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三自由度并联机构运动平台的设计并联机构结构设计一、选题1、理论意义三自由度并联机构的出现被认为是本世纪最具革命性的机构设计突破。如果充分发挥这种新型机构在结构上的优势，就有可能为大幅度地提高机构的性能开辟一条新途径。虚拟轴机构不太适合加工大范围、多坐标运动的零件。但从另一个角度看，在实际生产中需要多坐标加工的复杂零件毕竟是少数，而占主导地位的还是普通常规零件的加工。因此，研究如何利用虚拟轴机构的结构特点，在常规零件的高速、高效加工上发挥其优势，将更具有实际意义。3、研究内容设计机构，利用铰链副，实现三根电动推杆的上下运动，从而调节道具的位置，进行铣削加工。确保试验台机械强度基本控制。（1）并联实验装置总体结构设计（2）对实验装置的运动进行仿真计算分析4、系统功能能够在设计的试验台下调节进给长度，以达到加工复杂表面零件的目的。（1） 完成并联机构实验装置的总体设计方案（2） 完成并联机构实验装置驱动与数控系统设计方案三、实现方法及预期目标作为在校的学生，所接触过的机械问题比较浅薄，考虑问题不够全面，研究课题完全靠自己。无论是资料、设备都不够齐全，条件比较艰苦，好在信息飞速发展，网络是个很好的助手，可以在毕设期间给予我很大帮助。在研究过程中，肯定会有很多意想不到或难以解决的问题。我认为最大的难点就是计算各个零部件及联接点的刚度、受力，还有实现自动化控制着两大核心部分。四、对进度的具体安排1、第1-3周 实习调研基本结束；2、第4周 撰写并提交调研报告和开题报告；3、第5-6周 系统的整体方案的确立；4、第7-9周 计算零件的尺寸5、第10-11周 绘制草图6、第12 周 校核零件强度7、第13-14周 绘制大图7、第15-16周 撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文8、第17周 完成毕业答辩五、参考文献东北大学 沈阳10004 (刘阳;蔡光起);沈阳建筑工程学院 沈阳110025(罗继曼)周延佑; 数控机构发展新趋势与我国相应的对策 J;机械工艺师; 2001年02期肖鹏; 可调机构的分析与综合研究 D;西华大学; 2007年姜荫棠,施兆昌; 数控加工在雷达制造中的应用 J;电子机械工程; 2002年01期杜敬利,仇原鹰,段宝岩,保宏; LT50m缩比模型舱索系统与Stewart平台动力学耦合分析 J;中国机械工程; 2005年10期杜敬利,仇原鹰,段宝岩,张杰; 刚柔耦合二级运动调整系统动力学模型 J;西安电子科技大学学报; 2005年04期吴筱春; 6-PUS并联机器人数字化样机的研究 D;河海大学; 2004年梁宏宝,钟诗胜,王知行; 虚拟机械加工环境的建造 J;高技术通讯; 2001年02期冯超; 基于虚拟样机的虚拟轴机构设计研究 D;南京理工大学; 2002年邬昌峰,高荣慧; 并联机构的特点、研究现状及展望J; 机械; 2003年01期; 3-5+8李灵飞; 并联机构机构的分析J; 河北理工学院学报; 2004年02期; 33-35指导教师：(签署意见并签字) 年 月 日督导教师：(签署意见并签字) 年 月 日领导小组审查意见：审查人签字： 年 月 日三自由度并联机构运动平台的设计宁XX大学毕业设计(论文)三自由度并联机构的设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。本文并联机构的研究方向：（1）并联机构组成原理的研究研究并联机构自由度计算、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）并联机构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）、机构干涉计算及位置分析等。（3）并联机构结构设计的研究并联机构的结构设计包括很多内容，如机构的总体布局、安全机构设计。由于本人水平有限，文中的错误和不足在所难免，恳请各位老师给予批评和指正。关键词：三自由度；虚拟样机；并联机构AbstractParallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.The direction of the research of parallel mechanism:(1) study on the principle of parallel mechanism.The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.(2) for parallel mechanism workspaceIncluding the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.