并聯(lián)機(jī)床實驗臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】

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銑夾頭軸端連接n銑夾頭與電主軸的連接軸端采用關(guān)節(jié)軸承。n已知關(guān)節(jié)軸承型號，查手冊其裝卡直徑為10mm。彈簧銑夾頭參數(shù)n關(guān)鍵參數(shù)均為已知量，接下來就可以選擇所需的刀具夾頭刀柄了。n并聯(lián)實驗臺的結(jié)構(gòu)確定了它扮演著一臺數(shù)控立銑的角色，所以刀柄的選用范圍也就確定下來，應(yīng)為裝卡直徑10mm的數(shù)控銑夾頭，查詢后得出：JT(BT)40-QH1-75工件裝卡夾具選用 n裝卡范圍：R=175的半球，徑向長度是350，也就是說卡具夾持的最大值至少為350mm。翻閱了卡具設(shè)計手冊，對各種機(jī)床的卡具樣式進(jìn)行了對比，可用于此并聯(lián)實驗臺的有：車床的三抓卡盤（需作改動）、銑床的平口虎鉗。n因為所需加工工件形狀的不確定性，所以以車床的三爪卡盤比較適合，它能夠解決工件夾裝時的自定心問題。只要在車床卡盤的基礎(chǔ)上，取消卡盤隨主軸的轉(zhuǎn)動即可?？ūP尺寸確定n按照要求所需夾持直徑350mm。n由右側(cè)表格可知，規(guī)格D500反爪加緊范圍150500，滿足徑向350mm，可定下卡盤規(guī)格為D500。三爪卡盤參數(shù)n依照所要求的裝卡尺寸，選擇外徑500的卡盤。n型號：K11500A/A115 卡盤特殊要求n用于并聯(lián)機(jī)床實驗臺的三爪卡盤需作改動，免去了車床卡盤中盤體隨主軸轉(zhuǎn)動這一動作，所以，卡盤中軸部分予以取消?？ūP與機(jī)架連接部分只需加工六個圓周陣列的M20的沉頭通孔，用于與機(jī)架相連的螺釘貫穿卡盤，其固定作用。實驗臺支承部分及其連接的方案 n機(jī)架的設(shè)計方案n鑄造機(jī)架的材料及熱處理n機(jī)架的截面形狀、壁厚及周邊筋的布置 n立柱與底座的連接方式 n底座的造型 機(jī)架的設(shè)計n機(jī)架作為實驗臺的支承部分，是本次設(shè)計的一個重點(diǎn)。n機(jī)架設(shè)計的基本準(zhǔn)則應(yīng)保證：剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。n在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕、成本低；抗震性好，把受迫震動振幅限制在允許范圍內(nèi)；噪聲??；溫度場分布合理，熱變形對精度的影響??；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；有道軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌受力合理、耐磨性良好；造型好，使之既適用經(jīng)濟(jì)，又美觀大方。n按照以上機(jī)架設(shè)計的要求準(zhǔn)則，首先確定機(jī)架的制造形式，為鑄造機(jī)架?？傮w結(jié)構(gòu)造型n(1)工作空間呈柱形，具有較大的編程空間與機(jī)床體積比，且平行于工作臺任意截面的運(yùn)動學(xué)性能等同。n(2)位置及速度正、逆解均有顯式解析解答，可實施快速PVT插補(bǔ)和在線運(yùn)動學(xué)標(biāo)定。n(3)支鏈采用帶消極約束的三桿平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)，不但可有效地消除鉸鏈間隙，且可大幅度提高動平臺抵抗切削顛覆力矩的能力。n(4)除底座和動平臺外，主要結(jié)構(gòu)件均為三對稱，可大幅度減少零部件設(shè)計工作和制造成本。鑄造機(jī)架的材料及熱處理n材料選擇查閱鑄造機(jī)架常用材料后得出，鑄鐵機(jī)架用于并聯(lián)實驗臺比其他金屬性價比高，是機(jī)架使用最多的一種材料，它的流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復(fù)雜的鑄件。n鑄鐵機(jī)架的時效處理時效處理的目的是在不降低鑄鐵力學(xué)性能的前提下，是鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)力得到消除或隱定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。n人工時效普遍應(yīng)用熱處理方法，將鑄件緩慢加熱到共析點(diǎn)以下（一般為500600），保溫一段時間，然后緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力。機(jī)架的截面形狀 n此種空心矩形的抗彎、抗扭慣性矩比值分別為：抗彎慣性矩相對值：3.45 抗扭慣性矩相對值：1.27 n鑄件壁厚的選擇取決于其強(qiáng)度、剛度、材料、鑄件尺寸、質(zhì)量和工藝等因素。n就鑄鐵機(jī)架而言，按目前工藝水平，砂模鑄造鑄鐵件的壁厚，可利用當(dāng)量尺寸N,來確定。nN=（2L+B+H）/3 L、B、H分別為主見的長、寬、高n利用上述公式，結(jié)合查表鑄鐵機(jī)架的壁厚，確定出實驗臺立柱的壁厚為20mm。壁厚及加強(qiáng)筋n對于保證立柱剛度的加強(qiáng)筋和肋，由于次實驗臺設(shè)有頂端端蓋，用于安裝并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為了能夠更好的保障立柱剛度，立柱內(nèi)部設(shè)有交叉十字肋；另外柱體外側(cè)周邊添置筋板有效地提高了剛度、穩(wěn)定性和抗振能力。n筋的尺寸查表可知：厚度=0.8s 高度1.5s s為立柱的壁厚n得出筋高為100，厚16。肋厚度查表 為立柱壁厚的0.6倍 厚度為12mm。n加入肋后，尤其是45度對角肋，對扭轉(zhuǎn)剛度的提高有明顯的效果，抗彎剛度可提高60%，扭轉(zhuǎn)剛度可提高4.58.5倍。立柱與底座的連接方式 n由于立柱與底座需要進(jìn)行連接，考慮到立柱下端受應(yīng)力較大，而且用螺紋連接打孔不便，綜合各種因素，選怎了焊接的形式。n焊接時，會產(chǎn)生局部應(yīng)力，為了保證定位精度，立柱下端設(shè)計了定位銷孔，孔徑為d8。分別布置在力主四個底角的中心位置。n在焊接前，現(xiàn)將定位銷插入銷孔，兩者過渡連接，使其立柱在焊接過程中不會由于焊接應(yīng)力的原因，與底座產(chǎn)生相對偏移。焊坡參數(shù)n焊縫尺寸的確定方法一般為：按焊縫的工作應(yīng)力；安等強(qiáng)原則；按剛度條件。由于焊接機(jī)床的床身，立柱，橫梁和箱體等一般按剛度設(shè)計，所以焊縫尺寸宜采用依照剛度原則確定。n按剛度條件選擇角焊縫尺寸的經(jīng)驗做法是：根據(jù)被焊鋼板中較薄的鋼板強(qiáng)度的33%、50%n、100%作為焊縫強(qiáng)度來確定焊縫尺寸。n為了保證實驗臺的良好剛度，經(jīng)過查詢，立柱與機(jī)床機(jī)架的角焊縫尺寸有鋼板剛度的100%確定得出：板厚h 按照100%強(qiáng)度設(shè)計 則焊縫寬度=3/4hn前邊已經(jīng)確定板厚h=20mm 所以得出焊縫寬度K=3/4x20=15mmn接下來考慮焊縫應(yīng)力問題，在焊接接頭處，由于機(jī)床實驗臺加工時的并聯(lián)機(jī)構(gòu)擺動，會使立柱底端受剪切力，為了減小這種損害性力，焊坡需要呈現(xiàn)45度角，從而解決應(yīng)力過度集中的問題。底座的造型 n首先確定出了立柱的結(jié)構(gòu)，底座的造型就要基于立柱而確定。呈現(xiàn)三根立柱120度圓周陣列的連接體，高度200mm。與立柱材料一致，采用灰鑄鐵HT150，鑄造后同樣需要人工時效處理。前邊已經(jīng)確定了立柱、卡盤的構(gòu)造，在底座上要預(yù)留出配合時的安裝孔。有安裝卡盤的螺紋孔，還有定位立柱的銷孔，兩種孔的加工都已標(biāo)準(zhǔn)件螺釘和定位銷為基準(zhǔn)，采用輕微過盈量。在鑄造完畢時效處理后，按照表逐漸配合尺寸打孔、攻絲。n考慮到并聯(lián)實驗臺的自身重量，底座邊緣分別留出了三個32mm的地腳螺栓安裝孔，以便實驗臺安裝時的水泥澆筑地腳螺栓。