并联机床实验台总体结构设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321第一章 概述1.1课题意义与背景并联机床(Parallel Machine Tools)，又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，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，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象，而相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点：结构简单、价格低。 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。结构刚度高。由于采用了封闭性的结构(closed-loop structure)使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。加工速度高，惯性低.如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。加工精度高。 由于其为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果(averaging effect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。多功能灵活性强。由于该机床机构简单控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。使用寿命长.由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。Stewart平台适合于模块化生产。 对于不同的机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新的机构参数输入。变换座标系方便。由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成，非常方便。Stewart平台应用于机床与机器人时，可以降低静态误差(因为高刚性)，以及动态误差(因为低惯量)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小，且其在工作空间上有着奇异点的限制，而串联工作平台，控制器遇到奇异点时，将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差，但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力，无法完成固定负载对象。1.2课题的研究现状并联机床的研究现状自从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，人们还只是对这种机构停留在理论分析上。1994年，在美国芝加哥IMTS博览会上首次展出并引起世界轰动的并联6条腿机床(又称并联机床)，在经过随后持续三年的全球跟进浪潮后，在世界范围内已逐渐降温。这是因为并联机床在理论和实践上有一系列的难题，难以在短期内解决。目前，国内外有许多公司和研究单位在研究虚拟轴机床。我国的并联机床研究起步较晚，但成果显著.清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1997年12月25日与天津大学合作，共同开发出我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机-VAMT1Y。在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水平，其中部分理论成果属国际首创。目前正在进行虚拟轴机床系列化、实用化的研究，与多家机床骨干厂家进行了新型虚拟轴机床商品化样机的研制工作，以期实现虚拟轴机床的产业化。与昆明机床股份有限公司、江东机床厂和大连机床厂联合研制的三种不同构型的机床已经问世，并与2001年在CIMT上展出，有望在近期实现商品化。与昆明机床股份有限公司共同研制的XNZ63虚拟轴机床，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，其综合指标达到了国际先进水平。与江东机床厂联合开发的一台龙门式虚拟轴机床，结构采用双柱龙门工作台移动式，可完成4坐标联动。