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 姓名：张辉伦 学号： 2010071317 导师：王威远 讲师 一、是课题背景 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。传统机床依靠增加质量来提高刚度，减轻重量和增加刚度发生矛盾 ;另外传统机床为串联机构，其主体结构为开链结构，存在悬臂部件，承受很大的弯矩和扭矩，不容易获得很高的结构刚度。它的组成环节多，各环节变形量和连接处变形量叠加，总体刚度下降，限制了机床速度的提高。并且串联结构会使各组成环节的制造误差、传动误差、热变形误差、受力变形误差益加，不易保证加工精度。而且传统的四坐标加工机床加工范围较窄，要实现加工任意曲面非常困难，五坐标加工机床又价格昂贵。综上所述，愈欲改进机床性能，应当从结构设计思想上寻求突破。 二、课题研究目的及意义 近年来空间并联机构在工业中的应用正是为满足此发展方向的要求应运而生，它以其所具有的承载能力强、精度高、刚度重量比大、结构简单、动力性能好等一系列优点，与目前广泛应用的串联式机构在应用上构成互补关系。因此，国内外机构学与机械制造行业对它的研究与开发给予了高度重视。 但是并联机床仍有占地面积与加工空间比值较大，回转轴运动范围小，控制复杂等缺点没有根本解决，以致并联机床的很多优势不能发挥 : 并联机床要真正走出实验室，跨上商品化道路，需要有更好的构型作支撑，来克服并联机床现存的缺点，因此，新一代并联机床的研制与开发具有重要的理论意义和应用价值。 三、总体方案 本并联机床为 新型 5 自由度 (5联机构， 克铰一移动副一球副 )动副一转动副一移动副一虎克铰 ),其结构简图如 : 结构组成：定平台、动平台、五个驱动支链，中间约束支链，虎克铰，球铰 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。 1）驱动支链伸缩杆结构 由驱动电机，丝杆螺母副，滑动导向机构和外套筒组成。 2）中间约束支链 由滑动块，转动副，滚珠花键轴，滚珠花键轴套，支撑杆组成。 3）虎克绞与球铰 四、已完成任务 1）运动学分析 2）总体装配图 3）伸缩杆设计 自由度的计算 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 动学分析 (1)运动学反解分析 1)在定平台和动平台分别建立坐标系，根据并联机床的结构尺寸，利用儿何关系，算出各铰链点在各自坐标系中的坐标值。 2)空间变换矩阵的求解 3）通过矩阵变换求出铰链点在固定坐标系的坐标值 4）求解杆件的长度 （ 2）雅可比矩阵分析 并联机构的雅克比矩阵反映了机构 广义输入速度到动平台运动速度的 传递矩阵，是动平台速度综合列矢 量对各个分支主动输入速度的综合 速度影响系数的合成矩阵。机构的 雅克比矩阵揭示了机构运动的本质， 是机构速度分析、受力分析、误差 分析的基础。 雅可比矩阵 雅可比矩阵 该雅可比矩阵是非奇异的 ,表明对于该并联机床 ,关节空间和工作空间之间的速度映射为一一映射 ,即当给定动平台上刀具的进给速度 ,可以唯一得到五个驱动支链的驱动速度 ,同样当给定五个驱动支链的驱动速度时 ,也可以唯一得到动平台上刀具的进给速度。因此可以在并联机床的工作空间规划刀具在加工过程中的进给速度 ,通过该矩阵得到在并联机床的关节空间中驱动杆的驱动速度 ,从而实现对机床加工过程中动平台上刀具进给速度的控制。 2、总体装配图 通过 出 3、伸缩杆设计 （ 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 查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球直径为 （ 2）滚动轴承的选用 接触角推力角接触球轴承，型号为 7603020 丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠自重外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要尽量小。