转基座等组成。

图1 两种典型坐标形式的机械手

3.5 机械手组成部分关系概述

表1 机械手的组成图

机械手主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。

A、执行系统：执行系统是机械手完成电池取出、自身的移动等实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、臂部、机身等。

（1）手部：又称手爪或抓取末端执行机构，它直接实现抓取动作。

（2）臂部：是支承手部的部件，作用是承受抓取物件的负荷，并把它传递到预定的位置。

（3）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部运动，同时自身也能在导轨上移动。

B、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、电动、机械传动和气动。

C、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当

发生错误或故障时发出报警信号。目前，对机械手的控制可采用以下几种方式

（1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大，已逐渐被人们所淘汰；

（2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较强大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；

（3）PLC控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的控制方式。

D、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根

据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。

图2 各大部分关系图

4 研究方案

4.1 总体方案

随着在工业生产上，自动化控制系统有着广泛的应用，如自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而机械手是相对较新的电子设备，它正开始广泛应用于各个领域。本设计为一种运移机构，具有电池运输定位及取出功能。

首先对整个机构进行总体分析，首先应当进行机械手的总体设计对其有一个大体的

构思，然后机械手的组成及各部分关系进行概述分析。上述两部完成后则按照设计要求和设计总体方案进行机械手的机械系统设计，运动系统的分析以及机械传动装置设计，在机械手的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。

（1）机械手的动作过程

其工作过程为：当机械手系统X轴方向到达指定地点时停止移动，机械手系统开始动作，驱动装置驱动Z轴上升至指定高度后停止，另一个驱动装置驱动Y轴的机械手开始伸出；伸出额定的长度后，机械手夹紧装有锂电池的箱体；接着Y轴缩回至电池箱平稳置于工作台；机械手松开电池箱；系统回位准备下一次动作。

（2）机械手驱动传动方案设计

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类，详情可见（表-2）。本设计的机械手应初设为三自由度机械手且属于混合式机械手，它既综合了电动式和气动式机械手的优点，又达到了简便操作和精确定位的目的。

表2 各种驱动系统的比较

根据（表-3），机械部分由齿轮齿条（图-2）和滚珠丝杠副来传动，考虑到精确定位等生产实际问题，选用步进电机作为驱动装置，通过脉冲来控制角位移从而控制各个方向的位移；齿轮齿条都是将旋转运动转换为直线运动的传动装置，通过控制转过的齿数或旋转的圈数来控制直线方向的位移；考虑到稳定性和生产要求，底轨X轴传动采用齿轮齿条并配齿轮减速箱，竖直Z方向与水平Y方向的移动用滚珠丝杠副传动，考虑到工作台和行程大小，Z方向丝杠固定，螺母移动；Y方向螺母固定，丝杆移动。通过查阅资料，丝杠通常不宜与电机直接用联轴器连接，需要用皮带轮或齿轮副作为中间传动防止出现卡死造成电机烧坏等情况，考虑到安装方便和工作载荷，在丝杠螺母上装超越离合器能防止以上等机械问题，同时丝杠与步进电机用联轴器连接；手爪的开合则由气缸来控制。

表3几种典型的传动方式的比较

图2 齿轮齿条

图2 滚珠丝杠副

5 进度计划

2013年12月---- 2014年1月：查找文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并

阅读相关资料，完成开题；

2014年1月---- 2014年2月：熟悉现有运移装置的机械机构，根据设计要求提出设计方案，几种可行的方案性能比较，选取最佳设计方案；

2014年2月---- 2014年4月：总体结构的初步确定、主要传动参数确定；

2014年4月---- 2014年5月：完成结构的设计，力的分析设计，绘制样机总图、零件图及电气控制原理图；

2014年5月---- 2014年6月：撰写毕业论文；

2014年6月---- 2014年7月：论文修改、提交材料准备答辩。

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