并聯(lián)機床實驗臺總體結構設計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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第1章 緒 論 1.1課題背景與意義 為了提高對生產環(huán)境的適應性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機床制造業(yè)都在積極探索和研制新型多功能的制造裝備與系統(tǒng)，其中在機床結構技術上的突破性進展當屬90年代中期問世的并聯(lián)機床(ParallelMachineTool)，又稱虛(擬)軸機床(VirtualAxisMachineTool)或并聯(lián)運動學機器(ParallelKinematicsMachine)。并聯(lián)機床實質上是機器人技術與機床結構技術結合的產物，其原型是并聯(lián)機器人操作機。與實現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標數(shù)控機床相比，并聯(lián)機床具有如下優(yōu)點： 剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結構，且在準靜態(tài)情況下，傳動構件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機構的單位重量具有很高的承載能力。 響應速度快：運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，允許動平臺獲得很高的進給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。 環(huán)境適應性強：便于可重組和模塊化設計，且可構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行多坐標銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機械手腕、高能束源或CCD攝像機等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測量等作業(yè)。 技術附加值高：并聯(lián)機床具有“硬件”簡單，“軟件”復雜的特點，是一種技術附加值很高的機電一體化產品，因此可望獲得高額的經濟回報。 目前，國際學術界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機床非常重視，并于90年代中期相繼推出結構形式各異的產品化樣機。1994年在芝加哥國際機床博覽會上，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、漢諾威大學和斯圖加特大學等單位也研制出不同結構形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機床、坐標測量機和加工中心。與之相呼應，由美國Sandia國家實驗室和國家標準局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網上設立站點。近年來，與并聯(lián)機床和并聯(lián)機器人操作機有關的學術會議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會、1998～1999年CIRA大會、ASME第25屆機構學雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領域。由美國國家科學基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會，并決定第二屆研討會于2000年在美國密執(zhí)安大學舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國際機床博覽會上均有這類新型機床參展，并認為可望成為21世紀高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。 我國已將并聯(lián)機床的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關計劃和863高技術發(fā)展計劃，相關基礎理論研究連續(xù)得到國家自然科學基金和國家攀登計劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機床的研發(fā)納入教育部211工程重點建設項目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機床骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學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月在清華大學召開了我國第一屆并聯(lián)機器人與并聯(lián)機床設計理論與關鍵技術研討會，對并聯(lián)機床的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進行了研討。 1.2 并聯(lián)機床發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 并聯(lián)運動機床及虛擬軸機床普遍采用Stewart平臺及其變形機構,它是現(xiàn)代機器人技術和現(xiàn)代機床技術的完美結合。并聯(lián)機床使將近兩個世紀以來以笛卡爾坐標直線位移為基礎的機床結構和運動學原理發(fā)生了根本性的變革,拋棄了固定導軌的刀具導向方式,采用了多桿并聯(lián)機構驅動,完全打破了傳統(tǒng)機床結構的概念。由于采用Stewart平臺結構,大大提高了機床的剛度,實現(xiàn)了高速超高速的機床加工,促使加工速度和加工質量顯著提高。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機械結構簡單、標準化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領域得到了成功的應用?？