数控立式铣床机械结构设计--结构设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上数控立式铣床机械结构设计 数控机床作为一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备，决定了它在现代制造业中占有越来越重要的作用。近年来，我国在中高档数控机床关键技术上有了较大突破，创造出一批具有自主知识产权的研究成果。目前，在实际应用中有部分工件在加工微型孑L或铣削平面时，加工精度不高。如果我们用传统的数控铣床对其加工，将导致加工效率低且加大设备和电力的损耗。根据这种情况，我们设计了一种小型数控立式铣床。该铣床造价大大低于传统数控机床，还能够满足教学上的使用，提高学生对数控铣床的理解与认识。下文就对它的机械结构设计作一介绍。 1 机床的总体布局本机床是一台采用立

2、式布置的小型数控铣床，机床床身尺寸(长宽高)为600 mm8OO mm1 405 1Tim，主要由(如图1机床的结构简图所示)机床底座，横向溜板，X、y、Z方向进给步进电动机，工作台，机床床身，三相异步电动机，主轴箱以及相关的电气系统等部分组成。机床的加工过程为：被加工零件固定于工作台4上，能够实现横向、纵向的进给运动；铣刀装夹在主轴箱8上，能够沿立柱的上下移动，进行铣削加工。整个加工过程由PC进行控制，实现工件的自动加工。该数控铣床的主要技术参数为：最大钻孔直径：28 mm；最大铣削能力：平面2610 mm。；主轴箱上下移动最大行程：345 mm；工作台工作面积：730 nln3350 n3

3、n3；工作台最大纵向行程：450 mm；工作台最大横向行程：250 n3m；机床底座面积：400 ITlm680 n3n3；主轴变速范围：8O 1 650 rmin2 机床主传动系统及主轴组件设计21 机床主传动系统数控铣床主传动系统由主轴电动机、传动系统和主轴部件等部分组成，它与普通机床主传动系统相比结构较简单，这是由于变速功能主要由无级变速电动机来承担。机床主传动为主轴的旋转运动，负载为恒功率型，选用Y8024型号的三相异步电动机即可满足要求。由于主轴要求的恒功率变速范围R坤远大于电动机的恒功率变速范围R却，在电动机与主轴之间串联了一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削

4、时对电动机的输出功率要求。通过计算，变速箱的变速级数确定为2级传动。对于降速传动，为防止从动齿轮的直径过大而使变速机构的径向尺寸太大，常限制传动副的最大传动比i 4，并且采用“前慢后快”的原则，即前面传动组的传动比小些，后面的传动组的传动比大些。由此可确定第1级的传动比如 一265，第2级高速档的传动比i。 一1，第2级低速档i 一0 o3。小齿轮齿数分别为22、40、20，即i=0.38,i=1,i=0.33，如图2所示。22 主轴组件主轴组件由主轴、轴承、传动件和固定件等部分组成，如图2所示。机床工作时，由主轴夹持着刀具直接进行表面成形运动。所以主轴组件的工作性能，对加工零件的质量和机床生

5、产率都有重要的影响。机床主轴承受的轴向载荷较大，径向载荷稍小，精度要求不高。通过分析，机床的主轴支撑方案确定为：前轴承选用3个推力角接触球轴承7015AC，其中前面2个轴承开口向主轴前端，接触角为25。用以承受轴向载荷；第3个轴承开口朝里，接触角为14。3个轴承的内外圈轴向由轴肩和箱体孔的台阶固定，以承受轴向载荷。后轴承由一对背对背的推力角接触球轴承7010AC组成，只承受径向载荷。3 机床伺服进给系统设计数控机床的伺服进给系统作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电动机，功率步进电动机，电液脉冲电动机等)和机械传动机构，驱

