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毕业设计（论文）任务书 学生姓名： 学号： 学 院 ： 机械动力工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 任务 起止 时间： 毕业设计（论文）题目 ： 台电液驱动机构设计 毕业设计工作内容： 1. 查阅相关资料，了解 台电液驱动机构 的组成 、 结构特点和国内外研究现状 ，并完成开题报告，准备开题。 13 周 2. 完成 台电液驱动机构 整体结构设计，绘制总装配图零号图纸一张，并接受中期检查 。 48 周 3. 完成 台电液驱动机构 零件图折合零号图纸两张和毕业设计说明书初稿。 913 周 4. 对所有相关设计图纸和毕业设计说明书进行修改。 1415 周 5. 准备毕业设计答辩稿、电子演示稿，并进行答辩。 1517 周 资料： 1 李洪人 . 液压控制系统 . 国防工业出版社 . 1990. 2 张尚盈 . 液压驱动并联机器人力控制研究 士学位论文 , 2005. 3 黄真 ,孔令富 ,方跃法 . 并联机器人机构学理论及控制 . 北京 :机械工业出版社 ,1997. 4 雷天觉 . 液压工程手册 . 北京：机械工业出版社， 1990. 5 蔡春源 . 机电液设计手册 . 北京：机械工业出版社， 1997. 指导教师 意见 ： 签名： 年 月 日 系主任 意见 ： 签名： 年 月 日 教务处制表 - 1 - 附录 美国国家标准和技术研究所 (并联运动机床过去、现在、未来的研究 摘要 并联运动机床在突破了控制器局限性的限制后，其在制造业方面的应用开始产业化。并联机床由于其投放市场后的商业价值，在 1994 年芝加哥国际制造业展览会上出现了新发明的数控并联机床。与传统机床相比，并联驱动技术在加工制造方面具有许多优点，比如：较高的刚度 体积比、较高的速度、较高的精度、安装次数 少 ，夹具简单。在美国，一些机床制造者正在研发并联驱动技术，同时并联驱动技术的潜在用户 加工制造商正企划这种新型的多轴加工技术在操作领域 的用途。 研究员及来自各行业、大学的合作者正在研究这个新型工具的独特性能。其工作包括对 1995 年五月搭建的八面体、六驱动器机床的大范围的实验。研究领域包括机床测量、性能测试方法及标准、性能拓展方法、仿真试验工具和开放式体系结构控制界面。本论文给出了美国国家标准和技术研究所 (并联运动机床的研究现状及历史的综述。并联运动的优点、所面临的挑战、将来的研发方向也被提到。 1 简介 提高产品质量、降低产品成本、缩短产品开发周期是企业保持竞争力的迫切需要。这些决定竞争力的关键因素要求机床的 加工精度、速度、多功能性不断发展、提高。这就对机床研究领域提出了挑战。鞭策机床研发单位为设计新机床而演化基本的机构。因此，基于并联运动机构的机床模型 并联运动机床研发成功。六自由度杰出代表 台是并联运动机床的机构模型，最近许多新机床的设计都是基于 台机构模型。基于 台机构模型的并联机床的经典结构组成：动平台与固定的基础平台之间由六个同样的能活动的可伸缩杆联接。高的力容积比、高的结构刚性、低动量是 台机构的优点。从加工应用的角度考虑， 台的缺点在于工作空间复杂、运动方向受到限制、对于五自由度工作（磨、钻、简单操作）需要六个驱动器驱动。一些基于台的机床机构模型通常叫做并联机械机构。 这些并联机床与传统机床相比具有许多优点。它们还提出了一些重要的问题。这些机床的性能如何描述？计算工作空间的最好方法是什么？机床可以达到的加工精确程度？实际应用时什么是最好的控制算法？在成本方面是否具有竞争力？这些机床最适合于何种加工方式？这些机床的模块化程序设计如何最优化？何种结构在低成本的前提下又具有较多的功能？- 2 - 这些都是从并联机床方面提出的重 要问题，自从 1990 年美国国家标准和技术研究所 (并联机床的许多领域进入了研究。这一论文概述了美国国家标准与技术研究对于并联运动机床的过去、现在、未来的研究，提出了一些依然具有挑战性的课题。本论文的讨论围绕着六自由度的 联运动机床的机构模型。然而，还有一些并联机构的排列方式也许更适合于作为机床的机构模型（可能优于 台机构本身）。 工业机器人问世以来 , 采用串联机构的操作器一直占主导地位，它结构简单，工作空间大，因而获得广泛应用。与之相比 ,并联机器人活动空间 小，活动上平台远不如串联机器人手部灵活。