与大连机床厂联合研制的DCB-510五轴联动串并联机床，能够通过并联机构实现X、Y和Z方向的移动，而采用传统的串联方式实现主轴头的A和C方向的转动。另外由天津大学设计并与天津市第一机床厂联合研制的并联机床也获得成功并达到实用化水平。哈工大与齐齐哈尔第二机床企业集团联合研制的BJ-1并联机床，现有机型技术参数为：加工范围：f400250；主轴转速：08000 r/min；电主轴功率：9kW；杆系伺服电机功率：0.75kW；重复性精度：0.002mm(静态)；定位精度：0.015mm；体积：180015002300；数控系统：研华工控机+六轴联动卡。东北大学最新研制的DSX5-70型三杆虚拟轴机床是由三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度虚拟轴机床。其中，两自由度串联机构置于运动平台上，整个机构通过三杆的伸缩和两驱动轴可实现五轴联动，用以完成多种作业任务。由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的，在保持原并联机构的诸多优点，如高刚度，高精度和高的运动速度外，用变异机构扩大了机床的运动范围。瑞典Neos Robotics公司由于采用了并联加串联的方案，从低层次应用做起，逐步积累经验和财力，向高层次应用发展，以及采用了三杆中央的中心管等正确的措施，其并联机床产品早已进入实用，至今已创200余台的惊世销售业绩。该公司展出的Tricept845加工中心，其体积定位精度达到50m，重复定位精度达10m，这两个指标距离传统机床虽还有较大的差距，但对并联机床已属重大的突破，具有实用价值。其进给速度已达90m/min，加速度已达2g，主轴功率为3045kW，24,00030,000r/min，采用瑞士IBAG公司电主轴、Siemens840D数控系统和Heidenhain的测量系统。该加工中心采用模块化结构。三杆结构组件有0、45、90三种布局可任选(即分别组成卧式、倾斜45和立式加工中心)。德国Fraunhofer机床和成型技术研究所开发的6x型机床适于模具的高速加工，其主要技术参数为：工作台：630630，X，Y ，Z行程均为630mm，两个转动自由度范围为30，主轴最高速度为3000r/min，功率为16kW，腿的最大进给速度为30m/min，加速度为10m/s。第二章 机电结构设计2.1概念设计在设计之初首先是考虑并联机床的概念设计概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。 按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成36个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机滚珠丝杠螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此，在制定总体布局方案时，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。 通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的在有了这个前提之后其它设计就可以顺理成章的完成了。图2-1如图2-1,并联机构分成三个部分:主体-连杆,动平台,以及连接件2.1.1并联机构主体-连杆的设计连杆是并联机构的中心部件,并联机构的主要功能都是通过这些连杆实现的.因此连杆的材料一定要能承受大的载荷,以及要有一定的灵活性和韧性.所以本人在材料的选择上使用了韧性和承载能力都比较不错的45号钢,并且使用了调质这一热处理方法.并联机床的一大特点就是灵活,通过各个连杆的不同运动来实现复杂的加工切削过程.所以连杆的运动越是丰富就对加工越有利.所以本人采用了两极的伸缩式连杆.并且是管式设计.这样就使连杆具备了z轴方向的运动.并且增加了连杆的运动空间.见图2-2图2-2(尺寸的计算以及图上其他部位会在后面介绍.)为了实现并联机床复杂的运动就需要若干个这样的连杆(当然要是为了实现一些更精确的运动可以采用更高级的伸缩关系.比如三级或四级.这里就不一一例举了.)一般现在市场上的并联机床以六杆式居多.根据指导教师给的一些拟定数据,本人采用了三杆式的并联机床.六杆式固然很好,根据六个杆的不同伸缩条件能使并联机床得到更好的发挥,加工范围与精度能得到充分保证,但在本设计上就有些浪费,三杆就足以实现这些要求了.2.1.2动平台的设计在设计动平台的时候本人首先考虑到的就是这个刚度的问题.