(3) for parallel mechanism structure designStructure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;目 录第1章 前 言11.1 课题研究背景意义11.2 国内外研究现状2第2章 三自由度并联的结构及工作原理52.1 并联运动机构概述52.2 三自由度并联的结构及机械运动原理52.3 控制系统结构及工作原理62.4 并联机构工作空间的分析7第3章 并联机构主要部件的设计93.1 电动机选型93.1.1电机的分类93.1.2电机的选择93.2 电动推杆选择103.3机构力的计算13第4章 并联机构机并联机构空间分析194.1并联机构并联机构机的运动学约束194.1.1 连杆杆长约束194.1.2 运动副转角约束194.1.3 连杆杆间干涉204.2 确定并联机构空间的基本方法20第5章 三自由度并联机构三维建模215.1设计结果215.1并联机构solidworks三维建模21第6章 Adms建模过程226.1 Adams软件介绍226.1.1 Adams软件简介226.1.2 ADAMS软件基本模块246.2 Adams 建模过程276.2.1 启动ADAMS286.2.2 设置工作环境286.2.3 创建旋转副、移动副、移动驱动、固定约束296.3 仿真结果32结 论34参考文献35致 谢36IV1三自由度并联机构运动平台的设计三自由度并联机构运动平台的设计宁XX大学毕业设计(论文)三自由度并联机构运动平台的设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。本文并联机构的研究方向：（1）并联机构组成原理的研究研究并联机构自由度计算、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）并联机构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）、机构干涉计算及位置分析等。（3）并联机构结构设计的研究并联机构的结构设计包括很多内容，如机构的总体布局、安全机构设计。由于本人水平有限，文中的错误和不足在所难免，恳请各位老师给予批评和指正。关键词：三自由度；虚拟样机；并联机构AbstractParallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.The direction of the research of parallel mechanism:(1) study on the principle of parallel mechanism.The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.(2) for parallel mechanism workspaceIncluding the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.(3) for parallel mechanism structure designStructure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;目 录第1章 前 言11.1 课题研究背景意义11.2 国内外研究现状2第2章 三自由度并联的结构及工作原理52.1 并联运动机构概述52.2 三自由度并联的结构及机械运动原理52.3 控制系统结构及工作原理62.4 并联机构工作空间的分析7第3章 并联机构主要部件的设计93.1 电动机选型93.1.1电机的分类93.1.2电机的选择93.2 电动推杆选择103.3机构力的计算13第4章 并联机构机并联机构空间分析194.1并联机构并联机构机的运动学约束194.1.1 连杆杆长约束194.1.2 运动副转角约束194.1.3 连杆杆间干涉204.2 确定并联机构空间的基本方法20第5章 三自由度并联机构三维建模215.1设计结果215.1并联机构solidworks三维建模21第6章 Adms建模过程226.1 Adams软件介绍226.1.1 Adams软件简介226.1.2 ADAMS软件基本模块246.2 Adams 建模过程276.2.1 启动ADAMS286.2.2 设置工作环境286.2.3 创建旋转副、移动副、移动驱动、固定约束296.3 仿真结果32结 论34参考文献35致 谢3636第1章 前 言1.1 课题研究背景意义并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种6-TPS结构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件3维转动的活动范围一般只在60上下，角度最大也达不到90。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。并联机构实质上是机器人技术与机构结构技术结合的产物，与实现等同功能的传统五坐标数控机构相比，并联机构具有如下优点：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、特种加工与并联机构等作业。 