1_【毕业设计论文】并联机床实验台总体结构设计-并联机床实验台总体方案设计论文【有对应的CAD图】

XX 大学 毕业设计(论文) 毕业设计（论文）题目 所 在学 院 专业 班级 姓名 学号 指 导老 师 年月日 声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计是我在导师的指导下独立进行研究本人郑重声明：所呈交的毕业设计是我在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以注明引用的内容外，本所取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以注明引用的内容外，本 设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本设计设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本设计 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明，并表示了的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明，并表示了 谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年作者签名：日期：年 月月 日日 毕业设计版权使用授权书 本设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学院本设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学院 保留并向国家有关部门或资料库送交毕业设计的纸质版和电子版，允许毕保留并向国家有关部门或资料库送交毕业设计的纸质版和电子版，允许毕 业设计进入学院图书馆被查阅和借阅，本人授权闽南理工学院可以将我的业设计进入学院图书馆被查阅和借阅，本人授权闽南理工学院可以将我的 毕业设计的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、毕业设计的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计。缩印或者扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计。 保密保密在年解密后适用本授权书；在年解密后适用本授权书； 本设计属于：本设计属于： 不保密不保密。 （请在以上相应的方框内打（请在以上相应的方框内打“” ） 作者签名：日期：年月日作者签名：日期：年月日 指导教师签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日 毕业设计答辩小组成员名单 姓名职称单位备注 机械设计服务(有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 组长 注：样稿，论文不完整，勿抄袭 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书 并联机床实验台总体结构设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 摘 要 随着信息技术的进步和全球化制造技术的进步， 企业为了提高自身的竞争力， 要求配置 效率更高成本更低的加工设备， 而传统机床在未来的加工业中会遇到难以克服的困难， 例如 在高速加工中（轨迹速度达到 5 0 m / m i n ）和高效空间曲面加工及机床的通用性方面将无法满 足现代加工技术的要求。因此探索和研究一种现代化机床具有十分重要的意义。 虚拟轴机床与传统的串联式数控机床相比具有很多优越性。传统数控机床各自由度是 串联相接的，呈悬臂结构，且层叠嵌套致使传动链长，传动系统复杂，累计误差大，而精度 低，成本昂贵，至今多数机床只是 4 轴联动，极少 5 轴。而虚拟轴机床的并联式加工中心结 构特别简单，传动链极短，刚度大、质量轻、切削效率高、响应快，特别是很容易实现六轴 联动，因而，能加工更复杂的三维曲面，且其加工精度和加工粗糙度都直接由控制程序来保 证，因此，硬件成本低，而软件附加值高，是一种技术附加值极高的机电一体化产品。 此研究课题针对现今的机加工趋向， 制定了设计一部并联机床实验台的任务， 作者与合 作人共同设计。 其中的并联部分分配给了合作者， 作者主要负责并联机床实验台的总体框架 结构设计。 平台大致由并联机构三根并联丝杠（驱动电机） 、铸铁机架、装卡平台和电主轴以 及弹簧铣夹头组成。 