6、动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。机床的纵向进给系统结构简图如图3所示，它的基本参数为：工作台及夹具总重力为1 000 N，工作台纵向行程为450 mm，进给速度为1O 400mmmin，快速进给速度为V 7-15 mmin，定位精度为002300 mm。机床选择NL2505型内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，直径为25mm，导程为5 mm，滚珠直径为3969 mm，每个螺母滚珠有4列，经计算符合设计要求。机床的滚珠丝杠采用两端轴向固定，用一对接触角为25的7001AC型角接触球轴承面对面组配。此种固定方法能对丝杠施加预紧力，又能通过轴承端盖来补偿丝杠的热变形，保持

7、预紧力几乎不变。步进电动机轴的力矩经计算，选用90BF003型步进电动机可满足设计要求。机床主轴箱的进给系统结构简图如图4所示，工作台上下运动最大行程为345 mm，进给速度为1O到2OO mmmin，快速进给速度为 =10 mmin主传动系统是铣床传动系统的核心环节。传统的铣床主传动系统采用有级传动方式，其计算和设计方法早已有详细论述。随着机床技术的发展，数控铣床和加工中心的主传动系统已普遍采用无级传动方式。尽管一些大型的机床设计手册对无级传动方式的分析计算和设计方法已有论述，也已形成一些设计原则，但机械加工对主轴无级传动系统的要求多种多样，随着机床技术的发展，随着机床产品设计越来越理性化，

8、在进行主传动系统设计时需要对各主要技术参数和特性参数如高、低档减速比、主轴额定转速、功率损失等进行计算，对这些参数的相互关系和相互影响以及对结构性能的影响进行分析。而以往的技术文献对这方面的介绍、论述较为笼统和简单，有关结论也显得简单，已不能满足分析和设计要求，因此有必要不断地深入研究，完善主传动计算与设计方法。笔者多年来主管多项数控铣床和加工中心产品的设计，对各种主传动系统设计进行了较深入的分析，积累了较多的分析和设计经验，对主传动系统各主要设计参数和特性参数进行了推导计算和相互关系分析，得出了一些较为适用的结论，现介绍如下。1主轴无级传动系统的特点主轴无级传动系统主要由无级调速电机及驱动单

9、元和机械传动机构组成。11无级调速电机及驱动主要机械特性无级调速电机具有转速拐点，即额定转速。其特点为：小于额定转速的为恒扭矩范围，大于额定转速的为恒功率范围，如图1所示。额定转速一般有500rmin、750rmin、lO00rmin、1500rmin、2000rmin等几种，按照成本原则，通常使用较多的为1500rmin。如果直接使用额定转速为1500rmin以上的电机而不经过机械减速，则输出的恒功率范围和低速扭矩较小，不能满足很多场合下的正常使用要求。12主轴无级传动系统中的机械传动机构种类及特点(1)直接1：1传动可采用电机与主轴组件直联方式或通过同步带传动方式，结构简单，易获得高转速，

10、但低速扭矩小，一般只适用于高速和轻切削场合。(2)直接减速或升速传动常采用同步带传动方式，也可采用齿轮传动方式，结构简单。对于减速传动，可扩大恒功率范围和提高主轴扭矩，但扩大和提高程度有限，或最高转速受到限制。对于升速传动，可获得高转速，但缩小了恒功率范围，降低了低速扭矩。(3)高低档两段变速传动一般采用齿轮两档变速机构，可配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机，既可获得较高转速，又可较大地拓宽恒功率范围，提高低速扭矩，适合于要求达到较高转速且可进行较大切削量加工的场合。(4)高、中、低档三段变速传动采用齿轮三档变速机构，配合较为经济的额定转速较大的无级调速电机，既可获得较高转速，又可大大拓

11、宽恒功率范围，大大提高低速扭矩，适合于要求达到较高转速且可进行大切削量加工的场合，其机械性能几乎与齿轮有级变速方式相同。但结构复杂，且由于采用齿轮多级传动方式，最高转速受限更大。目前这种传动方式很少采用。从以上介绍可知，各种传动方式各有优缺点，关键是根据不同的使用要求选择不同的传动方式。13关于高低档两段变速传动方式从以上分析可以看出，采用高低档两段变速传动方式，既可获得较高转速，又可较大的拓宽恒功率范围，较大的提高低速扭矩，且结构要比三段变速简单，因此是较为理想的传动方式。特别是，出于对电控系统价格的考虑，我们经常采用额定转速为1500rmin主轴电机。当选用额定转速大于或等于1000rra