由于在动平台上要连接一个电主轴(可以在市场上买到),所以平台的刚度就不需要太大,主要是能吸收电主轴给它的冲击就可以了.所以在材料方面的要求就不是特别的高了.本人采用的韧性较高的Q235,并且是普通的淬火处理.本人设计的动平台采用的是双层结构,这个重要是考虑到连接件的设计以及安装,还有就是与电主轴的连接问题.如图2-3图2-3(图中外围三个圆孔是为了与连接件连接,中间是与为了与电主轴连接)2.1.3连接件的设计并联机构的另一个部分就是连接件.由于并联机构是为了实现各种复杂的运动,要求动平台能尽可能的实现多种的运动.所以就要求连接件能够实现这些要求.因此本人使用了球铰链,球教练能够提供像万向铰链那样的多种自用度,可以满足动平台的这种复杂的运动方式.在材料方面,由于球铰链是连接动平台与连杆的重要部件,是保证切削精度与加工完整的重要前提.所以必须能够承受较高的冲击,并要有较高的刚度(像连杆).因此本人采用的也是45号钢,以及调质这一热处理方法.在本课题要求实现的功能的前提下,本人自己设计了一种球形铰链.如图2-4图2-4正如上面介绍的,铰链要求的精度比较高,所以在加工过程中一定要充分的保证精度.这样在装配以后才能较好地实现预想的功能.并联机构的重要部件就这么多,下面介绍一下具体的驱动方式2.2 驱动方式整个并联机构都是由步进电机驱动的,步进电机是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的交位移或直线位移的执行元件.其转速具有三个特点:转速(或线速度)与脉冲频率成正比;在负载能力允许的范围内,不因电源电压,负载,环境条件的波动而变化;速度可调,能够快速启动,制动,和翻转.同时,步进电机还具有定位精度高,同步运行特性好的特点.这些特点都是本课题所需要的.而且第三个特点是本设计最需要的.并联机构的运动要求的就是快速性.只有这些特点才能体现出并联机床的快速性和精确性.本人采用的是BF系列步进电机,BF系列步进电机为反应式步进电机,具备上述步进电机的所有特点,一般用于数控开环系统中作执行元件或驱动元件.本人选择的是45BF3-3.该步进电机的驱动电路见图2-5图2-5这个选择是与传动件-丝杠有关系的.下面介绍一下丝杠的选择.2.3传动部件-丝杠丝杠是并联机构的核心部分.它是把步进电机的转动变成连杆的伸缩运动.接而实现并联机构的复杂运动.丝杠采用的是滚动螺旋,滚动螺旋具有以下特点:2.3.1使用性能摩擦系数较低,是滑动螺旋的1/3-1/10,传动效率高达90%,逆行程效率也高,不能自锁. 动,静摩擦系说相差极小,低速运行时无爬行,震动,传动平稳,但高速运动有噪声.耐磨性好,磨损极小,因元件经热处理和精加工,硬度高,粗糙度小,抗冲击性差,用预紧方法定位精度可高达5m/300mm,适用于高,中,低速的轻,中,重载荷.2.3.2结构工艺性结构复杂,尺寸无限制,制造工艺较复杂,主要零件需热处理和研磨,加工及安装精度要求较高,径向尺寸较滑动螺旋大,由专业厂加工制造.2.3.3成本高,是滑动螺旋的23倍,大尺寸螺旋费用更高.我国已经有北京机床研究所等10余家专业工厂按照JB/T31621993和ZBJ510001989的规定批量生产滚动螺旋,因此不必另行设计制造,本人选择的是WCM16023.5,本课题要求的主轴的功率是1千瓦.WCM16023.5额定东载荷是3382,额定静载荷是8950,接触刚度是288,满足课题要求,而且该丝杠副的尺寸较小,适用微型结构,非常适合本课题.于是本人选择了这个型号.结构如图图2-62.3.4滚珠丝杠的安装加工中心的仅给系统要求获得较高的传动精度,除了加强滚珠丝杠螺母机构本身的刚度外,滚珠丝杠的正确安装及其支撑的结构刚度也是不可忽视的因素.滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及支撑刚度不足,还会使滚珠丝杠的寿命大大下降.并联机床要求具有高精度和高速度,因此常采用一端固定,一端游动以及两端固定的丝杠安装形式。一端固定一端游动 对于高精度,中等转速较长的卧式安装丝杠,为了防止热变形造成丝杠伸长的影响,常采用一端固定的支撑方式,如图2-7(a)所示。这种支撑形式的特点安装时需保持螺母与两端支撑同轴,故机构复杂,工艺较困难;丝杠的轴向刚度比两端低;丝杠有热膨胀的余地,即丝杠固定端承受径向力和两个方向的轴向力,而另一端只承受径向力,并能做微量轴向浮动。两端固定 对于高精度,高转速的滚珠丝杠应当采取两端固定的方式,如图2-7(b)所示.为了给丝杠施加预紧力,可采用两端固定方式,并可在丝杠一端安装碟形弹簧和调整螺母,既能对丝杠施加预紧拉力,又能够让弹簧来补偿丝杠的热变形,保持预紧力几乎不变。 (a)一端固定 一端游走（b）两端固定图2-7这种支撑的刚度最高,只要轴承无间隙,丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍。安装时要保持螺母和两端的支撑座同轴,故结构复杂,工艺较困难，丝杠一般不会受压,无压杆稳定问题,固有频率比一端固定要高，可以预拉伸,预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀,但需一套预拉伸机构,结构及工艺都比较复杂，要进行预拉伸的丝杠,其目标行程应略小于公称行程,减少量等于拉伸量。因此这种形式适用于刚度和位移精度要求高的场合。丝杠的支撑轴承应采用滚珠丝杠专用轴承,这是一种特殊的向心推理球轴承,其接触角度增大到60度。增加滚珠数目并相应减少了滚珠直径,使轴向刚度增大到普通向心推理球轴承的两倍。该轴承出厂后以调好预紧力,使用极其方便.若选用通用轴承,可采用向心推力轴承或向心球轴承同推力球轴承的组合,一般会增加轴承支座的结构尺寸,增加轴承的摩擦力和发热。丝杠两端轴承座孔与滚珠螺母空应保证严格同轴度,同时要保证滚珠螺母与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度,保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局部刚度、接触刚度等。本设计的特点就是丝杠固定在固定部分,螺母连接在移动部分,所以采用一端固定一端游走的形式,而且并联机构的运动特点是快速,准确,灵活,采用一端固定一端游走可以更好的体现出这一特点.这个型号的丝杠的公称直径是12mm,螺母的法兰盘的直径是48mm,图中已经表现得非常清楚,所以这时候咱们再翻回来看看前面介绍过的杆的尺寸.2.3.5滚珠丝杠副的校核压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时, 应校核其压杆稳定性, 临界压缩载荷按下式进行校核计算: (2-1)式中: E为丝杠材料的弹性模量; I为最小惯性截面 d0 为滚珠丝杠公称直径; DW 为滚珠直径; L0 为最大受压长度; K1 为安全系数, 可取K1 = 1 /3; Fmax为最大轴向载荷; f1 为丝杠支承方式系数, 根据丝杠安装方式选择。丝杠临界转速校核长丝杠在高速下工作, 为防止弯曲共振, 应验算其临界转速ncr (2-2)式中: A 为丝杠最小截面积; Lc 为临界转速计算长度; 为材料的密度; E 为丝杠材料的弹性模量;nmax为最高工作转速; K2 为安全系数, 可取K2 = 018;f2 为丝杠支承方式系数, 根据支承方式选择.此外螺母临界转速也需验算, 其临界要求应满足为d0 n70000 (mmr /min) 。精度验算即刚度校核丝杠的导程误差、伺服系统误差、各机械环节弹性变形引起的误差是影响加工中心定位精度的因素。一般情况下, 在以上各环节中影响弹性变形自大到小排列顺序是: 滚珠丝杠本身的抗压刚度Ktmin; 支承轴承的轴向刚度Kba ; 滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度Kc; 折算到滚珠丝杠副上伺服系统刚度KR ; 折算到滚珠丝杠副上联轴节的刚度K1 ; 滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk ; 螺母座、轴承座的刚度Kh。则传动系统综合刚度K为:K =1/(1/Ktm in+1/Kba+1/Kc+1/KR+1/K1+1/Kk+1/Kh) (2-3)一般校核计算中, 伺服刚度KR , 折算到滚珠丝杠副上联轴节的刚度K1 , 滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk ,螺母座、轴承座的刚度Kh 可忽略不计, 则式( 7 )可简化如下 (2-4)丝杠抗压刚度计算公式如下:(2-5)式中: A为丝杠最小截面积; lmax为最大承载距离; di为丝杠底径; E为丝杠材料弹性模量。丝杠轴承轴向刚度Kba、滚珠丝杠螺母的接触刚度Kc 均可直接从产品样本中查得。加工中心的定位精度是在不切削空载条件下检验的, 故轴向载荷仅为导轨的摩擦力Ff , 故因摩擦力引起的弹性变形为:= Ff /K (2-6)这样查取相应精度等级丝杠在任意300mm内导程误差, 再加上弹性变形量就可以校核计算其精度是否满足目标要求。