关键词：并联机构、虚轴加工、雅可比矩阵、正解算法 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 Abstract With the progress of the information technology and the development of the global manufacturing techniques, enterprises require more efficient and lower cost machines by reason of enhancing their competitive ability. But conventional machine tools will encounter many difficulties which are hard to overcome in the future, for instance of high- speed machining ( path speed exceeding 50m/min)and high efficient space curved surfacing machining as well as flexibility of machines. Thus, it is very important to explore and study kind of modern machines. Be compared to the normal numerical control machine tool, it has larger rigidity, stronger carrying capacity, smaller error, higher precision, smaller ratio of self- weight and load, better dynamical capacity, less investment of hardware, but stronger function of software. All of these show its high additional technical valve. This research topic for the current trend of the processing machine, developed a design of a parallel machine test- bed task, which the Author co- design and a partner. Some of them parallel to the allocation of the partner, the author mainly responsible for the PMT test- bed framework of the overall structural design. Platform from roughly parallel bodies - three parallel screw (motor driven), cast iron rack, with card platform and Spindle and milling chucks of spring. Key words: parallel instruction, virtual axis processing, Jacobian Matrix, positive solution algorithm 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目 录 第 1 章 绪论.1 1 . 1 课题背景与意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 . 2 并联机床发展历史及现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1 . 3 本文主要研究内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 第 2 章 重要零部件选型6 2 . 1 依照主轴功率确定电主轴型号. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2 . 2 选择主轴下部刀具夹头. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2 . 3 选择工件的装卡方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 第 3 章 实验台支承部分及其连接的方案.1 1 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 . 1 机架的设计方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 3 . 2 铸造机架的材料及热处理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 4 3 . 3 机架的截面形状、壁厚及周边筋的布置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 4 3 . 4 立柱与底座的连接方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 6 3 . 5 底座的造型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 6 第 4 章 实验台驱动电路1 7 4 . 