六自由度并联机构设计说明书

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书学校代码： 10128企鹅号： 1663714557 本科毕业设计说明书（题 目：六自由度伸缩式并联机床结构设计学生姓名：学 院：机械学院系 别：机械系专 业：机械电子工程班 级：机电10-4班指导教师：讲师需微要信 swan165摘 红字 要并联系联机微床信，也可叫获取做整套并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，曾经被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是近年来国内外机床研究的方向，它具有多自由度、刚度高、精度高、传动链短、制造成本低等优点。但其也不足之处，其中位置正解复杂就是关键的一条。6-THRT伸缩式并联机床是Stewart机床的一种变形结构形式，它主要构成是运动和静止的两个平台上的6个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。并联机床是一种气动机械，集气（液），在一个典型的机电一体化设备的控制技术，它是很容易实现“六轴联动”，在第二十一世纪将成为主要的高速数控加工设备。本次毕业设计题目结合本院实验室现有的六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。 d)dL%9K$ 提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。 此次毕业设计的主要内容是对并联机床结构设计，其内容主要包括机器人结构设计总体方案的确定，机器人机构设计的相关计算，以及滚珠丝杠螺母副、步进电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用，并利用CAXA软件绘制各相关零部件的零件图和总装配图，以期达到能直观看出并联机床实体机构的效果。关键词：并联机床；步进电动机；空间变换矩阵；滚珠丝杠螺母副AbstractPMT (Parallel Machine Tools), also known as the parallel structure machine (Parallel Structured Machine Tools), Virtual Axis Machine Tool, has also been known as the six-legged machine, six-legged insects (Hexapods).Parallel machine is in recent years the domestic machine tool research hot spot, it has multiple degrees of freedom, high rigidity, high precision, short transmission chain, with low manufacturing cost.But its shortcomings, in which the forward solution of position of a complex is the key. 6-THRT telescopic type parallel machine tool is Stewart machine tools, a deformable structure form, it is the main characteristics of dynamic, static platform on the 6joints are respectively distributed on the same plane, and form the shape similarity.Parallel machine is a mechanical, pneumatic (hydraulic), control technology in one of the typical electrical and mechanical integration equipment. Parallel machine is easy to achieve six-axis, is expected to become the 21st century, the main high-speed light CNC machining equipment. The combination of hospital laboratory construction project, located six-DOF parallel machine tool sector, so that it can be processed according to process