梢哉f:“虛擬軸數(shù)控機床被認為是20 世紀最具有革命性的機床設計的突破,代表了21世紀機床發(fā)展的方向?！? 并聯(lián)機床的研究方向： （1）?并聯(lián)機床組成原理的研究 研究并聯(lián)機床自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學分析、建模與仿真等問題。 （2）?并聯(lián)機床運動空間的研究 包括運動空間分析及仿真、可達工作空間求解（如數(shù)值求解法、球坐標搜索法等）、機床干涉計算及位置分析等。 （3）?并聯(lián)機床結構設計的研究 并聯(lián)機床的結構設計包括很多內容，如機床的總體布局、安全機構設計、數(shù)控系統(tǒng)設計（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)機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究 并聯(lián)機構封閉回路的特性，使并聯(lián)機床較傳統(tǒng)串聯(lián)結構機床具有更高的剛度，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，因此對其研究應予以足夠的重視。關于并聯(lián)機床精度的研究仍是國際難題，包括機床系統(tǒng)硬件研究（及機床制造前精度設計和精度描述）和系統(tǒng)輸出精度研究（及機床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價）。并聯(lián)機床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標及其在工作空間內的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標及其分布等。 （5）?并聯(lián)機床誤差研究 包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設計等問題。 （6）?并聯(lián)機床模塊設計與創(chuàng)建 根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應地把并聯(lián)機床分為空間型并聯(lián)機床和平面型并聯(lián)機床兩大類。并聯(lián)機床按功能和結構可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機座模塊（靜平臺模塊）；③動平臺模塊；④機架模塊；⑤定位模塊；⑥驅動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。 （7）?新型虛擬軸數(shù)控機床的研究 虛擬軸數(shù)控機床是“要用數(shù)學制造的機床”。因為這種機床的設計與運行要用到非常復雜的數(shù)學計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關鍵結論，還需進一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機床的研制提供理論基礎。 （8）?并聯(lián)機床控制的研究 包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機床的最大特點是機械結構簡單而控制復雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機床的研究中具有舉足輕重的作用。 目前，并聯(lián)機床的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下兩個特點： (1)并聯(lián)機床構型的多樣性 構型的多樣性是并聯(lián)機床的顯著特點之一，每一種構型都有其自身的優(yōu)缺點，都有其各自適合的應用領域。關于并聯(lián)機構構型的研究一直是人們關注的熱點，設計開發(fā)出多種適用于不同應用條件的并聯(lián)機構也一直是機構學家們研究的一個重要內容。近幾年，眾多學者提出了多種新機構構型，并對機構的類型和構建方法進行了系統(tǒng)的討論。目前，基于串并混聯(lián)、內外副混合驅動或純并聯(lián)的少自由度機構的并聯(lián)機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)機構的并聯(lián)機床是瑞典Neos Robotics公司開發(fā)研制的Tricept系列。 然而，由于并聯(lián)機床出現(xiàn)不久，并沒有專用的設計開發(fā)環(huán)境，目前開發(fā)一種新型并聯(lián)機床的設計周期仍很長，因此迫切需要一個快速的設計開發(fā)平臺以滿足結構日趨多樣的新型并聯(lián)機床的設計開發(fā)需求。 (2)并聯(lián)機床設計理論和應用技術研究不斷深入 雖然已開發(fā)出一些并聯(lián)機床商業(yè)化樣機，且有產品投入實際應用，但由于設計理論和工程技術的研究不夠成熟，目前并聯(lián)機床在作業(yè)能力、作業(yè)性能等方面表現(xiàn)差強人意，與傳統(tǒng)數(shù)控機床相比存在一定差距。有關并聯(lián)機構運動學設計、并聯(lián)機床動力學建模與分析、精度保證、控制技術等關鍵技術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平臺運動學正解結論，Innocenti和Cheok等人提出的運動學數(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、總體靈活度指標的多種尺度綜合方法；Nguyen、Lee、Liu關于動力學建模及動態(tài)性能指標的構造的理論結果，以及熊有倫提出的動力學優(yōu)化設計策略；用不同方法建立的驅動部件誤差與終端誤差之間的關系；多種運動學標定、提高機床加工精度的方法等?？傊?，并聯(lián)機床的各項關鍵技術國內外都取得了很多有價值的理論成果，在應用技術方面也取得很大進展。 有關并聯(lián)機床設計和應用的理論成果和應用技術雖然很多，然而這些理論成果和技術覆蓋了并聯(lián)機床設計開發(fā)的多個環(huán)節(jié)，相對獨立分散，很難有機地融合在一起，不能系統(tǒng)有效地應用到并聯(lián)機床的設計開發(fā)中。