1 电路布线方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 7 4 . 2 电路控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 7 4 . 3 电路控制连线原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 7 第 5 章 实验结果及三维建模.1 8 5 . 1 设计并联实验台结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 8 5 . 2 实验台S O L I D W O R K S建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 8 第 6 章总结与展望.1 9 参考文献.2 0 致 谢2 0 第 1 章 绪 论 1 . 1 课题背景与意义 为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，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 (ParallelMachineTool) ， 又 称 虚 ( 拟 ) 轴 机 床 (VirtualAxisMachineTool)或并联运动学机器(ParallelKinematicsMachine)。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： 刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件 理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。 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，因而特别适于各种高速数控作业。 环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在 动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手 腕、高能束源或 CCD 摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。 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。 目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于 90 年代中期相继推 出结构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 Ingersoll 铣床公 司、Giddings北京市机电院展出了主轴转速为 15 000 r/min 的五轴高速立式加工中心;清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的 XNZ63,采用标准 Stewart 平台结构,可实现六自由度联动;大连机床厂自行研制的串并联机床 DCB- 510,其数控系统由清华大学开发,该机床通过并联机构实现 X、Y、Z 轴直线运动,由串 联机构实现 A、C 轴旋转运动,从而实现五轴联动,其直线快速进给速度可达 80 m /min。本届 机床展最先进、 最好的展品是北京机床研究所的两台纳米级机床和一台高精度数控机床。 其 中的 NAM - 800 超精度数控车床是我国纳米加工机床的最新成就,在世界上也是超一流的。 它应用于激光、航空航天、军工等最前沿的领域,主轴回转精度和反馈系统分辨率、控制系 统分辨率分别达到了 30 纳米、215 纳米和 5 纳米。近年来,并联机床向着集成化、模块化方 向发展,国内外出现了一系列的以并联机床为核心的小型化加工中心。 自从 1965 年 Stewart 提出著名的 Stewart 平台机构,从此开始了基于 Stewart 并联机构的 虚拟机床研究。但开始时人们还只是对这种机构停留在理论分析上。目前,国内外关于并联 机器人的研究主要集中在以下几个方面:并联机床组成原理研究和结构设计,并联机床的工作 空间和工位奇异性研究,并联机床特性(刚度、精度、柔度、灵巧度)的研究,并联机床动力与 控制策略的研究等。其中在一些方面已经取得了丰硕的成果,并成功应用于实践。 并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计 (包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等)。并联机床刚度、精度、柔度、 灵巧度的研究。 并联机构封闭回路的特性， 使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度， 但这个特性引起的耦合问题， 相对的形成在动力分析上很大的困扰， 因此对其研究应予以足 够的重视。