对于通用性的加工中心, 其在工作中换刀频繁,因此不能看作是长期连续工作, 故加工中心电动机功率取30min额定功率, 即715kW, 最大切削力是根据机床验收标准中的最大功率进行计算, 按工艺手册推荐选用切削用量, 根据主轴功率计算有最大轴向载荷3275N, 最小轴向载荷70N, 则平均轴向载荷为2206N; 平均转速为1333 r /min, 则可计算出额定动载荷为33800N。查丝杠产品样本可选取滚珠丝杠导程3mm, 公称直径12mm, 螺母形式为预紧端法兰螺母, 承载圈数i = 4, 其额定动载荷为3203N。精度等级为C2级。安装方式选用一端轴向固定, 一端支持的结构形式,只承受丝杠重量。验算其压杆稳定性有Fcr = 3107N, 远大于最大轴向载荷; 验算其临界转速有ncr = 3973 r /min, 大于丝杠设定最高转速2000 r/min, 同时有d0 n = 7946 70000, 故丝杠螺母亦满足转速要求; 验算其精度有综合刚度为K = 94N /um, 在空载条件下弹性变形1m, 对C2级精密研磨丝杠, 其在任意300 行程内行程变动量为8m, 显然满足目标给定的定位精度要求。2.4尺寸的选定及装配丝杠副连接的是二级伸缩杆的移动部分,所以连杆移动部分的法兰盘直径是48mm,丝杠副的大径尺寸是25mm,所以移动部分的内径是25mm,至于移动部分的壁厚考虑到并联机构的重量及灵活性应尽量小,于是本人选择了10mm.这样移动部分的尺寸就剩下其长度了.这个现在放下不提.先考虑一下固定部分固定部分是套在移动部分的外边,因此固定部分的内径就应该是50mm.同样是考虑到并联机构的重量所以其壁厚选择10mm.这样固定部分的尺寸也只剩下长度了.现在无论什么都讲究一个人性化.毕竟机床是由人工操作的.所以为了让大多数使用者都能轻松的操作连杆的总长度被初步设定为1000mm.也就是两个连杆的总长度是1000mm,再根据本课题要求的工作范围是350mm的半圆体.也就是移动平台的移动范围应该是350mm的半圆.根据三角形关系的计算出连杆的最短长度为495mm.结合人因因素选定固定部分的长度为710mm,移动部分的长度为450mm.丝杠副的尺寸也是本人选择步进电机的主要依据,根据丝杠副的公称直径选择了轴径较小的步进电机,也就是45BF3-3,这个电机的轴径是4.所以对丝杠也进行了一些简略的加工.步进电机45BF3-3的外形尺寸是宽度是45mm,长度是43mm,所以电机壳的内径尺寸是45mm,宽度应该是大于43mm的.如图2-8图2-8图中后面的一个10mm的孔是连接球形铰链的.铰链是用螺母固定的.因此电机壳的长度本人选择了50mm，这样连杆部分的尺寸就齐全了。连杆和球铰链的连接正如上文所说是通过螺母连接的.所以需要铰链连接部分有螺纹,也就是相当于一个螺栓,然后再用螺母固定.见图2-9图2-9铰链与动平台的连接见图2-10图2-10在球形槽内放置球形铰链的球形部分,通过油液润滑,使用滚动密封圈密封这样整个并联机构就全部设计完了.见图2-11图2-11第三章 样机实体建模在完成总体设计、概念设计与尺度综合以及初步机械设计后，采用了solidworks2007集成环境进行样机三维实体建模。考虑到solidworks2007所提供的功能，整个建模过程采用自下而上和并行工程的建模策略，分为两个层面完成。第一层面为零件个体造型，第二层面则根据Team work的思想，利用solidworks2007自动管理文档功能实时监控样机设计过程，并模拟实际装配顺序进行机床部装和总装。 Solidworks2007采用结构模型法进行实体建模。该方法将立方体、圆柱体、圆锥体等作为基本体素配置在三维空间内，通过对基本体素的布尔操作(和、差、积、交、并)描 述和表达复杂物体的三维形状信息。 3.1零件的建模图3-1动平台上层的建模过程(其它零件方法类似,这里不一一例举)3.2装配体的建模根据上述手续完成单体零件三维实体造型后，便可模拟机床的部装和总装。装配时利用solidworks2007面配合(mate face)、线配合(mate line)、面齐平(flush face)、线齐平(flush line)、插入(insert)、偏距(offset)等基本操作，以实现各零部件间的相对装配关系。下图示出了整个机床的装配过程。基于三维实体模型，还可利用solidworks207渲染功能对3D模型进行色彩、材质、纹理、光照处理，以增强虚拟样机的真实感，以便对造型进行评价和修改。 动平台上层动平台下层动平台上下层通过两个球形槽同心配合以及连接面重合配合结合在一起.再用螺栓固定上下平台装配图连杆固定部分连杆移动部分两连杆同心配合电机壳球形铰链铰链与电机壳相连图铰链与连杆连接整体装配关系并联机构图图3-2(并联机构建模过程)第四章 运动学设计原理并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述，以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。