12、in的主轴电机，且又要求具有较大的输出恒功率范围、较大的主轴低速扭矩和较高的主轴转速，则必须采用高低档两段变速传动方式。同时可以看出，高低档两段变速传动方式的计算和设计要比直接传动方式复杂得多。不同的参数选择可导致机械性能的不同，并适应于不同的使用要求。因此，导出各设计参数的计算公式，分析各参数选择对机械性能的影响，分析参数选择与结构设计的关系，这对于主轴无级调速系统的设计，对于如何通过计算和设计达到数控机床的预定的技术要求，实现较好的制造工艺性和性能价格比，将具有重要的意义。2 高低档两段变速传动系统的计算和分析高低档两段变速传动机构具有多种形式，但其分析计算是一样的。在进行机床产品设计时，

13、一般情况下，是根据产品定位、用途、技术要求等因素，确定主电机功率及其额定转速、主轴最高转速、主轴最大扭矩等主要参数，再根据这些主要参数和结构要求特点，计算和确定主传动高档和低档减速比，及确定其它参数和结构参数，进行结构设计。由于采用两档传动方式。可能会产生在一定速度范围内功率损失的现象，这就是所谓的功率缺口。尽可能降低功率缺口也是确定主传动高档和低档减速比的主要依据之一。21高低档减速比计算a)低档减速比计算：1= m (1) M do其中：jl 低档减速比M 主轴最大扭矩Mm主电机额定扭矩 传动机构机械效率b)高档减速比计算：，= 旦 (2)11m其中： 2 高档减速比1 电机使用最高转速1

14、 主轴最高转速22主轴额定转速计算主轴额定转速n ：n = (3)J1其中：n 主轴额定转速1 0d 电机额定转速23功率损失或功率缺口计算高低档的分界点转速nn (4)J1在高档转速范围内，主轴最大扭矩M以：M m2= i 2 M故对应于分界点转速，主轴输出功率处于最低状态，最低功率Pj：经高低档变速后，主轴机械特性如图2所示。我们称 为功率缺口，显然 1，P 越小，则 越大，即功率缺口越大。24功率缺口转速范围计算以上算式反映了各主要技术参数的关系，对设计参数选择、技术特性分析、结构设计和分析具有重要作用。(1)低档减速比对机械特性的影响和减速比选择根据式(1)，低档减速比由主轴最大扭矩和

15、电机最大扭矩决定。主轴最大扭矩越大，则低档减速比越大；反过来，低档减速比越大，则主轴最大扭矩越大。同时，根据式(3)，低档减速比越大，则主轴额定转速越小，即恒功率范围就越扩大。但根据式(5)、(6)、(7)，低档减速比越大，则功率损失或功率缺口越大。所以必须综合考虑和分析，选择较大的低档减速比，以保证得到较大的主轴最大扭矩和恒功率范围，但低档减速比又不能太大，否则功率损失太大，影响机床机械特性的程度大，达不到正常使用要求。一般选择低档减速比为355较为合适，具体选择要综合根据具体技术要求和使用要求而定。(2)高档减速比对机械特性的影响和减速比选择以往的技术文献对高档减速比的分析极少，只简单指出

16、高档减速比一般为1。根据式(5)、(6)、(7)，高档减速比越大，则功率损失越小；同时根据式(3)和式(1O)，高档减速比越大，则功率缺口转速范围越小。所以，高档减速比大对机械特性是好的。但也是根据式(2)，在主轴最高转速一定的情况下，高档减速比越大，则电机使用最高转速也越大。我们知道，在进行设计选择时，不一定选择到电机真正的最高转速，至于选择多大，要进行综合分析。从以上分析可知，电机使用最高转速越大，则对机械特性越好，但电机使用最高转速越大，对机械结构稳定性和机械加工精度要求也越高，成本增加，经济性降低，在一定程度上成为矛盾。所以，一般选择高档减速比为115，而不必限制为1。(3)功率缺口的