根据 现代实用机床设计手册 表 3合考虑本丝杠副的固定支撑采用接触角推力角接触球轴承，选用的滚动轴承型号为 7603020种滚动轴承的特点是接触角大、钢球数多、承载能力大、刚度大 ;既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化 ;轴承起动摩擦力矩小，降低丝杠副驱动功率，提高进给系统的灵敏度；轴承安装简单。 （ 3）步进电机的计算与选型 计算结果： 综合考虑，本设计选用的伺服电机采用交流伺服电机，型号为 ，其额定输出功率为 400w，额定扭矩为 子惯量为 量 该交流伺服电机搭配的驱动器型号是 丝杠副的负载惯量 等速负载转矩 电机加速转矩 连续瞬时负载转矩 41027.1 伸缩杆 五、工作进度安排 第 12周：查阅相关文献资料，了解课题内容 第 34周：并联机床总体结构设计 第 56周：运动机床台体结构、分支结构设计 第 78周：机床运动分析，连接机构设计 第 910周：机床控制方式分析，驱动系统设计 第 1112周：完善设计，绘制图纸 第 1314周：撰写论文，准备答辩 现阶段满足时间节点安排。 六、下阶段工作计划 1、中间约束分支 2、运动学分析，逆解计算； 3、伸缩杆以及中间分支的三维零件绘制和组装。 五轴并联机床结构设计 姓名：张辉伦 学号： 2010071317 导师：王威远 讲师 一、是课题背景 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。传统机床依靠增加质量来提高刚度，减轻重量和增加刚度发生矛盾 ;另外传统机床为串联机构，其主体结构为开链结构，存在悬臂部件，承受很大的弯矩和扭矩，不容易获得很高的结构刚度。它的组成环节多，各环节变形量和连接处变形量叠加，总体刚度下降，限制了机床速度的提高。并且串联结构会使各组成环节的制造误差、传动误差、热变形误差、受力变形误差益加，不易保证加工精度。而且传统的四坐标加工机床加工范围较窄，要实现加工任意曲面非常困难，五坐标加工机床又价格昂贵。综上所述，愈欲改进机床性能，应当从结构设计思想上寻求突破。 二、课题研究目的及意义 近年来空间并联机构在工业中的应用正是为满足此发展方向的要求应运而生，它以其所具有的承载能力强、精度高、刚度重量比大、结构简单、动力性能好等一系列优点，与目前广泛应用的串联式机构在应用上构成互补关系。因此，国内外机构学与机械制造行业对它的研究与开发给予了高度重视。 但是并联机床仍有占地面积与加工空间比值较大，回转轴运动范围小，控制复杂等缺点没有根本解决，以致并联机床的很多优势不能发挥 : 并联机床要真正走出实验室，跨上商品化道路，需要有更好的构型作支撑，来克服并联机床现存的缺点，因此，新一代并联机床的研制与开发具有重要的理论意义和应用价值。 本并联机床为 新型 5 自由度 (5联机构， 克铰一移动副一球副 )动副一转动副一移动副一虎克铰 ),其结构简图如 : 结构组成：定平台、动平台、五个驱动支链，中间约束支链，虎克铰，球铰 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。 五、总体结构方案 在这种构型中，德国 五个可任意 360度转动的转环替代固定安装的约束球铰链，从而实现主轴部件的偏转角大于 90度，能够真正实现五轴联动、五面加工。这种构型在并联运动机构理论上有所突破，可以从根本上解除固定约束铰链对并联机构动平台活动范围的制约。由空间机构自由度的公式，可算得自由度为六，将其中的一个环与动平台固结，恰好约束了一个 由度变为五。 而本次设计将以 五、总体结构方案 本设计将采用五杆五环并联机构进行设计 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，另一端通过转环与动平台（主轴）相连，其中一个转环与主轴固定来约束 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。 五、总体结构方案 机构的五个分支为丝杠组件，由滚珠丝杠，滚动导轨机构，外套和电机等组成，运动方式是通过电机转动带动丝杆螺母转动，从而带动丝杆的移动，实现伸缩运动 五个转环分布在主轴的五个层面上，环的中心线重合，上面四个环与电主轴之间有相对转动，而最下面一个环与电主轴的电机外壳固联。 