requirements. Improve their engineering quality, innovation, comprehensive practice and application of skills.The main topics for the design of parallel machine tool design, its content includes the determination of robot design, robot design and calculation, and the ball screw pair, stepping motor, bearings, couplings, limit switch, spindle ,and other major components using CAXA software to draw the relevant parts of the parts drawings, and assembly drawings to achieve the parallel machine tool can directly see the effect of physical bodies.Keywords: parallel machine；Six axis linkage；space transformation matrix；ball screw pair目 录第一章 绪论11.1 课题的研究背景11.2 课题研究的意义21.3 课题的研究内容步骤21.3.1并联机构介绍31.3.2并联机床设计类型的选定31.3.3 并联机床结构设计的相关计算41.3.4 各零部件与装配图的设计出图5第二章 并联机床部件设计与计算62.1 6-THRT 伸缩式并联机床位置逆解计算与分析62.1.1 6-THRT并联机器人机械结构简介72.1.2坐标系的建立72.1.3 初始条件的确立82.1.4 空间变换矩阵的求解92.1.5 新坐标及各轴滑块移动量的计算102.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型132.2.1 最大工作载荷的计算132.2.2 最大动载荷的计算142.2.3 规格型号的初选142.2.4 传动效率的计算152.2.5 刚度的验算162.2.6 稳定性的校验172.3 滚动轴承的选用182.3.1 基本额定载荷182.3.2 滚动轴承的选择182.3.3 轴承的校核202.4 步进电动机的计算与选型202.4.1 步进电机转轴上总转动惯量的计算202.4.2 步进电机转轴上等效负载转矩的计算222.4.3 步进电动机尺寸252.5 联轴器的选用26第三章 并联机床的结构设计293.1 机床中的并联机构293.1.1概念设计293.1.2运动学设计293.2杆件的配置293.2.1 杆件设计303.2.2 伸缩套筒313.3铰链的设计（虎克铰）313.4机床框架和床身的设计32第四章 并联机床的装配出图344.1 Pro/E软件的概述344.2 Pro/E的功能344.3 CAXA电子图版简介344.4 二维图的绘制处理35第五章 并联机床面临的主要技术问题及前景365.1 引言365.2机床的关节运动精度问题365.3 并联机床的未来展望37结论38参考文献39谢辞40第一章 绪论1.1 课题的研究背景为了改善生产环境的适应性，满足快速变化的市场需求，近年来制造设备和系统，全球机床制造业正在积极探索和开发新的功能，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(Parallel Machine Tools)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)12。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： 1、刚度与重量的比大：通过使用并行静态和非静态成员，并在静态情况下，传动部件的理论二力杆拉压载荷，单位重量的驱动机构具有很高的承载。2、响应速度快：惯性大大减少，有效地提高了伺服控制器的动态品质的运动部件，允许移动平台来实现一个高的进给速度和加速度，特别适用于各种高速数控操作。3、环境适应性强：方便重组和模块化设计，布局和自由度，可结合不同的形式。在移动平台上的安装工具可以多轴铣，钻，磨，抛光，和异形刀具磨削。设备的机械手腕，高能束源或CCD相机和其他的末端，但也能完成特殊加工，精密装配，测量操作。4、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。当今，国际学术界和工程界的高度重视，对并联机床的研究与开发，并在90年代中期推出产品结构是不同的。