17、分析根据式(5)，在电机特性和主轴最高转速确定后，最低功率与高、低档减速比有关。选择大的高档减速比和小的低档减速比，则最低功率就越大，即功率损失就越小。但从以上的分析也已知道，高档减速比大则对机械结构稳定性和机械加工精度要求就高；低档减速比小，则会导致主轴最大扭矩小和恒功率范围小，影响机械特性。这是一个矛盾。我们可以加大主电机额定功率来弥补功率损失的影响，这样又会加大成本。所以，在一般情况下，是允许功率缺口存在的，允许功率缺口的大小视具体使用要求和技术要求而定，一般为不大于12-15，特殊情况下可以大些。3结束语在进行数控铣床或加工中心的两段变速主传动系统设计时，必须对主要设计参数、机械特性和

18、使用要求进行综合考虑和分析，既要实现好的机械特性和满足使用要求，又要满足制造工艺性和适应经济性要求。根据笔者经验，一般取高档减速比为115；低高档减速比为355；功率缺口一般为不大于12 15。对数控机床而言，机床动态特性的好坏将直接影响其加工性能。整个数控机床是一个十分复杂的结构系统，床身在整个机床的组成部分中起着支撑工件、工作台、立柱等关键部件的作用。这里，以大型数控铣床床身为例，对床身的动态特性进行分析。1 床身的动态特性分析11 基本原理动态特性分析主要是指对固有频率和主振型的分析，一般可通过无阻尼自由振动方程计算固有特性。系统的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶固有振型要

19、比高阶固有振型对系统的振动影响大，因此低阶振型对系统的动态特性起决定作用，故在进行系统的振动特性的分析计算时通常取前5阶。12 算例分析床身建模是在SolidWorks中完成的。床身为铸造结构，长4 950 mm，宽1 800 mm，高680 mm。筋板厚度30 mm。对床身的动态特性分析主要是应用ANSYSWorkbench软件。把模型导入ANSYS Workbench前，要对模型进行简化，将尺寸较小的螺纹孔、凸台、凹槽、倒角都忽略不计。床身的简化模型见图l。床身的网格划分见图2，网格数为52 477，单元数为25 827。筋板结构布局有井型、米型、w 型、圆型。参考其他资料，前3种以井型最

20、好，故这里只对比井型和圆型结构，见图3。两种筋板结构的主振型图基本相同，见图4。第1阶振型为床头围绕 方向的弯曲振动，在yz平面基本没有振动，弯曲振动的薄弱环节是床身的中部。第2阶振型为绕y轴的扭转振动，薄弱环节在横梁的左中部。第3阶振型为绕y轴的扭转、 轴的弯曲加绕z轴的少量弯曲，薄弱环节在床身中部和横梁中部。第4阶振型为床身横梁处绕y轴的弯曲。第5阶振型为向 轴正向的弯曲加沿y轴负向递增的弯曲，薄弱环节在横梁处。两种结构的出砂孔的面积是相同的，即两种结构床身的重量是相同的。由表1可知，在重量相同的情况下，圆型结构动、静态刚度都要比井型结构的好。2 筋板厚度对床身动态性能的影响床身的横梁为薄

21、弱环节处，且为主要承载区。横梁的变形在x方向最大(床身的宽度方向)。本文以床身的固有频率大小作为衡量结构动态性能优劣的指标，讨论横梁x方向的筋板厚度对动态性能的影响。筋板厚度分别为25 mm、30 inm、35 mm时床身的固有频率见表2。由表2可以看到。筋板厚度为25 mm时床身的固有频率要比30 mm的高床身重量也减轻了；筋板厚度为35 mn1时床身的重量要比30 mm的高，而35 mm的前3阶频率比30 mm低后两阶频率比3O toni的高。由e 第5 振型此我们还可以得出这样的结论：增加筋板厚度并不一定就可以增加床身的固有频率，所以盲目增加筋板厚度是不正确的。3 结束语通过对不同筋板床

