五轴并联机床结构设计论文【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 学 号 20010071317 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 五轴并联机床结构设计 院（系）名称 专业名称 学生姓名 指导教师 哈尔滨工程大学 2014 年 6 月 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 学 号 2010071317 密 级 五轴并联机床结构设计 学生姓名 所在学院 所在专业 指导教师 所在单位 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 并联机床是空间多环机构在机床制造业的创造性应用 ,可与传统数控机床形成很强的互补，并联机床克服了传统机床的刚度重量比低、承载能力差等缺点 ,具有模块化程度高、刚度重量比大、回应速度快、适应性强和容易实现多轴联动等优点。本课题主要针对 五轴并联机床机械结构进行设计工作，并确定本课题机床的结构为 5在设计过程中完成内容主要有机床总体结构 方案的确定，各运动部件结构、连接结构、驱动结构等结构设计、计算以及校核，还有并联结构的运动学分析，最后利用 件绘制各相关零部件的三维实体零件图并进行虚拟装配得出总体装配图。 关键词 ： 并联机构；运动反解；滚珠丝杆螺母副；三维建模 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 in of NC to is of a of to so of to of is in to to of of of as as G to of of 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 第 1 章 绪论 . 1 联机床研究的背景及意义 . 1 内外发展现状 . 2 外研究现状 . 2 内研究现状 . 4 课题主要研究的内容 . 6 第 2 章 总体方案设计 . 7 联机床设计方法 . 7 联运动机床设计的特点 . 7 联运动机床的设计步骤 . 7 始参数确定 . 8 联机床总体设计方案确定 . 8 章 小结 . 11 第 3 章 运动学分析 . 11 由度计算 . 11 间约束分支的运动学分析 . 11 个驱动支链运动学反解分析 . 13 章小结 . 14 第 4 章 机械结构的详细设计 . 15 动支链伸缩杆结构设计及计算 . 15 珠丝杠副的计算、选用和校核 . 15 动轴承的选用和校核 . 18 进电动机的计算与选型 . 19 轴器的选用 . 25 心滚珠花键副选型 . 26 链结构设计 . 28 铰链结构设计 . 28 克铰结构设计 . 29 间约束支链设计 . 30 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 滑杆结构设计 . 30 线轴承选型 . 30 珠花键副选型及计算 . 31 平台设计 . 33 主轴选型 . 34 章小结 . 34 第 5 章 五轴并联机构的运动仿真 . 35 模与仿真环境 . 35 要零件三维模型的建立 . 36 件 装配与爆炸视图 . 37 动仿真 . 39 章小结 . 39 结论 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 43 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪论 联机床研究的背景及意义 工业现代化的日益发展，对机床的技术指标提出了更高的要求，如何减小 机床重量，提高机床精度、刚度，扩大机床加工范围己成为工业发展的重要课题。为了提高对生产环境的适应性 ,满足快速多变的市 场需求 ,全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备系统 ,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 ,又称虚拟轴机床。并联机床实质是机床技术和机器人技术相结合的产物 ,其原型是并联机器人操作机。这类新型制造装备采用并联机构作为进给传动机构 ,在构思上体现了现代系统集成的思想 ;在功能上是加工、测量、装配与物料搬运等多种工艺过程的集成 ;在性能上是高速度、高柔性、轻重量、低成本的集成 ,是知识经济初见端倪的高科技机电一体化产品。另外，相比传统机床，并联机床具有如下优点 : （ 1)刚度 /重量比大 。