环型铰是连接杆件和主轴的铰链，其功能为提供三个旋转自由度和传递实现运动所需的力。 五、总体结构方案 万向铰链是用来连接机床外壳和杆之间的铰链。它是机床的活动关节，对并联运动机床的工作精度有很大的影响。另外它要承受杆自身的重力和主轴的作用反力。 机床外壳的结构决定了整个并联运动机床的结构。从受力均匀方面考虑，五根杆应该均匀的分布在机床外壳上。因为五个环型铰链成上下五个层面，所以考虑到杆与杆之间的干涉问题，把杆分布在两个平面上，上面的平面上均匀分布三根杆，下面的平面分布两根杆。 由于杆件之间以及杆件与框架之间的干涉， 5杆并联运动机构不能够在空间的任意位置实现运动平台 (主轴部件 )的 90度偏转。为了提高机床的动态工作性能和保证整个工作空间的有效性，引入冗余的数控回转工作台，使机床成为 5轴并联加1轴串联的 6轴混联结构。 五、总体结构方案 1)主轴驱动电机为铣削用电主轴，额定转速为1500r/定功率为 500W； 2)机床的加工范围（工作空间）为 400 400 300工工艺为 3 5坐标铣削和钻削； 3)机床宽度小于或等于 1500 六、目前进展情况 通过在图书馆和网上查阅相关文献资料，了解到并联机床的国内外研究现状，掌握了并联机床的组成、分类及主要工作原理。在此基础上，对并联机床结构进行了总体方案的分析，并确定了总体设计方案，还有各机构构件的设计，以及确定了主要的技术指标。 七、目前存在问题及解决措施 并联机床运动学分析，包括正解和逆解问题，这部分算法比较复杂，是本设计目前需要解决的难点问题。 打算通过查阅相关书籍和文献，和找导师答疑，学习并联机床运动学的正逆解算法。 八、工作进度安排 第 12周：查阅相关文献资料，了解课题内容 第 34周：并联机床总体结构设计 第 56周：运动机床台体结构、分支结构设计 第 78周：机床运动分析，连接机构设计 第 910周：机床控制方式分析，驱动系统设计 第 1112周：完善设计，绘制图纸 第 1314周：撰写论文，准备答辩 参考文献 1卢强 . 基于 D. 南京理工大学 . 2002 2 鹿玲、陈修龙 D. 燕山大学 . 2008. 3朱煜等 . 并联机床设计理论、技术与设计环境 J. 中国矿业大学学报 (自然科学版 ). 2001, 30(3): 301 4韩先国 . 并联机床相关理论及设计方法研究 D. 北京航空航天大学 . 2002. 5 高建设 . 新型五自由度并联机床驱动输入选择与运动学标定研究 D. 燕山大学 . 2006. 1 2010071701 张启宇2 2010071607 陈冠超3 2010071616 张旭皓4 2010071612 李晓辉5 2010071204 吕建宏6 2010071212 黄启乐7 2010071318 谢江8 2010071123 胡旷南9 2010071210 席茂盛10 2010071322 张海鹏11 2009074105 龙江林12 2010074109 柯鑫楠13 2010074117 闫立伟14 2010075103 刘浏晨曦15 2010075113 刘畅16 2010075119 李潇涵题目名称学号 姓名机电工程学院中期抽查学生名单备注序号理论研究 工程设计 软件开发 科学实验 综合 理论 型 应用 型 文献综述 校内 校外6 2009074108 陈雅安 家用学生学习桌椅设计 许彧青 15 2009074117 张慧娟 工业设计专业成果互动展示设计 刘钦辉 28 2009075107 桑德麟 学龄前儿童台灯设计 许彧青 38 2009075117 刘璇 景润牌陶瓷餐具包装设计 徐威波 文管姓名题目类型 学生毕业设计地点正高题目来源 备注( 留降级生答辩时间)学号 姓名指导教师副高 中级理工在研科研项目生产实践 自拟附件2：哈尔滨工程大学 2013届本科生毕业设计(论文)选题汇总表学院 (系 ):机电工程学院 专业 :工业设计序号学生题目名称五轴并联机床结构设计 I 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、 响 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 ， 在设计过程中完成内容主要有以下几方面。