22、身的动态分析的比较，讨论不同筋板布局对机床床身动态性能的影响，并找出床身筋板布局的优选方案；另外通过对X方向筋板厚度的分析，发现在重量最轻的前提下，可使床身有较好的动态性能。这些为床身的最优化设计提供了可靠依据。在压力波动不大时，如图3所示b区域，虽不稳定，但不至于发生喘振。据试验和数值模拟得出结论，只有在运行工况点离峰值点较远(离零流量点较近)时(如图3所示c区域内)，风机才会发生喘振。当风量降为最大风量的23左右时，将发生喘振，风压为最大压升的5O左右。定常模拟计算结果与试验测量结果吻合较好，它们之间的微小偏差是由于对旋叶轮流场强烈的非定常效应造成的。3 结论采用(CFD)商用软件对对旋风

23、机失速与喘振发生时的全流场进行数值模拟，通过数值模拟的结果，可以定性地分析不同压力和流量下失速和喘振发生时的内流变化，其数值模拟结果与试验结果符合较好。计算表明(CFD)数值模拟方法可以真实揭示风机内部流场的运动规律，可靠地进行风机性能预测，减少试验次数及费用，提高风机产品性能，减少开发周期。针对复杂曲面的加工需要，目前主要存在两大问题：(1)多轴数控铣床虽然已经取得了较大进步，但其技术含量高、成本高，超出了中小型企业经济承受能力；(2)大量的传统铣床加工能力有限，不能加工较为复杂的曲面。为了解决存在的问题，充分利用大量传统立式铣床的资源，哈尔滨工业大学对传统立式铣床进行改造，加装6自由度并联

24、工作台，形成6-TPS并联平台型数控铣床，扩展了传统立式铣床的加工能力。工件的加工精度很大程度上取决于铣床的各类结构参数的标定，本文的平台型铣床的结构参数达到5O个，而且存在较强的耦合性。目前，国内外采用的并联机床的标定方法主要有LlI9：(1)直接法，(2)开环法，(3)闭环法，(4)任意性能评估检验法，(5)序列法，(6)样件法。这些标定方法主要针对于刀具装卡在并联机构的某一运动平台上的一类铣床，而本文的铣切头安装在一活动悬臂梁上，独立于并联机构，主轴悬臂梁可能处于不同的位置，因而需要对该型铣床结构参数的标定及刀具的定位进行深入研究。1 6-TPS并联平台型数控铣床结构参数及标定方法图1为

25、6-TPS并联平台型数控铣床，铣床由传统立铣和6自由度并联工作台组成。改变铣切头的位置即可实现传统立铣加工和复杂曲面的加工。图2是铣床的简化结构示意图。以一支路为例介绍如下：下平台虎克铰在基座坐标系0sX ysz中的坐标为( Y ： )( =1，2， ，6)，上平台3自由度虎克铰在上平台坐标系o X ，yMZ中的坐标为(“ ，Y )( 一1，2， ，6)，杆长参数为 ，( 一12 ，6)，工作台表面在上平台坐标系中的倾斜姿态角度参数为(a， )，上平台坐标系原点到工作台表面的高度参数(即上平台的厚度参数)为h铣床刀头点在基座坐标系中的坐标为(z，。 ，)，刀具相对于该系的姿态参数为(a， )，

26、共有5O个结构参数。在文献Elo3中，对并联机床的结构参数进行标定时，构建各种误差模型，引入所有的误差源。对于6-TPS并联平台型铣床来说，误差模型引入所有的误差源存在以下问题：(1)各参数精确度不同；(2)并联机构的铰点位置参数同刀具的位姿参数、工作台的厚度参数、夹刀点的高度参数之间存在耦合；(3)工作台面的倾斜角度参数同刀具轴线的倾斜角度参数存在耦合；(4)参数的确定需要考虑多个坐标系。由于这些问题的存在，本文采用了加权分类隔离的标定方法，具体方法如下：(1)首先降低耦合性，将这些参数分类隔离成5类，依次分为：工作台面的水平度参数；工作台的厚度参数及刀具水平位置参数；刀头点的高度参数；并联