因采用并联闭环的静定或非静定杆系结构 ,且在静态或准静态情况下 ,传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆 ,故传动机构单位重量具有很高的承载能力。 （ 2)环境适应性强 :通过可重组模块化设计 ,可构成形式多样的自由度组合。在动平台上安装刀具即可进行多坐标铣、钻、磨、抛光 ,以及异型刀具刃磨等加工。若装备机械手腕、高能束源或 像机等末端执行器 ,还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。 （ 3)响应速度快。运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质 ,允许动平台获得很高的进给速度和加速度 ,因此特别适于各种高 速数控作业。 （ 4)技术附加值高 :具有 “硬件 ”简单 ,“软件 ”复杂的特点 ,是一种技术含量很高的机电一体化产品 因此，并联机床被认为可望成为满足 21 世纪快速多变市场需求的多功能可重组制造装备网。 本课题是五轴并联机床结构的设计，是少自由度并联机构的一种。目前对五自由度的并联机构研究相对较少，导致可选用的机构构型也比较有限，因而影响了这类机构的实际应用。本课题设计一种五轴并联机械机构，通过对其相关的理论问题进行深入的分析和研究，深入了解这种少自由度并联机构的运动学特性，对其进行相关的理论分析，为这种机床的最终设计 和制造提供理论依据。本课题的研究，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 联机构的特性，为这种五轴并联数控机床的研制奠定理论基础，同时也对其他少自由度并联机床、机器人的研究提供参考。因此本课题，对推动少自由度并联机构，特别是五自由度并联机构的理论研究和在实际中的应用，促进我国机床工业的发展，都具有重要的理论意义和现实意义。 内外发展现状 并联机床的主体结构并联机构是 1949 年设计出来的，最早用于检测轮胎疲劳设备； 1965 年德国的 出用并联机构作为航空模拟器用于训练飞行员，在工程 界引起了巨大的反响，这种机构也因此而得名 构； 1978 年，澳大利亚著名学者 并联机构用作机器人结构。自此，并联机构的研究受到许多学者的关注。国内燕山大学的黄真教授自 1982 年以来在美国参加了此项内容的研究，取得了突破性进展，并于 1990 年在国家自然科学基金资助下，首次在国内研制了第一台并联机构样机。 外研究现状 1994 年， 司在美国芝加哥 4 机床博览会上推出的联机床，引起广泛关注，被称为 “21 世纪 的机床 ”。如图 示， X”，据称 “X”形结构比三角形结构可以提供更大的工作空间，并且可以简化控制位移的运算。瑞士技术院（ 及机床与制造技术院（ 机器人院（ 手研制的名为 并联机床，如图 示。 并联机床与其它并联机床结构形式不同，该机床的六条腿长度不变，由分布在三条相互平行的导轨上的六个滑块移动带动连杆来实现动平台的位移和姿态，该机床又称六滑块机床，六滑块采用六个直线电机驱动。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 图 图 瑞士 渐地人们发现，纯并联机构有它天生的无法克服的缺陷，如位置姿态强耦合，姿态能力小，位置解析困难等。后来就有一种向混合机构发展的趋势。图 司开发的 联机床， 着重提高机床的灵活性而设计的五坐标铣床，该机床的转动由机床头部的串联双摆头机构来实现，它具有很高的刚度，可以对钢和合金进行大进给 量加工。 学基于并联机构开发了一个可以移动的 联机床，如图 示，该机床用来快速修配大型模具。主体结构基于并联机构的 作头部带有一个串联机构。 以被移动到车间对大型模具进行修理，而无需移动模具。该机床在德国研究项目支持下，正在进行实际模具修理的研究。 图 司的 图 学的 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 内研究现状 从 20 世纪 90 年代中，国内也开始了并联机床的开发研制。主要研究单位有清华大学，天津大学，东北大学，哈尔滨工业大学和北京航空航天大学等。 1998 年，在第五届中国国际机床展览会上，清华大学展出了名为 并联机床 ,如图 示，该机床为我国第一台并联机床样机，该机床的动静平台都是采用分层形式，据称可以避免杆的干涉，提高灵活度和增大工作空间。北京航空航天大学从 1996 年在国家自然科学基金资助下开始从事并联机床的研究， 1999 年并联刀具磨床的实验样机开发成功 。2000 年，北航在 211 工程资助下，又成功开发了一台并联刀具磨床商用机床，如图 示，其重复定位精度可达 6m。哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂合作开发了一台 6 自由度并联机床，该机床可以对水轮机叶片等复杂曲面进行加工。 图 清华大学的并联机床 图 并联刀具磨床实用型样机 随着研究的深入，国内也出现了混联结构形式的并联机床。在 展出了大连机床集团和清华大学合作研制的 轴联动并联机床，如图 示，该机床的并联机构部分具有三个自由度，为一种采用两条平行的杆等效于一条腿的 3 条腿并联机构，其动平台实现 3 维平动，为实现 5 轴加工，该机床在动平台上串接了两个转动关节。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 图 轴并联机床 图 坐标并联机床 人们在研究 5 坐标并联机床的同时，少自由度并联机床也越来越受到人们的重视。少自由度并联 机床具有结构简单，控制容易，精度高的优点。德国 公司与 司合作开发的 坐标并联机床在汉诺威 2001 展出，如图 示。该机床采用混联机构， X、 Y 轴是由一个并联剪切机构来实现， Z 轴是由滚珠丝杠带动回转的工作台实现的。该结构可以使机床在 X 方向位移达到 630机床的宽度小于 1500地面积小。 床内装有传感器，具有自动校正功能，该机床由直 线电机驱动，响应快，刚性好，精度高。 在过去的近十年中，全球机床厂商和高校实验室大约研制出 200 多台不同类型的并联机床，但大多是作为原型样机和科学研究。尽管从理论上讲，并联机床比传统机床具有明显的优势，但从目前看，并联机床还有许多问题没有很好解决。主要包括以下几个方面： （ 1）相关的并联机构理论，如快速并联机构正解算法，实用的工作空间描述方法，奇异位形分析；动力学建模及尺度综合方法等 （ 2）精度问题，由于尚无有效手段对并联机构动平台的位姿信息进行实时检测，因而无法直接对动平台实现全闭环控制。 （ 3）关键基础件的研究，包括高速电主轴、高速高性能直线电机、精密丝杠导轨副以及高精度、高刚度、大转角范围的球铰链等 （ 4）考虑并联机床特点的数控系统。并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡儿空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 究开发出具有开放式体系结构的数控系统是并联机床的理想选择。 同发展已有上百年历史的传统机床相比，并联机床的出现才不过几年的时间。因此，并联机床只是机床家簇中的一个新成员，尚有许多理论和技术问题有待攻克，这也为机床行业带来了新的机遇和挑战。目前，大 力开展并联机床的理论研究和工程实践，对早日实现并联机床的国产化和商品化，具有重要意义。 课题主要研究的内容 本课题首先根据并联机床的设计要求，确定总体结构方案，包括原始参数确定，并联构型选择，杆系配置和各部件的结构设计。在以上工作的基础上，进行各杆件和铰链的详细设计。然后，对薄弱零件进行静力学强度校核。最后完成五轴并联机床结构的整体装配图和重要自制零部件的设计图。总结如下： （ 1）查阅资料，阅读文献，明确课题研究内容； （ 2）五轴并联机床总体结构方案设计； （ 3） 在总体设计的基础上进行运动分析 ； （ 4） 对机床主要运动机构进行详细设计 ； （ 5） 根据设计参数对确定各部分驱动方式 ； （ 6）关键部件的结构静力学分析。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 总体方案设计 联机床设计方法 联运动机床设计的特点 并联运动机床的设计与传统数控机床的设计无论在概念和方法上都有很大的不同。对传统机床来说，刀具运动轨迹的形成符合人们在笛卡尔坐标系中思考问题的习惯。两点连成直线，以半径绕轴线旋转形成圆，利用直线和圆弧插补可以逼近任意曲线，然后通过不同坐标运动的串联，最终形成曲面或实体。运动综合过程是开环的和串联的。恰好相反，在并联运动机 床中，任何一条直线或者一段圆弧的形成都是通过若干空间曲线的小段逼近的，它是若干并联运动构件同时发生位移的结果，其过程是闭环的和并联的，各构件相互制约，其控制过程较为复杂。因此，在设计并联运动机床时，必须考虑以下特点 : （ 1)非线性。动平台或主轴部件的运动参数 (速度、加速度 )的变化是非线性的。 （ 2)奇异性。动平台或主轴部件在不同位置时，机床的静态和动态性能有较大的差异，甚至刀头点的位置都存在一定程度的不可预测性。 （ 3)多样性。实现所需运动的并联运动机构往往具有多种组合的可能性。 联运动机床的 设计步骤 并联运动机床的设计涉及因素较多，是一个反复优化和完善的过程。其设计过程的典型流程大体上可以分为以下几个阶段 : （ 1）原始参数确定。根据机床的应用领域和加工对象确定机床设计的原始参数。