技术附加值高：并联机构具有“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构非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。1994年在芝加哥国际机构博览会上，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)的数控机构与加工中心，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构、并联机构机和加工中心。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，与并联机构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，在历次大型国际机构博览会上均有这类新型机构参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。 我国已将并联机构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构的研发纳入教育部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构骨干企业的参与。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构设计理论与关键技术研讨会，对并联机构的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。1.2 国内外研究现状并联机构具有高刚度、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。(1)串联结构中的横梁部件很容易受到弯曲扭矩的作用而产生扭曲变形，从而产生动态误差；(2)由于采用串联的方法，因而整个运动误差是每个坐标轴运动误差的累加；(3)由于运动部件质量较重，从而使的运动惯性增大，运动速度收到限制，因而直接影响了并联机构效率；(4)不满足并联机构的基本原理阿贝原理；(5)由于受X，Y，Z相互垂直导轨的约束，测头的空间位姿不够灵活。 图1-1 普通笛卡尔式串联结构示意图从整个发展进程不难看出，并联机构技术是为满足日益进步的制造技术的需求而不断向前发展的，是为先进制造技术而服务的。近几年，随着精益生产、敏捷制造、虚拟制造、并行工程和逆向工程等各种先进制造思想和理论的不断提出，对并联机构机的并联机构精度、并联机构效率及灵活性等相应的技术指标又提出了更高的要求，而传统的具有笛卡儿坐标系结构的三并联机构机因其自身结构的限制已很难达到这一要求，于是，各种非笛卡儿式并联机构技术应运而生并迅速发展起来13。 图1-2 几种非笛卡尔串联机构并联机构机结构示意图当今国际市场需求快速变化的特点和21世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展。并联并联机构机是近30年发展起来的一种高效率的新型精密并联机构仪器，克服了传统串联并联机构机结构布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高对生产环境的适应性，满足了快速多变的市场需求。与常用的串联并联机构机相比，它的优点是:(1)并联中的可动平台同时经由3根可沿各自轴向伸缩的连杆支撑，从而使整个系统的刚度较串联机构相比有较大程度的提高；(2)各并联杆件只承受沿轴向的线性调节力的作用,因而其运动误差小，不易变形；(3)并联机构中,各杆件间不存在误差累积和放大关系，容易实现高精度并联机构；(4)并联运动机构中运动部件的惯性质量小，刚度大，因而有望实现高速、高效率并联机构；(5)可以将并联机构点放置在测长装置的延长线上，从而减小阿贝误差对并联机构结果的影响；(6)并联并联机构机测头的空间位姿灵活，可从任何角度进入工作表面，因而对表面形状复杂,孔隙方位多的零件并联机构比较方便；(7)并联机构结果不易受空气波动、温度变化等因素的影响；(8)不需要复杂的跟踪机构、控制装置等；(9)并联机构具有“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,因而渴望获得高额的经济回报。由此可以看出，并联机构恰好能够对串联机构的应用局限进行恰当的补充，这无疑为新一代并联机构机的开发与研制带来了希望，从而为拓宽并联机构机的应用领域，促进产品的多样化，提高产品的市场竞争力奠定了坚实的理论基础。近年来，以并联机构学为理论依据的智能机器人技术及计算机数控加工技术的研究引起了各国学者的极大兴趣，现已成为新的研究热点，并认为是21世界极具发展前景的先进技术14-15。由于并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特特性，因而若将其应用于并联机构机中，将有可能使并联机构机的并联机构精度及并联机构效率等综合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并联运动机构理论及应用研究的兴起也为新型并联机构机的开发提供了机遇，所以，开展并联运动机构的研究工作是非常必要的。