首先，确定本设计的原始参数，根据原始参数提出了三种设计方案，通过分析和比较 确定本课题机床的 总体设计方案 为 5联机构 ；接着对5联机构 进行运动学分析；然后对 5联 机床进行详细设计，包括驱动支链伸缩杆结构，中间约束支链结构，球铰链和虎克铰结构以及机架和动平台等几部分的设计、计算以及校核； 最后 对 5联 机床的各零部件进行 三维实体 建模，并进行装配和运动学仿真。 关键词 ： 并联机构；运动反解；滚珠丝杆螺母副；三维建模 哈尔滨工程大学学士学位论文 in It is NC of in of of of of of so at of of to be in as we to of on by of of we to we a we a of we a of of 轴并联机床结构设计 尔滨工程大学学士学位论文 轴并联机床结构设计 V 哈尔滨工程大学学士学位论文 轴并联机床结构设计 录 第 1 章 绪论 . 1 究的背景及意义 . 1 内外研究发展现状 . 2 外研究现状 . 2 内研究现状 . 4 课题主要研究的内容 . 5 第 2 章 总体方案设计 . 7 始参数确定 . 7 体设计方案确定 . 7 章小结 . 10 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 . 16 动支链伸缩杆结构设计及计算 . 16 珠丝杠副的计算、选用和校核 . 16 动轴承的选用和校核 . 19 进电动机的计算、选型及校核 . 20 轴器的选用及校核 . 25 心滚珠花键副设计 . 25 链结构设计 . 27 铰链结构设计 . 27 克铰结构设计 . 27 主轴选型 . 28 间约束支链结构设计 . 29 滑杆结构设计 . 29 线轴承选型 . 29 哈尔滨工程大学学士学位论文 滚珠花键副设计及计算 . 29 平台设计 . 32 章小结 . 32 第 5 章 五轴并联机构的运动仿真 . 33 模与仿真环境 . 33 要零部件三维模型的建立 . 33 件装配与爆炸视图 . 34 动仿真 . 36 章小结 . 36 结 论 . 37 参考文献 . 38 攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 . 40 致 谢 . 41 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 究的背景及意义 在当今发展得越来越迅速的工业制造行业 ，对机 床的要求 变得越来越高。为了促进现代机床对当今生产环境的适应性，以及满足目前迅速变化的市场需求，全球的机床制造行业都在致力于使机床变得更轻和具有更高的刚度，以及获得更高的加工精度和更大的加工范围 1。传统机床的局限性太大，全球的机床制造行业都从机床的结构上寻找新的突破，积极探索和研发新型的制造装备系统。其中，具有突破性的进展创新的结构应属在九十年代中期出现的并联机床 2。 并联机床从本质上来说是机床学和机器人学两个领域互相交融产生的产物，进给传动机构采用了并联机构，从整体的结构创新上体现了现代系统集成的思 想，是目前高科技机电一体化的新型产品 3。并联机床作为当今新型的制造装备，从功能上看，它可以对零件进行加工和测量，并且具有装配和搬运物料等功能，是多功能集中于一身的产品。从性能上看，它具有柔性高、速度高、精度高、重量轻、成本低和可模块化等特点。另外，并联机床相比传统机床来看，具有以下一些优点 4： （ 1） 刚度 与 重量 的 比 值较 大。 因为并联机床的传动系统采用的是杆系结构，这些杆系是并联闭环的，在静态情况或准静态情况下，他们仅受到 拉压载荷 ，就相当于二力杆，因此单位重量的承载能力很高，使得刚度与重量的比值较大。 （ 2） 环境适 应 能力很 强 。并联机床的模块化很高，通过不同构型组合可具有不同的自由度。此外，在动平台上安装不同的工具可实现各种功能。譬如，安装的是刀具则可以对材料和零件进行多坐标轴上的 铣、钻、磨 等加工。如果装备的是机械手的腕部则可以完成精密装配，若是激光束则可以进行特种加工，若是检测探头则可以进行测量的作业。 （ 3） 机构 响应速度 非常 快。 