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IFW1研究所，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13，并在国际互联网上设立站点。近年来，有关并联机床和层出不穷的并联机器人学术会议，如七分之四的年度会议上，1999CIRA1998会议上，美国机械工程师协会五分之二十届第十机制，TMM世界大会上有大量的关于这方面的文章。由美国国家科学基金会的活动，在意大利，米兰在并联机床国际会议第一次会议在1998日召开的研讨会，并决定于2000在美国密歇根大学举行。在此期间从1994到1999，在以前的大型国际机床展览会有这种类型的机床展，并有望成为第二十一世纪的高速数控加工的主要设备。中国取得了并联机床的研究与开发已列入国家“九五”项目和863高技术发展计划的，连续的基础理论研究是由国家自然科学基金、国家攀登计划项目基金资助。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，在中国大陆地区研究的骨干，在1999六月举行了第一次并联机器人和并联机床设计理论与关键技术研讨会在清华大学，未来的发展趋势，并联机床和需要解决的问题进行了讨论。总的来说，传统的工具机的串行机制，在数学上是简单的和复杂的机床机构，和相对简单的并联机构，机床结构和数学的复杂性，平台的运动涉及数学非常大，因此，虚拟轴并联机床是一种知识密集型组织。这台新机器完全打破了传统机床结构的概念，废弃的工具型固定导轨，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。此外，增加的速度，使高速，超高速加工更容易实现。因为这种具有高刚性机床，承载力高，速度快，精度高，重量轻，机械结构简单，制造成本低，标准化程度高，已成功地应用在许多领域，因此受到学术界的广泛关注。并联，串联和混合的数控机床，不仅具有并联机床的优点，并已在使用更多的实用价值。1.2 课题研究的意义为实现生产过程自动化并联机床，提高劳动生产率，降低劳动强度，具有十分重要的意义，保障生产安全。并联机床是集机械、气动（液压）、控制技 9! Eq 术于一体的典型的机电一体化设备。并联机床容易实现“六轴联动”，有望成为21世纪高速轻型数控加工的主力设备。本课题结合本院实验室建设以及现有的设备，对六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。从中得到一次机械结构设计、电气系统设计 d)3ceJ: 的训练。 d)dL%9K$ 提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。1.3 课题的研究内容步骤设计过程中需要做的工作主要有：第一、收集相关资料，在了解6-THRT伸缩式并联机床工作原理的基础上，制定出满足设计要求的结构方案，绘制出主要结构。第二、完善机床的结构设计，完成传动零部件的设计、选型、以及校核。第三、对并联机床工作原理及运行情况做简单分析、计算。第四、利用CAXA软件建立零件图、装配模型，完善整机结构。第五、在时间允许的情况下可以对并联机床进行三维的建模以及简单的动态仿真以验证设计的正确合理性。1.3.1并联机构介绍一、并联机构的定义并联机构（Parallel Mechanism，简称PM）14，可以被定义为运动平台和固定平台至少由两个独立的运动链连接，机构有两个或两个以上的自由度，一个闭环机床和并联。 并联机构主要具有以下特点： （1）与串联机构相比刚度大，结构稳定； （2）承载能力大； （3）微动精度高； （4）运动负荷小； （5）在位置求解上，串联机构的求解比较容易，但是反解却十分困难，而并联机构正好相反。三、6自由度并联机构6度的自由度并联机构是一种并联机构的并联机器人机构，是国内外学者研究得最多的，但这种机制有许多关键技术没有或没有完全解决，例如，正解，模型和并联机床精度标定等运动学和动力学。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3 个运动链的6 自由度并联机构，如3-PRPS 和3-URS 等机构，还有在3 个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。 1.3.2并联机床设计类型的选定组成空间机构的一些基本运动副有如表1-1所示：运动副符号相对自由度f转动R1移动P1球面S3虎克铰T2螺旋H1圆柱C2平面E3表1-1 运动副的自由度6自由度并联机器人有很多种结构类型，如6-SPS型、6-PTRT型、6-PSS型、6-THRT等等。根据导师提供的参考资料以及毕业设计任务书，选定6-THRT型并联机床进行设计。6-THRT伸缩式并联机构是将6套驱动机构固定在连杆上，每套驱动机构连接1套连杆机构，连杆机构末端与运动平台连接，由步进电机驱动丝杠螺母副，使螺母滑座做倾斜（与连杆平行）方向的运动，然后通过连杆联动，带动运动平台产生运动。