（并联机床实验台总体方案设计）论文.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。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&Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。与之相呼应，由美国Sandia国家实验室和国家标准局倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第4749届CIRP年会、19981999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。19941999年期间，在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。 我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将并联机床的研发纳入教育部211工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。1.2 并联机床发展历史及现状 并联运动机床及虚拟轴机床普遍采用Stewart平台及其变形机构,它是现代机器人技术和现代机床技术的完美结合。并联机床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性的变革,抛弃了固定导轨的刀具导向方式,采用了多杆并联机构驱动,完全打破了传统机床结构的概念。由于采用Stewart平台结构,大大提高了机床的刚度,实现了高速超高速的机床加工,促使加工速度和加工质量显著提高。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用。可以说:“虚拟轴数控机床被认为是20 世纪最具有革命性的机床设计的突破,代表了21世纪机床发展的方向。”并联机床的研究方向：（1）并联机床组成原理的研究研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。（2）并联机床运动空间的研究包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解（如数值求解法、球坐标搜索法等）、机床干涉计算及位置分析等。（3）并联机床结构设计的研究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）。（4）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。（5）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。（6）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。（7）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。（8）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。目前，并联机床的发展趋势呈现如下两个特点：(1)并联机床构型的多样性构型的多样性是并联机床的显著特点之一，每一种构型都有其自身的优缺点，都有其各自适合的应用领域。关于并联机构构型的研究一直是人们关注的热点，设计开发出多种适用于不同应用条件的并联机构也一直是机构学家们研究的一个重要内容。近几年，众多学者提出了多种新机构构型，并对机构的类型和构建方法进行了系统的讨论。目前，基于串并混联、内外副混合驱动或纯并联的少自由度机构的并联机床正逐渐受到人们的青睐，最有代表性的基于少自由度并联机构的并联机床是瑞典Neos Robotics公司开发研制的Tricept系列。然而，由于并联机床出现不久，并没有专用的设计开发环境，目前开发一种新型并联机床的设计周期仍很长，因此迫切需要一个快速的设计开发平台以满足结构日趋多样的新型并联机床的设计开发需求。(2)并联机床设计理论和应用技术研究不断深入虽然已开发出一些并联机床商业化样机，且有产品投入实际应用，但由于设计理论和工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能力、作业性能等方面表现差强人意，与传统数控机床相比存在一定差距。有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建模与分析、精度保证、控制技术等关键技术的研究一直在不断深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平台运动学正解结论，Innocenti和Cheok等人提出的运动学数值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空间几何解析法，黄田和汪劲松等人提出的工作空间边界的变心球面族包络面求交法；基于各向同性条件（局部灵活度）、动平台姿态能力、总体灵活度指标的多种尺度综合方法；Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模及动态性能指标的构造的理论结果，以及熊有伦提出的动力学优化设计策略；用不同方法建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。总之，并联机床的各项关键技术国内外都取得了很多有价值的理论成果，在应用技术方面也取得很大进展。有关并联机床设计和应用的理论成果和应用技术虽然很多，然而这些理论成果和技术覆盖了并联机床设计开发的多个环节，相对独立分散，很难有机地融合在一起，不能系统有效地应用到并联机床的设计开发中。此外，由于并联机床结构的特点，其运动学设计、动力学优化、精度保证等设计环节均涉及非常复杂的非线性问题，很多设计环节间存在模型演化困难、数据难以集成等技术障碍。因此，迫切需要一个集成化一体化的并联机床设计开发环境，以解决上述问题。通过对当前并联机床的发展现状和趋势的分析，可以看出，集成化、一体化、数字化的并联机床快速开发平台能够大大缩短并联机床的设计开发周期、实现最新设计理论和应用技术的集成和应用、保证设计过程的一体化，从而推动并联机床在理论方面的研究进展和在实际应用方面走向产业化的进程。但是迄今为止，国内外与此相关的研究很少，涉及到并联机床的集成化设计方法、虚拟原型设计环境、虚拟设计、运动学仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果：1965年,D. Stewart首次提出了一种6条腿连接基础平台与动平台的六自由度并联机床,同时研究了其在飞行模拟器上的应用并展开了相应理论的研究,奠定了其在并联机构领域的鼻祖地位,并联机构也被称为Stewart机构。典型的Stewart平台如图1所示,它由上下两个平台和6个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成,伸缩杆和平台之间通过球铰链连接,改变伸缩杆的长度可以实现上动平台在空间的多自由度运行。在IMT94 (1994年美国芝加哥国际机床博览会)上,美国Giddings & Lewis公司和Ingersoll铣床公司、瑞士Geodetis公司展出了Stewart数控机床样品,举世瞩目,如图2所示。世界各国的研究机构和企业开始大量投入Stewart平台的研究与开发。9月在美国成立Hexel公司,专业从事各种类型的Stewart机床机器功能部件研究、开发、生产与销售,该公司的部分产品。随后,在政府和企业的支持下,美国成立了五个国家级基地(M IT、N IST、ORNL、SNL /NM、SNL /CA)专业从事Stewart机床的研究开发。1995年5月EMO 米兰展览会上,意大利Comau公司、日本日立精机展出了Stewart机器人。1996年, SGI公司开发出UN IX平台Stewart机床设计造型三维CAD软件包。同年10月,日本本田工机公司在丰田技术展览会上展出了日本第一台Stewart机床,用于铸锻模具的高速加工。在EMO97 (1997年汉诺威国际机床展览会)上展出了10余件Stewart机床样品,并首次进行金属工件铣削, Stewart机床又向商品化迈进了一步。在此次展览会上,在概念上将传统机床与新兴的Stewart机床从结构上划分为串联机床与并联机床,这是人类对机床机构认识概念上的突破, Stewart机床专用功能部件,如球铰、虎克铰、导轨、滚珠丝杠、控制器等的专业研究开发生产迅速崛起。C IMT97 (第五届中国国际机床展览会)上,俄罗斯Lap ik公司展出了TM - 750型Stewart数控机床。1997年12 月, 清华大学与天津大学合作开发Stewart机床原型样机VAMT1Y。1999年,在C IMT、CCMT等国际、国内机床展览会上,国内的五轴数控机床产品纷纷亮相,国内五轴数控机床的市场逐渐打开,随后国际机床巨头纷至沓来,五轴数控机床的品种和数量逐年上升。2000年, CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床。2001年,在C IMT2001国际机床展览会上,北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速达10 000 r /min的五轴高速龙门加工中心;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25以上述参数，自行设计并联机床