但是，并联机器人也有其独特的优点： 并联式结构其末端件上平台同时经由 6 根杆支撑 ， 与串联的悬臂梁相比 ， 刚度大 ， 而且结构稳定 ； 由于刚度大 ， 并联式较串联式在相同的自重或体积下 ， 有高得多的承载能力 ； 串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大 ， 因而误差大、精度低 ， 并联式则没有那样的误差积累和放大关系 ， 误差小 、 精度高 ； 串联式机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上 ， 增加了系统的惯量 ， 恶化了动力性能 ， 而并联式则很容易将电机置于机座上 ， 减小了运动负荷 ； 位置求解上 ， 串联 机构正解容易 , 但反解十分困难 , 而并联机构正解困难 ， 反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的 ， 这对串联式十分不利 ,而并联式却容易实现。 并联机构的出现 ， 扩大了机器人的应用范围 。 随着对并联机器人研究的不断深入 ， 其应用领域也越来越广阔。并联机器人的应用大体分为六大类 ： 运动模拟器、并联机床 、 工业机器人、动机构、医用机器人和操作器。 运动模拟器 作为运动模拟器 ,其最广泛的应用是飞行模拟器。训练用飞行模拟器具有节能、经济、全、不受场地和气象条件限制、训练周期短、效率高等突出优点 ,目前已成为各类飞 行员训练的必备工具。同时 ， 这种运动模拟器也是研究和开发各种运载设备的重要工具。通过模拟器可以在早期发现问题、减少风险、进行综合系统验证 ， 解决各系统间的动态匹配关系、加速系统实验过程 ， 缩短研制周期 ， 降低开发费用。 并联机床 用作并联机床是并联机构最具吸引力的应用。并联机床结构简单 ， 传动链短 ,刚度大、质量轻、成本低 ， 容易实现“ 6 轴联动” ，能加工更加复微杂的三维曲面。还具有环境适应性强的特点 ， 便于重组和模块化设计 ， 可构成形式多样的布局和自由度组合。德国 司生产的 6X 并联机床 ， 这种机床采用 伸缩杆的长度变化驱动主轴部件 ， 实现加工轨迹所需的运动 ， 工件固定在工作台上不动。 工业机器人 随着工业现代化发展的高速进程 ,以及加工业工艺的不- 3 - 断完善 ， 技术的不断进步 ， 工业机器人的应用被越来越多的企业认识和接受。工业机器人既保证了产品质量 ,又减少了特殊环境工作的危险和实现对人员的劳动强度的降低和人员劳动保护意识的提高。 微动机构 作为微动机构是并联机器人的一个重要应用方面 。 这种微动机构发挥了并联机构的特点 ， 工作空间不很大但精度和分辨率都非常高。 医用机器人 医疗机器人已经成为医学外科学会和机器 人学会共同关注的新兴技术领域。近年来 ， 医疗机器人技术引起美、法、德、意 、 日等国家学术界的极大关注 ， 研究工作蓬勃兴起。医疗机器人具备选位准确、动作精细、避免病人感染等特点。 操作器 作为操作器 , 并联机器人可以用作飞船和空间对接器的对接机构 ， 上下平台中间都有通孔作为对接后的通道 ， 上下平台作为对接环 ， 由 6 个直线驱动器驱动以帮助飞船对正 ;对接机构还能完成吸收能量和减振 ， 以及主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。对于困难的地下工程 ， 如土方挖掘、煤矿开采 ， 也可以采用这种强力的并联机构。 1991 年提出将并联机构装于履带式或步行式可移动的小车上 ， 挖掘头装于并联机构的上平台 ， 强有力的并联机构可以承受巨大的挖掘力。 其他方面应用 此外 ,台还在其他方面应用 ， 如力或位移传感器 ， 造船起重机 ,主动式振动控制器 ， 体感模拟娱乐机械等。 并联机器人具有很多传统串联机器人不具备的优点 ,并联机器人还有很多理论问题需要进一步的研究和完善 ， 适用于不同工作要求的新型的并联机构有待于进一步开发。目前 ,并联机器人研究所要解决的问题应包含以下内容 ： 不同自由度的新型并联机构的研究。研究新型的并联机 构 ， 并研究相应的运动学、动力学等理论 ， 必将会进一步丰富并联机构领域的研究成果 ， 并进一步扩大并联机构的应用范围。 并联机器人运动学正解数值算法的研究。主要是提高位置正解的计算速度 ， 这项工作是并联机器人轨迹规划的基础。并联机器人动力学模型研究。建立通用的适用于控制系统设计的并联机器人动力学数学模型 ， 这项工作是计开发出具有优良动力学性能的并联机构 ， 对不同类型并联机构进行动力学分析的基础。 