第2章 三自由度并联的结构及工作原理2.1 并联运动机构概述从并联机构的结构特点不难看出，并联机构并联机构机属于一种新型非笛卡儿式并联机构系统。传统的笛卡儿式并联机构系统对空间位置坐标的并联机构是直接通过三个相互垂直的长度基准来实现的，也就是说，这种并联机构机的并联机构模型是直接建立在直角坐标系基础之上的，因而该并联机构机具有并联机构建模容易，并联机构结果直观、数据处理简单、符合大多数工件并联机构的需要等优点。而对于由并联闭环机构所组成的并联并联机构机来说，其测头处的空间位置坐标是有若干个并联调节器的长度基准和连接上下平台的球形副（或转动副）的角度基准来表述的，由于这些变量参数之间的关系是非线性，所以与普通直角型并联机构机相比并联机构并联机构机的并联机构建模问题就变得十分复杂。并联运动机构是指上、下平台用2个或2个以上分支相连，机构具有2个或2个以上自由度，且以并联方式驱动的空间闭环运动机构。由于并联运动机构具有刚度重量比大，运行速度高、末端执行器位姿灵活、误差不叠加、结构简单、易于模块化设计等优点 ，因而在许多领域都已得到广泛的应用。例如：德国汉诺威、斯图加特大学及不伦瑞克大学等已先后将并联运动机构应用于激光加工、机构、普通装配及医学等领域中。国内一些知名大学，如清华大学、天津大学、东北大学、燕山大学和哈尔滨工业大学等等，也正在开展并联机构方面的研究工作。实际上，并联机构并联机构机的并联机构建模问题就是并联机构的正运动求解问题。所谓正运动求解，就是在已知并联机构中各运动副的位置参数及各并联调节器杆长变化量的情况下，来计算末端执行器（如测头）出的空间位置坐标。由空间机构学理论可知并联闭环机构的位置反解比较容易，但其位置正解却相当复杂，到目前为止，也只能给出其数值解，且明显存在多解现象。我们通过对并联机构并联机构机的布局结构进行优化，即将连接上下活动平台的运动副以等边三角形的方式进行排列，从而使个运动副之间的相互关系简洁化，然后充分利用机构的运动约束和集合约束关系，建立由对应机构组成的并联并联机构机的并联机构模型。2.2 三自由度并联的结构及机械运动原理本文所研究的三自由度并联机构的结构见图2-116。由图2.2.1可以看出，该主要由上下2个等边三角平台和3个中间连杆组成。每个连杆包括3个运动副，其中转动副与上三角平台的顶点相连，球面副则与下三角平台的顶点相连，中间的移动副可在杆长的约束范围内做轴向伸缩运动，的测头则安装在下三角平台的几何中心点位置。根据Kutzbach Grubler17公式，可计算出上述三自由度并联机构的空间自由度F为： 式中n 机构中总的构件数； g 机构中所包含的所有物体之间的运动副数目； fi 第i个运动副的相对自由度数。可计算出该运动机构的空间自由度为3。分别为沿Z向的1个移动自由度和2个独立的转动自由度。从机构的连接方式不难看出，三个中间连杆的运动是相互关联和制约的，而不是相互分立的，因此，这种机构属于并联运动机构。三自由度并联机构的工作原理十分简单，它是通过移动副的调节器来控制移动副的伸缩，使连杆长度发生变化，从而使测头移动至测点位置，然后再由安装在移动副内的长度并联机构装置测出杆长的变化量，并以此为依据，计算出测点处的空间坐标。图2-1 并联机构结构简图2.3 控制系统结构及工作原理三自由度并联机构并联机构机的控制与并联机构系统结构示意图如图2-2所示：由图可以看出来，该并联机构并联机构机的控制与并联机构系统主要由三个基本单元组成，它们是：PC处理器单元，伺服电机控制单元和并联机构数据采集与存储单元。PC处理单元主要完成数据处理、数据显示、几何尺寸计算和三维形体的重建等，同时还负责向其他两个单元发送控制指令，以便协调整个系统的工作。伺服电机控制单元则主要是依据PC计算机所发送的控制指令对三个伺服电机的运行状态进行控制，从而确保他们按实际要求正常运转。并联机构数据采集与存储单元主要用于完成对三个线性刻度尺（例如光栅尺、激光干涉仪等）输出的脉冲信号进行记数，并将计数结果存储到对应的三个存储器中，以便于PC计算机进行读取。图2-2 控制与并联机构系统框图上述控制与并联机构系统的工作原理可简述如下：当操作人员通过计算机键盘（或其他键控开关）向计算机发出控制命令后，PC处理器则通过I/O控制器接口向三个交流伺服电机分别发出相应的运行控制指令。当三个伺服电机接受到正确的指令信息后，即驱动各自的滚珠丝杠进行旋转，从而带动相应的移动副按实际要求进行伸缩，使测头向目标点移动；同时，随着移动副的伸缩，与之相连的线性长度记录仪（如光栅尺等）开始输出计数脉冲，并由三个32位的计数器分别进行计数。若测头移动过程中，连杆或运动副出现干涉现象，则驱动系统将立即向计算机反馈信息，以便通知计算机及时调整三个伺服电机的运行状态，及时修正测头的运行轨迹，从而确保测头安全、柔性地到达并联机构点位置。当测头与被测目标点接触的一刹那，测头的微动开关将产生一触发脉冲，并将其反馈给PC计算机作为采样触发信号。