为了适合多坐标数控作业的需要，通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床，动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的，即随着姿态的增加，工作空间逐渐缩小。因此，为了实现动平台实现位姿能力的可视化，往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。工作空间分析与综合是并联机床运动学设计的核心内容。广义地，工作空间分析涉及在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下，评价动平台实现位姿的能力；尺度综合则是以在编程空间内实现预先给定的位姿能力并使得操作性能最优为目标，确定主动关节变量的变化范围和尺度参数。工作空间分析可借助数值法或解析法。前者的核心算法为，根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质，利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思路是，将并联机构拆解成若干单开链，利用曲面包络论求解各单开链子空间边界，再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。尺度综合是实现并联机床运动学设计的最终目标，原则上需要兼顾动平台实现位姿的能力、运动灵活度、支链干涉等多种因素。针对6自由度并联机床，目前可以利用的尺度综合方法可以分为：基于各向同性条件的尺度综合，兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合，以及基于总体灵活度指标的加权综合3种方法。第1种方法因仅依赖满足各向同性条件时的尺度参数关系，故存在无穷多组解答。第2种方法针对动平台在给定工作空间中实现预定姿态能力的需要，通过施加适当约束，可有效地解决多解问题。第3种方法较为通用，通常以雅可比矩阵条件数关于工作空间的一次矩最小为目标，将尺度综合问题归结为一类泛函极值问题。值得指出，第2种方法仅适用某些并联机构(如Stewart平台)；而第3种方法除计算效率低外，还不能兼顾动平台实现姿态的能力。因此，针对不同类型的并联机床，研究兼顾多种性能指标的高效尺度综合方法将是一项极有意义的工作。4.1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 (4-1)式中，bi=rb(cosisini0)T，ai=ra(cosisini0)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 (4-2)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=(001)T。对式(1)两端取模方并整理得 (4-3)根据装配模式可解出 (4-4)且可确定Wi=(r-bi+ai-qie3)/L。 图4-1等效机构示意图4.2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(4-1)关于时间求导，得到点o的速度为 (4-5)式中，i为支链i的角速度矢量。对上式两端点积i并写成矩阵形式有 (4-6)式中，为雅可比矩阵。求解如下特征方程 (4-7)即可解出J的条件数 (4-8)式中，i为JTJ的第i(i=1,2,3)阶特征根。4.3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1，求点o位于z轴上时，wi与z轴的夹角0，杆长L。为此，首先将式(4-1)改写为 r=Lwi+r0i(4-9)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。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4-1进行旋转剖即可得到图4-2。