實驗臺電路設(shè)計 n電路布線方案 n電路控制要求 n電路控制連線原理圖 電路布線方案 n實驗臺電源配置380V三相交流電，在裝配圖中，按照電主軸及并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)電源入口，在機(jī)架立柱上預(yù)留了一個50mm的電源孔，四周有安裝配電箱螺釘?shù)目?。主電源線由地面，上連到配電箱，電源線外側(cè)套有絕緣蛇皮管。n電主軸和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的配電，經(jīng)過配電箱的電源線，經(jīng)立柱內(nèi)側(cè)分配到各個電源接口。n電主軸已經(jīng)選出，實驗臺裝配時，將電主軸用螺栓固定于動平臺上。則主軸位于動平臺中央，連接電源線須從立柱上端引出線，從實驗臺頂蓋向下連入電主軸。n并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的電源入口，就在絲杠套筒的端口，所以和電主軸一樣，電源從立柱上端引出。電路控制要求 n并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此不予考慮，那么電主軸的控制相對于并聯(lián)部分就簡單的多，只需用繼電器控制電主軸的正反轉(zhuǎn)、加減速的簡單動作。電路控制連線原理圖 n左半部分是主軸正反轉(zhuǎn)連線；右邊部分是主軸正反轉(zhuǎn)、加減速、制動控制部分。答辯陳述完結(jié)篇感謝各位老師第1章 緒 論1.1課題背景與意義為了提高對生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機(jī)床制造業(yè)都在積極探索和研制新型多功能的制造裝備與系統(tǒng)，其中在機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)上的突破性進(jìn)展當(dāng)屬90年代中期問世的并聯(lián)機(jī)床(ParallelMachineTool)，又稱虛(擬)軸機(jī)床(VirtualAxisMachineTool)或并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)器(ParallelKinematicsMachine)。并聯(lián)機(jī)床實質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其原型是并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)。與實現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床具有如下優(yōu)點(diǎn)：剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。響應(yīng)速度快：運(yùn)動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì)，允許動平臺獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動平臺上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械手腕、高能束源或CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測量等作業(yè)。 技術(shù)附加值高：并聯(lián)機(jī)床具有“硬件”簡單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報。目前，國際學(xué)術(shù)界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機(jī)床非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機(jī)。1994年在芝加哥國際機(jī)床博覽會上，美國Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)床與加工中心，引起轟動。此后，英國Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)和斯圖加特大學(xué)等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機(jī)床、坐標(biāo)測量機(jī)和加工中心。與之相呼應(yīng)，由美國Sandia國家實驗室和國家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點(diǎn)。近年來，與并聯(lián)機(jī)床和并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)有關(guān)的學(xué)術(shù)會議層出不窮，例如第4749屆CIRP年會、19981999年CIRA大會、ASME第25屆機(jī)構(gòu)學(xué)雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領(lǐng)域。由美國國家科學(xué)基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)器專題研討會，并決定第二屆研討會于2000年在美國密執(zhí)安大學(xué)舉行。19941999年期間，在歷次大型國際機(jī)床博覽會上均有這類新型機(jī)床參展，并認(rèn)為可望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。 我國已將并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關(guān)計劃和863高技術(shù)發(fā)展計劃，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究連續(xù)得到國家自然科學(xué)基金和國家攀登計劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機(jī)床的研發(fā)納入教育部211工程重點(diǎn)建設(shè)項目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機(jī)床骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學(xué)基金委員會的支持下，中國大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學(xué)召開了我國第一屆并聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)床設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會，對并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進(jìn)行了研討。1.2 并聯(lián)機(jī)床發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床及虛擬軸機(jī)床普遍采用Stewart平臺及其變形機(jī)構(gòu),它是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)的完美結(jié)合。并聯(lián)機(jī)床使將近兩個世紀(jì)以來以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)原理發(fā)生了根本性的變革,拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式,采用了多桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動,完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念。