QY3型石油管道牵引机传动系统设计【说明书+CAD】
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QY3型石油管道牵引机传动系统设计【说明书+CAD】,QY3,石油,管道,牵引机,传动系统,设计,说明书,CAD
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黄河科技学院毕业设计(文献翻译) 第 10 页 三自由度模块化微并联机床的开发摘要本文介绍了三自由度微型并联机械臂在微细加工和微装配中的准确定位问题，并介绍了其研究和发展。同时对微并联机床的结构特点和平移、旋转运动特性进行了评估。基于这些鉴定，设计制造了三自由度微型模块化并联机床。这种微并联机床的运行和模拟原理与一个正常大小的Stewart平台大致相同。该平台整体的体积大约为300mm300mm300mm。这种微并联机床的建造采用了模块化的设计方法。本文阐述了这种三自由度微并联机床的校验结果。关键词：微并联机床，工作区模拟，模块化设计1引言人们对于高品质产品，降低产品成本，缩短产品开发周期的需求日益增加，导致人们急切要求机械加工，特别是高速加工的多功能性和准确性方面能得到更快速地提升。因此，高速加工最的新研究趋向于研究和发展全新类型的并联运动机床。并联机床是一种闭环机制，其中一个移动平台通过至少两个串行运动学链连接至基座。传统的Stewart平台（SP）的机械臂有六条可扩展的链，拥有非常严格的运动学结构。链的数目通常与自由度的数目相同。每条腿与平台上的一个三自由度球状接头和基座上的一个两自由度通用接头相连。与串行运动学机械手相比，SP有高有效载荷和高刚性的特点，而其缺点是工作范围有限，运动学控制算法更为复杂。此前，新加坡国立大学开发了一个传统的SP。这个sp由六个线性驱动器组成，每个线性驱动器分别被六台步进电机独立驱动。它可以进行平移运动和精密工程应用，如精细且要求多自由度控制的运动。该平台已经过校准，具有相当好的准确性和可重复性。不过，这个平台也有一些局限性，即复杂的直接运动学解决方案，运动定位和定向方面的一些问题，以及昂贵的高精度球形接头。该校正在着手进一步的研究，准备设计和开发一种改进的SP。并联机床发展的新趋势是将自由度从六个减少至三个。减少自由度的并联机床具有减小工作空间和降低成本的优势。然而，三自由度并联机床的刚性降低，自由度也有所减少。为了克服这些缺点，人们一直在积极研究少于六个自由度的并联机床。例如，克拉维尔和斯特恩汉姆报告的四自由度高速机床，机床。李和沙阿分析研究的三自由度并联机床。这两台机床具有相似的直接运动学解决方案，然而李和沙阿研究的机械臂包含三个球形接头，机床包含十二个球形接头。此外，李和沙阿研究的机床的定位和定向是复合的。一些三自由度并联机床架构，提供绕一个固定点做定转角转动的平台，该平台可作为导向设备，机器手手腕定向设备使用。最近，蔡介绍了一种仅有转动副组成的平移平台。它执行纯粹的平移运动，并且有相近的直接运动学和反向运动学解决方案。此外，多轴机床的使用是非常不合理的，它冗余的自由度导致一些轴没有得到充分的利用，同时也增加了它的复杂性和成本。纯粹的三自由度平移或旋转运动需要激活所有六条腿，这意味着能耗的增加。因此，在成本方面，三腿三自由度微并联机床是符合成本效益的，而且其简单的运动学机制使其更加易于控制。本研究开发的微并联机床采用模块化的设计理念，增加了其灵活性和功能。近年来，模块化设计理念已经越来越多地被提出作为开发可重构和自我修复的机床系统的手段。为了优化三足三自由度微并联机床的性能和自我修复能力，要求操作系统采用模块化设计且拥有自我重构能力。由许多自主单位或模块组成的模块化机床可以被重新配置成许多新的设计。理想状态下，各模块应该是统一又相互独立的。