贾建桥类SCARA动平台可连续回转并联机器人结构设计提交前期报告.doc

河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：类SCARA动平台可连续回转并联机器人结构设计专业：机械设计制造及其自动化学生信息： 学号 :080428 姓名 :贾建桥 班级：机设084指导教师信息： 姓名：张建军 职称：教授报告提交日期：2012/3/12 一课题研究目的和意义机器人的诞生是20世纪人类科技发展的重大成就。机器人在先进制 造、航空、微电子、包装等领域得到广泛应用，为这些行业的发展注入新的活力。随着工业技术快速发展，高速度、高精度操作成为现代工业机器人的主题和发展趋势。SCARA机器人由轴线平行的三个回转关节和一个与回转轴线方向一致的移动副串联组成，并广泛应用于需要高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等场合。不过，由于SCARA(串联)机器人采用串联开环机构，加之每个关节或运动副均需电机驱动，因而增加了运动部件的质量，影响了机器人末端操作手的操作刚度和动态特性，在实现高精度、高速度操作时受到一定程度地限制。并联机器人驱动电机一般安装在机座上，运动部件质量小，末端操作手的操作刚度和动态性能好，改善了串联机器人的不足。并联机器人这一固有特性为实现高速度、高精度操作提供了保障，但并联机器人安装空间较大，工作空间相对较小，末端操作手回转能力相对不足(不能实现连续回转)，因此并联机器人在工业方面应用在一定程度上也受到限制。二 本课题国内外研究现状和发展趋势1 并联机床发展并联机床( PARALLEL MACHINE TOOLS) 又称为并联结构机床( PARALLEL ST RUCTURED MACHINE TOOL S) 、虚拟轴机床(VIRT UAL AXIS MACHINE TOOL) ,也曾被称为六条腿机床、六足虫( HEXAPODS) ,在国际上一般称为PARALLEL KINEMATIC MACHINE (PKM) ,PKM 似乎已经成为目前国际上对并联机床约定俗成的称呼,它们都是以STEWART 平台为基础的. 它的出现不仅引起了世界各国的广泛关注,而且被誉为“机床结构的重大革命”,制造业给予高度的重视.并联机床以空间并联机构为基础,充分利用计算机数字控制的潜力,以软件取代部分硬件,以电气装置和电子器件取代部分机械传动,使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化1 .图1 STEWART 平台机构并联机床与传统机床的区别主要表现在:传统机床布局的特点是以床身、立柱、横梁作为支承部件,主轴部件和工作台的滑板沿支承部件上的直线导轨移动,按照X、Y、Z 坐标运动叠加的串联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹;并联机床布局的特点是,以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构,主轴部件安装在并联机构的动平台上,改变杆件的长度或移动杆件的支点,按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹.与传统串联机床相比并联机床具有如下优点24 : 并联机构的执行构件的误差不再是简单的线性累加,工作头更容易获得高的精度; 并联机构的执行机构运动灵活,很容易实现多自由度联动,从而更易于实现空间曲面的加工; 并联机床反解容易,轨迹规划简单,易于控制; 并联机床结构简单,零件总数较少,成本容易控制; 并联机床中的主要变形构件以承受拉压力为主,而由于闭环力流封闭,使机床具有较高的刚度重量比; 并联机床移动部件质量小,响应速度快,动态性能好,更适于高速加工; 并联机床的模块化程度高,易于重构; 并联机床硬件简单,软件复杂,具有更的技术附加值. 因此,并联机床是新一代机床结构的重要发展方向.1965 年,STEWART 5 提出一种新型6 自由度的空间并联机构,它由上下两个平台和6 个并联的伸缩杆组成,每个伸缩杆和上下平台之间通过两个球铰链连接,称为STEWART 平台. 如图1 所示. 经过30 多年的不断改进和发展,STEWART 平台演变出不同运动学原理和结构的空间并联机构,并在许多科学研究和工业领域获得了广泛应用. 其主要的应用领域有6 :运动模拟器、工业机器人、医用机器人、微定位机器人、天文望远镜、绳索机器人、并联机床等.2 国外并联机床研究现状国外对并联机床的研究是从20 世纪80 年代开始的,并于20 世纪90 年代相继推出了形式各异的产品化样机. 1994 年在芝加哥国际机床博览会上,美国的GIDDINGS & LEWIS 公司和GEODETICS 公司分别推出了各自的并联机床,在机床行业引起了轰动 78 .GIDDINGS & LEWIS 公司的VARIAX 型并联机床如图2 所示,机床的6 根驱动杆2 根一组交叉成“X”型,杆件长度的伸缩,使带有主轴部件的上平台完成加工零件所需的运动. 