六自由度并联机构设计说明书

（需微要信 swan165本科毕业设计说明书学校代码： 10128企鹅号： 1663714557题 目 ： 六自由度伸缩式并联机床结构设计学 生 姓 名 ：学 院 ： 机 械 学 院系 别 ： 机 械 系专 业 ： 机 械 电 子 工 程班 级 ： 机 电 10-4 班指 导 教 师 ： 讲 师内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 红字 要并 联 系 联 机 微 床 信 ， 也 可 叫 获 取 做 整 套 并 联 结 构 机 床 (Parallel Structured Machine Tools)、 虚 拟 轴 机 床 (Virtual Axis Machine Tools)， 曾经 被 称 为 六 条 腿 机 床 、 六 足 虫 (Hexapods)。 并联机床是近年来国内外机床研究的方向，它具有多自由度、刚度高、精度高、传动链短、制造成本低等优点。但其也不足之处，其中位置正解复杂就是关键的一条。6-THRT 伸缩式并联机床是 Stewart机床的一种变形结构形式，它主要构成是运动和静止的两个平台上的 6 个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。并联机床是一种气动机械，集气（液），在一个典型的机电一体化设备的控制技术，它是很容易实现“六轴联动”，在第二十一世纪将成为主要的高速数控加工设备。本次毕业设计题目结合本院实验室现有的六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。此次毕业设 计 的 主 要 内 容 是 对 并 联 机 床 结 构 设 计 ， 其 内 容 主 要 包 括 机 器 人结 构 设 计 总 体 方 案 的 确 定 ， 机 器 人 机 构 设 计 的 相 关 计 算 ， 以 及 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 、步 进 电 机 、 滚 动 轴 承 、 联 轴 器 等 主 要 零 部 件 的 计 算 选 用 ， 并 利 用 CAXA 软 件 绘 制各 相 关 零 部 件 的 零 件 图 和 总 装 配 图 ， 以 期 达 到 能 直 观 看 出 并 联 机 床 实 体 机 构 的 效果 。关键词：并联机床；步进电动机；空间变换矩阵；滚珠丝杠螺母副内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractPMT (Parallel Machine Tools), also known as the parallel structure machine (Parallel Structured Machine Tools), Virtual Axis Machine Tool, has also been known as the six-legged machine, six-legged insects (Hexapods).Parallel machine is in recent years the domestic machine tool research hot spot, it has multiple degrees of freedom, high rigidity, high precision, short transmission chain, with low manufacturing cost.But its shortcomings, in which the forward solution of position of a complex is the key. 6-THRT telescopic type parallel machine tool is Stewart machine tools, a deformable structure form, it is the main characteristics of dynamic, static platform on the 6joints are respectively distributed on the same plane, and form the shape similarity.Parallel machine is a mechanical, pneumatic (hydraulic), control technology in one of the typical electrical and mechanical integration equipment. Parallel machine is easy to achieve “six-axis“, is expected to become the 21st century, the main high-speed light CNC machining equipment. The combination of hospital laboratory construction project, located six-DOF parallel machine tool sector, so that it can be processed according to process requirements. Improve their engineering