例如，被加工材料、零件尺寸范围、加工范围、主袖功率和切削力等。 （ 2）概念设计和运动综合。首先要确定采用并联运动机构还是并联与串联混合的机构， 3 杆机构还是 6 杆机构，固定杆长还是可变杆长。然后，进行运动学的综合和分析，确定是否需要冗余构件。此外，概念设计还包括确定机构的几何尺寸，计算动平台的姿态和工作空间，校验构件是否在 运动时发生干涉以及进行运动过程的仿真。 （ 3）机床的结构设计。部件的设计和选用，包括主轴部件、杆件、铰链以及支承部件的设计。结构设计需要借助有限元分析和仿真反复优化，以获得满意的静态、动态和热性能。 （ 4）控制系统的设计和标定。将零件所需要的笛卡尔坐标数据，转换成驱动并联运动机构动平台的控制数据，是一个非常复杂的问题，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 技术关键。由于在转换过程中忽略了杆件和铰链的制造和装配误差，加上运动参数的非线性，实际轨迹往往偏离理想要求。因此，空间位置标定和补偿就成为并联运动机床控制系统设计的 特殊问题。 （ 5）样机试制。并联运动机床的样机试制、标定、补偿和修正将与机床设计过程本身联系在一起，是机床性能优化不可缺少的环节。 换言之，在日前的技术水平下，并联运动机床还很难一次试制成功，只有经过反复优化和改进，才能够投入批量生产和实际应用。 始参数确定 本设计的并联机床应用的工业领域是加工气缸体和传动箱体，加工的形状要素是曲面和孔。初步选定并联运动机床的原始参数为： ）加工范围： 2300400 ，主轴姿态角 25 ； 2300800 ，主轴姿态角 0 ； 2) 电主轴功率： 25； 3) 电主轴转速范围： m 24000 0 ； 4) 步进电机功率： ； 5) 步进电机额定转速： 3000 ； 6) 机床总体尺寸： 3220019001620 。 联机床总体设计方案确定 并联结构有是由两个和两个以上的驱动器通过杆系同时作用于运动平台的空间机构。通过选择固定杆长或可变杆长，动平台与定平台上铰链的布置数量和位置以及不同的驱动方式，包括气动、电机驱动和液压驱动，有各种不同的并联结构构型。根据原始参数的要求，有以下三种可行方案： 方案一：五杆五环并联结构 如图 机构由五个运动分支同时将运动平台联到固定平台（机架）上，这五个分支一端通过万向铰与机架相连，另一端通过转环与主轴相连，其中一个转环与主轴固定来约束 Z 轴转动，五个分支通过伸缩变化实现五自由度运动，在主轴上安装刀具以实现不同的加工要求。这种并联机构用 5 个可任意三百六十度转动的转环替代了常规情况下固定安装在动平台的约束铰链 , 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 联机构动平台活动范围的制约，实现了机床主轴部件的偏转角大于 90 度。 图 五杆五环并联机构 图 4联结构 方案二： 4联结构 该结构共有五条支链 ,其中有四条支链是由作直线运动的运动滑块、虎克铰、定长杆和球铰组成 ,第五条支链是由作直线运动的滑块和虎克铰组成 ,如图 示。各滑块在同一平面且相互平行的直线导轨上运动。机构的上下平台大小相等 ,三定长杆长度相等 ,与其相连的虎克铰中的转动副的内外轴线相互平行。 方案三： 5联结构 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 5联结构示意图 该并联机构， 指虎克铰一移动副一球副， 指移动副一转动副一移动副一虎克铰 ,其结构简图如图 构由定平台、动平台、五个驱动支链，中间约束支链，虎克铰，球铰这几部分组成。中间约束支链上面的移动副与定平台固定 ,通过球铰与动平台相连；五个驱动支链通过虎克铰与定平台相连，由球铰与动平台相连。通过五个驱动支链的伸缩来控制动平台的运动。 比较上面三种方案，方案三相比其他两个方案有以下优点： 定平台通过 5 个结构完全相同的驱 动分支 克铰 球副 )分支以及一个约束分支 动副 移动副 分支与动平台相连接。该机构的动平台可以实现由 5个独立变量描述的完整 3维移动和 2维转动的自由度 ,具有刚度重量比大、结构简单、动态性能好等优点 ,而且运动学反解十分简单 ,控制算法易于实现。此外 ,该机床与 6 自由度完全并联机床相比减少了一个多余的驱动轴 ;与采用混联机构的并联机床相比其运动惯量要小很多 ;机床动平台的运动约束由中间约束支链确定 ,纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 载荷由 5 个驱动分支和中间约束分支共同承担 ,机床的主要铣削力矩由中间支链承 受 ,减小了 5 个驱动分支承受的动态力 ,有利于提高机床控制的动态稳定性 ;中间分支的位置正反解具有十分简单的解析形式 ,通过在该分支各关节加装传感器 ,可实现动平台位姿的实时检测 ,为实现并联机床的闭环控制提供了条件 ,从而可以进一步提高机床的加工精度。 