并联机床的运动部件采用的是并联机构，相比传统机床，它的惯性获得了大幅度的降低，大大得改善了控制系统的动态性能，整体的响应速度变得非常快，非常适合于各种高速数控加工。 （ 4） 技术附加值 很 高 。并联机床的整体 机械结构相比传统机床简单，但控制系统非常复杂，编程算法方面是一个研究难点，可以说它是一种 高技术含量的机电一体化 的制造装备 5。 因此，并联机床被 大家公 认为 具有 多功能 、高性能、 可重组 模块化的 21 世纪 新型哈尔滨工程大学学士学位论文 2 制造装备 系统 。 本课题是五轴并联机床 机械 结构的设计， 属于 少自由度并联机构的一种。 目前大部分的关于并联机床的研究都是针对六自由度并联机构，而 对五自由度的并联机构 的 研究相对 比 较少， 所以 可选用的机构构型也比较有限， 从 而影响了 五轴并联 机构的实际应用6。本课题设计 的 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 五 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 一定的 理论依据。本课题的研究，有利于进一步认识五轴并联机构的特性，为这种五轴并联数控机床的研制奠定 一定的 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 一些 参考。 内外 研究 发展现状 20 世纪 50 年代 年设计出来 来并联机构，这种机构一开始是用来检测轮胎的疲劳度；然后到 20 世纪 60 年代德国的 设计航空模拟器的时候采用了并联机构，这举动在业界引起了很大的影响，从此并 联机构又称作 构 ；再然后到20 世纪 80 年代澳大利亚的 机器人结构设计中引入了并联机构，从这之后，并联机构引起了众多研究学者的广泛关注。 外研究现状 1994 年 ， 司 研发 出的 联机床 在 美国机床 展 览会上 亮相并受到普遍关注 7。如图 示， 床的机构是六根伸缩杆两两相互 交叉形成三个 “ X” 结构，相比其它结构，该结构可获得的工作空间更加大，另外它的控制算法也更简单。 出现是机床结构改革的新起点，它 被称为 “ 21 世纪 的机床 ”8。 并联机床的横空出世，弥补了传统机床的很多不足，以其高刚度，高精度，动态性能好，可模块化，可加工复杂曲面等优点获得了国际工程界的众多注目，各国的高校和研究所都大力投入研究和开发。 如图 示 为瑞士研发的 并联机床 并联机床的结构比较独特，它的六根杆系的杆长不变，六根杆分别和六个滑块相连，六个滑块分布在三条互相平行的导轨上，滑块通过直线电机的驱动在导轨上滑动，滑块运动带动杆系运动，从而实现动平台的位姿变化 9。 随着对并联机床研究的深入，大家发现纯并联机构有一些明显的缺点 ，譬如位 姿 求解复杂，位姿的耦合过强等等。然后，并联机床出现了一种新的发展趋势，就是混合串第 1 章 绪论 3 并联机构。 图 图 瑞士 图 由 司 研发的 并联机床 种采用混合串并联机构的 五坐标铣床 。该机床的传动进给部分是并联机构，机床的头部是一个双 摆头串联机构 ，这种混合串并联机构的特点是使机床获得了更高的高度，可实现大进给量的加工。 如图 示 为 学 开发的混合串并联 机床 的工作部位是 串联机构 ，该机床的主要功能是迅速 修 理和装 配大型模具 。特点是机床本身可以移动，这样在大型模具不动的情况下可以移动机床对大型模具进行加工。 混合串并联机构机床融合了传统机床和新型并联机床的优势，是一种新的机床结构发展方向，具有非常大的发展前景 10。 图 司的 图 学的 尔滨工程大学学士学位论文 4 内研 究现状 从 上 世纪 九十 年代中 期开始 ， 我 国 的各大高校和研究所对 并联机床也开始 了研究和开发。 1998 年， 清华大学 研发的 并联机床 相在第 五届国际机床 博 览会上 。如图 示， 我国第一次成功研发的并联机床，具有重大意义 11。为了提高机床的动态灵活度，避免杆系的互相干涉和扩大加工范围，该机床的动平台和静平台上的铰链是分层次分布的。 如图 示 为 北京航空航天大学 开发的 并联刀具磨床 使用型样机，该机床的加工和定位的精度达到了 6m，整体的结构布置是卧式的。 