由于采用Stewart平臺結(jié)構(gòu),大大提高了機(jī)床的剛度,實現(xiàn)了高速超高速的機(jī)床加工,促使加工速度和加工質(zhì)量顯著提高。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn),在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。可以說:“虛擬軸數(shù)控機(jī)床被認(rèn)為是20 世紀(jì)最具有革命性的機(jī)床設(shè)計的突破,代表了21世紀(jì)機(jī)床發(fā)展的方向?！辈⒙?lián)機(jī)床的研究方向：（1）并聯(lián)機(jī)床組成原理的研究研究并聯(lián)機(jī)床自由度計算、運(yùn)動副類型、支鉸類型以及運(yùn)動學(xué)分析、建模與仿真等問題。（2）并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動空間的研究包括運(yùn)動空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解（如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等）、機(jī)床干涉計算及位置分析等。（3）并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等）。（4）并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度，但這個特性引起的耦合問題，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究（及機(jī)床制造前精度設(shè)計和精度描述）和系統(tǒng)輸出精度研究（及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價）。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。（5）并聯(lián)機(jī)床誤差研究包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題。（6）并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計與創(chuàng)建根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個功能模塊：執(zhí)行模塊；機(jī)座模塊（靜平臺模塊）；動平臺模塊；機(jī)架模塊；定位模塊；驅(qū)動模塊；控制和顯示模塊；潤滑與冷卻模塊。（7）新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因為這種機(jī)床的設(shè)計與運(yùn)行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)。（8）并聯(lián)機(jī)床控制的研究包括高速、高精度的控制算法，刀具運(yùn)動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。目前，并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下兩個特點(diǎn)：(1)并聯(lián)機(jī)床構(gòu)型的多樣性構(gòu)型的多樣性是并聯(lián)機(jī)床的顯著特點(diǎn)之一，每一種構(gòu)型都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，都有其各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，設(shè)計開發(fā)出多種適用于不同應(yīng)用條件的并聯(lián)機(jī)構(gòu)也一直是機(jī)構(gòu)學(xué)家們研究的一個重要內(nèi)容。近幾年，眾多學(xué)者提出了多種新機(jī)構(gòu)構(gòu)型，并對機(jī)構(gòu)的類型和構(gòu)建方法進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。目前，基于串并混聯(lián)、內(nèi)外副混合驅(qū)動或純并聯(lián)的少自由度機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床正逐漸受到人們的青睞，最有代表性的基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床是瑞典Neos Robotics公司開發(fā)研制的Tricept系列。然而，由于并聯(lián)機(jī)床出現(xiàn)不久，并沒有專用的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，目前開發(fā)一種新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計周期仍很長，因此迫切需要一個快速的設(shè)計開發(fā)平臺以滿足結(jié)構(gòu)日趨多樣的新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計開發(fā)需求。(2)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)研究不斷深入雖然已開發(fā)出一些并聯(lián)機(jī)床商業(yè)化樣機(jī)，且有產(chǎn)品投入實際應(yīng)用，但由于設(shè)計理論和工程技術(shù)的研究不夠成熟，目前并聯(lián)機(jī)床在作業(yè)能力、作業(yè)性能等方面表現(xiàn)差強(qiáng)人意，與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比存在一定差距。有關(guān)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)設(shè)計、并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)建模與分析、精度保證、控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究一直在不斷深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平臺運(yùn)動學(xué)正解結(jié)論，Innocenti和Cheok等人提出的運(yùn)動學(xué)數(shù)值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空間幾何解析法，黃田和汪勁松等人提出的工作空間邊界的變心球面族包絡(luò)面求交法；基于各向同性條件（局部靈活度）、動平臺姿態(tài)能力、總體靈活度指標(biāo)的多種尺度綜合方法；Nguyen、Lee、Liu關(guān)于動力學(xué)建模及動態(tài)性能指標(biāo)的構(gòu)造的理論結(jié)果，以及熊有倫提出的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計策略；用不同方法建立的驅(qū)動部件誤差與終端誤差之間的關(guān)系；多種運(yùn)動學(xué)標(biāo)定、提高機(jī)床加工精度的方法等?？傊?，并聯(lián)機(jī)床的各項關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外都取得了很多有價值的理論成果，在應(yīng)用技術(shù)方面也取得很大進(jìn)展。有關(guān)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計和應(yīng)用的理論成果和應(yīng)用技術(shù)雖然很多，然而這些理論成果和技術(shù)覆蓋了并聯(lián)機(jī)床設(shè)計開發(fā)的多個環(huán)節(jié)，相對獨(dú)立分散，很難有機(jī)地融合在一起，不能系統(tǒng)有效地應(yīng)用到并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計開發(fā)中。