可以被定义为运动平台和固定平台是由六个独立的运动链连接，机构具有6个自由度，一个闭环机伸缩和并联。其中铰链的选择如表1-2所示：铰链刚度转角价格寿命摩擦力磨损自由度虎克铰一般较大较低较长小小2球铰较高一般偏高较长小小3表1-2 球铰与虎克铰的性能比较1.3.3 并联机床结构设计的相关计算I、并联机器人位置逆解的算： 坐标系的建立； 初始条件的确立； 空间变换阵的求解； 求各轴的变化距离，实现逆解； 计算结果的简化分析。II、滚珠丝杠螺母副的计算与选型III、步进电机的计算与选型IV、其他主要零部件的计算与选用 1.3.4 各零部件与装配图的设计出图为了更好直接的看出机床的结构特征，利用CAXA出一张整体的装配图，一张部件图，和零件图若干，以便打印出图对设计的后期修改。第二章 并联机床部件设计与计算本章主要包括6-THRT伸缩式并联机床位置逆解的有关计算与分析，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，滚动轴承的选用，步进电机的计算与选型，联轴器的选用与校核的选用等。所设计的6-THRH伸缩式并联机床三维图如图2-1所示：三维模型 pre/E 微需信要 swan165图2-1 6-THRT伸缩式并联机床三维模型2.1 6-THRT 伸缩式并联机床位置逆解计算与分析该部分参考刘国平、李建武等6-PTRT并联机器人一种逆解算法研究里面介绍了6-PTRT并联机器人位置逆解的一种求解方法1，该方法利用坐标变换原理，在新的坐标转换任意点的移动平台，经过旋转后，根据6-THRT机械结构的特点，通过几何法计算各轴移动滑块的距离，从而实现逆解，并根据张曙的并联运动机床加以求解与分析2。2.1.1 6-THRT并联机器人机械结构简介该类型并联机器人选用6-PTRT结构，简图如图2-2所示，其中1：固定支；2：运动螺母座；3：连杆；4：活动平台。 图2-2 6-PTRT并联机床机构简图6-PTRT并联机器人的工作原理是通过步进电机带动滚珠丝杠，带动丝杠上螺母座与连杆并行的移动，丝杠又通过虎克铰带动连杆运动，从而使运动平台变化在空间的位置与姿态的改变。而与6-THRT之有一个运动副的差别，所以其运动原理相同，可以根据6-PTRT的工作原理以及算法对6-THRT进行计算。2.1.2坐标系的建立为求解6自由度平台的空间位置关系，首先建立动、静两坐标系，静坐标系原点位于上平台中心，动坐标系原点。位于下平台中心，各轴指向如图所示，动静平台坐标系方向保持一致，坐标系如图2-3所示。其中，Bi各点是上虎克铰的几何中心，Bi所在圆是以上虎克铰几何中心所构成图形的外接圆；Pi各点是下虎克铰的几何中心，Pi所在圆是以下虎克铰几何中心所构成图形的外接圆(i=l、26)。 123456 图2-3 坐标系示意图其中上下虎克铰中心所在平面之间的距离初始定为324mm，上虎克铰中心 B1OB2 = 40O; B3OB4 = 40O; B5OB6 = 40O;且关于上虎克铰几何中心所构成图形的外接圆成分布，对称。下虎克铰中心 P2OP3 =40O; P4OP5 =40O; P6OP1 =40O ; 且关于下虎克铰几何中心所构成图形的外接圆成分布、对称。上平台虎克铰几何中心所在圆半径为500mm，运动平台虎克铰的几何中心所在圆半径为120mm。平台半径为200mm。2.1.3 初始条件的确立当机构基本尺寸是已知的，坐标，因为，在每个节点的平台和（i=1，26）坐标系统的几何形状已被确定（如铰链点的角度和线和X轴的起源是常数），通过几何关系可以计算在静止坐标值的每个点的坐标，即协调各铰点，可以计算出的值作为已知条件1。经计算可知： 上平台各个交点坐标为： B1(-171.01，-469.85，324) B2 (171.01，-469.85，324) B3(492.4，86.82，324) B4(321.39，383.02，324) B5(-321.39，383.02，324) B6(-492.40，86.82，324) 下平台各个交点坐标为： P1(-82.60，-87.04，0) P2(82.60，-87.04，0) P3(116.68，-28.01，0) P4(34.08，115.06，0) P5(-34.08，115.06，0) P6(-116.68，-28.01，0)2.1.4 空间变换矩阵的求解假定动坐标系沿定坐标系的X、Y、Z坐标轴分别平移XPYPZP后，再在新的坐标系下绕X轴旋转，绕Y轴旋转，绕Z轴旋转 ，则坐标变换矩阵：1 3 （ 21)其中： ；其他依此类推。随着螺母座的移动，动平台铰链点达到新的位置，以协调新的价值定位，则有Pi=TPi。