图 清华大学的并联机床 图 并联刀具磨床实用型样机 随着 对并联机床 研究的深入，国内也 开始了对混合串并联 结构机床 的研究 。如图 清华大学 与 大连机床集团 联合开发的 五轴 混合串 并联机床 机床通过三根杆系的并联机构实现动平台三坐标 平动 ，另外在动 平台上串 连了两个转动铰链，从而实现了五轴加工。 图 轴并联机床 图 坐标并联机床 第 1 章 绪论 5 相比完全并联机床，少 自由度 并联机床 以其机械结构简单，控制算法更容易，精度更高等优势慢慢地得到机床界的关注和重视。 如图 示 是 德国 司 研发的三坐标并联机床 机床 Z 坐标 轴 方向的运动是由 滚珠丝杠带动工作台 转动，在 X、 Y 坐标 轴 方向的运动是由 并联机构 进行传动，整个机床 占地面积 很小，并且可以自动校正精度。 从第一台并联机床诞生至今， 全球 范围各大机床生产商和各大高校以及研究所一共开发出来不少于三百种不同类型的并联机床，其中大部分都是实验样机，还不能够投入到生产实践中。从理论上来看，相比传统机 床，并联机床具有非常大的优势，但是目前并联机床仍然有很多难点没有办法克服，大概有下面几个方面： （ 1）并联机构理论 方面的研究还不够成熟。包括 正解算法 的 快速 求解 ，工作空间实用 性 的描述 理论 ， 机构 奇异 性的 分析 以及运动学和 动力学 的分析和建模和 尺度综合方法等 的研究都还不够深入。 （ 2） 并联机床的 精度 还不能达到精准加工要求 ， 因为仍然没有更有效的方法对动平台的位姿实现实时的监控，所以没有办法对机床进行全闭环的控制，还不能获得很高的动态性能。 （ 3） 与 并联机床 相匹配的 数控系统 还没研发出来。在控制方面，并联机床与传统机床的控 制算法和体系结构都不同，目前还没有针对并联机床的特点而专门开发的数控系统。 与具有上百年历史的 传统机床相比 ， 并联机床 还太年轻了 12。 并联机床 作为机床大家庭里的一份子，目前还有很多的理论和技术难题需要去克服，同时它也个给行业内带来了活力和创新。相信经过大力对并联机床的研究和开发，一定会实现并联机床的产业化，并真正投入到生产中。 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。 主要内容 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 ； 哈尔滨工程大学学士学位论文 6 （ 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） 三维实体建模和运动学仿真 。 第 2 章 总体方案设计 7 第 2 章 总体方案设计 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： （ 1） 加工范围： 2 ，主轴姿态角 25 ； 2 ，主轴姿态角 0 ； （ 2） 电主轴功率： （ 3） 电主轴转速 范围： 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： 3 。 体设计方案 确定 并联结构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13。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 该机构由 是 五 根伸缩杆运动支链，动平台和定平台以及连接铰链这几部分组成。五个伸缩杆分支的一端通过 万向铰与机架 （定平台） 相连 ， 另一端通过 圆形 转环与主轴 （动平台） 相连 ，其中最下面的 转环 与 主轴 固定，起到 约束 动平台绕 Z 轴转动来减少一个转动自由度， 五个 运动 分支通过伸缩变化实现 动平台 五自由度运动，在主轴上安装刀具 来 实现不同的加工 要求 14。 优点：该 机构 采用了五个可以 360 度旋转的转 环 来连接五个运动伸缩杆分支与动平台，这样的方法让约束铰链的工作角度范围没有了局限，使得机床主轴的 偏转角大于 90度 ，大大增加了动平台的活动范围。 缺点：这种方案的机械结构相对比较简单，但是它的运动学反解算法比较复杂，使得它的控制系统很难操作。另外，没有很好的办法对动平台的位姿进行实时 检测 ，所以该机床的运动精度不好控制。 