关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究(及机床制造前 精度设计和精度描述)和系统输出精度研究(及机床制造后输出数据处理和精度评价)。 并联机 床柔度的研究包括柔度分析、 柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。 灵巧度主要研 究灵巧度指标及其分布等。并联机床误差研究。 包括误差分析、建模及误差精度保证、测 量系统设计等问题。并联机床模块设计与创建。 根据工件加工的空间型和平面型，相应地 把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。 并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：执行模块；机座模块(静平台模 块)；动平台模块；机架模块；定位模块；驱动模块；控制和显示模块；润滑 与冷却模块。新型虚拟轴数控机床的研究。 虚拟轴数控机床是“要用数学制造的机床” 。因 为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。目前对于 Stewart 平台的理论 研究已取得一些关键结论，还需进一步研究 Stewart 平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的 研制提供理论基础。并联机床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 直接控制、开放式数控系统等。虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂，因此这 方面的研究在并联机床的研究中具有举足轻重的作用。 1 . 3 本文主要研究内容 给定主轴功率 1kw，加工范围半径为 350 的半球体，主轴倾角2 5 以上述参数，自行设计并联机床总体零部件及装配方案。 涉及到电主轴、刀具夹头、装卡夹具、立柱、底座、电源走向、安装定位等的选用及其 设计。 动力学问题 刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数整定的理论基础。 这类问题可归结为已知动平台的运动规律， 求解铰内力和驱动力。 相应的建模方法可采用几 乎所有可以利用的力学原理，如牛顿尤拉法、拉格朗日方程、虚功原理、凯恩方程等。由 于极易由雅可比和海赛矩阵建立操作空间与关节空间速度和加速度的映射关系， 并据此构造 各运动构件的广义速度和广义惯性力，因此有理由认为，虚功(率)原理是首选的建模方法。 动态性能是影响并联机床加工效率和加工精度的重要指标。并联机器人的动力性能评价 完全可以沿用串联机器人的相应成果， 即可用动态条件数、 动态最小奇异值和动态可操作性 椭球半轴长几何均值作为指标。 与机器人不同， 金属切削机床动态特性的优劣主要是基于对 结构抗振性和切削稳定性的考虑。 动态设计目标一般可归结为， 提高整机单位重量的静刚度； 通过质量和刚度合理匹配使得低阶主导模态的振动能量均衡； 以及有效地降低刀具与工件间 相对动柔度的最大负实部，以期改善抵抗切削颤振的能力。由此可见，机器人与机床二者间 动态性能评价指标是存在一定差异的。 事实上， 前者没有计及对结构支撑子系统动态特性的 影响， 以及对工作性能的特殊要求； 而后者未考虑运动部件惯性及刚度随位形变化的时变性 和非线性。因此，深入探讨并联机床这类机构与结构耦合的、具有非定长和非线性特征的复 杂机械系统动力学建模和整机动态设计方法， 将是一项极富挑战性的工作。 这项工作对于指 导控制器参数整定，改善系统的动态品质也是极为重要的。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第 2 章 重要零部件选型 2 . 1 依照主轴功率确定电主轴型号 按课题要求主轴切削功率为 1kw，以课题的三杆并联机床结构来看，周边立柱呈现 120 度圆周矩阵形式，主轴必然要在正中心，固定于三连杆下端的动平台上。 主轴功率 1w， 可知主轴所产生的外力偶矩 m=9550P/n， 主轴电机选型转速 n=24000r/min， 由此可推算出外力偶矩 m=9550 1 / 2 4 0 0 0 = 0 . 3 9 8 N m 经过多方查询，最终确定了电主轴型号：为 X C S D 1 0 0 Z 2 4 ，详细参数见下表所示。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 电机 功率 (kw) 尺寸(mm) 型号 S1/S6 恒功 率段 电 压 (V) 电 流 (A) 转速 r/min 频率 (HZ) 润 滑 轴端 连接 D L D1 D2 D3 L1 L2 N- d1 d2XL3 XCSD100Z24 1/1.4 8000 20000 215 380 3.8 24000 133.3 333.3 油 脂 UC10 100 260 65 / / 32 71 / M10 2 . 2 选择主轴下部刀具夹头 电主轴已经确定为 XCSD100Z24，就要考虑刀具的安装为题了。 从上表可以看出，其主轴电机输出端为 UC10，查机械师设计手册后得知，UC10 是一种 可以周向旋转角度的关节轴承， 用于调整位置度的连接轴承， 这种轴承恰恰解决了题目中要 求的主轴倾角达到2 5 。