PC计算机接收到该采样指令后，则向32位计数器发出读数指令，随后便将计数器中的三个脉冲计数值读入处理器，经相应处理软件计算后，得到该并联机构点处的实际空间坐标值，从而完成一次坐标采样过程。2.4 并联机构工作空间的分析工作空间（Workplace）：设给定参考点C是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。完全工作空间（Complete workplace）：动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。定向工作空间（Constant workplace）：动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。最大工作空间（Maximal workplace）：动平台执行器端点可到达的点的最大集合，并考虑其具体位姿。完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集.另外，工作空间是并联机构的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个： 杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。 转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。 杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为D的圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离为Di,则DiD。第3章 并联机构主要部件的设计3.1 电动机选型3.1.1电机的分类1按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 4按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为电动机和伺服电动机等。 5按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。 调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。3.1.2电机的选择由于电机具有控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化的优。根据设计要求及实际情况我们选择电机，选择参数为:额定电压、输出扭矩和电机转速等。拟采用的57系列两相混和式电机使用24V电压，本系统提供的24V直流电源可以满足电机的工作需要。输出扭矩与支撑板的摩擦力有关，主要由物料的重量和摩擦系数来确定，此外，还与滑动摩擦力的作用有关，但由于滑动摩擦系数很小。电机的频矩特性曲线如图4-3所示：则由曲线可得:当n=30r/min时，f=100HZ。根据计算结果我们选择电机型号为：57BYJ250C3.2 电动推杆选择电液推杆是一种集机、电、液为一体的液压驱动机械手。它适用于需要往复推、拉直线（或往复旋转一定角度）运动也可用于需上升、下降或夹紧工作物的场所，并可进行远距离高空及危险区的集中或程序控制。已广泛应用于冶金、矿山、煤炭、电力、机械、粮食、水泥、化工、水利、运输、起重运输及港口机械中的阀门、闸门、换向、倾斜、摆动等的驱动和控制，是通用的动力源。电液推杆是以液压缸为主体，电动机、油箱、油泵、滤油器、液压控制阀组合的总成。电动机、油泵、液压控制阀和液压缸可装在同一轴线上，也可按需要装置在不同轴上，中间有油箱和安装支座，只需接通电动机的控制电源，即可使活塞杆位移往复运动。活塞杆的伸缩由电动机的正反向旋转控制。 液压控制阀组合是：溢流阀、伺服阀、液控单向阀等组成；电液推杆可以根据不同的工况要求设计不同油路形式的组合阀满足其工作要求。电液推杆分为单推、单拉和推拉三种形式，调速形式有推拉调速型，推调速型，拉调速型，推拉均不调速型。锁定形式有推拉锁定型、推锁定型、拉锁定型，推拉均不锁定型。电液推杆具有如下优点：结构紧凑，安装方便，占据空间小，维护简单；回路中设有双向液压锁，可停在规定行程范围内的任意位置并自锁，且保持输出力不变；可带负荷起动，具有过载保护装置；拉力、速度无级可调，驱动力范围极广；因故断电，推杆自锁避免发生事故。但电液推杆工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等），长距离传动时更是如此；它对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很容易受到温度影响，因此不宜在很高或很低的温度条件工作；它造价昂贵，而且对工作介质的污染比较敏感；同时他出现故障时也不易找出。这些都对电液推杆的传动质量和使用范围造成一定影响。不符合本设计的设计要求。使用电动推杆可以较好得解决以上问题。