27、机构的结构参数；刀具轴线方向的倾斜角度参数。(2)分离后，对各类参数给以不同的权值(1或0)：1表示该类参数存在误差，需要修正；0表示该类参数不存在误差，暂定为真实值，不对标定结果产生影响。(3)分别设定并联机构结构参数的权值为0，刀具的位姿参数权值为1，控制工作台作程序化运动，标定出刀具的位姿参数，然后互换其权值，借助刀具的位姿参数标定并联机构的结构参数，经过数轮标定即可完成铣床各类参数的确定。限于篇幅，本文主要介绍工作台的厚度参数、刀具位置参数，及并联机构的铰点位置参数的标定工作。其他各类参数的标定方法可见参考文献11。2 工作台厚度参数和刀具水平位置参数标定工件的装夹定位，需要知道工作台

28、的厚度参数h。若该参数不精确，将会导致加工点的坐标整体上下平移，而且带姿态加工时，会引人不确定的误差。利用三点定面的方法可以求出工作台面的法线矢量，进而获取工作台面的倾斜角度参数(a，p)口1j，利用修正后的结构参数刷新数控系统，使工作台面能够处于精确水平状态，继而进行厚度参数和刀具水平位置参数的标定。在工作台面上加工一个辅助工艺孔，如图3(a)所示。通过手控模块控制测头在工艺孔内腔壁，等高度依次相对平动3个位置，使测头与工艺孔内壁接触，触发并计算出上平台坐标系原点在基座坐标系中的位置 ，A ，A 。测头中心到工艺孔中心的距离恒定为d=Rr和R依次为测头和工艺孔的半径，如图3(b)所示。利用三

29、点定圆的原理，A ，l ，A 三个位置矢量可以确定该圆的圆心矢量C 一c ， ，该矢量的和y向分量是测头的名义水平位置。由于加工误差的存在，工艺孔圆心坐标A 4。， 1 与上平台坐标系原点坐标A ， ，A 存在一个误差Ac。故测头中心点(即刀头点)在基座坐标系中的位置矢量满足c c + c (1)c是上平台坐标系原点到工艺孔圆心的水平矢量，也是实际刀头点与名义刀头点在水平方向上的距离，该距离对刀具的平动加工不存在误差。但当工作台带姿态加工时，将产生误差。因此需要进行标定。上平台厚度的标定如图4所示，虚线测头是名义测头位置，以虚线测头的轴线在基座坐标系中的投影点为圆心，RM为半径的圆周是上平台坐

30、标系原点运动轨迹在基座坐标系中的投影圆；(P肌，PM,)为上平台坐标系原点在投影圆上的坐标；d为实际测头与上平台坐标系原点的水平距离；H 为上平台的厚度h与测头半径，的和；Az为上平台水平触发测头和带姿态触发测头的高度差； 为由距离d产生的高度差；a和 为上平台的倾斜方向角和倾斜角； 为工作台面上沿(PM ，PM )到( ，f )方向上的倾斜角。参数d，RM， 和 之间的关系如图5所示。d一(Rfsin0) + (Rjlfcos0+ lc1) (2)式中0表示矢量c与RM间的夹角，范围为0360。cos0,一( + 尺 一fc I )(2dR】lf) (3)tanfl 一(RMtanf1)(R

31、 cos01) (4)由图4可知(H + 一& )cosy= H (5)九 = 一一 ， (6)& 一 + dtany H (7)厚度参数标定过程如下：(1)控制上平台水平状态平动触发测头，获取当前上平台坐标系原点的高度z。(见图4)；(2)控制上平台离开测头，注意保证上平台坐标系原点在基座坐标系的投影落在投影圆上，在任一位置，使上平台带姿态运动，倾斜角度为 ，倾斜方向角a由上平台坐标系原点的水平位置参数(尸m，尸m)和名义测头的水平位置(c ，f )确定(P 一c ) 一 ： 一(PM 一c )M 一(8)(9)(3)姿态运动完成后，控制上平台向上作平动，触发测头获取当前上平台坐标系原点的高