此外，由于并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其運(yùn)動學(xué)設(shè)計、動力學(xué)優(yōu)化、精度保證等設(shè)計環(huán)節(jié)均涉及非常復(fù)雜的非線性問題，很多設(shè)計環(huán)節(jié)間存在模型演化困難、數(shù)據(jù)難以集成等技術(shù)障礙。因此，迫切需要一個集成化一體化的并聯(lián)機(jī)床設(shè)計開發(fā)環(huán)境，以解決上述問題。通過對當(dāng)前并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的分析，可以看出，集成化、一體化、數(shù)字化的并聯(lián)機(jī)床快速開發(fā)平臺能夠大大縮短并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計開發(fā)周期、實現(xiàn)最新設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)的集成和應(yīng)用、保證設(shè)計過程的一體化，從而推動并聯(lián)機(jī)床在理論方面的研究進(jìn)展和在實際應(yīng)用方面走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。但是迄今為止，國內(nèi)外與此相關(guān)的研究很少，涉及到并聯(lián)機(jī)床的集成化設(shè)計方法、虛擬原型設(shè)計環(huán)境、虛擬設(shè)計、運(yùn)動學(xué)仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果：1965年,D. Stewart首次提出了一種6條腿連接基礎(chǔ)平臺與動平臺的六自由度并聯(lián)機(jī)床,同時研究了其在飛行模擬器上的應(yīng)用并展開了相應(yīng)理論的研究,奠定了其在并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域的鼻祖地位,并聯(lián)機(jī)構(gòu)也被稱為Stewart機(jī)構(gòu)。典型的Stewart平臺如圖1所示,它由上下兩個平臺和6個并聯(lián)的、可獨(dú)立自由伸縮的桿件組成,伸縮桿和平臺之間通過球鉸鏈連接,改變伸縮桿的長度可以實現(xiàn)上動平臺在空間的多自由度運(yùn)行。在IMT94 (1994年美國芝加哥國際機(jī)床博覽會)上,美國Giddings & Lewis公司和Ingersoll銑床公司、瑞士Geodetis公司展出了Stewart數(shù)控機(jī)床樣品,舉世矚目,如圖2所示。世界各國的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始大量投入Stewart平臺的研究與開發(fā)。9月在美國成立Hexel公司,專業(yè)從事各種類型的Stewart機(jī)床機(jī)器功能部件研究、開發(fā)、生產(chǎn)與銷售,該公司的部分產(chǎn)品。隨后,在政府和企業(yè)的支持下,美國成立了五個國家級基地(M IT、N IST、ORNL、SNL /NM、SNL /CA)專業(yè)從事Stewart機(jī)床的研究開發(fā)。1995年5月EMO 米蘭展覽會上,意大利Comau公司、日本日立精機(jī)展出了Stewart機(jī)器人。1996年, SGI公司開發(fā)出UN IX平臺Stewart機(jī)床設(shè)計造型三維CAD軟件包。同年10月,日本本田工機(jī)公司在豐田技術(shù)展覽會上展出了日本第一臺Stewart機(jī)床,用于鑄鍛模具的高速加工。在EMO97 (1997年漢諾威國際機(jī)床展覽會)上展出了10余件Stewart機(jī)床樣品,并首次進(jìn)行金屬工件銑削, Stewart機(jī)床又向商品化邁進(jìn)了一步。在此次展覽會上,在概念上將傳統(tǒng)機(jī)床與新興的Stewart機(jī)床從結(jié)構(gòu)上劃分為串聯(lián)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床,這是人類對機(jī)床機(jī)構(gòu)認(rèn)識概念上的突破, Stewart機(jī)床專用功能部件,如球鉸、虎克鉸、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、控制器等的專業(yè)研究開發(fā)生產(chǎn)迅速崛起。C IMT97 (第五屆中國國際機(jī)床展覽會)上,俄羅斯Lap ik公司展出了TM - 750型Stewart數(shù)控機(jī)床。1997年12 月, 清華大學(xué)與天津大學(xué)合作開發(fā)Stewart機(jī)床原型樣機(jī)VAMT1Y。1999年,在C IMT、CCMT等國際、國內(nèi)機(jī)床展覽會上,國內(nèi)的五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相,國內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市場逐漸打開,隨后國際機(jī)床巨頭紛至沓來,五軸數(shù)控機(jī)床的品種和數(shù)量逐年上升。2000年, CCMT2000分別推出3臺國產(chǎn)五軸聯(lián)動機(jī)床。2001年,在C IMT2001國際機(jī)床展覽會上,北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)床股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速達(dá)10 000 r /min的五軸高速龍門加工中心;北京市機(jī)電院展出了主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min 的五軸高速立式加工中心;清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63,采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)六自由度聯(lián)動;大連機(jī)床廠自行研制的串并聯(lián)機(jī)床DCB- 510,其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開發(fā),該機(jī)床通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)X、Y、Z軸直線運(yùn)動,由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)A、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動,其直線快速進(jìn)給速度可達(dá)80 m /min。本屆機(jī)床展最先進(jìn)、最好的展品是北京機(jī)床研究所的兩臺納米級機(jī)床和一臺高精度數(shù)控機(jī)床。其中的NAM - 800超精度數(shù)控車床是我國納米加工機(jī)床的最新成就,在世界上也是超一流的。它應(yīng)用于激光、航空航天、軍工等最前沿的領(lǐng)域,主軸回轉(zhuǎn)精度和反饋系統(tǒng)分辨率、控制系統(tǒng)分辨率分別達(dá)到了30納米、215納米和5納米。近年來,并聯(lián)機(jī)床向著集成化、模塊化方向發(fā)展,國內(nèi)外出現(xiàn)了一系列的以并聯(lián)機(jī)床為核心的小型化加工中心。自從1965 年Stewart提出著名的Stewart平臺機(jī)構(gòu),從此開始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床研究。但開始時人們還只是對這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上。