并联机床校验台机械设计

机械制造 王新年 并联机床校验 台机械设计 并联机床 校验 台机械设计 王新年 黑龙江农业工程职业学院 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 8 摘要 并联机床是将并联机构应 用于机床领域 出现的一种新型机床 近年 来发展 很快 由于 并联机床出现时间较短尚有很 多未解决的难题 其中主要是精度问题 而校验台是进一步提高 机床精 度所必需的设备 重点阐述 了并联机床校验 台的机械设计 关键词 并联机床 精度 校验台 机械设计 中图分类号 T H1 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 5 0 0 5 8 0 2 M e c ha ni c a l De s i g n o f Ca l i b r a t i o n Se t s i n Pa r a l l e l M a c hi ne To o l s W ANG Xi n n i a n H e U o n g j ia n g A g r i c u lt u r e E n g i n e e r i n g V o c a t i o n a l I n s t i t u t e H a r b i n 1 5 0 0 8 8 C h i n a Ab s t r a c t T h e p a r a l l e l ma c h in e t o o l i s a n e w k in d o f ma c h i n e wh i c h t h e p a r a l le l me c h a n i s m i s u s e d in I n r e c e n t y e a r s i t i s d e v elop i n g v e r y qu ic k l y Bu t t h e r e ar e s t i ll s ome d iffi c ult ie s whic h c a n no t b e s o lv e d f or e x a mp le t h e p r ec is i o n i s o n e amo ng t h e m T h e c a l i b r a t io n s e t i s j u s t e q u ip me n t f o r imp r o v i n g t h e p r e c i s io n o f t h e ma c h i n e t o o 1 T h is e s s a y ma in ly s t a t e s t h e me c h a n i c a l d e s ig n o f c ali b r a t i o n s e t s i n p a r a l lel mac hine t o ols Ke y wo r ds p a r all e l ma c hine t o o l s p r e c is i o n c ali b r a t i o n s e t s me c h a nic a l d e s i g n 0 引言 生产的自动化与高精度 高品质是机械制造工业发展 的两大方向 为了满足此发展方向的要求 并联机床应运 而生 作为一种新概念机床 并联机床在结构 控制等方面 完全不同于传统机床 有很大的研究空间和价值 并联机 床虽然优点很多 但没有被普及的原因还是精度有问题 并联机床的各运动副在制造和安装中存在误差 如定平台 和动平台上各球铰的位置及各支路杆长均存在制造或安 装误差 这种误差对并联机床的加工精度有很大的影响 这些误差难以进行直接测量 设计开发出一台精度较高 的 具有 Y 三个坐标运动功能的校验台 即成为减小 并联机床误差 对其精度进行检测和标定的关键设备 1 校验 台的结构原理 图 1 校验台主要由三个平动导轨 三根驱动丝杠 三台电 动机 三路光栅组合而成 三路导轨由下到上叠加 从而 形成空间直角坐标轴的形状 每一路驱动丝杠由一台步 进电动机驱动 实现三轴联动 光栅用来测量导轨的位 移 根据设计原则 考虑到质量及尺寸的要求 将最上层 设计为垂直移动 设为 轴 其余两路为水平移动 设为 轴和Y轴 从而构成相互垂直的空间三轴测量台 其结 构如 图 1 所示 校验 台的 自由度显 而易见 是三个 平移运 动副 自由度为 3 由三台步进电动机分别驱动控制 3个 自由度 图 1 校验台结构简图 