此外，由于并聯(lián)機床結構的特點，其運動學設計、動力學優(yōu)化、精度保證等設計環(huán)節(jié)均涉及非常復雜的非線性問題，很多設計環(huán)節(jié)間存在模型演化困難、數(shù)據(jù)難以集成等技術障礙。因此，迫切需要一個集成化一體化的并聯(lián)機床設計開發(fā)環(huán)境，以解決上述問題。 通過對當前并聯(lián)機床的發(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)機床快速開發(fā)平臺能夠大大縮短并聯(lián)機床的設計開發(fā)周期、實現(xiàn)最新設計理論和應用技術的集成和應用、保證設計過程的一體化，從而推動并聯(lián)機床在理論方面的研究進展和在實際應用方面走向產業(yè)化的進程。 但是迄今為止，國內外與此相關的研究很少，涉及到并聯(lián)機床的集成化設計方法、虛擬原型設計環(huán)境、虛擬設計、運動學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條腿連接基礎平臺與動平臺的六自由度并聯(lián)機床,同時研究了其在飛行模擬器上的應用并展開了相應理論的研究,奠定了其在并聯(lián)機構領域的鼻祖地位,并聯(lián)機構也被稱為Stewart機構。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行。 在IMT94 (1994年美國芝加哥國際機床博覽會)上,美國Giddings & Lewis公司和Ingersoll銑床公司、瑞士Geodetis公司展出了Stewart數(shù)控機床樣品,舉世矚目,如圖2所示。世界各國的研究機構和企業(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機床機器功能部件研究、開發(fā)、生產與銷售,該公司的部分產品。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、日本日立精機展出了Stewart機器人。 1996年, SGI公司開發(fā)出UN IX平臺Stewart機床設計造型三維CAD軟件包。同年10月,日本本田工機公司在豐田技術展覽會上展出了日本第一臺Stewart機床,用于鑄鍛模具的高速加工。在EMO97 (1997年漢諾威國際機床展覽會)上展出了10余件Stewart機床樣品,并首次進行金屬工件銑削, Stewart機床又向商品化邁進了一步。在此次展覽會上,在概念上將傳統(tǒng)機床與新興的Stewart機床從結構上劃分為串聯(lián)機床與并聯(lián)機床,這是人類對機床機構認識概念上的突破, Stewart機床專用功能部件,如球鉸、虎克鉸、導軌、滾珠絲杠、控制器等的專業(yè)研究開發(fā)生產迅速崛起。C IMT97 (第五屆中國國際機床展覽會)上,俄羅斯Lap ik公司展出了TM - 750型Stewart數(shù)控機床。1997年12 月, 清華大學與天津大學合作開發(fā) Stewart機床原型樣機VAMT1Y。1999年,在C IMT、CCMT等國際、國內機床展覽會上,國內的五軸數(shù)控機床產品紛紛亮相,國內五軸數(shù)控機床的市場逐漸打開,隨后國際機床巨頭紛至沓來,五軸數(shù)控機床的品種和數(shù)量逐年上升。 2000年, CCMT2000分別推出3臺國產五軸聯(lián)動機床。 2001年,在C IMT2001國際機床展覽會上,北京第一機床廠和桂林機床股份有限公司分別展出了主軸轉速達10 000 r /min的五軸高速龍門加工中心;北京市機電院展出了主軸轉速為15 000 r/min 的五軸高速立式加工中心;清華大學與昆明機床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63,采用標準Stewart平臺結構,可實現(xiàn)六自由度聯(lián)動;大連機床廠自行研制的串并聯(lián)機床DCB- 510,其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學開發(fā),該機床通過并聯(lián)機構實現(xiàn)X、Y、Z軸直線運動,由串聯(lián)機構實現(xiàn)A、C軸旋轉運動,從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動,其直線快速進給速度可達80 m /min。本屆機床展最先進、最好的展品是北京機床研究所的兩臺納米級機床和一臺高精度數(shù)控機床。其中的NAM - 800超精度數(shù)控車床是我國納米加工機床的最新成就,在世界上也是超一流的。它應用于激光、航空航天、軍工等最前沿的領域,主軸回轉精度和反饋系統(tǒng)分辨率、控制系統(tǒng)分辨率分別達到了30納米、215納米和5納米。近年來,并聯(lián)機床向著集成化、模塊化方向發(fā)展,國內外出現(xiàn)了一系列的以并聯(lián)機床為核心的小型化加工中心。 自從1965 年Stewart提出著名的Stewart平臺機構,從此開始了基于Stewart并聯(lián)機構的虛擬機床研究。但開始時人們還只是對這種機構停留在理論分析上。目前,國內外關于并聯(lián)機器人的研究主要集中在以下幾個方面:并聯(lián)機床組成原理研究和結構設計,并聯(lián)機床的工作空間和工位奇異性研究,并聯(lián)機床特性(剛度、精度、柔度、靈巧度)的研究,并聯(lián)機床動力與控制策略的研究等。其中在一些方面已經取得了豐碩的成果,并成功應用于實踐。 并聯(lián)機床的結構設計包括很多內容，如機床的總體布局、安全機構設計、數(shù)控系統(tǒng)設計(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)機床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機構封閉回路的特性，使并聯(lián)機床較傳統(tǒng)串聯(lián)結構機床具有更高的剛度，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，因此對其研究應予以足夠的重視。