目前,國內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究主要集中在以下幾個方面:并聯(lián)機(jī)床組成原理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計,并聯(lián)機(jī)床的工作空間和工位奇異性研究,并聯(lián)機(jī)床特性(剛度、精度、柔度、靈巧度)的研究,并聯(lián)機(jī)床動力與控制策略的研究等。其中在一些方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,并成功應(yīng)用于實踐。并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)。并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度，但這個特性引起的耦合問題，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究(及機(jī)床制造前精度設(shè)計和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價)。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機(jī)床誤差研究。 包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計與創(chuàng)建。 根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個功能模塊：執(zhí)行模塊；機(jī)座模塊(靜平臺模塊)；動平臺模塊；機(jī)架模塊；定位模塊；驅(qū)動模塊；控制和顯示模塊；潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究。 虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因為這種機(jī)床的設(shè)計與運(yùn)行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)。并聯(lián)機(jī)床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具運(yùn)動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。1.3 本文主要研究內(nèi)容給定主軸功率1kw，加工范圍半徑為350的半球體，主軸傾角25以上述參數(shù)，自行設(shè)計并聯(lián)機(jī)床總體零部件及裝配方案。涉及到電主軸、刀具夾頭、裝卡夾具、立柱、底座、電源走向、安裝定位等的選用及其設(shè)計。動力學(xué)問題剛體動力學(xué)逆問題是并聯(lián)機(jī)床動力分析、整機(jī)動態(tài)設(shè)計和控制器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)。這類問題可歸結(jié)為已知動平臺的運(yùn)動規(guī)律，求解鉸內(nèi)力和驅(qū)動力。相應(yīng)的建模方法可采用幾乎所有可以利用的力學(xué)原理，如牛頓尤拉法、拉格朗日方程、虛功原理、凱恩方程等。由于極易由雅可比和海賽矩陣建立操作空間與關(guān)節(jié)空間速度和加速度的映射關(guān)系，并據(jù)此構(gòu)造各運(yùn)動構(gòu)件的廣義速度和廣義慣性力，因此有理由認(rèn)為，虛功(率)原理是首選的建模方法。動態(tài)性能是影響并聯(lián)機(jī)床加工效率和加工精度的重要指標(biāo)。并聯(lián)機(jī)器人的動力性能評價完全可以沿用串聯(lián)機(jī)器人的相應(yīng)成果，即可用動態(tài)條件數(shù)、動態(tài)最小奇異值和動態(tài)可操作性橢球半軸長幾何均值作為指標(biāo)。與機(jī)器人不同，金屬切削機(jī)床動態(tài)特性的優(yōu)劣主要是基于對結(jié)構(gòu)抗振性和切削穩(wěn)定性的考慮。動態(tài)設(shè)計目標(biāo)一般可歸結(jié)為，提高整機(jī)單位重量的靜剛度；通過質(zhì)量和剛度合理匹配使得低階主導(dǎo)模態(tài)的振動能量均衡；以及有效地降低刀具與工件間相對動柔度的最大負(fù)實部，以期改善抵抗切削顫振的能力。由此可見，機(jī)器人與機(jī)床二者間動態(tài)性能評價指標(biāo)是存在一定差異的。事實上，前者沒有計及對結(jié)構(gòu)支撐子系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，以及對工作性能的特殊要求；而后者未考慮運(yùn)動部件慣性及剛度隨位形變化的時變性和非線性。因此，深入探討并聯(lián)機(jī)床這類機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)耦合的、具有非定長和非線性特征的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模和整機(jī)動態(tài)設(shè)計方法，將是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。這項工作對于指導(dǎo)控制器參數(shù)整定，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)也是極為重要的。第2章 重要零部件選型2.1依照主軸功率確定電主軸型號按課題要求主軸切削功率為1kw，以課題的三桿并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)來看，周邊立柱呈現(xiàn)120度圓周矩陣形式，主軸必然要在正中心，固定于三連桿下端的動平臺上。主軸功率1w，可知主軸所產(chǎn)生的外力偶矩m=9550P/n，主軸電機(jī)選型轉(zhuǎn)速n=24000r/min，由此可推算出外力偶矩m=95501/24000=0.398Nm經(jīng)過多方查詢，最終確定了電主軸型號：為XCSD100Z24，詳細(xì)參數(shù)見下表所示。型號電機(jī)潤滑軸端連接尺寸(mm)功率(kw)恒功率段電壓(V)電流(A)轉(zhuǎn)速r/min頻率(HZ)S1/S6D L D1 D2 D3L1L2N-d1d2XL3XCSD100Z241/1.48000200002153803.824000133.3333.3 油脂UC1010026065/3271/M102.2 選擇主軸下部刀具夾頭電主軸已經(jīng)確定為XCSD100Z24，就要考慮刀具的安裝為題了。從上表可以看出，其主軸電機(jī)輸出端為UC10，查機(jī)械師設(shè)計手冊后得知，UC10是一種可以周向旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)節(jié)軸承，用于調(diào)整位置度的連接軸承，這種軸承恰恰解決了題目中要求的主軸傾角達(dá)到25。UC10關(guān)節(jié)軸承縱向剖視圖已知關(guān)節(jié)軸承型號，查手冊其裝卡直徑為10mm。關(guān)鍵參數(shù)均為已知量，接下來就可以選擇所需的刀具夾頭刀柄了。并聯(lián)實驗臺的結(jié)構(gòu)確定了它扮演著一臺數(shù)控立銑的角色，所以刀柄的選用范圍也就確定下來，應(yīng)為裝卡直徑10mm的數(shù)控銑夾頭，查詢后得出：JT(BT)40-QH1- 75JT系列dDL勾板手規(guī)格配用卡簧型號JT(BT)40-QH1- 753-10367538-42QH12.3工件裝卡夾具選用裝卡范圍：R=175的半球，徑向長度是350，也就是說卡具夾持的最大值至少為350mm。翻閱了卡具設(shè)計手冊，對各種機(jī)床的卡具樣式進(jìn)行了對比，可用于此并聯(lián)實驗臺的有：車床的三抓卡盤（需作改動）、銑床的平口虎鉗。因為所需加工工件形狀的不確定性，所以以車床的三爪卡盤比較適合，它能夠解決工件夾裝時的自定心問題。