2 校验台关键部件的设计 校验台的设计 就是针对具体的被加T零件在选定的 结构方案的基础上 进行方案图样设计 这些工作包括 传动装置及动力部件的选择 关键部件如导轨的设计 基 础件设计等 2 1 传动装置及动 力部件 的选择 校验台实现的是沿 y 三轴的直线运动 根据校验 台本身要求的精度及运动的实现形式 选择二级滚珠丝杠 作为传动装置 均采用购买件 关于动力部件的选择问 题 考虑到经济上的原因及对电动机的要求 选择混合式 步进电动机作为动力部件 由于校验台不承受外力 精度 要求较高 尺寸小 因此 对电动机的参数要求是 外形尺 寸尽量小 转距 4N m 步距角为 0 9 o 细分电路为 6 4 细分 为了简化结构 电动机与丝杠的联接形式采用轴套 作者简介 王新年 1 9 7 4 一 男 黑龙江依安人 副教授 工程硕士 研究方 向为机械制造 5 8 h t t p ffZ Z H D c h i n a j o u rna 1 n e t c n E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 n e t c Y l 机械制造与自 动化 机械制造 王新年 并联机床校验 台机 械设计 联结 2 2导轨的设计 导轨的功能是支承和引导机械的移动部分做直线运 动 导轨 一般 由运动件 和引 导件两 部分组 成 对 导轨 的 主要要求是 方向精度高 运动的灵活性和平稳性好 对温 度变化不敏感 耐磨性和结构工艺性好 对于有移动工作 台的机械 导轨的结构方案是否合理 对其品质和成本往 往有较大的影响 对于直线运动导轨 为了使运动件只沿一个方 向运 动 必须限制运动件绕 轴的转动 自由度和另外两个 方 向的移 动 自由度 图 2是 常 用 导轨 的几 种 基 本结 构 列出 a b c 三种 每根导轨由两个狭长导轨 面组成 它限制了沿 向和 向的移动 和绕 轴和z 轴的 转动 由于导轨面很窄 所以不能限制绕 y 轴的转动 因 此常采用增加一个导轨面或加宽一个导轨面的方法 来限 制绕 y轴的转动 为防止运动件绕 y 轴转动 在图 2所示 的三种导轨之外再加一辅助支承点即可 考虑承载能力和 耐磨性 在实际结构中往往增加一个导轨平面如图3中所 示 但是这就对两条导轨的平行度的要求提高了 由此可 知 导轨面数超过了运动学原理的要求时 由于有多余的 约束 必须提高导轨的加工精度 入脏物很敏感 抗震性差 滚动导轨的刚度一般比滑动导 轨低的多 但如增加适当的预紧力可以提高刚度 而且一 定的预紧力可以防止滚动滑条跑偏 2 3 丝杠 的结构 设计 丝杠是传动装置的主要部件 它选择的好坏将直接影 响到传动精度 进而影响到整个校验台的精度 由于滚珠 丝杠副为通用部件 生产工艺成熟 品质和生产周期都容 易保证 且比较适合于精密传动 故选用的是滚珠丝杠作 为平动的实现形式 丝杠的两端固定在导轨两侧 丝杠的 方形螺母固定在滑块上 丝杠的一端通过联轴器与电动机 相联 当电动机 旋转 时 通 过丝 杠将 转 动 转化 为 螺母 移 动 从而实现平动 2 4 基础件设计 从校验台结构简 图中可以看出 轴的底座体积较 大 质量 占的比重也大 起着支承和固定其他零件的作用 因此它的设计和制造 品质对机器 的品质有很大 的影响 对底座 的设计要求 有 有足够 的强 度和 刚度 有 足够 的精度 有较好的工艺性 有较好的尺寸稳定性和抗振性 外形美观 还 要考虑到安放水平 底座设计主要考虑如下问题 正确选择支承点 这里 选择四个支承点 端面的形状及厚度 主要是考虑到底座 受弯曲 扭转的应力作用 加强筋的形式和作用 根据材 料力学原理 为防止变形 采 用 米 字 形封闭式加强筋 3 结论 根据设计要求确定了校验台的总体设计方案 提出了 具体的设计要求 阐述了校验台的结构原理 对校验台的 传动装置及动力部件进行了选择 对关键部件如导轨 基 础件提出了设计理念 优化的结构设计 往往会使校验台 工作可靠 结构紧凑 运动起来更加灵活 直接的对并联机 床的误差进行了测量 合理的提高了精度 a 棱一 平导 轨 1o V一 平导 轨 图 3 辅助导轨面 参考文献 常用的导轨按其支承原理可分为 滑动摩擦导轨 滚 动摩擦导轨 根据精度要求及经济上的原因 本文选用的 是滚动摩擦导轨 滚动摩擦导轨的优点是 低速时运动平 稳 运动阻力小 特别在启动时 精度一般较高而且保持 时间较长 润滑简单 缺点是 制造一般较难 对导轨上落 1 孑 L 令富 六 自由度并联机 器人运 动控制 系统 的研究 D 哈 尔滨 哈尔