设球铰许用半锥角为1，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4-2几何关系得 (4-10)对上式整理可解出 图4-2机床工作空间旋转剖(4-11)于是滑鞍的行程可由下式确定 s=s1+h+s2 (4-12)式中 s1=Lcos0-cos(0+1) (4-13) (4-14)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=Lsin0+ra (4-15)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s3s1，则机床的理论高度应为 H=s3+Lcos0+h+s2 (4-16)考察式(4-11)(4-16)可见，当给定r、h、ra和1后，L、rb、s和H均为0的函数。图4-3示出了当取1=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0的变化规律。由图可见，利用灵活度各向同性条件综合出的0并不能保证全域灵活度最优。为此需要构造如下目标泛函 (4-17)图4-3在任意平面内条件数全域最小和最大值随0的变化规律并通过一维寻优来确定0。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。4.4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。4.5精度设计与运动学标定精度问题是并联机床能否投入工业运行的关键。并联机床的自身误差可分为准静态误差和动态误差。前者主要包括由零部件制造与装配、铰链间隙、伺服控制、稳态切削载荷、热变形等引起的误差；后者主要表现为结构与系统的动特性与切削过程耦合所引起的振动产生的误差。机械误差是并联机床准静态误差的主要来源，包括零部件的制造与装配误差。目前，由于尚无有效的手段检测动平台位姿信息，因而无法实现全闭环控制条件下，通过精度设计与运动学标定改善机床的精度就显得格外重要。精度设计是机床误差避免技术的重要内容，可概括为精度预估与精度综合两类互逆问题。精度预估的主要任务是，按照某一精度等级设定零部件的制造公差，根据闭链约束建立误差模型，并在统计意义下预估刀具在整个工作空间的位姿方差，最后通过灵敏度分析修改相关工艺参数，直至达到预期的精度指标。工程设计中，更具意义的工作是精度综合，即精度设计的逆问题。精度综合是指预先给定刀具在工作空间中的最大位姿允差(或体积误差)，反求应分配给零部件的制造公差，并使它们达到某种意义下的均衡。精度综合一般可归结为一类以零部件的制造公差为设计变量，以其关于误差灵敏度矩阵的加权欧氏范数最大为目标，以及以公差在同一精度等级下达到均衡为约束的有约束二次线性规划问题。运动学标定，又称为精度补偿或基于信息的精度创成，是提高并联机床精度的重要手段。运动学标定的基本原理是，利用闭链约束和误差可观性，构造实测信息与模型输出间的误差泛函，并用非线性最小二乘技术识别模型参数，再用识别结果修正控制器中的逆解模型参数，进而达到精度补偿的目的。高效准确的测量方法是实现运动学标定的首要前提。根据测量输出不同，通常可采用2类运动学标定方法：利用内部观测器所获信息的自标定方法，其一般需要在从动铰上安装传感器(如在虎克铰上安装编码器)；检测刀具位姿信息的外部标定方法，其原则上需要高精度检具和昂贵的五坐标检测装置。4.6数控系统从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射(又称虚实映射)。因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。由于构型和尺度参数不同，导致不同并联机床虚实映射的结构和参数不尽相同，因此采用开放式体系结构建造数控系统是提高系统适用性的理想途径。为了实现对刀具的高速高精度轨迹控制，并联机床数控系统需要高性能的控制硬件和软件。系统软件通常包括用户界面、数据预处理、插补计算、虚实变换、PLC控制、安全保障等模块，并需要简单、可靠、可作底层访问，且可完成多任务实时调度的操作系统。 友好的用户界面是实现并联机床工业运行不可忽视的重要因素。由于操作者已习惯传统数控机床操作面板及有关术语和指令系统，故基于方便终端用户使用的考虑，在开发并联机床数控系统用户界面时，必须将其在传动原理方面的特点隐藏在系统内部，而使提供给用户或需要用户处理的信息尽可能与传统机床一致。这些信息通常包括操作面板的显示，数控程序代码和坐标定义等。实时插补计算是实现刀具高速、高精度轨迹控制的关键技术。在以工业PC和开放式多轴运控板为核心搭建的并联机床数控系统中，常用且易行的插补算法是，根据精度要求在操作空间中离散刀具轨迹，并根据硬件所提供的插补采样频率，按时间轴对离散点作粗插补，然后通过虚实变换将数据转化到关节空间，再送入控制器进行精插补。