只要在車床卡盤的基礎(chǔ)上，取消卡盤隨主軸的轉(zhuǎn)動即可。三爪卡盤資料分析：型號規(guī)格DD1D2D3D4D5H1hh1h2d1zdK11500A/A111500196.869165.112528023513519.056161029.46M18K11500A/A115285.775247.6200380330.213520.638171035.76M22夾持范圍：滿足徑向350mm規(guī)格D正爪反爪夾緊范圍撐緊范圍夾緊范圍AA1BB1CC125061108025090250315101409531510031532511.51659535011034038011.5210954001104004001521012040012040050025280150500150500由上表可知，規(guī)格D500反爪加緊范圍150500，滿足徑向350mm，可定下卡盤規(guī)格為D500?？ūP規(guī)格確定后，再查卡爪的尺寸卡爪卡爪參數(shù)表：規(guī)格160200250315325380400500L678095108130132B25303645H414553617082h910.513.517.51722a12.67519.02519.025b7.9412.712.7e1922.22731.538.1t36t14zd211213218222卡爪底座卡爪底座參數(shù)表：規(guī)格160200250315325380400500L648098110114152L12934.939.747.647.547.4B2022273645H333538424655a12.67519.02519.025b7.9412.712.7e1922.22731.7538.1t44.27t13zd2M102M123M123M164M20夾具加工時的注意要求：用于并聯(lián)機(jī)床實驗臺的三爪卡盤需作改動，免去了車床卡盤中盤體隨主軸轉(zhuǎn)動這一動作，所以，卡盤中軸部分予以取消?？ūP與機(jī)架連接部分只需加工六個圓周陣列的M20的沉頭通孔，用于與機(jī)架相連的螺釘貫穿卡盤，其固定作用。卡爪依照尺寸表和零件圖加工，爪體階梯部位要求有突起，形成不規(guī)則表面，用于增大摩擦力，使之加緊時的加緊里更充足。卡爪和卡座用螺釘配合，配合孔加工要以螺釘為標(biāo)準(zhǔn)，因為孔可以加工，而螺釘是標(biāo)準(zhǔn)件，難于對其在作改動?？ūP內(nèi)部錐齒輪部分不需作改動，由一個大錐齒輪，三個小錐齒輪，三個卡爪組成。三個小錐齒輪和大錐齒輪嚙合，大錐齒輪的背面有平面螺紋結(jié)構(gòu)，三個卡爪等分安裝在平面螺紋上。當(dāng)用扳手扳動小錐齒輪時，大錐齒輪便轉(zhuǎn)動，背面的平面螺紋就使三個卡爪同時向中心靠近或退出。第3章 實驗臺支承部分及其連接的方案3.1機(jī)架的設(shè)計方案機(jī)架作為實驗臺的支承部分，是本次設(shè)計的一個重點(diǎn)。機(jī)架設(shè)計的基本準(zhǔn)則應(yīng)保證：剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕、成本低；抗震性好，把受迫震動振幅限制在允許范圍內(nèi)；噪聲??；溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；有道軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌受力合理、耐磨性良好；造型好，使之既適用經(jīng)濟(jì)，又美觀大方。按照以上機(jī)架設(shè)計的要求準(zhǔn)則，首先確定機(jī)架的制造形式，為鑄造機(jī)架。機(jī)架的設(shè)計出以上要點(diǎn)需要考慮之外，還有并聯(lián)部分的估算，在不影響并聯(lián)機(jī)構(gòu)正常伸縮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的情況之下，才能確定機(jī)架的具體造型結(jié)構(gòu)。所開發(fā)的三平動自由度并聯(lián)機(jī)床采用如圖1所示的3-HSS構(gòu)型(在此，H為螺旋副，S為球面副)，由底座、動平臺和 三根立柱組成；每條支鏈中含三根平行定長桿件，各桿件兩端與動平臺用球鉸(或虎克鉸)連接。為了使動平臺僅沿笛卡兒系三個方向平動，令各支鏈中的三根桿件在結(jié)構(gòu)上保持平行，并與動平臺的鉸點(diǎn)構(gòu)成 等邊三角形，進(jìn)而形成空間平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)。該機(jī)床主要用于三坐標(biāo)高速銑、鏜、磨加工，亦可配以數(shù)控回轉(zhuǎn)臺完成多坐標(biāo)異型曲面和刀具刃磨。上述總體設(shè)計 方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 工作空間呈柱形，具有較大的編程空間與機(jī)床體積比，且平行于工作臺任意截面的運(yùn)動學(xué)性能等同。(2) 位置及速度正、逆解均有顯式解析解答，可實施快速PVT插補(bǔ)和在線運(yùn)動學(xué)標(biāo)定。(3)支鏈采用帶消極約束的三桿平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)，不但可有效地消除鉸鏈間隙，且可大幅度提高動平臺抵抗切削顛覆力矩的能力。(4)除底座和動平臺外，主要結(jié)構(gòu)件均為三對稱，可大幅度減少零部件設(shè)計工作和制造成本。位置逆解模型位置逆解涉及已知機(jī)床尺度參數(shù)和動平臺參考點(diǎn) 位置，反求滑鞍位置，其目的有二：一是已知CAM模型后通過粗插補(bǔ)為伺服控制提供必要的輸入；二是為基于靈活度指標(biāo)的尺度綜合提供數(shù)學(xué)模型。因采用平行四 邊形支鏈結(jié)構(gòu)使得鏈中各桿運(yùn)動規(guī)律等同，故在運(yùn)動學(xué)分析時可將原機(jī)構(gòu)簡化為如圖2所示的等效機(jī)構(gòu)。在工作臺和動平臺上分別建立固定參考系o-xyz和連體 參考系o-xyz，點(diǎn)o在系o-xyz下的位矢可表示為 （1）式中，bi=rb(cosisini0)T，ai=ra(cosisini0)T為點(diǎn)Bi和Ai在系o-xyz和o-xyz的位置矢量；ra、rb為動、靜平臺半徑；i為點(diǎn)Bi和Ai在o-xyz和o-xyz下位置角，且有wi為支鏈i的單位矢量；L為支鏈桿長；qi為滑鞍i相對參考點(diǎn)Bi的位移；e3=(001)T。對式(1)兩端取模方并整理得 （2）根據(jù)裝配模式可解出 （3）且可確定wi=(r-bi+ai-qie3)/L。靈活度分析靈活度(Dexterity)是評價并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動精度的重要指標(biāo)，可用動平臺三維笛卡爾速度到滑鞍移動速度的映射矩陣雅可比矩陣的條件數(shù)來表征。條件數(shù)越小，則說明機(jī)床理論伺服精度越高，因此可作為結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則。對式(1)關(guān)于時間求導(dǎo)，得到點(diǎn)o的速度為 （4）式中i為支鏈i的角速度矢量。對上式兩端點(diǎn)積wi并寫成矩陣形式有 （5）式（5）為雅可比矩陣。求解如下特征方程，求解如下特征方程 （6）即可解出J的條件數(shù) （7）式中，i為JTJ的第i(i=1,2,3)階特征根。工作空間綜合工作空間綜合的目的是，給定編程空間的動平臺半徑ra、球鉸鏈的許用半錐角1，求點(diǎn)o位于z軸上時，wi與z軸的夾角0，桿長L和滑鞍行程s。為此，首先將式(1)改寫為r=Lwi+r0i(8)式中，r0i=bi-ai+qie3。保留支鏈i與動平臺的鉸約束而解出其它，則給定qi后，點(diǎn)o的軌跡可視為以r0i矢端為圓心，以L為半徑的球面片。由位置空間組成原理知3，5，點(diǎn)o的可達(dá)空間為所有支鏈子空間的交集。根據(jù)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不妨設(shè)點(diǎn)o的編程空間是半徑為r、高為h的圓柱體，且令其與可達(dá)空間內(nèi)接。