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 U C 1 0 关节轴承纵向剖视图 已知关节轴承型号，查手册其装卡直径为 1 0 m m 。 关键参数均为已知量，接下来就可以选择所需的刀具夹头刀柄了。 并联实验台的结构确定了它扮演着一台数控立铣的角色，所以刀柄的选用范围也就确定 下来，应为装卡直径 1 0 m m 的数控铣夹头，查询后得出：J T ( B T ) 4 0 - Q H 1 - 7 5 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 J T 系列 d D L 勾板手规格 配用卡簧型号 J T ( B T ) 4 0 - Q H 1 - 7 5 3 - 1 0 3 6 7 5 3 8 - 4 2 Q H 1 2 . 3 工件装卡夹具选用 装卡范围： R=175 的半球， 径向长度是 350， 也就是说卡具夹持的最大值至少为 350mm。 翻阅了卡具设计手册，对各种机床的卡具样式进行了对比，可用于此并联实验台的有：车床 的三抓卡盘（需作改动） 、铣床的平口虎钳。 因为所需加工工件形状的不确定性，所以以车床的三爪卡盘比较适合，它能够解决工件 夹装时的自定心问题。只要在车床卡盘的基础上，取消卡盘随主轴的转动即可。 三爪卡盘资料分析： 型号规格 D D1 D2 D3 D4 D5 H1 h h1 h2 d1 z d K 1 1 5 0 0 A / A11 1 1 9 6 . 8 6 9 1 6 5 . 1 1 2 5 2 8 0 2 3 5 1 3 5 1 9 . 0 5 6 1 6 1 0 2 9 . 4 6 M 1 8 K 1 1 5 0 0 A / A11 5 5 0 0 2 8 5 . 7 7 5 2 4 7 . 6 2 0 0 3 8 0 3 3 0 . 2 1 3 5 2 0 . 6 3 8 1 7 1 0 3 5 . 7 6 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 M 2 2 夹持范围：满足径向 350mm 正爪 反爪 夹紧范围 撑紧范围 夹紧范围 规格 D A A1 B B1 C C1 2 5 0 6 1 1 0 8 0 2 5 0 9 0 2 5 0 3 1 5 1 0 1 4 0 9 5 3 1 5 1 0 0 3 1 5 3 2 5 1 1 . 5 1 6 5 9 5 3 5 0 1 1 0 3 4 0 3 8 0 1 1 . 5 2 1 0 9 5 4 0 0 1 1 0 4 0 0 4 0 0 1 5 2 1 0 1 2 0 4 0 0 1 2 0 4 0 0 5 0 0 2 5 2 8 0 1 5 0 5 0 0 1 5 0 5 0 0 由上表可知，规格 D500 反爪加紧范围 150500，满足径向 350mm，可定下卡盘规格为 D500。 卡盘规格确定后，再查卡爪的尺寸 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 卡爪 卡爪参数表： 规格 1 6 0 2 0 0 2 5 0 3 1 5 3 2 5 3 8 0 4 0 0 5 0 0 L 6 7 8 0 9 5 1 0 8 1 3 0 1 3 2 B 2 5 3 0 3 6 4 5 H 4 1 4 5 5 3 6 1 7 0 8 2 h 9 1 0 . 5 1 3 . 5 1 7 . 5 1 7 2 2 a 1 2 . 6 7 5 1 9 . 0 2 5 1 9 . 0 2 5 b 7 . . 9 4 1 2 . 7 1 2 . 7 e 1 9 2 2 . 2 2 7 3 1 . 5 3 8 . 1 t 3 6 t1 4 z d 2 1 1 2 1 3 2 1 8 2 2 2 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 卡爪底座 卡爪底座参数表： 规格 1 6 0 2 0 0 2 5 0 3 1 5 3 2 5 3 8 0 4 0 0 5 0 0 L 6 4 8 0 9 8 1 1 0 1 1 4 1 5 2 L1 2 9 3 4 . 9 3 9 . 7 4 7 . 6 4 7 . 5 4 7 . 4 B 2 0 2 2 2 7 3 6 4 5 H 3 3 3 5 3 8 4 2 4 6 5 5 a 1 2 . 6 7 5 1 9 . 0 2 5 1 9 . 0 2 5 b 7 . . 9 4 1 2 . 7 1 2 . 7 e 1 9 2 2 . 2 2 7 3 1 . 7 5 3 8 . 1 t 4 4 . 2 7 t1 3 z d 2 M 1 0 2 M 1 2 3 M 1 2 3 M 1 6 4 M 2 0 夹具加工时的注意要求： 用于并联机床实验台的三爪卡盘需作改动，免去了车床卡盘中盘体随主轴转动这一动 作，所以，卡盘中轴部分予以取消。卡盘与机架连接部分只需加工六个圆周阵列的 M20 的 沉头通孔，用于与机架相连的螺钉贯穿卡盘，其固定作用。 卡爪依照尺寸表和零件图加工，爪体阶梯部位要求有突起，形成不规则表面，用于增大 摩擦力，使之加紧时的加紧里更充足。 