4.2 电动推杆电动推杆是一种动力驱动装置，其安装不受地形、气候、距离限制，并以其结构紧凑、使用可靠、节约能源、安装方便、维修简单等优点，而广泛用于电力、机械、化工、冶金、矿山、轻工、交通、船舶等部门。可完成各种物体的升降、推拉、平移、旋转、锁定、门阀的开关等作业。同时，电动推杆可通过微机控制，便捷实现自动化。现已被越来越多的部门用它来代替机构手、液坟阀、减速传动机构的自动装置中。 电动推杆由电动机、减速齿轮、丝杆、铜螺母、导向管、活塞杆、轴承座、弹簧、缸筒座、联结叉及限位开关（选用）等部件所组成。推杆以电机为动力源，通过一对（或两对）齿轮传动变速，带动一对丝杆螺母传动副组合，把电动机的旋转运动转化为直线往复运动，利用电动机正反转完成推拉动作。推力和拉力相等。如通过各种杠杆，摇杆或连杆等机构可完成转动、摇动等复杂动作。通过改变杠杆力臂长度可以增长行程。电动推杆内过载自动保护装置，当推杆行程到极限位置或负载超过额定推力一定数值时，推杆将自动切断电源，起保护作用，使电动机及其它构件不致损坏，但不得以此作为正常运行时的限位开关使用。因此要在推杆上另行配置外行程限位开关装置，以控制推杆正常起停。电动推杆按电机安装形式分I型、II 型两种基本形式，同一种形式又分若干个电机机座号。在此基础上增加了III型、IV 型和防爆型，III 型、IV 型的主要技术参数及外形安装尺寸与II 型相同。在III 型的居套外加装了行程调节装置，使推杆行程从0至最大行程范围内可调节，IV 型的中间传动端加装手轮，以实现现场操作。电动推杆的螺旋传动机构又可分为滑动丝杆副螺旋传动和滚珠丝杆副螺旋传动两种。采用滚动丝杆副螺旋机构进行传动，它的摩擦系数小,摩擦损失减少,传动效率高,低速时不产生爬行现象;同时滚珠丝杆副不存在轴向间隙,这样就提高了它的传动质量和精度, 滚珠丝杆副螺旋传动还具有寿命长、精度高、轴向刚度高、运动平稳等特点，但其结构复杂，制造较难；运动具有可逆性，需要设置防止逆转机构。采用滑动丝杆副螺旋进行传动与滚珠丝杆副螺旋传动相比它具有结构简单、制造容易、减速传动比大、具有自锁性、传动平稳等优点。在本电动推杆设计中，由于对丝杆自锁性要求较高，传动速度适中，且要求结构简单，安装容易。所以选择滑动丝杆副进行传动比较合适。DG系列D型电动推杆该系列电动推杆结构简单，噪声较低。主要应用于推拉力较小的工业设备的机械运动的执行机构。如各种风道的蝶阀、舞台设备等。 外形结构：电机与推杆同轴。 内部结构：梯形丝杠副。 行程控制：采用外部行程控制装置或编码器实现。 过载保护：采用弹簧与继电器组合结构实现。主要技术参数1. 驱动电机：三相异步电机2. 最大推力：500kgf3. 最快速度：94mm/s4. 最大行程：800mm5. 机械连接：双侧耳轴连接3.3机构力的计算1. 上平台加载1.4t,从中间位置上升150，平衡机抵消70的载荷。 假设平横状态下杆AE、BD、CF的长度为1m，上、下平台(圆盘)的半径:=0.51m；=0.86m，AE与竖直方向的夹角为15度，EF=ED=DF=0.75m=750mm，AB=BC=AC=0.35m=350mm，AED=80。由几何关系知，AE=AG=AEcos15=1292.9mm(AG为A到地面的距离)取PQ=1125mm, AG=AG+150=1442.9mmtgPHQ= PHQ=37.9,所以NHQ=90-37.9=52.19800=2FQHSin52.1FQH=6202.5NtgPMQ= = PMQ=41SinPMQ=QM=1714.8mmSinPHQ= 所以X=1831.4-1714.8=116.6mmFQH=6K1X K1= FPN= FQH=5K2 K2= 2. 上平台加载1.4t,从中间位置下降150，平衡机抵消100的载荷。 AG= PMQ=PMQ=49.8SinPMQ=X=QM-Q M=1714.8-1472.9=241.9mm14000=2 QMSin(90-49.8) FQM=10769.2NK3= K4= 3. 平衡机上平台处于中间位置加载1.4t，右端上仰20，抵消85的载荷。 14000%=11900N11900=FQMQMJ+FPNSinMNPFQMCosQMJ= FPNCosMNP因为PMQ=41，所以QMN=49取QMJ=40，MNP=60，代入上面两个式子得：FQM=6040.6N，FPN=9302.5NMO= （MO为M到底平面的距离）MQO=35，所以MQ=MQ=所以X1=1918.7-1712.1=206.6mmFQM=6K5X1 K5= NP= X2= NP-PN=1961.4-1712.1=249.3mm所以FPN=5K6X2 K6= 4. 平衡机上平台处于中间位置加载1.4t，右端向上倾侧20，抵消80的载荷。 算法同上述第三种情况，计算得： F1=5686N，F2=8756N ， 6FCos=947.7，=10所以F=160.4N=K7X ，又因为X= 所以K7= ； 5FCos=1751.2，=10 所以F=355.6N=K8X , 又因为X= K8= 第4章 并联机构机并联机构空间分析并联机构机的并联机构空间，实质上就是测头的工作空间。