注意到每一支鏈的可達(dá)子空間最小截面一定在r0i與z軸張成的平面內(nèi)，故對圖2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剖即可得到圖3。設(shè)球鉸許用半錐角為1，且點(diǎn)o在z軸上時支鏈軸線與球鉸安裝平面法矢重合，則由圖3幾何關(guān)系得 （9）對上式整理可解出 （10）式中s1=Lcos0-cos(0+1) 根據(jù)安裝在動平臺上末端執(zhí)行器(如電主軸)的尺寸，給定動平臺半徑ra，則靜平臺半徑可由下式確定 rb=Lsin0+ra(11)又根據(jù)數(shù)控機(jī)床設(shè)計規(guī)范，設(shè)點(diǎn)o降至最低時距工作臺面高度為s3s1，則機(jī)床的理論高度應(yīng)為 H=s3+Lcos0+h+s2(12)考察式(10)(12)可見，當(dāng)給定r、h、ra和1后，L、rb、s和H均為0的函數(shù)。圖4示出了當(dāng)取1=25時，在任意平面內(nèi)雅可比的條件數(shù)在編程空間邊緣的最大和最小值Wmax、Wmin以及在空間中心取值W0隨0的變化規(guī)律。由圖可見，利用靈活度各向同性條件6綜合出的0并不能保證全域靈活度最優(yōu)。為此需要構(gòu)造如下目標(biāo)泛函 （13）并通過一維尋優(yōu)來確定0。在此，t為權(quán)系數(shù)，為條件數(shù)的“重心”。S為編程空間截面面積。上述性能指標(biāo)的意義可解釋為：使得條件數(shù)全域最大值及其關(guān)于重心偏差的一次矩在加權(quán)意義下最小。由上述公式，定下了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動范圍，選擇絲杠副長度950mm，外加絲杠連桿套筒，長度總共為1050。3.2鑄造機(jī)架的材料及熱處理材料選擇查閱鑄造機(jī)架常用材料后得出，鑄鐵機(jī)架用于并聯(lián)實驗臺比其他金屬性價比高，是機(jī)架使用最多的一種材料，它的流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復(fù)雜的鑄件。在鑄造中加入少量合金元素還可提高耐磨性能。鑄鐵的內(nèi)摩擦大、阻尼作用強(qiáng)，故動態(tài)剛性好。鑄鐵還具有切削性能好、價格便宜和易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。牌號的選用選擇了HT200，用于承受大彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力。如機(jī)床的立柱，齒輪箱體、工作臺、機(jī)床橫梁和滑板等。鑄鐵機(jī)架的時效處理時效處理的目的是在不降低鑄鐵力學(xué)性能的前提下，是鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)力得到消除或隱定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。時效處理分為自然時效和人工時效兩種。自然時效方法簡單，效果好，但生產(chǎn)周期長，需要占地面積大。在加工后要在室外放置半年到一年，使內(nèi)應(yīng)自然松弛或消除。人工時效普遍應(yīng)用熱處理方法，將鑄件緩慢加熱到共析點(diǎn)以下（一般為500600），保溫一段時間，然后緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)驗證明，在人工時效后配以短時間的自然時效，對精度穩(wěn)定性可獲得良好的效果。所以實驗臺的機(jī)架鑄造完畢后，須人工時效處理后，方可安裝。立柱高度之前依然斷定了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動范圍，并聯(lián)部分的三根滾珠絲杠副長度是950，加上絲杠外部的套筒，總共長度1050。同時，并聯(lián)部分在作伸縮運(yùn)動時，要保留出伸縮空間，所以立柱的高度定在1500mm。這樣的高度既保證了上端并聯(lián)部分的運(yùn)動，又預(yù)留出了并聯(lián)部分下面的卡盤裝卡工件的高度。3.3機(jī)架的截面形狀、壁厚及周邊筋的布置由于主軸產(chǎn)生的外力偶矩通過切削運(yùn)動傳遞給并聯(lián)機(jī)構(gòu)和機(jī)架立柱，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此論文中不予考慮，則力矩平均分配到三根圓周陣列的方形立柱上。三根正方形立柱平均受扭轉(zhuǎn)力的作用，根據(jù)材料力學(xué)公式，立柱邊長300mm，厚度20mm，面積為0.30.3=0.09m2。將慣性矩相減后，得出每根立柱的慣性矩IP=hb3/6=5.8108mm4。鑄鐵件的彈性模量E從工程手冊中可查得為E=113157，取中間值約為E=130則EI=1.31055.8108=7.541013 KNmm2抗彎截面系數(shù)W=hb2/6=0.00338.彎曲正應(yīng)力公式max=Mmax/W Mmax為彎曲力偶矩，也就是前邊算出來的m=0.398，平均到三根柱子上要除以3，所以Mmax=0.13Nm，從而可以計算出max的值。序號材料名稱彈性模量EGpa切變模量GGpa泊松比1鎳鉻鋼、合金鋼20679.380.250.32碳鋼196206790.240.283鑄鋼172202-0.34球墨鑄鐵1401547376-5灰鑄鐵、白口鑄鐵113157440.230.27由于零件的抗彎、抗扭強(qiáng)度和剛度除與其界面面積有關(guān)外，還取決于截面形狀。合理改變截面形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，從而充分發(fā)揮材料的作用。因此，正確的選擇機(jī)架的橫截面形狀是機(jī)架設(shè)計中的一個重要問題。另外，截面面積不變，加大外形輪廓尺寸，減小壁厚，亦即是材料遠(yuǎn)離中性軸的位置，可提高截面的抗彎、抗扭剛度。封閉截面比不封閉截面的抗扭剛度高得多；機(jī)架受載情況往往拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)同時存在，對剛度又要求高，另一方面，由于空心矩形內(nèi)腔容易安設(shè)其他零件，故許多機(jī)架的截面常采用空心矩形截面。我們此次的并聯(lián)實驗臺就參照以上優(yōu)點(diǎn)，采用了空心矩形的截面作為立柱的造型。此種空心矩形的抗彎、抗扭慣性矩比值分別為抗彎慣性矩相對值：3.45 抗扭慣性矩相對值：1.27 鑄件壁厚的選擇取決于其強(qiáng)度、剛度、材料、鑄件尺寸、質(zhì)量和工藝等因素。就鑄鐵機(jī)架而言，按目前工藝水平，砂模鑄造鑄鐵件的壁厚，可利用當(dāng)量尺寸N,來確定。N=（2L+B+H）/3 L、B、H分別為主見的長、寬、高利用上述公式，結(jié)合查表鑄鐵機(jī)架的壁厚，確定出實驗臺立柱的壁厚為20mm。對于保證立柱剛度的加強(qiáng)筋和肋，由于次實驗臺設(shè)有頂端端蓋，用于安裝并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為了能夠更好的保障立柱剛度，立柱內(nèi)部設(shè)有交叉十字肋；另外柱體外側(cè)周邊添置筋板有效地提高了剛度、穩(wěn)定性和抗振能力。筋的尺寸查表可知：厚度=0.8s 高度1.5s s為立柱的壁厚得出筋高為100，厚16。 肋厚度查表 為立柱壁厚的0.6倍 厚度為12mm。加入肋后，尤其是45度對角肋，對扭轉(zhuǎn)剛度的提高有明顯的效果，抗彎剛度可提高60%，扭轉(zhuǎn)剛度可提高4.58.5倍。機(jī)架的動剛度主要取決于它的靜剛度和固有頻率，合理地改善機(jī)架結(jié)構(gòu)可以提高其靜剛度K和固有頻率可改善機(jī)架的動剛度。另外，合理布置肋板和材料的改善也可使動剛度大大提高。在動剛度問題上，機(jī)架的材料采用的是灰鑄鐵HT200，他的吸振性能較強(qiáng)，能有效地加強(qiáng)機(jī)架立柱本身的阻尼比；再有，機(jī)架立柱中心的45度十字交叉肋使得立柱本身的靜剛度大幅度提高；再加上鑄造完畢后，外側(cè)有表面刷漆的涂層；這些綜合因素都能夠有效地保證機(jī)架的剛度問題，使并聯(lián)實驗臺的剛度足以保證其所需的剛度，滿足加工要求。