所以最终选择方案三，即 5联结构 章小结 首先阐述了并联机床的设计方法，然后确定了并联机床的原始参数，根据原始参数提出了三种并联机床的设计方案，并最后确定总体设计方案为 5联结构 运动学分析 由度计算 本机构类似 台，也属于闭环机构。自由度的计算不如开环机构明显，采用 式 (6 (3 式中 M机构的自由度数 n 构件总数 g 运动副总数 第 i 个运动副的相对自由度数 由图 2见，机构的构件总数为 15，运动副总数为 19，其中包括 7 个 1 个自由度的移动副， 1 个转动副， 6 个 2 自由度的虎克铰， 5 个 3 自由度的球铰。将其代入式 (2则 535)11915(6)1(61 即本机构的自由度数为 5。 间约束分支的运动学分析 空间机构是由复杂的三维连杆和运动副组成，假设所有的连杆都是刚性的，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 动链就是由运动副连接各杆件组成的，为了表示各 杆件之间的相对位置和姿势，通常采用 法建立中间约束分支 支的坐标系，如图 示。基坐标系 O 与固定平台相固连的定坐标系 A 重合，相应的 数如表 2示， 图 约束分支坐标示意图 表 2 约束分支 数 其中，变量：32111 , )90(2 动平台 B 相对于定平台坐标系 A 的转换矩阵为 244223243243322232232432030)()()()()()( (3其中 s i n;c o s);s i n ()();c o s ()(32323232 动系 相对于定系的旋转变换矩阵 若用 拉角 ( , )表示动平台的姿态，则为 1000),(i 1i 1i i 1 0 0 1d 0 2 0 0 0 2 3 2 0 0 3 4 0 2 0 4 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 (3其中， c o s;s i n;c o s;s i n;c o s;s i n ),( 动平台的位姿参数 动系相对于定系的旋转变换矩阵 通过比较两种变换矩阵形式，可得 90)(s 由式 (3知，动平台的姿态参数中绕 动平台法线 )的欧拉角 90 为一常数，则动平台绕其自身法线转动的角速 度为零，可知中间 束分支在机构的运动中将始终约束动平台绕自身法线的转动，而被约束的自由度在机床加工中为一个冗余的自由度，即加工过程中的刀具绕自身的转动。中间约束分支为一个被动分支，不具有主动副，因此作用在动平台上的扭矩一部分由中间支链来承受。 个驱动支链运动学反解分析 如图 2示在机构上下平台上分别建立坐标系，定坐标系 固定于定平台上，动坐标系 建立在动平台上。 对于由动平台位姿求位置反解，则动平台的位姿 ),( 已 知 条件，设 R 为动平台姿 势 方 向 余 弦 矩 阵 ， 为动坐标系 原点在参考坐标系 中的位置矢量。根据给定机构的各个结构尺寸，利用几何关系 ，可求出动、定平台各个 支铰链点在各自坐标系中的坐标值。 定平台上五个铰链点的布置不为均匀布置，第一个铰链点 1T 沿坐标系 的 Y 坐标轴方向，距离为 780其余四个铰链点 5,4,3,2i 为均匀布置，半径为 720间隔角度为 90 ，可得到定平台上铰链点 5,2,1 定坐标系 的坐标表示为 动平台上五个铰链点的布置为均匀布置，第一个铰链点 的 Z 坐标轴反方向，半径为 200间隔角度为 52 ，则动平台上铰链点 5,2,1 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 在动坐标系 的坐标表示为 动平台铰链点 5,2,1 位置矢量为 则可以得到 5 个驱动杆杆长在固定坐标系 中的矢量为 即 ,有 下 式 成 立 (3其中333231232221131211用 ZY , )表示方向余弦矩阵 R。 其中 R c i ns i nc s i ns i nc o sc o sc o R c i ns i ns i R s i nc o sc o ss i ns i RR R c 90 ，则 R 简化如下 0 (3根据五驱动杆动端点坐标和已知的静端点坐标，即可求得各驱动杆长度为 222 )()()(3利用式 (3实际位姿进行反解运算，可得到五个驱动杆杆长，与加工代码中的杆长值进行比较运算，可以获得各个杆长的误差，实时进行误差补偿，实现并联机床的全闭环 控制，提高机床的加工精度。 章小结 本章主要对该并联机床进行了运动学分析，得出如下结论 : (1)通过对该并联机构的分析，得出该机