该机床占地面积为7800 MM 8180 MM ,而工作空间只有700 MM 700 MM 750 MM ,工作台面积630 MM 630 MM ,从空间利用的角度看,其结构不尽合理. 加之由于主轴部件配置为内铣型,安装工件也不太方便,因此没有在生产中获得应用. 后来该机床提供给英国诺丁汉大学工学院作为进行“航空工业敏捷制造”项目研究的设备.随后,美国INGER SOLL 公司(1994 年) 相继推出了采用并联机构的VOH21000 型立式加工中心(见图3)和HOH2600 型卧式加工中心( EMO97) ,这两台机床在结构上都作了较大改进,从内铣型改为外铣型,并明显缩小了主轴部件的体积,减轻了运动部件的质量,安装工件也比较方便,对并联机床的发展产生很大影响. 图4 为HO H2600 型的外观,该机床的底座采用基本构件组成的八面体绗架结构,据称这种结构刚性很好,力流封闭,机床安装时不用打基础. 该机床连杆的最大进给速度为30 M/ MIN ,加速度为015 G ,主轴转速为020000 R/ MIN ,最大功率为3715 KW ,最大扭矩为4911 NM ,自带刀库,能自动换刀9 .图2 VARIAX 型并联机床图3 VOH21000 型机床 图4 HOH2600 型卧式加工中心由于GIDDINGS & LEWIS 和GEODETICS 这两家公司的创新探索,对促进各国大学和研究机构开展并联机床研究起到了积极地推动作用. 各有关单位纷纷研制各种并联机构的原型样机,召开并联机床的国际研讨会,开设专门的信息交流网站.2000 年前后,并联机床在运动学原理、机床设计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和工业应用方面都先后取得重大突破. 世界著名的机床公司都相继推出新产品,发展了许多经过改进的机构原理和结构,并使并联机床进入了实用阶段.3 国内并联机床研究现状国内对于并联机床的研究是从20 世纪90 年代中期开始的,主要研究单位有燕山大学、东北大学、清华大学、天津大学、中科院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、华中理工大学和浙江大学等. 1998 年,清华大学在第五届中国国际机床展览会上展出了名为VAMT1Y的并联机床(见图5) ,该机床由清华大学和天津大学联合开发,是我国展出的第一台并联机床样机10 . 后来,清华大学11 又先后和云南机床厂、大连机床厂、江东机床厂合作开发了多台并联机床.图 5 清华大学的虚轴机床北京航空航天大学从1996 年开始从事并联机床的研究,于1999 年开发出一台虚轴刀具磨床实验样机. 1999 年天津大学在第六届中国国际机床展览会上展出了名为LINAPOD 的3 自由度并联机床,见图25. 该机床是由天津大学开发,天津第一机床厂制造的. 该机床的定位精度不大于20M. 沈阳自动化所于1995 年底研制出一台6 杆并联机器人机床样机,后来又开发出一台龙门式4 杆5 轴并联机床. 哈尔滨工业大学于1998 年研制出6 坐标BJ 系列并联机床(见图26) ,并在1999 年的机床展览会上展出1213 .2001 年在北京举行的国际机床展览会(CIMT2001) 上,哈工大又与哈尔滨量具刃具厂合作推出了一台商品化的并联机床14 (见图6) . 该机床可以对水轮机叶片等复杂曲面进行加工, 加工精度可达0102 MM.图6 哈工大的BJ22 并联机床图7 北大学的三杆32DOF 机床图8 东大的三杆52DOF 机床 东北大学先进制造与自动化技术研究所,从1995 年开始对少于6 杆的并联机构作了大量研究,并于1997 年推出了一台三杆32DOF 并联机床(见图7) ,开创了我国开发研制低于六个自由度的并联机床的先河. 该三自由度并联机床采用TPT 型支链结构,具有三个移动自由度,基本克服了六自由度STEWART 并联机构工作空间小、耦合性强的缺点,应用范围广. 1999 年东北大学研制出我国首台三杆52DOF 度并联机床 15 (见图8) ,用于复杂曲面的加工. 该三杆五自由度并联机床是在三自由度机床的基础上增加了两个转动自由度构成,从而扩展了机床的加工能力. 该成果已通过国家863 验收,省级技术鉴定,达到国际先进水平,机床本体设计获得国家专利(专利号:9722931116)这为具有完全自主产权的并联机床国产化创造了条件.计划进度表工作任务 时间进行前期调研工作，查阅相关的国内外资料，写出前提报告，对所查资料进行文献综述3月5日3月18日设计方案和传动方案优选3月 19日 4月1日相关分析、计算，绘制机械系统装配图，期间提交中期报告4月 2日5月 20日拆画零件图5月 21日5月 30 日撰写设计说明书6月 1日 6月 8日答辩6月9日6月12日参考文献 1 雷源忠. 现代制造科学的新发展J . 中国机械工程, 1999 ,10 (9) :9622965. 2 汪劲松,黄田. 并联机床机床行业面临的机遇与挑战J . 中国机械工程, 1999 ,10 (10) :110221107. 2 MERLET J P. 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