哈尔滨工程大学学 士学位论文 8 图 五杆五环并联 结 构 方案二： 4联结构 如图 该 机构由五条固定杆长的支链，电主轴（动平台），机架（定 平台）和连接铰链这几部分组成。其中四条运动支链的一端通过 虎克铰 与动平台连接，另一端通过球铰 与运动滑块相连，四个运动滑块分别两两在机架（定平台）上的两个在同一平面而且平行的导轨上做直线运动，另外一条运动支链一端通过 虎克铰 与动平台相连，另一端通过 虎克铰 与在另一平面 作直线运动的滑块 连接 15。整个机构通过滑块的直线运动来控制动平台实现不同的位姿。 优点：该机构的整体机械结构非常简单，运动学正逆解法也并不复杂，利于数控系统的闭环控制。 缺点：动平台上安装电主轴， 机床的主要铣削力矩 是由五个运动支链来承担，当 铣削力矩 较大时会产生较大的震动影响加工精度。 图 4联结构 第 2 章 总体方案设计 9 方案三： 5联结构 图 5联结构示意图 如图 机构由五个伸缩杆驱动支链，中间约束支链，定平台（机架），动平台以及球铰和 虎克铰 这几部分组成。五个伸缩杆驱动支链的一端通过 虎克铰 与机架（ 定平台 ）连接，另一端通过 球铰与动平台相连 ，中间约束支链上边一端通过双滑轨机构的移动副与机架（ 定平台 ）连接，下边通过 虎克铰与动平台相连 16。整体结构通过控制五个伸缩杆驱动支链的长度来使动平台获得 不同的位姿。 优点：从整体机构看，刚度与重量的比值大，机械结构简单；中间的约束支链限制了一个转动自由度，并且承受了大部分动平台的载荷和主要 铣削力矩 ，使得动平台运动惯量较小，机床动态性能和稳定性好；机床的运动学正反解简单，中间约束分支有非常简单的反解形式，通过在中间分支安装位置检测器对动平台实时监测，可以对并联机床进行闭环控制，大大增加机床的加工精度。 缺点：受到铰链的工作范围的制约，机床的工作空间相对较小。 比较上面三种方案， 方案一的机床加工范围更大，但是在闭环控制方面有劣势，动态性能较差。方案二的整体机械 结构更简单，但是机床的稳定性不好。方案三的优点较多包括机床动态性能和稳定性好，运动学正反解简单易于进行闭环控制等，而缺点是加工范围相对较小，但仍可满足原始参数的加工要求。 所以最终选择方案三，即5联结构 。 哈尔滨工程大学学 士学位论文 10 如图 5联结构 的示意图，其结构组成如图所示： 图 5联结构 示意图 章小结 首先确定了并联机床的原始参数，根据原始参数提出了五杆五环并联结构 ，4联结构 和 5联结构三种并联机床的设计方案， 通过比较三种方案的优缺点， 最后确定总体设计方案为 5联结构 ，并给出了 5结构组成。 第 3 章 运动学分析 11 第 3 章 运动学分析 由度计算 本机构类 是并联机构， 属于闭环机构。自由度的计算不如开环机构明显， 故 采用式 gi (6 (3式中 M 机构的自由度数 n 构件 的 总数 g 运动副 的 总数 第 i 个运动副的相对自由度数 由图 2见，机构构件 的 总数为 5，运动副 的 总数为 19，其中 1 个自由度的移动副 有 7 个， 1 个自由度 的 转动副 有 1 个， 2 自由度的虎克铰 有 6 个， 3 自由度的 球铰 有 5个 ，一共是有 35 个 自由度数。将其代入式 (3 有 535)11915(6)1(61 gi (3因此， 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 各种 连杆 和 运动副 这两部分 组 合 成 的，在 空间机构 里我们将假定全部的 连杆 都为 刚性的 ，那么 空间运动链 都是通过各 运动副 相连的 各 连 杆 组合成的，一般将使用 法 来 建立坐标系 来表达各连 杆 间的 相对位姿 。 如图 示 ，通过 采用 对 中间约束 支链建立了 坐标 系 ，并且 基坐标系 O 和 定平台 相 固 定 的 固 定坐标系 如表 2示 为对应的 数 。 其中， 1d ， 1 ， 1 ， 2 ，3为 变量 ， )90(2 为 常量 。 