五轴并联机床结构设计【含全套CAD图纸及三维图纸】
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五轴并联机床结构设计 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名：张辉伦 学生学号： 2010071317 指导教师：王威远 讲师 一、研究的背景及意义 传统机床为串联结构，存在悬臂部件，不易获得高的结构刚度；另外，其组成环节多，结构复杂，限制了加工精度和速度的提高。在20世纪 90年代中期问世的并联机床，正是为解决传统机床存在的问题而进行的一种新的尝试。 二、国内外研究现状 1965年 1978年 1994年 21世纪 德国 1978年，澳大利亚的学者 21世纪的机床 ” 。 各国的机床生产商、高校和研究所都大力投入研究和开发 并联机床的发展 二、国内外研究现状 基于 台六自由度的并联机床 三自由度的三杆并联机构 五自由度五杆五环并联机构 三、总体结构方案 5五根伸缩 杆支链 定平台 中间约 束支链 动平台 球铰和 虎克铰 三、总体结构方案 5四、运动学分析 运动学分析 自由度计算 中间约束分支的运动学分析 五个驱动支链运动学反解分析 四、运动学分析 1、自由度计算 采用 式 机构的构件总数 15，运动副总数 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。 即本机构的自由度数为 5。 (65352617)11915(6 四、运动学分析 2、中间约束分支的运动学分析 i i 1 0 0 2 0 0 0 2 3 2 0 0 3 4 0 /2 0 4 中间约束支链的坐标示意图 244223243243322232232432030)()()()()()(根据 到动平台的坐标系 的转换矩阵为： 四、运动学分析 2、中间约束分支的运动学分析 1000),(90)(o 么有 通过这两种变换矩阵形式的相比计算，求解得到： ： 由计算得到的式子 ,有以下结论： 在动平台的位姿参数中绕其法线方向的欧拉角为 90度，是一个常数，这说明中间约束支链能约束动平台绕其自身法线方向转动的自由度。另外，中间 将承受机床大部分的载荷和扭矩。 四、运动学分析 3、五个驱动支链运动学反解分析 0 动平台上的铰链支点在动坐标系的坐标值是： 方向余弦矩阵 0那么，伸缩杆的长度为 五、机械结构的详细设计 驱动伸缩杆 支链结构 中间约束 支链结构 铰链结构 动平台 五、机械结构的详细设计 1、驱动伸缩杆支链结构设计 步进 电机 由联轴器把步进电机和滚珠丝杠联接在一起，步进电机带动滚珠丝杠转动。 滚珠 丝杆副 滚珠丝杆螺母通过螺钉与空心滚珠花键轴固定为一体。 空心 滚珠花键副 空心花键母与套筒固定，空心花键轴的另一端则与球铰链的球头拉杆固定。 五、机械结构的详细设计 1、驱动伸缩杆支链结构设计 （ 1）滚珠丝杆螺母副的计算、选型 通过公式计算和查阅现代实用机床设计手册计算出： 丝杠导程 轴向动载荷 最小螺纹直径 5阅 现代实用机床设计手册 ，由计算的丝杠导程、轴向动载荷和最小螺纹直径等参数，初步确定滚珠丝杠副选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式，公称直径为 32本导程为 5荷钢球圈数为 3圈，精度等级为 4级，滚珠丝杠副的型号为 该型号的动载荷为 13000N，最小螺纹直径为 28 五、机械结构的详细设计 1、驱动伸缩杆支链结构设计 （ 2）步进电机的计算与选型 计算结果： 综合考虑，由北京和利时 56系列二相混合式步进电机 选步进电机为 86丝杠副的负载惯量 空载负载转矩 工作负载转矩 、机械结构的详细设计 1、驱动伸缩杆支链结构设计 （ 3）空心滚珠花键副设计 机床运动过程中，在步进电动机的带动下，滚珠丝杠高速旋转，为限制滚珠丝杠螺母的转动，采用空心滚珠花键副对滚珠丝杠螺母的旋转进行约束，同时对它的位移进行导向。