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并联 机床 实验 总体 结构设计

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内容简介：

并联机床实验台 总体结构设计 并联机床实验台的优越之处 刚度重量比大 因采用并联闭环杆系结构 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 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 在动平台上可进行多样性改装 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 重要零部件选型 依照主轴功率确定电主轴型号选择主轴下部刀具夹头工件装卡夹具选用 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 所选电主轴参数 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 24000 0 398N m经过多方查询 最终确定了电主轴型号 为XCSD100Z24 铣夹头轴端连接 铣夹头与电主轴的连接 轴端采用关节轴承 已知关节轴承型号 查手册 其装卡直径为10mm 弹簧铣夹头参数 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10mm的数控铣夹头 查询后得出 JT BT 40 QH1 75 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 卡盘尺寸确定 按照要求所需夹持直径350mm 由右侧表格可知 规格D500反爪加紧范围150 500 满足径向350mm 可定下卡盘规格为D500 三爪卡盘参数 依照所要求的装卡尺寸 选择外径500的卡盘 型号 K11500A A115 卡盘特殊要求 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 实验台支承部分及其连接的方案 机架的设计方案铸造机架的材料及热处理机架的截面形状 壁厚及周边筋的布置立柱与底座的连接方式底座的造型 机架的设计 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 总体结构造型 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 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 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 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500 600 保温一段时间 然后缓慢冷却 消除内应力 机架的截面形状 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 3L 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 壁厚及加强筋 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 5ss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 5 8 5倍 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 焊坡参数 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 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 实验台电路设计 电路布线方案电路控制要求电路控制连线原理图 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