六自由度并联机床开题报告

毕业设计（论文）开题报告题 目：六自由度并联机床结构设计与分析专 业 机械电子工程 学 生 指导教师 日 期 1课题背景及研究的目的和意义1.1课题背景并联机器人具有刚度大、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,已广泛应用于工业、航天、航海、医疗、娱乐等领域，与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了整个机器人的应用领域。由于其卓越的优点及巨大的潜在应用前景，并联机器人的理论及应用研究受到了国内外学者的重视，在过去几十年取得了长远的发展。并联机床作为机床技术和机器人技术相结合的产物，与传统结构机床相比具有很多的优点，展现出广阔的发展和应用前景。传统机床中,驱动刀具与工件作相对运动的进给轴按照笛卡尔坐标布置,为串联、开链结构。为了实现5轴加工,需在传统的3轴机床上再增加两个轴来控制刀具的姿态,所有这些轴都按串联结构布置。当一个轴运动时，需带动串联运动链上后面的所有轴一起运动，因此其运动惯性大，动态性能较差。同时，产生的切削力沿开链传递，使每一部件的缺陷都会对切削精度产生影响。基于并联机器人开发的并联机床,由于其运动平台由几个简单的串联运动链并行驱动,与传统串联结构的机床相比,具有如下优点:（1）并联机床刚度大，结构稳定，承载能力强。上下平台之间由六根杆支撑，形成并联闭环静定结构，传动构件理论上仅为受拉、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。（2）并联机床没有误差的累积和放大（串联式末端误差是各关节的积累和放大）所以可以达到更高的加工精度。（3）并联机床移动部件质量小，运动灵活，响应速度快，动态性能好，易于实现空间复杂曲面加工，适合于高速加工。（4）并联机床正解困难反解容易，而机器人在线实时计算是要计算反解的，故轨迹规划简单，易于实现控制。（5）并联机床结构简单，零件总数较少，成本容易控制，集成化、模块化程度高，使得并联机床结构设计和加工多方面得以简化。（6）并联机床虽然结构设计简单，但控制却很复杂，具有更高的技术附加值。（7）并联机床灵活性强，环境适应性强，既可根据加工对象将其设计成专用机床，也可将之开发成通用机床，还可配备必要测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。（8）并联机床使用寿命长，由于没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤磨损腐蚀现象。（9）并联机床变换坐标系方便，由于没有实体坐标系，机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成，非常方便。因此,并联机床是一种具有良好应用前景的新一代制造装备，在这一领域走在前列，必能给自己的国家带来巨大的经济和社会效益。1.2研究的目的和意义并联机床的优点使其具有巨大的吸引力和研究价值，与传统机床相互补充，必将极大推动制造业发展。本文研究六自由度并联机床，是在传统立式铣床的基础上进行改造，将其工作台用六自由度并联机构替换，构成新型数控铣床，可用于加工复杂三维曲面。 新式并联机床由于成本高，走向市场尤其是走进中小型企业具有不小阻力，而本研究所提出的并联机床改造方案，可以充分利用大量传统立式铣床资源，提高其加工能力，并且易于推广，同时也可积累相应的改造经验，对并联机床的发展具有重要意义。希望通过此次设计，达到培养综合运用所学知识、分析和解决工程实际问题、锻炼创造能力的目的，在系统分析、方案设计、仿真分析等方面得到进一步提高。2国内外在该方向的研究现状及分析2.1国外现状及分析并联机床的理论基础是空间并联机构理论，早在18901894年，Clerk J.Maxwell和A.annheim就进行了空间机构理论的研究；Gough于1948年最先提出平台式并联机构,用于轮胎测试,并于1962年与Whitehall一起设计了由六个并行线性支链支撑两个平台的轮胎测试机。D.Stewart于1965年在飞行模拟器上应用了6自由度并联机构，1966年D.Stewart发表了著名的论文A Platform with Six Degrees of Freedom,成就了其在并联机构研究行业的一世英名,随后6自由度并联机构被称为Stewart平台(也称作Stewart- Gough平台)。1978年,Hunt建议将Stewart平台用做机器人,并指出由于该机构同串连机构相比所具有的精度高、刚度高的优势,非常值得在机器人领域展开深入研究,这可以看作并联机构,特别是Stewart平台在机器人领域的研究起点。