關于并聯(lián)機床精度的研究仍是國際難題，包括機床系統(tǒng)硬件研究(及機床制造前精度設計和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價)。并聯(lián)機床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標及其在工作空間內的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標及其分布等。并聯(lián)機床誤差研究。 包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設計等問題。并聯(lián)機床模塊設計與創(chuàng)建。 根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應地把并聯(lián)機床分為空間型并聯(lián)機床和平面型并聯(lián)機床兩大類。 并聯(lián)機床按功能和結構可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊；④機架模塊；⑤定位模塊；⑥驅動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數(shù)控機床的研究。 虛擬軸數(shù)控機床是“要用數(shù)學制造的機床”。因為這種機床的設計與運行要用到非常復雜的數(shù)學計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關鍵結論，還需進一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機床的研制提供理論基礎。并聯(lián)機床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機床的最大特點是機械結構簡單而控制復雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機床的研究中具有舉足輕重的作用。 1.3 本文主要研究內容 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)，自行設計并聯(lián)機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計。 動力學問題 ?剛體動力學逆問題是并聯(lián)機床動力分析、整機動態(tài)設計和控制器參數(shù)整定的理論基礎。這類問題可歸結為已知動平臺的運動規(guī)律，求解鉸內力和驅動力。相應的建模方法可采用幾乎所有可以利用的力學原理，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節(jié)空間速度和加速度的映射關系，并據(jù)此構造各運動構件的廣義速度和廣義慣性力，因此有理由認為，虛功(率)原理是首選的建模方法。 動態(tài)性能是影響并聯(lián)機床加工效率和加工精度的重要指標。并聯(lián)機器人的動力性能評價完全可以沿用串聯(lián)機器人的相應成果，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。與機器人不同，金屬切削機床動態(tài)特性的優(yōu)劣主要是基于對結構抗振性和切削穩(wěn)定性的考慮。動態(tài)設計目標一般可歸結為，提高整機單位重量的靜剛度；通過質量和剛度合理匹配使得低階主導模態(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實部，以期改善抵抗切削顫振的能力。由此可見，機器人與機床二者間動態(tài)性能評價指標是存在一定差異的。事實上，前者沒有計及對結構支撐子系統(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)機床這類機構與結構耦合的、具有非定長和非線性特征的復雜機械系統(tǒng)動力學建模和整機動態(tài)設計方法，將是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。這項工作對于指導控制器參數(shù)整定，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質也是極為重要的。 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)機床結構來看，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，可知主軸所產生的外力偶矩m=9550P/n，主軸電機選型轉速n=24000r/min，由此可推算出外力偶矩m=9550×1/24000=0.398N·m 經過多方查詢，最終確定了電主軸型號：為XCSD100Z24，詳細參數(shù)見下表所示。 型號 電機 潤滑 軸端 連接 尺寸(mm) 功率 (kw) 恒功 率段 電壓 (V) 電流 (A) 轉速 r/min 頻率 (HZ) S1/S6 D L D1 D2 D3 L1 L2 N-d1 d2XL3 XCSD100Z24 1/1.4 8000 20000 215 380 3.8 24000 133.3 333.3 油脂 UC10 100 260 65 / / 32 71 / M10 2.2 選擇主軸下部刀具夾頭 電主軸已經確定為XCSD100Z24，就要考慮刀具的安裝為題了。 從上表可以看出，其主軸電機輸出端為UC10，查機械師設計手冊后得知，UC10是一種可以周向旋轉角度的關節(jié)軸承，用于調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到±25°。 UC10關節(jié)軸承縱向剖視圖 已知關節(jié)軸承型號，查手冊——其裝卡直徑為10mm。 關鍵參數(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)實驗臺的結構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，應為裝卡直徑10mm的數(shù)控銑夾頭，查詢后得出：JT(BT)40-QH1- 75 JT系列 d D L 勾板手規(guī)格 配用卡簧型號 JT(BT)40-QH1- 75 3-10 36 75 38-42 QH1 2.3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。