该机床可以手动或自动的从一种配置更改成另一种配置。因此，模块化的机床可以被重新配置或修改以适应新的环境。模块必须彼此互动和合作以实现自我配置。此外，模块化微并联机床可以通过拆除和更换故障模块实现自我修复。由于自重构模块化机床可以提供许多传统机械的功能，它们特别适合于各种任务，如精密工程业的高速加工。2 背景在这项研究中，微并联机床，即微并联机床的发展目标，是最大限度地减少系统的尺寸和增加系统的便携性，如便携式数控机床。考虑到要使微并联机床的尺寸最小化，平台的链接数从六个减少到三个。闭环并联机床的自由度数目检验使用Grber公式：其中Fe是集合或机械装置的有效自由度。机械运功空间自由度，i是链接的数量，j是关节数，fi是第i个关节的自由度，Id是闲置或被动的自由度。接头的数目是9（六个万向接头和三个柱状接头）。链接的数量是8个（每一个执行机构，末端效应器和基座各两个链接）。接头自由度的总和为15.因此，使用Grber公式，微并联机床的自由度可以做如下计算：F6（891）153.我们将使用蔡开发的系统枚举法，进行对各种系统配置的比较研究，以选择出一种符合要求的并联系统在本研究中使用。本研究的目的是建立一个具有微米精度的微型并联机床，该机床可承受高达三公斤的有效载荷，并能用于微加工和微装配。因此必须选用高品质的元件已达到所需的精度。即使一台微并联机床以高精度，高刚度，高速度，高有效载荷著称，在选用其相关部件时仍应该十分小心，因为该平台是用来进行微加工，这需要比以前的开发平台具有更高的刚性。因此，以先前开发的SP为基础，我们将大量的微并联机床设计以同比例的微观尺寸在Matlab上进行仿真模拟，例如六足SP，三足微并联机床和六足PUS SP,其中PUS表示一个具有链接的平台，其链接由棱柱接头，万向接头和球形接头组成。这些平台的工作空间被仿真模拟以选择出最适合的设计，已达到研究目标。此外，我们还对工作空间和移动平台，移动平台半径之间的关系进行了研究，以使微并联机床的工作空间得到优化。我们以执行器的行程为基础计算了该平台的的最大转角，并以此作为执行器选择的参考。3各种微并联机床的仿真3.1仿真模型我们通过Matlab对目前已报道的各种微并联数控机床数学模型进行了研究。通过比较这些数学模型的工作空间以确定一种适合本研究的一种。我们通过Matlab对六足的SP，三足的微并联机床和PUS微并联机床进行了模拟测试。选择这些机床的运动学模型进行测试的原因是因为它们有更高的有效载荷和较为简单的控制机构。所有三种模型如图一所示：图1 a 六足的Stewart平台，b 三足的Stewart平台,c PSUStewart平台我们进行了一系列的模拟测试，以确定基座和平台、被动式球形接头的合适半径，达到使微并联机床的工作空间最优化的目的。在这些测试中某些参数保持不变，如链接的长度被设为0.22米，行程为0.05米。万向节的倾角被设为45。利用Matlab进行仿真模拟可以记录并比较每种机床所能到达的三维空间位置（如图2所示）。从图2可以看出，六足微并联机床的工作空间高度较高，而三足微并联机床的工作空间范围更广。图2 三足（红色圆圈）和六足（蓝色十字）微并联机床工作空间比较3.2 仿真结果在这些模拟中，并联机床基座的半径被设置为0.075米。在仿真模拟测试中通过改变微并联机床移动平台的半径，得到了各种不同的工作空间，结果显示在表1和图3中。从结果中得知，微并联机床的工作空间大小取决于它的移动平台的半径。图3 工作区体积与工作平台半径间的关系因此，移动平台的半径越大，工作空间的范围就越大。然而，可以预见的是当移动平台的半径和基座的半径相等时会出现潜在的问题。当两者相等时可能产生突变。微并联机床的刚度可能会减少，因为所有的关节都垂直向上运动，而且，移动平台和基座之间的张力也会随之降低。