卡爪和卡座用螺钉配合，配合孔加工要以螺钉为标准，因为孔可以加工，而螺钉是标准 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 件，难于对其在作改动。 卡盘内部锥齿轮部分不需作改动，由一个大锥齿轮，三个小锥齿轮，三个卡爪组成。三 个小锥齿轮和大锥齿轮啮合， 大锥齿轮的背面有平面螺纹结构， 三个卡爪等分安装在平面螺 纹上。当用扳手扳动小锥齿轮时，大锥齿轮便转动，背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中 心靠近或退出。 第 3 章 实验台支承部分及其连接的方案 3 . 1 机架的设计方案 机架作为实验台的支承部分，是本次设计的一个重点。 机架设计的基本准则应保证：刚度、强度、稳定性。 在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；抗震性好，把受迫震动振 幅限制在允许范围内；噪声小；温度场分布合理，热变形对精度的影响小；结构设计合理， 工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部 件； 有道轨的机架要求导轨受力合理、 耐磨性良好； 造型好， 使之既适用经济， 又美观大方。 按照以上机架设计的要求准则，首先确定机架的制造形式，为铸造机架。 机架的设计出以上要点需要考虑之外，还有并联部分的估算，在不影响并联机构正常伸 缩旋转运动的情况之下，才能确定机架的具体造型结构。 所开发的三平动自由度并联机床采用如图 1 所示的 3- HSS 构型(在此，H 为螺旋副，S 为球面副)，由底座、动平台和 三根立柱组成；每条支链中含三根平行定长杆件，各杆件两 端与动平台用球铰(或虎克铰)连接。为了使动平台仅沿笛卡儿系三个方向平动，令各支链中 的三根杆件在结构上保持平行，并与动平台的铰点构成 等边三角形，进而形成空间平行四 边形刚架结构。该机床主要用于三坐标高速铣、镗、磨加工，亦可配以数控回转台完成多坐 标异型曲面和刀具刃磨。上述总体设计 方案具有以下优点： 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 (1) 工作空间呈柱形，具有较大的编程空间与机床体积比，且平行于工作台任意截面的运动 学性能等同。 (2) 位置及速度正、逆解均有显式解析解答，可实施快速 PVT 插补和在线运动学标定。 (3)支链采用带消极约束的三杆平行四边形刚架结构，不但可有效地消除铰链间隙，且可大 幅度提高动平台抵抗切削颠覆力矩的能力。 (4)除底座和动平台外，主要结构件均为三对称，可大幅度减少零部件设计工作和制造成本。 位置逆解模型 位置逆解涉及已知机床尺度参数和动平台参考点 位置，反求滑鞍位置，其目的有二： 一是已知 CAM 模型后通过粗插补为伺服控制提供必要的输入； 二是为基于灵活度指标的尺 度综合提供数学模型。因采用平行四 边形支链结构使得链中各杆运动规律等同，故在运动 学分析时可将原机构简化为如图 2 所示的等效机构。 在工作台和动平台上分别建立固定参考 系 o- xyz 和连体 参考系 o- xyz，点 o在系 o- xyz 下的位矢可表示为 （1） 式中，bi=rb(cosi sini 0)T，ai=ra(cosi sini 0)T为点 Bi和 Ai在系 o- xyz 和 o- xyz的位 置矢量；ra、rb为动、静平台半径；i为点 Bi和 Ai在 o- xyz 和 o- xyz下位置角，且有 wi为支链 i 的单位矢量；L 为支链杆长；qi为滑鞍 i 相对参考点 Bi的位移；e3=(0 0 1)T。 对式(1)两端取模方并整理得 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （2） 根据装配模式可解出 （3） 且可确定 wi=(r- bi+ai- qie3)/L。 灵活度分析 灵活度(Dexterity)是评价并联机床运动精度的重要指标，可用动平台三维笛卡尔速度到滑鞍 移动速度的映射矩阵 雅可比矩阵的条件数来表征。 条件数越小， 则说明机床理论伺服精 度越高，因此可作为结构参数的设计准则。 对式(1)关于时间求导，得到点 o的速度为 （4） 式中 ? i 为支链 i 的角速度矢量。对上式两端点积 wi 并写成矩阵形式有 （5） 式（5）为雅可比矩阵。求解如下特征方程，求解如下特征方程 （6） 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 即可解出 J 的条件数 （7） 式中，?i 为 JTJ 的第 i(i=1,2,3)阶特征根。 工作空间综合 工作空间综合的目的是，给定编程空间的动平台半径 ra、球铰链的许用半锥角 d1，求 点 o位于 z 轴上时，wi 与 z 轴的夹角 d0，杆长 L 和滑鞍行程 s。为此，首先将式(1)改写为 r=Lwi+r0i (8) 式中，r0i=bi- ai+qie3。保留支链 i 与动平台的铰约束而解出其它，则给定 qi 后，点 o的轨迹 可视为以 r0i 矢端为圆心，以 L 为半径的球面片。由位置空间组成原理知3，5 ，点 o的 可达空间为所有支链子空间的交集。 