quality, innovation, comprehensive practice and application of skills.The main topics for the design of parallel machine tool design, its content includes the determination of robot design, robot design and calculation, and the ball screw pair, stepping motor, bearings, couplings, limit switch, spindle ,and other major components using CAXA software to draw the relevant parts of the parts drawings, and assembly drawings to achieve the parallel machine tool can directly see the effect of physical bodies.Keywords: parallel machine； Six axis linkage； space transformation matrix； ball screw pair内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录第一章 绪论 .11.1 课题的研究背景 .11.2 课题研究的意义 .21.3 课题的研究内容步骤 .21.3.1 并联机构介绍 .31.3.2 并联机床设计类型的选定 .31.3.3 并联机床结构设计的相关计算 .41.3.4 各零部件与装配图的设计出图 .5第二章 并联机床部件设计与计算 .62.1 6-THRT 伸缩式并联机床位置逆解计算与分析 .62.1.1 6-THRT 并联机器人机械结构简介 .72.1.2 坐标系的建立 .72.1.3 初始条件的确立 .82.1.4 空间变换矩阵的求解 .92.1.5 新坐标及各轴滑块移动量的计算 .102.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .132.2.1 最大工作载荷的计算 .132.2.2 最大动载荷的计算 .142.2.3 规格型号的初选 .142.2.4 传动效率的计算 .152.2.5 刚度的验算 .162.2.6 稳定性的校验 .172.3 滚动轴承的选用 .182.3.1 基本额定载荷 .182.3.2 滚动轴承的选择 .182.3.3 轴承的校核 .202.4 步进电动机的计算与选型 .202.4.1 步进电机转轴上总转动惯量的计算 .202.4.2 步进电机转轴上等效负载转矩的计算 .222.4.3 步进电动机尺寸 .252.5 联轴器的选用 .26第三章 并联机床的结构设计 .293.1 机床中的并联机构 .293.1.1 概念设计 .293.1.2 运动学设计 .293.2 杆件的配置 .293.2.1 杆件设计 .303.2.2 伸缩套筒 .313.3 铰链的设计（虎克铰） .313.4 机床框架和床身的设计 .32第四章 并联机床的装配出图 .344.1 Pro/E 软件的概述 .34内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4.2 Pro/E 的功能 .344.3 CAXA 电子图版简介 .344.4 二维图的绘制处理 .35第五章 并联机床面临的主要技术问题及前景 .365.1 引言 .365.2 机床的关节运动精度问题 .365.3 并联机床的未来展望 .37结论 .38参考文献 .39谢辞 .40内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 课题的研究背景为了改善生产环境的适应性，满足快速变化的市场需求，近年来制造设备和系统，全球机床制造业正在积极探索和开发新的功能，其中在机床结构技术上的突破性进展当属 90 年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tools)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)12。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点： 1、刚度与重量的比大：通过使用并行静态和非静态成员，并在静态情况下，传动部件的理论二力杆拉压载荷，单位重量的驱动机构具有很高的承载。2、响应速度快：惯性大大减少，有效地提高了伺服控制器的动态品质的运动部件，允许移动平台来实现一个高的进给速度和加速度，特别适用于各种高速数控操作。3、环境适应性强：方便重组和模块化设计，布局和自由度，可结合不同的形式。在移动平台上的安装工具可以多轴铣，钻，磨，抛光，和异形刀具磨削。设备的机械手腕，高能束源或 CCD 相机和其他的末端，但也能完成特殊加工，精密装配，测量操作。4、技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。当今，国际学术界和工程界的高度重视，对并联机床的研究与开发，并在 90 年代中期推出产品结构是不同的。1994 年在芝加哥国际机床博览会上，美国Ingersoll 铣床公司、Giddings & Lewis 公司和 Hexal 公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。