根据 数 ，得到 动平台 的 坐标系 B 相对于定平台坐标系 A 的转换矩阵为 244223243243322232232432030)()()()()()( (3哈尔滨工程大学学 士学位论文 12 图 中间 约束 支链的 坐标示意图 表 2中间 约束 支链的 数 其中 ， s in;c o s);s )();c o s ()(32323232 那么 就是 动 坐标 系相对于定 坐标 系的旋转变换矩阵 。 如果是采 用 拉角 ( , )来表达 动平台的姿态， 那么有 1000),(3其中， c o s;s in;c o s;s in;c o s;s 那么 ),( 动平台的位姿参数 。而 是 动 坐标 系相对于定坐标 系的旋转变换矩阵 。 通过 这 两种变换矩阵形式 的相比计算 ， 求解 得 到： i 1i1i 0 0 1d 0 2 0 0 0 2 3 2 0 0 34 0 2 0 4 第 3 章 运动学分析 13 90)(由式 (3以得到 90 ， 也就是说在 动平台的 位姿 参数中绕 动平台 的 法线 方向 )的欧拉角 是 一 个 常数， 那么对应的 绕动平台其自身法线 方向 转动的角速度为 0， 由此可 以知道 中间 束 支链 在 机床 的运动中 ， 将 一直制约 动平台绕 其 自身法线 方向旋转 ， 也就是说在机床运行中电主轴 绕自身的 旋转这个 冗余的自由度 将 被 始终 约束 17。另外， 中间 束 支链并不 具有 驱动 副 ，而是作为 一个被动 支链，因此它将承受机床大部分的载荷和 扭矩 。 个驱动支链运动学反解分析 如图 2示 在 5联结构 的定平台和动 平台上分别建立坐标系， 在 定平台上 建立 定坐标系 ， 在 动平台上 建立 动坐标系 。 关于从动平 台的位 置姿态 反解 求杆系 的伸缩量， 动平台 的位置姿态),( 开始是已知的，那么假定 R 是动平台位置姿态的方向余弦矩阵， 是 动坐标系 的 原点 处于 定坐标系 中的位置 矢量。 由原始的机床机架和动平台的各个尺寸参数，并根据它们的几何关系，可以分别计算到动平台和定平台的五个铰链支点在自身的坐标系中的坐标数值。 位于定平台上的 5 个铰链支点不是平均分布的，其中一个铰链支点 1T 是与 的原点相距 780外的 4 个铰链支点 5,2,1 是平均分布在半径是 720处在 平面的圆上，相隔的角度是 90 ，由这些数据可以计算得位于定平台上的铰链支点 5,2,1 坐标系 中的 坐标 值是： 位于 动平台上 的 5 个铰链 支 点 是平均分布的 ， 分布在 半径为 200处于 平面的圆上 ， 相隔的角度是 52 ，其中第 一个铰链 支 点 坐标系 的 Z 轴反方向， 那么位于 动平台上 的 铰链 支 点 5,2,1 动坐标系 的坐标 值是： 哈尔滨工程大学学 士学位论文 14 动平台 的 铰链 支 点 5,2,1 标系 中的 位置矢量为 那么就能知道五根伸缩 杆 的 杆长 处于 定坐标系 里 的矢量 是 也就是 ,那么有 (3另外，通过 ZY , )来表达 方向余弦矩阵333231232221131211 那么有： R co ss i ns i R s o sc o sc o R R co ss R s i nc o sc o ss i ns i RR R 90 ， 所以 R 可以简化成： 0 (3由 五 根伸缩 杆 的 端点 的 坐标 值以及定平台和动平台铰链 端点 的 坐标 值 ，即可求得各伸缩 杆 的 长度为 ： 222 )()()(3通过式子 (3以根据动平台位姿 进行逆解计算，就能算出五根伸缩杆的杆长，然后再同加工代码里的杆系长度来相比计算，算得这些杆系的长度误差，由此来实现误差的补偿，达到系统的闭环控制，从而增加机构的生产精度。 章小结 本 章节 主要 是 对 本 5联机床进行了运动学分析， 包括以下几部分： (1)对该并联机构 进行自由度数的计算 ， 得到 该机构为五自由度机构。 (2)利用 数法 对中间 约束分支 进行分析， 得出 中间 束 支链 在 机床 的运行 中将 一直制约 动平台绕 其 自身 的 法线 旋转 。 (3)对 五 根伸缩杆分支进行了 运动学 的逆 解 运算 ， 并得出 式 子 (2利用式子可以第 3 章 运动学分析 15 对机构的位置姿态 进行 逆 解 计算，从而可求出 五 根伸缩 杆 的 杆长。 哈尔滨工程大学
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