真正将并联机构成功应用于机床是在1994年,这年的美国芝加哥国际机床博览会(IMTS94)上,美国的Giddings&Lewis公司推出了历时6年研制的第一代“变轴”并联机床,即“Variax”机床;Ingersoll公司推出了第一代八面体六足虫并联机床,即OctahedralHexapod VOH- 1000。这些并联机床的推出引起了极大的轰动,被称作“机床行业的革命”,“是21世纪的新一代数控加工设备”，但此时的第一代并联机床还只能称作原型样机,大多数仅仅能够加工腊模等易加工材料。 IMTS94极大地激发了各国对并联机床的研究热情,到1997年的汉诺威国际机床展(EMO97)时,各国展出的并联机床样机就已经达到了10多种。1997年以后,世界各国都掀起了研究并联机床的热潮,并联机床的研制水平似乎已经成为衡量一个国家机床行业水准的标杆。到2001年的德国汉诺威国际机床展(EMO 2001)上,已有多个国家的30余台并联机床参展。此时并联平台机构的应用也已不仅仅局限于加工机(milling machines),种类还涉及到加工中心(machining centers/robots)、定位和定向机械(devices for position and orientation),测量机(mea-suringmachines)(如图10所示),装配机械(assemblingdevices)等等。1995年以后,并联数控机床的研究与开发一直得到国内外工程界和学术界的广泛重视,1998年由美国科学家基金会提议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,2000年又在美国密执安召开了第二届,并于2002年4月底在德国开姆尼斯召开第三届研讨会。当前典型的六自由度机床有：日本大隈公司的PM-600铣床，该型铣床的工作空间为420420420mm ，最高速度为120m/min，加速度能达到1.5g，生产实用性很强，而且已经售出了十多台。 美国 Ingersoll 公司的 HOH600 卧式并联机床，转速20000r/min，功率37.5KW，快速30m/min，工作空间为 600600800mm ，加速度为0.5g，A、B轴可回转15 ，刀库40/80把，加工区封闭，采用西门子840D或Franuc15MB操作系统。俄罗斯Lapik公司生产的基于并联机构的TM系列多维坐标测量机，上平台就是测量机的框架，6根伸缩杆采用摩擦驱动方式改变长度，它们共同与装有测量头的下平台连接。在固定的上平台和运动的下平台之间安装有6根激光干涉测量尺，对伸缩杆的位移进行测量，并实时反馈，工作精度可达0.0010.002mm。工作空间为750550450mm。采用并联机构测量机的特点是可以很方便地将测量头偏转一个角度，测量斜孔直径。2.2国内现状及分析国内并联机器人的研究与国际几乎是同步的。1997年北京第五届中国国际机床展览会(CIMT97)时俄罗斯Lapik公司展出了加工、测量两用的TM- 750型并联机床,引起了中国许多科研院所、大学以及工厂的极大兴趣,使他们看到了并联机床的应用前景,并在随后的一段时间里有力地促进了中国并联机床的研究工作。从1998年开始,我国的各个研究单位取得了一系列的标志性成果。清华大学和天津大学合作于1998年研制成功我国的第一台基于Stewart平台机构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机VAMT1Y,并在2001年的中国国际机床展览会上推出了与昆明机床股份有限公司合作开发的XNZ63数控型镗铣类虚拟轴机床和江东机床有限公司合作开发的XNZ2010数控龙门式虚拟轴机床。2002年的中国国际机床展览会上又展示了与大连机床集团合作研制的DCB510五轴联动并联机床。东北大学于1998年建成我国首台五轴联动三杆并联机床DSX5- 70。天津大学与天津第一机床总厂于1999年研制成功三坐标并联机床Linapod。哈尔滨工业大学在2001年的中国国际机床展览会上推出了与哈尔滨量具厂合作开发的6- SPS并联机床,在2002国际机床展览会上二者联合展出了七自由度并联机床。国防科技大学和香港科技大学联合研制了银河2000虚拟轴机床。北京理工大学于2000年6月研制成六自由度BKK型变轴数控机床样机。河北工业大学开发了新型五自由度五轴数控并联加工中心的试验样机,并且申请了专利。西安交通大学和汉江机械厂于2002年联合为浙江省金华市清华实业有限公司研制八轴联动混联式机床,用于加工大型高精度船用螺旋桨。中科院沈阳自动化研究所的SIA/CAS并联机床是目前在国际网站上查到的唯一的中国的并联机床。另外,燕山大学、北京理工大学、北京邮电大学、北京航空航天大学等院校和科研院所在Stewart平台机构的基础理论研究方面取得了一系列成果。我国并联机床正逐渐由研究试验走向市场。