并联机机器人工作空间研究。研究各种奇异性对工作空间的影响 ， 可以提高我们对并联机构运动机理的认识 ， 是进行并联机构无奇异路径规划和 实现运动的可控性的基础。 并联机器人误差分析。建立实用的、完整的并联机构误差数学模型 ，分析并联机构输入误差因子对动平台位资误差的影响 ， 从而通过控制敏感输入误差因子 ， 提高并联机器人精度。 - 4 - 少自由度并联机构的研究由于少自由度并联机构具有结构简单、造价低廉等特点 ， 有着广阔的应用前景。但少自由度并联机构在某些时候的运动、动力分析反而变得更复杂。 2 美国国家标准和技术研究所 (造工程实验室对于并联运动机床的研究历史 美国国家标准和技术研究所 (造工程实验室对 台机械机构的创新应用的研 究兴趣要追溯到 19 世纪 80 年代中期，当时詹姆士和他的从事机器人系统（现在的智能系统）研究的同事研制了一个新项目绳索机器人吊车，这台机械采用的是 台的机械结构模型。用六个绞车控制的电缆的方式来控制平台，这台绳索机器人吊车最初研发的目的像传统的吊车那样是用来稳定的起重货物的。在制造业和建筑业领域，为了稳地过地搬运货物、直升机的救援工作、有害废物的再利用，许多不同型号的这种绳索机器人吊车被研发出来应用。这种绳索机器人吊车在控制负载的位置和姿态方面明显的优于传统的起重机。 美国国家标准和技术研究所 ( 台的深入研究生产了这种创新的机械结构绳索机器人吊车。这种八面体结构包括三个用来悬挂工作平台的上支点，采用三个上支点是为了本身是较轻的结构却能提供足够的结构刚度。詹姆士和克莱顿认为这种 台结构和八面体空间结构的结合在机床应用方面具有潜在的优点。基于这一思想，他们在 1991 年提出了 新型机床 ，并且建造了样机。模型结构表明该机床是由三个可运动的 台串连嵌套，第四个 台固定的结构组合而成。与传统的设计相比，这种机构的优点在于提高了刚度和精度 。 在建立这种新型机床设计的机构模型启动计划的过程中，美国国家标准和技术研究所 (研究员意识到：形成一种商业性的并联机床的过程也就是利用相似原理搭建成一样机的过程。美国国家标准和技术研究所(为商业性的并联机床样机为将来的研究提供一个好的起点，并且获得了一个试验样机，该机床样机原型来自 床公司。这种八面体机构，被公司改进后的二代产品，于 1995 年 5 月在美国国家标准和技术研究所 (装。该机床大约高 5 米，六个同样的绞杆，每个绞杆功率 11 千瓦、绞的转速范围 0 转 /分钟 6000 转 /分钟，机床上还配备有一个同样的备用绞杆。 3 美国的六条腿机床 (户群 在美国，随着对并联运动机床研究兴趣的上升，桑蒂亚国家实验室、麻省理工学院、美国国家标准和技术研究所 (各大组织形成一个强大的六条腿机床 (户群，这一用户群包括机床制造商、机床用户、对并联机床的研发感兴趣的研究机构，大约 34 个企业，大学和政府组织的代表已经参与了第一个六条腿机床 (户会议，该会议在于1996 年八月在麻省理工学院举行。第二次会议于 1997 年 3 月在美国 国家- 5 - 标准和技术研究所 (行，后来还有一些非正式会议在召开，美国机械工程师交流 (暨美国机械工程技术研讨和展览会 (在 1997 年十一月、 1998 年六月、 1998 年九月举行 , 这些非正式的会议为共享并联运动机床的试验结果、研发方向的想法和计划、确定行业需求提供了宝贵的机会。当然，在六条腿机床 (户群这一组织成立以前，并联机床的研发还吸引了许多院校及其他组织对并联运动机械装置（大多为机器人应用领域）的研究。 4 美国国家标准和技术研究所对并联运动机床现在研究领域的 研究 美国国家标准和技术研究所 (并联运动机床现状的研究突出在以下几点： 对并联运动机床特性的更深层次的理解 ； 评价并联运动机床性能的测试方法及检测手段的标准 ； 冷却液走向的排布问题 ； 与应用、研发、测试并联运动机床相关的建模和仿真问题 ； 完成同一工作过程中的协同工作、远程控制能力的提高 ； 控制检测的综合问题。 因此，并联运动机床的研发问题围绕着达到以下设计目标而进行： 精确测量、性能拓展、及对并联机床协同研发、测量学的应用、远程控制、仿真工具的探讨、论证。这一工作的完成要依赖于各个学科的有机综合 及政府、企业、大学各个合作部门的共同努力。美国国家标准和技术研究所 (并联运动机床研究项目被美国制造工程实验室引进为先进制造基础项目（ 以下部分是美国国家标准和技术研究所 (并联运动机床项目的最新研究成果。 