该空间是指在满足机构的运动约束和几何约束的条件下，并联机构机测头所能达到的空间点的所有点集。这些点集可构成一个体积，该体积的边界曲面就是测头工作空间的边界。4.1并联机构并联机构机的运动学约束基本上，并联的物理约束有三个，他们是：连杆杆长约束，运动副转角约束和连杆杆间干涉。不同于通过限制转动副来限制有效自由度，本节讨论的运动学约束主要是限制运动范围。4.1.1 连杆杆长约束连杆在运动过程中，其杆长必须满足条件： (i=1,2,3)在上式中lmin和lmax分别表示连杆的最小杆长和最大杆长。4.1.2 运动副转角约束同样，在并联工作过程中，必须满足条件：0imax (i=1,2,3)在上式中max代表球面副的最大圆锥摆角，i为基座平面的法向量m与第i条连杆杆长向量li之间的夹角(图4-1)。可以表示成：=cos图4-1 运动副转角约束上式中， l=(b-p) (i=1,2,3), m=(p-p)(p-p).4.1.3 连杆杆间干涉由于3个并联连杆与基座之间的连接关节为转动副，三个连杆只能在各自的约束平面内运动，因而不会产生干涉现象。4.2 确定并联机构空间的基本方法为了描述并联机构机测头的工作空间，可取若干个适当的平行平面作为工作空间的剖面。这些平面与工作空间的交即是工作空间在这些剖面上的边界曲线。若取一系列这样的剖面，就可得到一系列的边界曲线。这些边界曲线的集合就可构成一个完整的工作空间边界例如，取一平行于XOBY的平面X1ZjY1作为工作空间的剖面(如图4-2所示)，该平面距坐标原点OB的距离Zj(Zmin Zmax)。然后，在该平面上取一极角i，作一极线那么极线与边界曲线的交点i即为测头在该极线上所能达到的最远点。因此，只要能在此极线上找到i，即可算出该边界点在坐标系OB-XYZ中的空间坐标，即(icosi，i sini，Z)。图4-2 量空间剖面选取及边界曲线的确定由此可以看出，通过上述方法处理后，即可将工作空间边界点的计算问题转化为对i的一维搜索问题。当求得一个边界点后，令极线的极角增加，再按上述方法搜索出另一个边界点。当极角i由0开始增加到360时，就可得到该剖面上完整的边界曲线。作完一个剖面后，增加Zj，再重复同样方法，直到Zj由Zmin变化到Zmax为止，这样就可求出并联机构机测头的整个工作空间边界。第5章 三自由度并联机构三维建模5.1设计结果经过一个学期的调研、设计，我们的并联机床实验台课题终于有了雏形，能够实现相对较为粗糙并联运动。对于初出茅庐的我们来说，是个很大的鼓舞，毕竟是自己设计出来的东西，虽然问题考虑的不尽周全，许多地方都存在着这样或那样的缺陷，这是由于我们的经验还太少，需要各位老师的谅解。5.1并联机构solidworks三维建模在设计与画CAD的同时，我们同步进行着solidworks的立体零部件的创建。最终，我们将全部的零件组装在一起，构成一个并联实验台的整体模型。并对并联机构进行了局部仿真，但由于驱动设置的不够成熟，并联机构还达不到作者与合伙人所设想的完美运动方案。第6章 Adms建模过程6.1 Adams软件介绍6.1.1 Adams软件简介ADAMS软件，即机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近8千万美元、占据了51%的份额。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表3-1所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。表6-1 ADAMS软件模块基本模块用户界面模块ADAMSView求解器模块ADAMSSolver后处理模块ADAMSPostProcessor扩展模块液压系统模块ADAMS/Hydraulics振动分析模块ADAMS/Vibration线性化分析模块ADAMS/Linear高速动画模块ADAMS/Animation试验设计与分析模块ADAMS/Insight耐久性分析模块ADAMS/Durability数字化装配回放模块ADAMS/DMU Replay接口模块柔性分析模块ADAMS/Flex控制模块ADAMS/Controls图形接口模块ADAMS/ExchangeCATIA专业接口模块CAT/ADAMSPro/E接口模块Mechanical/Pro专业领域模块轿车模块ADAMS/Car悬架设计软件包Suspension Design概念化悬架模块CSM驾驶员模块ADAMS/Driver动力传动系统模块ADAMS/Driveline轮胎模块ADAMS/Tire柔性环轮胎模块FTire Module柔性体生成器模块ADAMS/FBG经验动力学模型EDM发动机设计模块ADAMS/Engine配气机构模块ADAMS/Engine Valvetrain正时链模块ADAMS/Engine Chain铁路车辆模块ADAMS/Rail6.1.2 ADAMS软件基本模块（1）用户界面模块（ADAMS/View）ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。