翻閱了卡具設計手冊，對各種機床的卡具樣式進行了對比，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上，取消卡盤隨主軸的轉動即可。 三爪卡盤資料分析： 型號規(guī)格 D D1 D2 D3 D4 D5 H1 h h1 h2 d1 z－d K11500A/A111 500 196.869 165.1 125 280 235 135 19.056 16 10 29.4 6～M18 K11500A/A115 285.775 247.6 200 380 330.2 135 20.638 17 10 35.7 6～M22 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 A－A1 B－B1 C－C1 250 6～110 80～250 90～250 315 10～140 95～315 100～315 325 11.5～165 95～350 110～340 380 11.5～210 95～400 110～400 400 15～210 120～400 120～400 500 25～280 150～500 150～500 由上表可知，規(guī)格D500反爪加緊范圍150~500，滿足徑向350mm，可定下卡盤規(guī)格為D500。 卡盤規(guī)格確定后，再查卡爪的尺寸 卡爪 卡爪參數(shù)表： 規(guī)格 160 200 250 315 325 380 400 500 L 67 80 95 108 130 132 B 25 30 36 45 H 41 45 53 61 70 82 h 9 10.5 13.5 17.5 17 22 a 12.675 19.025 19.025 b 7..94 12.7 12.7 e 19 22.2 27 31.5 38.1 t 3 6 t1 4 z～d 2～11 2～13 2～18 2～22 卡爪底座 卡爪底座參數(shù)表： 規(guī)格 160 200 250 315 325 380 400 500 L 64 80 98 110 114 152 L1 29 34.9 39.7 47.6 47.5 47.4 B 20 22 27 36 45 H 33 35 38 42 46 55 a 12.675 19.025 19.025 b 7..94 12.7 12.7 e 19 22.2 27 31.75 38.1 t 4 4.2 7 t1 3 z～d 2～M10 2～M12 3～M12 3～M16 4～M20 夾具加工時的注意要求： 用于并聯(lián)機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動這一動作，所以，卡盤中軸部分予以取消?？ūP與機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準，因為孔可以加工，而螺釘是標準件，難于對其在作改動。 卡盤內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構，三個卡爪等分安裝在平面螺紋上。當用扳手扳動小錐齒輪時，大錐齒輪便轉動，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機架的設計方案 機架作為實驗臺的支承部分，是本次設計的一個重點。 機架設計的基本準則應保證：剛度、強度、穩(wěn)定性。 在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應要求輕、成本低；抗震性好，把受迫震動振幅限制在允許范圍內；噪聲小；溫度場分布合理，熱變形對精度的影響??；結構設計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工；結構力求便于安裝與調整，方便修理和更換零部件；有道軌的機架要求導軌受力合理、耐磨性良好；造型好，使之既適用經濟，又美觀大方。 按照以上機架設計的要求準則，首先確定機架的制造形式，為鑄造機架。 機架的設計出以上要點需要考慮之外，還有并聯(lián)部分的估算，在不影響并聯(lián)機構正常伸縮旋轉運動的情況之下，才能確定機架的具體造型結構。 所開發(fā)的三平動自由度并聯(lián)機床采用如圖1所示的3-HSS構型(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構上保持平行，并與動平臺的鉸點構成 等邊三角形，進而形成空間平行四邊形剛架結構。該機床主要用于三坐標高速銑、鏜、磨加工，亦可配以數(shù)控回轉臺完成多坐標異型曲面和刀具刃磨。上述總體設計 方案具有以下優(yōu)點： (1) 工作空間呈柱形，具有較大的編程空間與機床體積比，且平行于工作臺任意截面的運動學性能等同。 (2) 位置及速度正、逆解均有顯式解析解答，可實施快速PVT插補和在線運動學標定。 (3)支鏈采用帶消極約束的三桿平行四邊形剛架結構，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，主要結構件均為三對稱，可大幅度減少零部件設計工作和制造成本。 位置逆解模型 位置逆解涉及已知機床尺度參數(shù)和動平臺參考點 位置，反求滑鞍位置，其目的有二：一是已知CAM模型后通過粗插補為伺服控制提供必要的輸入；二是為基于靈活度指標的尺度綜合提供數(shù)學模型。因采用平行四 邊形支鏈結構使得鏈中各桿運動規(guī)律等同，故在運動學分析時可將原機構簡化為如圖2所示的等效機構。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′-x′y′z′，點o′在系o-xyz下的位矢可表示為 （1） 式中，bi=rb(cosβi　sinβi　0)T，ai=ra(cosβi　sinβi　0)T為點Bi和Ai在系o-xyz和o′-x′y′z′的位置矢量；ra、rb為動、靜平臺半徑；βi為點Bi和Ai在o-xyz和o′-x′y′z′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Bi的位移；e3=(0　0　1)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)機床運動精度的重要指標，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，則說明機床理論伺服精度越高，因此可作為結構參數(shù)的設計準則。 　　