此后，英国 Geodetic 公司，俄罗斯 Lapik 公司，挪威 Multicraft 公司，日本丰田、日立、三菱等公司, 瑞士 ETZH 和 IFW1 研究所，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。与之相呼应，由美国 Sandia 国家实验室和国家标准局倡议，已于1996 年专门成立了 Hexapod 用户协会 13，并在国际互联网上设立站点。近年来，有关并联机床和层出不穷的并联机器人学术会议，如七分之四的年度会议上，内蒙古工业大学本科毕业设计说明书21999 CIRA 1998 会议上，美国机械工程师协会五分之二十届第十机制，TMM 世界大会上有大量的关于这方面的文章。由美国国家科学基金会的活动，在意大利，米兰在并联机床国际会议第一次会议在 1998 日召开的研讨会，并决定于 2000 在美国密歇根大学举行。在此期间从 1994 到 1999，在以前的大型国际机床展览会有这种类型的机床展，并有望成为第二十一世纪的高速数控加工的主要设备。中国取得了并联机床的研究与开发已列入国家“九五”项目和 863 高技术发展计划的，连续的基础理论研究是由国家自然科学基金、国家攀登计划项目基金资助。部分高校还将并联机床的研发纳入教育部 211 工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持，在中国大陆地区研究的骨干，在 1999 六月举行了第一次并联机器人和并联机床设计理论与关键技术研讨会在清华大学，未来的发展趋势，并联机床和需要解决的问题进行了讨论。总的来说，传统的工具机的串行机制，在数学上是简单的和复杂的机床机构，和相对简单的并联机构，机床结构和数学的复杂性，平台的运动涉及数学非常大，因 此 ， 虚 拟 轴 并 联 机 床 是 一 种 知 识 密 集 型 组 织 。 这 台 新 机 器 完 全 打 破 了 传 统 机 床结 构 的 概 念 ， 废 弃 的 工 具 型 固 定 导 轨 ， 采 用 了 多 杆 并 联 机 构 驱 动 ， 大 大 提 高 了 机床 的 刚 度 ， 使 加 工 精 度 和 加 工 质 量 都 有 较 大 的 改 进 。 此 外 ， 增 加 的 速 度 ， 使 高 速 ，超 高 速 加 工 更 容 易 实 现 。 因 为 这 种 具 有 高 刚 性 机 床 ， 承 载 力 高 ， 速 度 快 ， 精 度 高 ，重 量 轻 ， 机 械 结 构 简 单 ， 制 造 成 本 低 ， 标 准 化 程 度 高 ， 已 成 功 地 应 用 在 许 多 领 域 ，因 此 受 到 学 术 界 的 广 泛 关 注 。 并 联 ， 串 联 和 混 合 的 数 控 机 床 ， 不 仅 具 有 并 联 机 床的 优 点 ， 并 已 在 使 用 更 多 的 实 用 价 值 。1.2 课题研究的意义为实现生产过程自动化并联机床，提高劳动生产率，降低劳动强度，具有十分重要的意义，保障生产安全。并联机床是集机械、气动（液压）、控制技术于一体的典型的机电一体化设备。并联机床容易实现“六轴联动”，有望成为 21 世纪高速轻型数控加工的主力设备。本课题结合本院实验室建设以及现有的设备，对六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。从中得到一次机械结构设计、电气系统设计的训练。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书31.3 课题的研究内容步骤设计过程中需要做的工作主要有：第一、收集相关资料，在了解 6-THRT 伸缩式并联机床工作原理的基础上，制定出满足设计要求的结构方案，绘制出主要结构。第二、完善机床的结构设计，完成传动零部件的设计、选型、以及校核。第三、对并联机床工作原理及运行情况做简单分析、计算。第四、利用 CAXA 软件建立零件图、装配模型，完善整机结构。第五、在时间允许的情况下可以对并联机床进行三维的建模以及简单的动态仿真以验证设计的正确合理性。1.3.1 并联机构介绍一、并联机构的 定 义并联机构（Parallel Mechanism，简称 PM） 14，可以被定义为运动平台和固定平台至少由两个独立的运动链连接，机构有两个或两个以上的自由度，一个闭环机床和并联。并联机构主要具有以下特点： （1）与串联机构相比刚度大，结构稳定； （2）承载能力大； （3）微动精度高； （4）运动负荷小； （5）在位置求解上，串联机构的求解比较容易，但是反解却十分困难，而并联机构正好相反。三、6 自由度并联机构6 度的自由度并联机构是一种并联机构的并联机器人机构，是国内外学者研究得最多的，但这种机制有许多关键技术没有或没有完全解决，例如，正解，模型和并联机床精度标定等运动学和动力学。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6 个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有 3 个运动链的 6 自由度并联机构，如3-PRPS 和 3-URS 等机构，还有在 3 个分支的每个分支上附加 1 个 5 杆机构作这驱动机构的 6 自由度并联机构等。 1.3.2 并联机床设计类型的选定组成空间机构的一些基本运动副有如表 1-1 所示：运动副 符号 相对自由度 f内蒙