联运动机床的工作性能描述及测量 联运动机床的校准 联运动机床中伸缩杆的测量 联运动机床的机构刚度及测量 联运动机床的建模和仿真 并联运动机床上零件编程和加工的应用 制器的发展 5 结论、挑战及并联运动机床的研发方向 致谢 - 6 - 附录 1 1 1998 . 0899, of of in is to of at 994 in of to a of to as a in to As of s on an 995. an of of in 7 - of be be 1 to in a to in in to to of As a of a of on as 1 is KM in a of A of a to a is by 2. of a of a of a in by as of be is to of is to be of to be a of by 990s, in a of 8 - in of In is on of be as so of by By on of on at of of a of or is nd at of is of in is no as of to he on of to s of is to of is is of is As is to is is to of of of As of of be as a is of of an At 9 - is an be in to up of MT is is to to of of a of of s 6 X a in of to of at of of of in of of of of of to as a is an a to of a of In of to of to of as be to as as a to to s; of to 10 - so of as as 991 a in or to a in of on a of n of as or of do of to of to be At to of of on to be of of is of is is to is of a to of of is to of of on of of of of we on of a is of of of of on in of 11 - of of is in at of it 2 at in to 980s, in a a ). 3,4, is a to a to on to of is of of an to An to in a of a an to 991 a on . be to be in a 12 - to of a to a of bec 机械 动力 工程学院 毕业设计（论文） 开 题 报 告 学生姓名 学 号 专 业 班 级 指导教师 课题题目及来源： 课题题目： 台 电液 驱动机构设计 ； 题目来源：自拟 。 课题研究的意义和国内外研究现状： 课题研究的意义： 有诸多优良特性，它在许多领域得到了广泛应用。如战车道路运动模拟器、汽车动态仿真模拟器、 虚拟轴机床 、汽车动态仿真器、娱乐模拟器、 机器人腕部误差补偿器、 6 维测力仪、 接骨正位自动装置 等。台机构属于空间多环并联机构 ,从结构上看 ,是用 6 根支杆将上下两平台联接而形成的 ,这 6 根支杆都可以独立地自由伸缩 ,从而实现 上平台相对于下平台 的 6 个 自由度的 独立运动 。 它的主要特点是：结构紧凑，具有 6个自由度，刚 度高、承载能力大、位置精度高、位置逆向解简单的优点。六自由度运动平台由于应用场合不同，采用不同的驱动方式。目前，这种并联机构驱动方式主要包括电机驱动滚珠丝杠驱动方式、阀控液压缸驱动方式、气动人工肌肉驱动方式、电动液压混合执行器驱动方式、压电陶瓷驱动方式、电机驱动滑轮钢索驱动方式等。阀控液压缸 驱动方式的优点是刚度大、抗干扰能力强、功率 惯量比大、响应速度快、系统频带宽。 否合理 对平台 运动学性能 、动力学性能起着决定性作用，提高平台性能，设计出一种优良的平台具有一定的理论意义和实际应用价值 。 国内外的研究现状：自 1987 年 出并联机器人结构模型以来，并联机器人的研究受到许多学者的关注。美国、日本先后有 一批学者从事研究，英国、德国、俄罗斯等一些欧洲国家也在研究。迄今为止，并联机构的样机各种各样， 包括平面的、空间不同自由度的、不同布置方式的、以及超多自由度并串联机构。