3.4立柱與底座的連接方式由于立柱與底座需要進(jìn)行連接，考慮到立柱下端受應(yīng)力較大，而且用螺紋連接打孔不便，綜合各種因素，選怎了焊接的形式。焊接時，會產(chǎn)生局部應(yīng)力，為了保證定位精度，立柱下端設(shè)計了定位銷孔，孔徑為d8。分別布置在力主四個底角的中心位置。在焊接前，現(xiàn)將定位銷插入銷孔，兩者過渡連接，使其立柱在焊接過程中不會由于焊接應(yīng)力的原因，與底座產(chǎn)生相對偏移。焊接時要注意的問題：材料可靠性、合理布置焊縫、提高抗振能力、合理選擇截面形狀、提高焊接接頭抗疲勞能力和抗脆斷能力、胚料選澤的經(jīng)濟(jì)性、操作方便。焊縫尺寸的確定方法一般為：按焊縫的工作應(yīng)力；安等強(qiáng)原則；按剛度條件。由于焊接機(jī)床的床身，立柱，橫梁和箱體等一般按剛度設(shè)計，所以焊縫尺寸宜采用依照剛度原則確定。按剛度條件選擇角焊縫尺寸的經(jīng)驗做法是：根據(jù)被焊鋼板中較薄的鋼板強(qiáng)度的33%、50%、100%作為焊縫強(qiáng)度來確定焊縫尺寸。為了保證實驗臺的良好剛度，經(jīng)過查詢，立柱與機(jī)床機(jī)架的角焊縫尺寸有鋼板剛度的100%確定得出：板厚h 按照100%強(qiáng)度設(shè)計 則焊縫寬度=3/4h前邊已經(jīng)確定板厚h=20mm 所以得出焊縫寬度K=3/4x20=15mm接下來考慮焊縫應(yīng)力問題，在焊接接頭處，由于機(jī)床實驗臺加工時的并聯(lián)機(jī)構(gòu)擺動，會使立柱底端受剪切力，為了減小這種損害性力，焊坡需要呈現(xiàn)45度角，從而解決應(yīng)力過度集中的問題。焊接時要保持連續(xù)，斷續(xù)焊接會使焊縫連接處產(chǎn)生局部應(yīng)力，難以保證并聯(lián)實驗臺立柱受剪切力作用時的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。3.5底座的造型首先確定出了立柱的結(jié)構(gòu)，底座的造型就要基于立柱而確定。呈現(xiàn)三根立柱120度圓周陣列的連接體，高度200mm。與立柱材料一致，采用灰鑄鐵HT150，鑄造后同樣需要人工時效處理。前邊已經(jīng)確定了立柱、卡盤的構(gòu)造，在底座上要預(yù)留出配合時的安裝孔。有安裝卡盤的螺紋孔，還有定位立柱的銷孔，兩種孔的加工都已標(biāo)準(zhǔn)件螺釘和定位銷為基準(zhǔn)，采用輕微過盈量。在鑄造完畢時效處理后，按照表逐漸配合尺寸打孔、攻絲?？紤]到并聯(lián)實驗臺的自身重量，底座邊緣分別留出了三個32mm的地腳螺栓安裝孔，以便實驗臺安裝時的水泥澆筑地腳螺栓。第4章 實驗臺電路設(shè)計4.1電路布線方案實驗臺電源配置380V三相交流電，在裝配圖中，按照電主軸及并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)電源入口，在機(jī)架立柱上預(yù)留了一個50mm的電源孔，四周有安裝配電箱螺釘?shù)目?。主電源線由地面，上連到配電箱，電源線外側(cè)套有絕緣蛇皮管。電主軸和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的配電，經(jīng)過配電箱的電源線，經(jīng)立柱內(nèi)側(cè)分配到各個電源接口。電主軸在二章中已經(jīng)選出，實驗臺裝配時，將電主軸用螺栓固定于動平臺上。則主軸位于動平臺中央，連接電源線須從立柱上端引出線，從實驗臺頂蓋向下連入電主軸。并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的電源入口，就在絲杠套筒的端口，所以和電主軸一樣，電源從立柱上端引出。 4.2電路控制要求并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此不予考慮，那么電主軸的控制相對于并聯(lián)部分就簡單的多，只需用繼電器控制電主軸的正反轉(zhuǎn)、加減速的簡單動作。4.3電路控制連線原理圖左半部分是主軸正反轉(zhuǎn)控制；右邊部分是主軸加減速、制動控制。第5章 實驗結(jié)果與三維建模5.1設(shè)計并聯(lián)實驗臺結(jié)果經(jīng)過一個學(xué)期的調(diào)研、設(shè)計，我們的并聯(lián)機(jī)床實驗臺課題終于有了雛形，能夠?qū)崿F(xiàn)相對較為粗糙并聯(lián)運(yùn)動。對于初出茅廬的我們來說，是個很大的鼓舞，畢竟是自己設(shè)計出來的東西，雖然問題考慮的不盡周全，許多地方都存在著這樣或那樣的缺陷，這是由于我們的經(jīng)驗還太少，需要各位老師的諒解。5.1并聯(lián)實驗臺solidworks三維建模在設(shè)計與畫CAD的同時，我們同步進(jìn)行著solidworks的立體零部件的創(chuàng)建。最終，我們將全部的零件組裝在一起，構(gòu)成一個并聯(lián)實驗臺的整體模型。并對并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了局部仿真，但由于驅(qū)動設(shè)置的不夠成熟，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還達(dá)不到作者與合伙人所設(shè)想的完美運(yùn)動方案。第6章 總結(jié)與展望此次課題并聯(lián)機(jī)床實驗臺，在設(shè)計過程中，作者與合伙人遇到了許多的困難。相比較，并聯(lián)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，但并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動范圍計算復(fù)雜，需要考慮的問題不計其數(shù)。在課題中難免有我們考慮不到的地方，望各位老師予以諒解。傳統(tǒng)機(jī)床的發(fā)展已有數(shù)百年的歷史,而并聯(lián)機(jī)床的出現(xiàn)才不過幾年的時間,期望短期內(nèi)一下子就能解決并聯(lián)機(jī)床在理論和實踐上的一系列難題是不現(xiàn)實的;同樣,在并聯(lián)機(jī)床發(fā)展過程中暫時碰到一些難題就認(rèn)為并聯(lián)機(jī)床沒有前途、難以最終走向市場同樣是不可取的。并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)有許多，能夠完成表面形狀極其復(fù)雜的零件，加工形式類似于數(shù)控加工中心，而且具有高剛度、高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)。相比于普通銑床，加工性能大大提高。是機(jī)具發(fā)展前途的新型金屬切削機(jī)床。參考文獻(xiàn)1黃真， 空間機(jī)構(gòu)學(xué)， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 19912. 熊有綸， 機(jī)器人學(xué)， 北京：機(jī)械工業(yè)出版設(shè)， 19893. 邵俊鵬， 機(jī)床數(shù)控技術(shù)， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 19904. 濮良貴， 機(jī)械設(shè)計， 高等教育出版社， 19895. 徐灝， 機(jī)械設(shè)計手冊， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 19916. 劉興良， 機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19847. 孔令富等， 模型參數(shù)自攝影控制設(shè)計的一種方法，信息與控制，1991，NO.4：29-328. 蔣松新， 機(jī)器人及機(jī)器人學(xué)中的控制問題 機(jī)器人， 1990，12（5）：1-69. 梁崇高等， 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