因此，空心滚珠花键副需要传递较大的转矩。本设计的空心滚珠花键轴其左端加工了直径 40的孔以及四个螺纹孔是为了与滚珠丝杠螺母通过螺钉连接。 五、机械结构的详细设计 驱动伸缩杆支链装配图和爆炸图 1、驱动伸缩杆支链结构设计 五、机械结构的详细设计 2、中间约束支链结构设计 （ 1）双滑杆结构设计 本设计中的双滑杆结构是中间约束分支 动副 移动副 中的一个移动副。两根滑杆与定平台机架固定，滑块可以在两跟滑杆上沿 设计通过双滑杆这种结构能够让滑块移动时更稳定，并且能大大降低摩擦和提升机构的精度。其三维模型如图所示： 五、机械结构的详细设计 2、中间约束支链结构设计 （ 2）直线轴承选型 本设计的双滑杆结构中，滑块在两根滑杆上移动，为减少摩擦，提高结构的精度以及防止在滑动中中间约束支链卡死，所以采用直线轴承，并选用 五、机械结构的详细设计 2、中间约束支链结构设计 （ 3）滚珠花键副设计及计算 本设计的中间约束分支 动副 移动副 中的另一个移动副采用滚珠花键副的结构。滚珠花键副可以使中间约束支链几乎无摩擦地平滑移动，还能够在滚珠花键滑块的半径方向以及转动方向施加一定的预紧力，来承受机床运动中的载荷，从而提升加工精度。另外，由于中间约束分支承受了大部分安装在动平台上的电主轴的加工铣屑力和机床运动时产生的载荷，而滚珠花键副能够传递扭矩，所以通过滚珠花键副的结构来限制中间约束支链绕其轴心转动，克服中间约束支链所承受的扭矩和载荷。 五、机械结构的详细设计 中间约束支链爆炸图和装配图 五、机械结构的详细设计 3、铰链结构设计 （ 1）球铰链结构设计 在本文所设计的机构中，球铰链是用来把动平台和伸缩杆这两部分相连的结构，它主要是使这两部件绕其中心点转动并承担机床运行时产生的载荷。如图所示，本文设计的球铰链结构将球铰的球头与球铰拉杆变成整体叫做球头拉杆，整个球铰链结构分为球头拉杆，球铰座，球铰端盖三部分，球头拉杆安装在球铰座上并通过球铰端盖固定。另外，为了方便安装与拆卸，球铰端盖分为上下两部分。 五、机械结构的详细设计 3、铰链结构设计 （ 2）虎克铰结构设计 如图所示，本设计的虎克铰的结构是一个圆环，圆环内通过安装在轴承上的轴与中间约束支链相连，圆环外有两个轴头与动平台的相连，整体的结构可以实现支链绕两个坐标轴方向转动，并限制了其他四个自由度。另外，为了方便安装与拆卸，设计了可以伸缩的轴头。安装时把轴头压进去即可，并通过弹簧的弹性力进行轴承的定位。在圆环和动平台架子上都开了小孔，通过工具把轴头压进去即可进行拆卸。 五、机械结构的详细设计 4、动平台设计 本设计的动平台结构如图 上部是一个用来安装虎克铰圆环的架子，下部分是空心圆柱体结构，电主轴安装在动平台内部，减小了动平台的整体尺寸，使得机床运行时动平台的惯性减小。另外，在动平台的斜面上均匀布置了五个安装球铰底座的孔。 六、运动仿真 为了进一步分析整机的运动范围，有必要对五轴并联机床进行运动仿真，运动仿真是在整机模型装配的基础上实现的。本次只是进行了简单的运动仿真，其运动仿真的创建过程包括以下的过程： 1)要根据本设计的并联机床的模型，建立一个运动分析的场景； 2)要设定每个零部件的连杆特性以及设置各零部件两两连杆间的运动副和约束特征，再有就是对驱动伸缩杆系添加机构载荷； 3)提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制； 通过控制五根驱动支链伸缩杆的长度 ， 使机床动平台到达两个空间极限位置 。 六、结论 与传统串联机床相比，并联机床加工效率更高，加工产品尺寸范围更大。并联机床可以在其在加工范围内可实现进行五面乃至及所有的复合角度的姿态加工，经常用于敏捷加工加工的场合。本课题主要针对五轴并联机床机械结构进行设计工作
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