大致来说， 60 年代曾用来开发飞行模拟器， 70 年代提出并联机器手的概念， 80 年代来开始研制并联机器人 和并联 机床， 90 年代利用并联机构开发起重机，日本的田和雄、内山胜等则用 并 联机构开发宇宙飞船空间的对接器。此后，日本、俄罗斯、意大利、德国以及欧洲的各大公司相继推出并联机器人作为加工工具的应用机构。我国也非常重视并联机器人及并联机床的研究与开发工作，中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学、东北大学、浙江大学、燕山大学等许多单位也在开展这方面研究工作，并取得了一定的成果。 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 课题研究的主要内容： 1. 液压 缸 机械 结构设计； 2. 十字铰链 结构设计； 3. 阀块结构设计； 4. 台电液驱动机构设计 ； 5. 完成 毕业设计说明书。 采用的方法： 1. 通过查阅资料，了解电液驱动机构的组成、工作原理和结构特点； 2. 基于给定 驱动机构 设计参数 ， 应用液压缸设计公式，对 台电液驱动缸进行结构设计； 3. 应用 言对十字铰链进行结构优化设计； 4. 应用 维软件设计出 台电液驱动机构的三维模型； 5. 应用 件设计出 台电液驱动机构的总装配图和液压缸、十字铰链和阀块的零件图。 研究过程中存在的问题和解决办法： 本课题设计的电液驱动机构可能存在干涉问题，可以应用 件设计的三维 立体 模型，通过 动分析模块进行运动分析，解决机构干涉问题。 课题研究所需的参考文献： 1 刘文涛 . 并联机床性能分析与研究 . 哈尔滨工业大学博士学位论文 2000 2 李洪人 . 液压控制系统 . 国防工业出版社 . 1990 3 张尚盈 . 液压驱动并联机器人力控制研究 . 哈尔滨 :哈尔滨工业大学 , 2005. 4 梁军 ,付铁 . 基于 现代制造工程 , 2006 5 文福安 ,梁崇高 ,廖启征 . 并联机器人机构位置正解 . 中国机械工程 , 1999 6 黄真 ,孔令富 ,方跃法 . 并联机器人机构学理论及控制 . 北京 :机械工业出版 社 ,1997 7 熊有伦 , 丁汉 , 李恩沧 . 机器人学 . 北京 : 机械工业出版社 , 1992. 8 赵强 . 六自由度舰艇运动模拟器的优化设计及性能分析 . 哈尔滨工业大学 , 2003 9 黄真 ,杜雄 . 3 /62 器人的一般线性奇异分析 . 中国机械工程 指导教师审查意见： 指导教师签字： 2008 年 3 月 21 日 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 200 年 月 日 - 1 - 台电液驱动机构设计 摘 要 台是六自由度并联机构的基础平台。 台 具有诸多优良特性，它在许多领域得到了广泛应用。 六自由度运动平台由于应用场合不同，采用不同的驱动方式。目前，这种并联机构驱动方式主要包括电机驱动滚珠丝杠驱动方式、阀控液压缸驱动方式、气动人工肌肉驱动方式、电动液压混合执行器驱动方式、压电陶瓷驱动方式、电机驱动滑轮钢索驱动方式等。阀控液压缸驱动方式的优点是刚度大、抗干扰能力强、功率 惯量比大、响应速度快、系统频带宽。 对该平台的驱动机构设计 对于深刻理解并联机床和运动模拟器的机理具有重要的意义 . 本文的核心是研制一个满足实验要求 台的驱动机构，为了完成此机构的优化设计，本文主要从以下三个方面进行了理论分析。 对 台的运动学参数进行了理论分析和计算。重点分析了动平台的位置、速度和加速度和支撑杆的相应参数之间的关系。 对 台的驱动机构进行了设计和校核 ,并对液压伺服系统进行了运动学仿真。 利用以上的理论分析和计算过程，本文针对设计目标的参数要求，给出了 台的驱动机构优化设计方案，并完成了平台的各 个组件的设计。 关键词 台；运动学；液压伺服系统 - 2 - of is of in is in so At of a so is It is to of of is of is to a to a of to To of of on of of of An is on 3 - of of of is 4 - 目录 摘要 . I . 1 章 绪 论 . 错误 !未定义书签。 题背景 . 错误 !未定义书签。 题的目的和意义 . 错误 !未定义书签。 真用模拟器的组成 . 错误 !未定义书签。 台的机械结构组成 . 错误 !未定义书签。 台 运动系统的关键技术及研究现状 . 错误 !未定义书签。 台 系统的运动特点 . 错误