此外，微并联机床的高度也会受到移动平台的影响。由于链接的长度是固定的，链接只能倾斜到一定的角度，而这样会减少平台的高度。表 1不同工作平台半径间下的工作空间体积微型工作平台的半径,r工作空间体积103m30.0353.00320.0403.28100.0505.73130.0606.71630.0709.99880.07511.0000与平台半径和工作区大小之间的关系相反，当基座的半径增加时，工作区范围减小，这两者之间的关系如表2和图4的仿真结果所示。在这个模拟中，平台的半径被设为0.04米。通过对两个模拟结果的分析发现，当基座和平台的尺寸差别越大，工作空间的范围就越小。因此，建议在设计中将平台和基座的半径之比设为1:2以得到合适的工作空间。图4 工作区体积与基座半径间的关系3.3 球形接头倾斜角间关系的仿真结果在这次研究中，我们设定平台半径为0.03米，基座半径为0.075米，通过在20到45范围内改变球形接头的活动角度，我们得到了工作空间的仿真测试结果。从图5的仿真结果中我们可以看出，在球形关节从20变化至45时，平台的工作空间大幅增加。通过安装一个45的球形关节，工作空间的体积可以从4.1263104m3增加至0.0014m3，即当安装一个45的球形关节时工作空间的体积增加了3.4倍。我们还进行了测试以得到当执行器达到最大行程时，所能得到的最大取向角。通过对不同执行器的不同行程进行模拟测试，我们分别得到了它们的旋转角度。从结果中得知，为了使移动平台得到45的旋转角，我们必须保证执行器的行程不少于50mm.表 2工作空间大小与基座半径之间的关系基座半径,r工作空间体积103m30.0750.41260.0850.27600.0950.16650.1050.0826通过研究三足MSP对于本项目的可行性，我们发现MSP的自由度的数量受制于活动关节的数目。因此，为了得到三个棱柱执行器，三足MSP必须只能有三个自由度。根据式1中的Grber公式三个棱柱执行器可以执行三自由度的运动。然而，我们需要采用以下措施提升腿的稳定性，使用万向接头代替球形接头，或者在球形接头的中间部位安装一定的制约部件，如刚性链接。从对并联机床的文献研究得知，三自由度微并联机床可分为三大类，即平面并联，球面并联和空间并联机床。在本文中，空间机床是研究重点，它们既可以执行平移运动，又能执行旋转运动。然而，虽然这两项运动的复合是可行的，但将会增加机构的复杂性。三自由度微并联机床具有吸引力的特征之一就是它们具有灵活的适应所需功能的能力。例如，通过耦合一个三足的导向装置和一个三足并联平移机械手，可以得到一个六自由度的微并联机床。图5被动关节角度为20（圆形点）和45（交叉点）时的工作区比较因此，在本文中我们探讨了纯粹的并联机床和平移机床的发展。然而，我们在设计和制造方面侧重于3UPU并联机床。一个混合的3UPU平台安装有棱柱链接的并联机器手，且该机器手通过万向接头连接在平台和基座上。此外，还有一个被动链接通过球形接头被安装在平台的中心。这一装置的一个有趣的特点是，它复合了平移并联机床和旋转并联机床的运动。它在Z轴上更大的工作空间使它可以作为一种旋转机械装置使用。这台并联机床的特征是，当提供一些额外方向的运动时，它能扮演很有趣的角色，而且，如果将它安装在串行运动学数控机床上时，它具有很好的灵活性。因此根据模拟的结果，我们构建了一个三自由度的MSP，该装置拥有一个行程为50mm的执行器，直径为125mm的平台和一个直径为250mm的基座，以此来实现平台的工作空间和功能的要求。在下一节中我们为MSP开发了数学模型，进行了工艺上的优化以最终确定平台的工作空间。参考文献1. 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