根据机床的拓扑结构， 不妨设点 o的编程空间是半径为 r、高为 h 的圆柱体，且令其与可达空间内接。注意到每一支链的可达子空间最小截面一定 在 r0i 与 z 轴张成的平面内，故对图 2 进行旋转剖即可得到图 3。设球铰许用半锥角为 d1， 且点 o在 z 轴上时支链轴线与球铰安装平面法矢重合，则由图 3 几何关系得 （9） 对上式整理可解出 （10） 式中 s1=Lcosd0- cos(d0+d1) 根据安装在动平台上末端执行器(如电主轴)的尺寸，给定动平台半径 ra，则静平台半径可由 下式确定 rb=Lsind0+ra (11) 又根据数控机床设计规范，设点 o降至最低时距工作台面高度为 s3=s1，则机床的理论高度 应为 H=s3+Lcosd0+h+s2 (12) 考察式(10)(12)可见，当给定 r、h、ra 和 d1 后，L、rb、s 和 H 均为 d0 的函数。 图 4 示出了当取 d1=25 时，在任意平面内雅可比的条件数在编程空间边缘的最大和最 小值 Wmax、Wmin 以及在空间中心取值 W0 随 d0 的变化规律。由图可见，利用灵活度各 向同性条件6综合出的 d0 并不能保证全域灵活度最优。为此需要构造如下目标泛函 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （13） 并通过一维寻优来确定 d0。在此，t 为权系数，为条件数的“ 重心” 。S 为编程空间截面面 积。 上述性能指标的意义可解释为： 使得条件数全域最大值及其关于重心偏差的一次矩在加 权意义下最小。 由上述公式， 定下了并联机构的活动范围， 选择丝杠副长度 950mm， 外加丝杠连杆套筒， 长度总共为 1050。 3 . 2 铸造机架的材料及热处理 材料选择查阅铸造机架常用材料后得出，铸铁机架用于并联实验台比其他金属性价 比高，是机架使用最多的一种材料，它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂 的铸件。在铸造中加入少量合金元素还可提高耐磨性能。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故 动态刚性好。铸铁还具有切削性能好、价格便宜和易于大批量生产等优点。 牌号的选用选择了 HT200，用于承受大弯曲应力和拉应力。如机床的立柱，齿轮箱 体、工作台、机床横梁和滑板等。 铸铁机架的时效处理时效处理的目的是在不降低铸铁力学性能的前提下，是铸铁的 内应力和机加工切削应力得到消除或隐定，以减少长期使用中的变形，保证几何精度。 时效处理分为自然时效和人工时效两种。 自然时效方法简单，效果好，但生产周期长，需要占地面积大。在加工后要在室外放置 半年到一年，使内应自然松弛或消除。 人工时效普遍应用热处理方法，将铸件缓慢加热到共析点以下（一般为 500600） ，保 温一段时间，然后缓慢冷却，消除内应力。 经验证明，在人工时效后配以短时间的自然时效，对精度稳定性可获得良好的效果。 所以实验台的机架铸造完毕后，须人工时效处理后，方可安装。 立柱高度之前依然断定了并联机构的运动范围，并联部分的三根滚珠丝杠副长度是 950，加上丝杠外部的套筒，总共长度 1050。同时，并联部分在作伸缩运动时，要保留出伸 缩空间，所以立柱的高度定在 1500mm。这样的高度既保证了上端并联部分的运动，又预留 出了并联部分下面的卡盘装卡工件的高度。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 . 3 机架的截面形状、壁厚及周边筋的布置 由于主轴产生的外力偶矩通过切削运动传递给并联机构和机架立柱，并联机构在此论文 中不予考虑，则力矩平均分配到三根圆周阵列的方形立柱上。 三根正方形立柱平均受扭转力的作用，根据材料力学公式，立柱边长 300mm，厚度 20mm，面积为 0.30 . 3 = 0 . 0 9 m 2 。将惯性矩相减后，得出每根立柱的惯性矩 IP=hb3/6=5.8 1 0 8 mm4。 铸铁件的弹性模量 E 从工程手册中可查得为 E=113157，取中间值约为 E=130 则 EI=1.31 0 5 5 . 8 1 0 8 = 7 . 5 4 1 0 1 3 KNmm2 抗弯截面系数 W=hb2/6=0.00338. 弯曲正应力公式 smax=Mmax/W Mmax为弯曲力偶矩，也就是前边算出来的 m=0.398，平均 到三根柱子上要除以 3，所以 Mmax=0.13Nm，从而可以计算出 smax的值。 序号 材料名称 弹性模量 EGpa 切变模量 GGpa 泊松比 1 镍铬钢、合金钢 206 79.38 0.250.3 2 碳钢 196206 79 0.240.28 3 铸钢 172202 - 0.3 4 球墨铸铁 140154 7376 - 5 灰铸铁、白口铸铁 113157 44 0.230.27 由于零件的抗弯、抗扭强度和刚度除与其界面面积有关外，还取决于截面形状。合理改 变截面形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而充分发挥材料 的作用。因此，正确的选择机架的横截面形状是机架设计中的一个重要问题。 另外，截面面积不变，加大外形轮廓尺寸，减小壁厚，亦即是材料远离中性轴的位置， 可提高截面的抗弯、抗扭刚度。