注意到在操作空间中两离散点间即便是简单的直线匀速运动，也将被转化为关节空间中各轴相应两离散点间的变速运动，因此若仍使关节空间中各轴两离散点间作匀速运动，则将在操作空间中合成复杂的曲线轨迹。为此，必须对离散点密化以创成高速、高精度的刀具轨迹。这不仅需要大幅度提高控制器的插补速率，而且需要有效地处理速度过渡问题。第五章 运动学仿真5.1自由度的计算设在三维空间中,有n 个完全不受约束的物体,且任意选定其中一个作为固定参照物。由于每个物体都有6 个自由度, 则二个物体相对于参照物共有6 ( n - 1) 个运动自由度。如将上述二个物体, 用g个约束数把15 之间任意运动副连接起来,组成空间机构,并设第i 个运动副约束数为ui ,则该机构的自由度F 应该等于n 个物体的运动自由度减去所有运动副约束数的总和,即: (5-1)在一般情况下,式(1) 中的ui 可以用6 - f i ( f i表示第i 个运动副的自由度数) 代替,就成为一般形式的空间机构自由度计算公式 (5-2)所以,本人设计的这个自由度是6运动学仿真的目的是通过考察各铰链及各部件的相对运动状态，检验支链是否发生干涉以及校核数控加工程序是否正确。此外，还可考察和评价系统的速度和加速度 特性。为此，基于solidworks2007刚体动力学模拟平台，根据运动副自由度数目设定相应的附加约束，以构成完整的运动约束集合。因在solidworks2007环境下装配虚拟样机时，只需将三个与连杆相连的球铰链插入球铰座便可确定其位置，故在solidworks2007环境下需加入对这三根杆件与球铰座的运动约束。值得提及的是，在处理运动约束时，必须准确设定铰链类型及其位置坐标，以便对约束的处理正确无误。在此基础上，即可根据CAM模型并借助位置和速度逆解模型生成滑鞍位置和速度数据文件，并作为solidworks2007的输入驱动机构运动。图5-1示出了本课题虚拟样机在350mm圆周上作周向进给运动的瞬时状态。图5-1第六章 结束语并联机床(Parallel Machine Tool，简称PMT)，是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床(可以完成机床的切削任务)，又可以看作是机床化的机器人(可以完成许多精密的机器人作业)。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的新型机电设备。国际学术界和工程界非常重视对并联机床的研究与开发，20世纪90年代中期，美国、英国、德国、俄罗斯、瑞典、瑞士、日本等国家的有关研究机构和机床厂家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床。并联机床已成为机床行业发展过程中不可忽视的一个亮点。 并联机床从问世以来经过了几年的发展，经历了一个由快速发展到稳步研究的发展过程，随着人们对并联机床的认识越来越深入，并联机床相关技术的研究和开发工作的步伐正逐渐趋于平稳。研究人员认识到并联机床与传统机床相比所表现出的鲜明的特有优势，这鼓舞着国内外众多研究机构和机床厂商坚持不懈地积极从事并联机床技术的研究和开发工作；另一方面，经过几年的研究，研究人员也发现并联机床存在一些缺陷，同时并联机床在较多方面的理论研究和应用技术研究尚不够成熟，还有很多难题要突破。世界各国的研究机构和机床厂商在这一问题上基本达成了共识，认为并联机床这种新型的加工装备与传统机床相比，在一些方面具有独特优势，然而在现阶段，并联机床尚不能实现大规模生产和市场化，并联机床技术也有待进一步发展完善。本人在最近的几个月做了以下几个方面的工作1. 查阅相关并联机床的资料,了解并联机床的概念和其特点,以能够较好的做好概念的设计2. 翻阅相关手册,确定零件的尺寸3. 翻阅国内外相关资料对本课题进行计算4. 用solidworks三位软件实现建模和仿真由于本人的能力和时间有限,本课题就做到这个程度,但是本课题的许多地方都还进行的不完善,需要做进一步研究.本次设计充分的锻炼了本人的动手动脑的能力,以及团队合作的能力.使本人受益匪浅.参考文献1 岳素平, 刘德忠, 李士良, 等. 基于 LAPIC 并联机器人的群钻外刃的锥面刃磨法J. 哈尔滨： 机械工程师, 2003,(9): 60-63.2 倪志福, 陈璧光. 群钻-倪志福钻头M. 上海： 上海科技出版社, 1999, 4.3 黄真, 孔令富, 方跃法. 并联机器人结构学理论及控制M. 北京： 机械工业出版社, 1998.4 赵俊伟, 徐振高. 一种串并联型机床及其误差分析M. 武汉： 中国机械工程, 2001, 12(8): 861-864.5孟少农1机械加工工艺手册M 1北京: 机械工业出版社, 199