2004 年，由哈尔滨量具刃具集团有限责任公司与哈尔滨工业大学联合开发研制的五台并联机床加工中心HLNC5001型分别应用于哈尔滨汽轮机厂的生产加工现场及无锡鼎元叶片厂的生产加工现场。该并联机床加工中心由开放式数控系统构成。在叶片加工过成中，仅需一次装夹，自动换刀，即可完成叶片汽道型面、叶顶、叶根圆角及进、出汽边圆角的加工，并成功地加工出多级别、具有复杂自由曲面的汽轮机叶片零件，实现了并联机床加工的自动化，从而实现了由并联机构向并联机床加工中心的转化，以适应并联机床发展的需要，标志着我国并联机床加工技术正式步入实用化阶段。国内并联机床的各项性能指标以及实用化程度与国外发达国家相比有一定差距，但由于国内在起步时间上与国外相差不多，这个差距并不大，在这个领域我们是完全有可能赶上他们的。3研究内容及拟解决的关键问题3.1研究内容本文主要研究内容为完成六自由度并联机床系统总体设计，包括结构设计、运动分析、关键部件结构分析及控制系统设计。课题具体工作内容如下：1、对并联六杆机床进行运动学分析,确定整体方案；2、对并联机床的实际工作空间进行分析，建立其数学模型。再根据给定的加工工作空间来初选并联机床动平台半径、定平台半径和工作台的高度，运用MATLAB获得驱动杆杆长的极值，设计出并联机床结构尺寸；3、完成机械结构设计，用建立并联六杆机床的三维实体模型，利用ADAMS仿真软件来验证逆解模型理论的正确性，同时用 ADAMS 运动仿真来检验各运动构件干涉情况，对各构件之间产生干涉情况进行分析，通过调整并联六杆机床结构尺寸动平台半径、定平台半径和工作台高度的值，直至获得满足给定加工工作空间，又不干涉的并联六杆机床结构尺寸；4、对重要零部件进行有限元分析，对结构参数进行优化；5、完成控制系统设计与分析。 本课题工作的重点是对并联六杆机床实际加工工作空间分析，对加工工作空间规则化处理，建立其数学模型，结合并联六杆机床的位置逆解杆长公式，用MATLAB编写此给定加工工作空间的位置逆解杆长程序程序，通过运行程序，得出并联六杆机床驱动杆的最大杆长、最小杆长值，以此确定并联六杆机床的结构尺寸参数：动平台半径、定平台半径、工作台高度和驱动杆杆长极值。3.2拟解决的关键问题本课题的关键是结构设计分析，要广泛调研，设计出运动范围满足机床作业空间的运动副，并且承载能力、精度等也要达到一定要求。在保证机床刚度、强度等的前提下，优化尺度参数，以保证平台位姿灵活，避免支链干涉。4. 拟采取的研究方法和技术路线、进度安排、预期达到的目标4.1拟采取的研究方法和技术路线（1）、完成机器人系统的功能分析，确定整体方案；（2）、完成机器人系统的结构设计；（3）、完成机械结构的设计，完成装配图等；（4）、建立机构的三维实体模型；并进行运动学分析；（5）、完成关键零部件结构的有限元分析；（6）、完成控制系统的设计；（7）、检查并完善机构设计；（8）、撰写设计说明书共计16000字左右；（9）、外文翻译3000字。4.2进度安排根据论文要求，安排进度如下：第 1 周：搜集资料，熟悉课题，撰写开题报告，开题；第 2 周：完成机构的功能分析，确定整体方案；第3 - 5周：完成机构机械结构的设计；第6 - 8 周：完成装配图等结构设计，画出原理图，撰写中期报告，中期检查；第9-13周：建立机构的三维实体模型，进一步分析机构的运动学分特性与结构特性，检查并完善机构设计；第 14 周：撰写说明书；第 15 周：准备答辩。4.3预期达到的目标本设计的目标是设计出一台六自由度并联平台，用于改造传统立式铣床，解决目前立式铣床加工范围单一的缺点，使其具备加工空间复杂三维曲面的能力，并且尽可能实现零件一次装卡即可完成多道工艺，以提高机床的加工能力、加工效率，降低工人劳动强度。另外，该机构还应具备适用性好，可操作性强等特点，使其可以快速进入企业承担加工任务，加速并联机床的推广应用。5课题已具备和所需的条件完成课题需要利用三维绘图软件完成模型的构件，利用MATLAB软件进行正逆解求解计算及工作空间分析，利用有限元分析软件进行关键零件分析。目前前两个软件已经入门，有限元分析软件还需要学习。系统设计、论文撰写过程中需要的资料可以通过网络、图书馆获得，自己解决不了的问题可以向老师们请教，所以已经基本具备了课题所需的条件。6研究过程中可能遇到的困难和问题，解决的措施六自由度并联机器人之所以吸引无数专家学者投入研究，一方面因为其广阔的应用前景，另一方面，也是因为这一领域还有许多有挑战性的问题没有很好的解决。预计本次毕业设计研究过程中可能遇到的难题及解决办法如下：一、并联机床运动学分析。串联机器人正解容易反解困难，并联机床恰恰相反，反解容易正解困难，且正解最多有40组解。本设计拟比较目前效率较高的几种求解方法，通过查阅资料、请教老师，选取其中一种进行学习，进而对自己设计的机床进行运动学分析。二、并联机床工作空间分析、结构尺寸的确定。并联机床看似简单，但具体的结构形式多种多样。各国学者基于Stewart平台的多种变形机