封闭截面比不封闭截面的抗扭刚度高得多；机架受载情况往 往拉、压、弯曲、扭转同时存在，对刚度又要求高，另一方面，由于空心矩形内腔容易安设 其他零件，故许多机架的截面常采用空心矩形截面。 我们此次的并联实验台就参照以上优点，采用了空心矩形的截面作为立柱的造型。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 此种空心矩形的抗弯、抗扭惯性矩比值分别为 抗弯惯性矩相对值：3.45 抗扭惯性矩相对值：1.27 铸件壁厚的选择取决于其强度、刚度、材料、铸件尺寸、质量和工艺等因素。 就铸铁机架而言， 按目前工艺水平， 砂模铸造铸铁件的壁厚， 可利用当量尺寸 N,来确定。 N=（2L+B+H）/3 L、B、H 分别为主见的长、宽、高 利用上述公式，结合查表铸铁机架的壁厚，确定出实验台立柱的壁厚为 20mm。 对于保证立柱刚度的加强筋和肋，由于次实验台设有顶端端盖，用于安装并联机构。为 了能够更好的保障立柱刚度， 立柱内部设有交叉十字肋； 另外柱体外侧周边添置筋板有效地 提高了刚度、稳定性和抗振能力。 筋的尺寸查表可知：厚度=0.8s 高度1.5s s为立柱的壁厚 得出筋高为 100，厚 16。 肋厚度查表 为立柱壁厚的 0.6 倍 厚度为 12mm。 加入肋后， 尤其是 45 度对角肋， 对扭转刚度的提高有明显的效果， 抗弯刚度可提高 60%， 扭转刚度可提高 4.58.5 倍。 机架的动刚度主要取决于它的静刚度和固有频率，合理地改善机架结构可以提高其静刚 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 度 K 和固有频率可改善机架的动刚度。另外，合理布置肋板和材料的改善也可使动刚度 大大提高。 在动刚度问题上，机架的材料采用的是灰铸铁 HT200，他的吸振性能较强，能有效地加 强机架立柱本身的阻尼比；再有，机架立柱中心的 45 度十字交叉肋使得立柱本身的静刚度 大幅度提高；再加上铸造完毕后，外侧有表面刷漆的涂层；这些综合因素都能够有效地保证 机架的刚度问题，使并联实验台的刚度足以保证其所需的刚度，满足加工要求。 3 . 4 立柱与底座的连接方式 由于立柱与底座需要进行连接， 考虑到立柱下端受应力较大， 而且用螺纹连接打孔不便， 综合各种因素，选怎了焊接的形式。 焊接时，会产生局部应力，为了保证定位精度，立柱下端设计了定位销孔，孔径为 d8。 分别布置在力主四个底角的中心位置。 在焊接前，现将定位销插入销孔，两者过渡连接，使其立柱在焊接过程中不会由于焊接 应力的原因，与底座产生相对偏移。 焊接时要注意的问题： 材料可靠性、合理布置焊缝、提高抗振能力、合理选择截面形状、提高焊接接头抗疲劳 能力和抗脆断能力、胚料选泽的经济性、操作方便。 焊缝尺寸的确定方法一般为：按焊缝的工作应力；安等强原则；按刚度条件。由于焊接 机床的床身， 立柱， 横梁和箱体等一般按刚度设计， 所以焊缝尺寸宜采用依照刚度原则确定。 按刚度条件选择角焊缝尺寸的经验做法是： 根据被焊钢板中较薄的钢板强度的33%、 50% 、100%作为焊缝强度来确定焊缝尺寸。 为了保证实验台的良好刚度，经过查询，立柱与机床机架的角焊缝尺寸有钢板刚度的 100%确定得出： 板厚 h 按照 100%强度设计 则焊缝宽度=3/4h 前边已经确定板厚 h=20mm 所以得出焊缝宽度 K=3/4x20=15mm 接下来考虑焊缝应力问题，在焊接接头处，由于机床实验台加工时的并联机构摆动，会 使立柱底端受剪切力，为了减小这种损害性力，焊坡需要呈现 45 度角，从而解决应力过度 集中的问题。焊接时要保持连续，断续焊接会使焊缝连接处产生局部应力，难以保证并联实 验台立柱受剪切力作用时的强度及其稳定性。 3 . 5 底座的造型 首先确定出了立柱的结构，底座的造型就要基于立柱而确定。呈现三根立柱 120 度圆周 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 阵列的连接体，高度 200mm。与立柱材料一致，采用灰铸铁 HT150，铸造后同样需要人工 时效处理。前边已经确定了立柱、卡盘的构造，在底座上要预留出配合时的安装孔。有安装 卡盘的螺纹孔，还有定位立柱的销孔，两种孔的加工都已标准件螺钉和定位销为基准，采用 轻微过盈量。在铸造完毕时效处理后，按照表逐渐配合尺寸打孔、攻丝。 考虑到并联实验台的自身重量，底座边缘分别留出了三个 32mm 的地脚螺栓安装孔，以 便实验台安装时的水泥浇筑地脚螺栓。 第 4 章 实验台电路设计 4 . 1 电路布线方案 实验台电源配置 380V三相交流电，在装配图中，按照电主轴及并联机构驱动电机电源 入口，在机架立柱上预留了一个 50mm 的电源孔，四周有安装配电箱螺钉的孔。主电源线 由地面，上连到配电箱，电源线外侧套有绝缘蛇皮管。 电主轴和并联机构的配电，经过配电箱的电源线，经立柱内侧分配到各个电源接口。 电主轴在二章中已经选出，实验台装配时，将电主轴用螺栓固定于动平台上。则主轴位 于动平台中央，连接电源线须从立柱上端引出线，从实验台顶盖向下连入电主轴。 并联机构驱动电机的电源入口，就在丝杠套筒的端口，所以和电主轴一样，电源从立柱 上端引出。 4 . 2 电路控制要求 并