根据毕业设计任务书技术参数中机床运动平台的动作范围，其中运动平台处于其中一极限位置时有XP = YP = ZP = 100mm且；于是计算可得： 0.933 -0.250 0.259 100 =0.317 0.916 -0.250 100-0.175 0.317 0.933 100 00 01假定运动平台处于另一极限位置时有且；此时：2.1.5 新坐标及各轴滑块移动量的计算 当 求Pi到Ci的距离SBi，Pi到Bi的距离SCi： 如图2-4所示，PiAi是与Z轴平行且经过Di点的直线，BiDi垂直于PiDi，垂足为Di (i=1,2,.,6)，则可构建出一个直角三角形BiPiDi，由于PiDi平行于静坐标系的Z轴，所以Di与Pi仅Z轴坐标不同，即=，=，= 。图2-4 计算几何图于是， (23)Pi到Ci得距离为上下虎克铰中心的距离，此距离不变所以：SB1 = SBi = SBi = SBi = SBi = SBi =509.27由于 (24)代入相关数据可求得： ； ；求各轴上滑块的移动量： (25) 代入相关数 以上计算结果,“-”值表示沿Z轴负方向移动；“+”则表示沿Z轴正方向移动。 当 计算滑块的移动量计算新坐标： 根据上述相同计算方法与过程Pi=TPi，同理可以计算得： 求Pi到Ci的距离SBi，Pi到Bi的距离Bi： 同上， 代入相关数据可求得：而 代入相关数据可求得： ； ；求各轴上滑块的移动量：代入相关数据可求得： 。2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型该部分主要介绍滚珠丝杠螺母副最大工作载荷的计算、初选型号和刚度的验算等。2.2.1 最大工作载荷的计算由机电一体化系统设计课程设计指导书第37页滚珠丝杠副的计算与选型条件，最大工作载荷是指滚珠丝杠在驱动时所承受的的最大轴向力，也叫进给牵引4。它包括滚珠丝杠螺母副的进给力和移动部件的重力。从左边的几何图可以看出： (26) 竖直方向最大工作载荷为： （27) 折算到滚珠丝杠上的最大工作载荷： (28) 图2-5 几何图2.2.2 最大动载荷的计算 (29) (210) (211) 式中： 滚珠丝杠副寿命，以10r为单位 硬度系数，=1 载荷系数，机电一体化系统设计课程设计指导书表3-30查得，取中等冲击值=1.2 =3470.42.2.3 规格型号的初选初选滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷 ；初选济宁博特精密型滚珠丝杠，型号为G系列2005-3型滚珠丝杠，其参数如表2-1所示：2.2.4 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率由机电一体化系统设计课程设计指导书3-24式可6： (212) 式中: 丝杠螺旋升角 摩擦角，其摩擦角约等于 其中: (213) 丝杠导程，=5mm 公称直径，近似取为=20mm 所以 代入公式计算得：2.2.5 刚度的验算根据机电一体化系统设计课程设计指导书3-28表，采用单推-单推的形式来安装滚珠丝杠副 滚珠丝杠副的轴向变行主要包括丝杠的拉伸或压缩、丝杠与螺母之间滚道的接触变形等，从以下方面计算： 丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占的比重较大,按机电一体化系统设计课程设计指导书3-25式计算4，公式如下： (214)式中: 丝杠的变形量（mm） 丝杠的最大工作载荷（N） 材料弹性模数，对钢E=21MPaS丝杠按底径确定的截面积（）丝杠两端支承间的距离（mm）“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。其中；（丝杠的底径，按照机电装备设计136页5，取d=20mm）。由机电装备设计课本3-21表可知8，取余程为20mm，所选丝杠副螺母装配总长为L=46mm，则初步计算螺杆螺纹长度： (215)取支承跨距为=320mm 代入公式计算得：=0.0058mm 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量由机电一体化系统设计课程设计指导书3-27式可知4： (216)式中: 滚珠直径，=3.175mm预紧力，取轴向预紧力为 2.2.6 稳定性的校验滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。可根据机电一体化系统设计课程设计指导书3-28式进行校6： (218) 式中： 临界载荷，单位为N； 丝杠支撑系数，根据机电一体化系统设计课程设计指导书3-34表，取；材料弹性模数，对钢E=21MPa K 压杆稳定安全系数，一般取为2.54，垂直安装取K=3； a 丝杠两端支承间的距离（mm），a=320mm；I 滚珠丝杆横截面惯性矩单位，按底径计算；其中：（材料力学）6 (219) 代入公式计算得：显然，即所选滚珠丝杆压杆稳定性完全满足要求。