對式(1)關于時間求導，得到點o′的速度為 （4） 式中ωi為支鏈i的角速度矢量。對上式兩端點積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，λi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δ1，求點o′位于z軸上時，wi與z軸的夾角δ0，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o′的可達空間為所有支鏈子空間的交集。根據(jù)機床的拓撲結構，不妨設點o′的編程空間是半徑為r、高為h的圓柱體，且令其與可達空間內接。注意到每一支鏈的可達子空間最小截面一定在r0i與z軸張成的平面內，故對圖2進行旋轉剖即可得到圖3。設球鉸許用半錐角為δ1，且點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幾何關系得 （9） 對上式整理可解出 （10） 式中s1=L［cosδ0-cos(δ0+δ1)］ 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=Lsinδ0+ra　　(11) 又根據(jù)數(shù)控機床設計規(guī)范，設點o′降至最低時距工作臺面高度為s3≥s1，則機床的理論高度應為 H=s3+Lcosδ0+h+s2　　(12) 考察式(10)～(12)可見，當給定r、h、ra和δ1后，L、rb、s和H均為δ0的函數(shù)。 　　圖4示出了當取δ1=25°時，在任意平面內雅可比的條件數(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δ0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δ0并不能保證全域靈活度最優(yōu)。為此需要構造如下目標泛函 （13） 并通過一維尋優(yōu)來確定δ0。在此，t為權系數(shù)，為條件數(shù)的“重心”。S為編程空間截面面積。上述性能指標的意義可解釋為：使得條件數(shù)全域最大值及其關于重心偏差的一次矩在加權意義下最小。 由上述公式，定下了并聯(lián)機構的活動范圍，選擇絲杠副長度950mm，外加絲杠連桿套筒，長度總共為1050。 3.2鑄造機架的材料及熱處理 材料選擇——查閱鑄造機架常用材料后得出，鑄鐵機架用于并聯(lián)實驗臺比其他金屬性價比高，是機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。鑄鐵的內摩擦大、阻尼作用強，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等優(yōu)點。 牌號的選用——選擇了HT200，用于承受大彎曲應力和拉應力。如機床的立柱，齒輪箱體、工作臺、機床橫梁和滑板等。 鑄鐵機架的時效處理——時效處理的目的是在不降低鑄鐵力學性能的前提下，是鑄鐵的內應力和機加工切削應力得到消除或隱定，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，使內應自然松弛或消除。 人工時效普遍應用熱處理方法，將鑄件緩慢加熱到共析點以下（一般為500~600℃），保溫一段時間，然后緩慢冷卻，消除內應力。 經驗證明，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)機構的運動范圍，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)部分的運動，又預留出了并聯(lián)部分下面的卡盤裝卡工件的高度。 3.3機架的截面形狀、壁厚及周邊筋的布置 由于主軸產生的外力偶矩通過切削運動傳遞給并聯(lián)機構和機架立柱，并聯(lián)機構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力的作用，根據(jù)材料力學公式，立柱邊長300mm，厚度20mm，面積為0.3×0.3=0.09m2。將慣性矩相減后，得出每根立柱的慣性矩IP=hb3/6=5.8×108mm4。 鑄鐵件的彈性模量E從工程手冊中可查得為E=113~157，取中間值約為E=130 則EI=1.3×105×5.8×108=7.54×1013 KN·mm2 抗彎截面系數(shù)W=hb2/6=0.00338. 彎曲正應力公式σmax=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=0.13N·m，從而可以計算出σmax的值。 序號 材料名稱 彈性模量\E\Gpa 切變模量\G\Gpa 泊松比\μ 1 鎳鉻鋼、合金鋼 206 79.38 0.25～0.3 2 碳鋼 196～206 79 0.24～0.28 3 鑄鋼 172～202 - 0.3 4 球墨鑄鐵 140～154 73～76 - 5 灰鑄鐵、白口鑄鐵 113～157 44 0.23～0.27 由于零件的抗彎、抗扭強度和剛度除與其界面面積有關外，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)，可提高機架零件的強度和剛度，從而充分發(fā)揮材料的作用。因此，正確的選擇機架的橫截面形狀是機架設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；機架受載情況往往拉、壓、彎曲、扭轉同時存在，對剛度又要求高，另一方面，由于空心矩形內腔容易安設其他零件，故許多機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，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度、剛度、材料、鑄件尺寸、質量和工藝等因素。 就鑄鐵機架而言，按目前工藝水平，砂模鑄造鑄鐵件的壁厚，可利用當量尺寸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，結合查表——鑄鐵機架的壁厚，確定出實驗臺立柱的壁厚為20mm。 