采用Parasolid内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。ADAMS/View模块界面如图3-1所示。图3-1 ADAMS/View模块ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点曲线、圆曲线、平面曲线、以及曲线曲线、实体实体等碰撞副自动定义接触力；具有实用的Parasolid输入/输出功能，可以输入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的20倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持lntel Windows NT平台的快速图形加速卡，确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。（2）求解器模块 (ADAMS/Solver)ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。ADAMS/Solver新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程度自动调整参数，仿真计算速度提高了30%；采用新的S12型积分器（Stabilized Index 2 intergrator），能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强积分器的鲁棒性，提高复杂系统的解算速度；采用适用于柔性单元(梁、衬套、力场、弹簧-阻尼器)的新算法，可提高S12型积分器的求解精度和鲁棒性；可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便，并且spline语句适用于各种样条数据文件，样条数据文件子程序还支持用户定义的数据格式；具有丰富的约束摩擦特性功能，在Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等约束中可定义各种摩擦特性。（3） 后处理模块（ADAMS/Postprocessor）MDI公司开发的后处理模块ADAMS/Postprocessor，用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。既可以在ADAMS/View环境中运行，也可脱离该环境独立运行。如图3-2所示。ADAMS/Postprocessor的主要特点是，采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性；使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象；具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；具有灵活多变的窗口风格，支持多窗口画面分割显示及多页面存储；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件；具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等；为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式；强化了曲线编辑工具栏功能；能支持模态形状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm， *.avi 等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能；可进行几何属性的细节的动态演示。图3-2 ADAMS/Postprocessor模块ADAMS/Postprocessor的主要功能包括：ADAMS/Postprocessor为用户观察模型的运动提供了所需的环境，用户可以向前、向后播放动回，随时中断播放动画，而且可以选择员佳观察视角，从而使用户更容易地完成模型排错任务；为了验证ADAMS仿真分析结果数据的有效性可以输入测试数据，并测试数据与仿真结果数据进行绘图比较，还可对数据结果进行数学运算、对输出进行统计分析；用户可以对多个模拟结果进行图解比较，选择合理的设计方案；可以帮助用户再现ADAMS中的仿真分析结果数据，以提高设计报告的质量；可以改变图表的形式，也可以添加标题和注释；可以载入实体动画，从而加强仿真分析结果数据的表达效果；还可以实现在播放三维动画的同时，显示曲线的数据位置，从而可以观察运动与参数变化的对应关系。 图3-3 dms虚拟仿真步骤框图6.2 Adams 建模过程由于该机构是研究五点的运动规律，所以在建模时只考虑与铰链机构有关的因素具体来讲，有调模板、动模板、静模板、拉杆、铰链机构（四个）、油缸的行程。为了分析的方便，把油缸和机构四用同一个机构来代替。此外还把一些起虚约束作用的机构去掉。6.2.1 启动ADAMS 双击桌面上ADAMS/Vie