2.3 滚动轴承的选用2.3.1 基本额定载荷由 (220) 式中： 速度系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书查表4.2-8，取=0.370； 寿命系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书查表4.2-8，取=3.11； 当量动载荷，由机电一体化系统设计课程设计指导书查表4.2-84，取；2.3.2 滚动轴承的选择滚珠丝杆的公称直径为20mm，基本额定载荷=9309N，根据以上条件选择（角接触球轴承）。基本尺寸mm基本额定载荷/KN极限转速/（r/min）质量/kg轴承代号dDB脂油70000C（AC.B）型图2-8 轴承外形尺寸丝杆的伸缩端选用铜套功能与直线轴承相同，如图2-9所示：图2-9 铜套外形其尺寸可以选择标准件也可以根据安装尺寸进行定制。2.3.3 轴承的校核（1）寿命校核 (223) 式中： 额定动载荷，=11200N 工作转速， 当量动载荷，=1205N远大于15000h，所以满足要求。（2）额定静载荷校核 (222) 式中： 基本额定静载荷（N） 当量静载荷，由机械设计使用手册7查表4.2-84得 安全系数，由机械设计使用手册查表4.2-16得=2远大于2410N，所以满足要求。2.4 步进电动机的计算与选型根据机电一体化系统设计课程设计指导书61页4，对步进电动机的计算与选型，通常按一下几个步骤进： 根据机械结构，求得加在步进电动机转轴上总转动惯量； 计算不同工况下加在步进电动机转轴上的等效负载转矩； 取其中较大值，作为确定步进电动机最大静转矩的依据； 根据运行矩频特性、起动惯频特性等，对初选步进电动机进行校核。2.4.1 步进电机转轴上总转动惯量的计算、滚珠丝杠的转动惯量计算 由机电一体化系统设计课程设计指导书表4-1知，圆柱体转动惯量计算公式如下4： (223) 式中: 材料密度（kg/cm3），取; L 丝杠总长，L=356mm=35.6cm； d0丝杠的公称直径，取d0=20mm=2cm； 代入公式计算得 ： 控制系统采用步进电机，调速灵活，可不用减速齿轮直接通过联轴器与电机直接连接，丝杠折算到电机轴上的转动惯量： (224) 、螺母座等部件折算到丝杠上的转动惯量根据机电一体化系统设计课程设计指导书4-1表公式4： (225) 式中： 丝杠导程，取； 分配到每根轴移动部件的平均质量，取为3kg；代入公式计算得： 、传动系统等效转动惯量的计算由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为： (226) 根据机电装备设计课本第2445，为使步进电机具有良好的起到性能及较快的响应速度，所选电机转子的转动惯量应满足，由此可知所选电机转动惯量不小于719.75。据此可初步选择步进电机：由北京和利时56系列二相混合式步进电机.由海特采购pdf第一页，初选步进电机为56BYG250E-SASSBL0601型号，其参数表如表2-3所示： 显然，该步进电动机转动惯量为750gcm2，初步满足要求。2.4.2 步进电机转轴上等效负载转矩的计算步进电机负载转矩步进电机轴的轴承在不同的条件下有所不同，通常考虑两种情况：一是快速负荷（工作负荷为0）时所需要的力矩，以下分别进行计算：、快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 (227) 式中 ： 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩() 快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩() 移动部件折算到电机轴上的摩擦转矩() 丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦力矩() 快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩 (228) 式中： 步进电动机转轴上总的转动惯量 ； 电机加速到最快进给速度所需时间，取； 电动机的最大转速（r/min），； 由于 (229) 代入公式计算得 ： 移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 (230) (231) 式中：F摩 导轨的摩擦力（N） Ph 滚珠丝杠导程（m） 传动链总效率，取 总传动比，=1 FZ 垂直方向工作载荷，FZ =670N 运动部件总重力，=98N 导轨的摩擦因数，取=0.15代入上式得： 丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩 由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以相对于很小，在这里也忽略不予计算。 (234) 其中： 进给方向最大工作载荷（N），； 传动链总效率，取0.85； 于是 代入公式得： 、步进电机转轴上最大等效负载转矩 Teq=Teq1,Teq2=1.309NM (235) 、步进电动机性能校核图2-9 步进电动机矩频特性曲线 最快工作进给速度时电动机输出转矩校核： 由最快工作进给速度和系统脉冲当量，可计算出电动机对应的运行频率为： （取脉冲当量0.01） (236) 根据初选型号步进电动机矩频特性曲线（图2-9），频率下对应的电机输出转矩Tmaxf=1.49NM。显然 ，即所选电动机满足要求。 最快空载移动时电动机输出转矩校核：同上计算公式： 根据初选型号步进电动机矩频特性曲线（图2-9），频率下对应的电机输出转矩Tmaxf=1.49NM。显然 ，即所选电动机满足要求。 最快空载移动时电动机运行频率的校核： 由的计算可知，显然未超出所选电机的极限空载频率。 综上所述，所选步进电动机型号完全满足要求。2.4.3 步进电动机尺寸 所选步进电动机具体尺寸参数图如2-10所示：图2-10 步进电机图2-11 型号说明图2-12 步进电动机外形尺寸图2.5 联轴器的选用联轴器是机械传动装置常用，主要用于连接轴与轴（或连接轴和旋转部分），来传递运动和转矩。联轴器分为刚性联轴器和挠性联轴器两类。挠性联轴器是机床进给传动中广泛采用的一种无间隙传动联轴器。刚性联轴器是不能补偿两轴有相对位移的联轴器。根据所选步进电动机型号的主轴尺寸a=8mm，以及所选丝杠的型号，初步选用刚性联轴器，其型号LS9-25-88，其规格尺寸及性能如表2-5所示：图2-13 联轴器外形尺寸表2-5 联轴器规格尺寸根据机电一体化系统设计课程设计指导书51页联轴器的选用，对所选联轴器进行校6： 由步进电机的计算与选型2.4.2中的计算可知：所需联轴器工作中的最高转速为n=650r/min,传递的最大转矩为T=1.309N.m；从上表可知，该型号联轴器的最高转速，许用转矩T=2N.m。 显然：且；所以所选该型号的联轴器完全满足设计要求。即所选联轴器的型号：钢性联轴器型号LS9-25-88。其他零部件如图纸。第三章 并联机床的结构设计此部分主要包括并联机构整体的构成，还有最主要的伸缩杆部分的设计，以及整个机床的机构。3.1 机床中的并联机构3.1.1概念设计概念设计是并联机床设计的第一步，其目的是所需的自由程度，包含一个主刚体（平台）的各种并联机构杆对结构，驱动方式和可能的组合的整体布局。根据不同含支链并联机床的伺服致动器的数目，大致可分为3种类型的并联，串并联。在一个分枝只包含一个或多个执行器的前两个，直接生成3 6自由度；由2个或更多的自由度并联机构串联组合，以生成所需的自由度或串行程度小于后者。根据不同的位置在支链并联机床的致动器，可用于对和外侧的驱动，和线性驱动单元的一般用途，如伺服电机和滚珠丝杠副、直线电机等。多样性的并联机床的总体布局框架结构的变化，也使工作空间的大小，形状和运动灵活性差。因此，在整体布局方案的制定，应使用的概念设计与运动学设计的交互方式，并作出决定，根据特殊要求。3.1.2运动学设计平行的包括工作空间的定义和描述机床运动学设计，分析和工作空间和两个内容。工作空间的合理定义在并联机床的运动学设计的第一步。不同于传统的机床，并联机床的工作空间是支链的工作空间的交集，通常被封闭的空间曲面。为了适应多轴数控操作的需要，通常将柔性（巧克力）的规则定义的几何题为机床的编程工作空间工作空间。对于纯的6自由度并联机床，实现能力的平台的位置和姿态耦合，增加的工作态度，逐渐狭窄的空间。因此，为了实现实现可视化的姿态能力的平台，往往需要或姿态降维描述。3.2杆件的配置杆件是并联运动机构的驱动元件。杆系的配置对并联运动机构的结构和性能都将起到绝对性的作用。杆件的配置主要考虑的问题是：（1）杆件的基点是固定的还是移动的（2） 杆件的长度是可变的还是固定的（3） 杆件与动平台的连接形式我选择的是一个可变长度的杆，他的性格特征是杆长度可伸缩机构改变，的铰链杆一端固定在机架上，而另一端通过铰链连接的移动平台。位置控制信号发送给步进电机，驱动滚珠丝杠传动，实现伸缩杆，伸缩位移或角位移测量系统或解码器回到位置控制系统。显然，可以改变范围栏的长度，最大和最小的长度对机器的工作空间将产生直接影响，而且通过伸缩杆的结构限制。3.2.1 杆件设计(1) 杆件的分类杆并联机构运动输入组件。从运动学角度，这是一个一定长度的刚性体。长变化（主轴或表），速度，加速度，位置和姿态。物理结构构件可以包括机械部件，电器元件，液压元件及它们的组合。杆件可以分为固定杆长和可变杆长两大类。在并联机床，由直线电机驱动的滚珠丝杠伸缩杆或棒是目前使用最广泛的两种。(2) 伸缩杆伸缩杆是 以滚珠丝杆传动为基础组成的可伸缩（可变杆长）的杆件如图3-1所示：图3-1伸缩杆由图3-1可见，通过有角接触球轴承将滚珠丝杆固定在杆件左端，滚珠螺母与伸缩管固定连接。由于伸缩套管外表面有轴套向导向，当丝杆转动时，螺母只能带动伸缩套管作直线移动。这样就把滚珠丝杆的转动转换成套管与塑料轴套的相对移动，形成一根可伸缩的杆件。3.2.2 伸缩套筒伸缩套筒是一个空心的管，其内径比丝杆的外径大，通过安装可与丝杆构成相对的运动，从而实现伸缩的功能如图3-2所示：图 3-2 伸缩筒尺寸