對于保證立柱剛度的加強筋和肋，由于次實驗臺設有頂端端蓋，用于安裝并聯(lián)機構。為了能夠更好的保障立柱剛度，立柱內部設有交叉十字肋；另外柱體外側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，對扭轉剛度的提高有明顯的效果，抗彎剛度可提高60%，扭轉剛度可提高4.5~8.5倍。 機架的動剛度主要取決于它的靜剛度和固有頻率，合理地改善機架結構可以提高其靜剛度K和固有頻率ω可改善機架的動剛度。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，機架的材料采用的是灰鑄鐵HT200，他的吸振性能較強，能有效地加強機架立柱本身的阻尼比；再有，機架立柱中心的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，外側有表面刷漆的涂層；這些綜合因素都能夠有效地保證機架的剛度問題，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行連接，考慮到立柱下端受應力較大，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，會產生局部應力，為了保證定位精度，立柱下端設計了定位銷孔，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力的原因，與底座產生相對偏移。 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、胚料選澤的經濟性、操作方便。 焊縫尺寸的確定方法一般為：按焊縫的工作應力；安等強原則；按剛度條件。由于焊接機床的床身，立柱，橫梁和箱體等一般按剛度設計，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驗做法是：根據(jù)被焊鋼板中較薄的鋼板強度的33%、50% 、100%作為焊縫強度來確定焊縫尺寸。 為了保證實驗臺的良好剛度，經過查詢，立柱與機床機架的角焊縫尺寸有鋼板剛度的100%確定得出： 板厚h 按照100%強度設計 則焊縫寬度=3/4h 前邊已經確定板厚h=20mm 所以得出焊縫寬度K=3/4x20=15mm 接下來考慮焊縫應力問題，在焊接接頭處，由于機床實驗臺加工時的并聯(lián)機構擺動，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生局部應力，難以保證并聯(lián)實驗臺立柱受剪切力作用時的強度及其穩(wěn)定性。 3.5底座的造型 首先確定出了立柱的結構，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。前邊已經確定了立柱、卡盤的構造，在底座上要預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準件螺釘和定位銷為基準，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。 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。 第4章 實驗臺電路設計 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)機構驅動電機電源入口，在機架立柱上預留了一個50mm的電源孔，四周有安裝配電箱螺釘?shù)目住Ｖ麟娫淳€由地面，上連到配電箱，電源線外側套有絕緣蛇皮管。 電主軸和并聯(lián)機構的配電，經過配電箱的電源線，經立柱內側分配到各個電源接口。 電主軸在二章中已經選出，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)機構驅動電機的電源入口，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)機構在此不予考慮，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、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控制；右邊部分是主軸加減速、制動控制。 第5章 實驗結果與三維建模 5.1設計并聯(lián)實驗臺結果 經過一個學期的調研、設計，我們的并聯(lián)機床實驗臺課題終于有了雛形，能夠實現(xiàn)相對較為粗糙并聯(lián)運動。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 在設計與畫CAD的同時，我們同步進行著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，構成一個并聯(lián)實驗臺的整體模型。并對并聯(lián)機構進行了局部仿真，但由于驅動設置的不夠成熟，并聯(lián)機構還達不到作者與合伙人所設想的完美運動方案。 第6章 總結與展望 此次課題《并聯(lián)機床實驗臺》，在設計過程中，作者與合伙人遇到了許多的困難。相比較，并聯(lián)機床機械結構簡單，但并聯(lián)機構的活動范圍計算復雜，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)機床的發(fā)展已有數(shù)百年的歷史,而并聯(lián)機床的出現(xiàn)才不過幾年的時間,期望短期內一下子就能解決并聯(lián)機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)機床發(fā)展過程中暫時碰到一些難題就認為并聯(lián)機床沒有前途、難以最終走向市場同樣是不可取的。 并聯(lián)機床的優(yōu)點有許多，能夠完成表面形狀極其復雜的零件，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。相比于普通銑床，加工性能大大提高。是機具發(fā)展前途的新型金屬切削機床。 參考文獻 1．黃真，????? 《空間機構學》，??????? 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