32、度： ，从而获取上平台的下降量Az=z。-Z。；上平台的下降量Az与角度 之间的关系如图6所示，(+型线)是实际测头与名义测头间距为0时，上平台的下降量，由图可知当间距为0时，下降量为一恒定值；(0型线)是两者间距不为0时上平台的下降量；同时可以发现若尺 ，取合适的参数，上平台下降量呈类似余弦曲线分布下降量存在最值一0时有 = 一Hcop+tanfl(R,1+lcI)一H ；一 时有? 一 ， 一ttcosp+tanfl(RMIc1)一H ；(4)上述两式相减得Az 一Az ： 2 Ictan? (10)从而获取实际测头与名义测头之间的距离ic IIc= ( 一：)2tanfl (11)利用

33、和lc，可得上平台的厚度参数hh一(2 一(R，+lc)-tanf1)cosfl(1一cos)一 (12)利用lc l。名义测头的水平位置参数(c ，c )以及上平台下降量最大时对应的上平台坐标系原点的位置坐标P 一尸 ，尸 可以求出铣床刀头标定后的水平位置坐标f c 一当上平台的工作台面倾斜角度参数、工作台的厚度参数h标定完成后，修正数控系统。装夹刀长为 的刀具，借助手控模块控制上平台水平向上运动，触发刀头点从而可以获取刀头点的高度HtI = tI，+ ，2+ h (14)式中，l，为触发刀头点时上平台坐标系原点的高度；，z为上平台的厚度参数；h 为对刀器的高度。刀具更换后，需要重新确定刀头

34、点的高度。如更换后的刀具长度为 设新的刀头点的高度为 ，则tI，： II，一( ，一，J ) (15)3 并联机构参数标定当前3类参数标定完成后，可以对并联工作台的结构参数进行标定，设置前3类参数的权值为0视这些参数为准确值用来修正并联机构的结构误差。由于6根杆的杆长参数经过高精度3坐标测量仪的测量精度要远高于所有铰点的36个位置参数故设6个杆长参数的权值为0。铰点36个位置参数分别是上平台6个三自由度虎克铰18个位置参数( 一3 )下平台6个虎克铰l8个位置参数( ，3 )这些参数的权值设为1。参数标定的结果需满足下列要求：(1)确保标定后的结构参数输入数控系统后，控制上平台处于水平状态时，

35、测头在工作台面随意采集不共线的3个点三点确定的平面法线应该垂直于基座坐标系水平面；(2)确保水平状态的上平台平动触发测头，获取此时测头中心点的高度依旧等于标定前的测头中心点高度；(3)确保在工件坐标系中可加工的工作空间范围内，坐标系Xy，Z三个方向上距离误差均处于允许误差范围内；(4)确保测头中心点在工件坐标系中的聚点性即控制测头相对于工件坐标系位置固定，测杆相对工件坐系带姿态运动要求测头位置跳动误差在允许误差范围内。31 误差建模由结构误差造成的刀具(或测头)实际位姿与名义位姿之间的误差与并联机构36个结构参数的误差之间的关系可以表示为AE = M Es (16)式中：AE为各种测量方式下所

36、得的实际值与测量值之间的误差向量，AE：( ，P：， ，P “， ) ，不同元素代表不同的测量方式获取的相应误差川可以根据需要随意确定，理论上越多越好；S为并联机构的结构参数误差构成的 维误差向量，AS一( 1， 2， ，As ) ，1 ， 42，不考虑杆长因素，则 ， 一36，故s为并联机构36个铰点位置误差参数构成的结构误差向量；M s为误差传递矩阵，该矩阵中的每一元素M ( )( 一1，2， ，i； 一1。2 171)表示并联机构的第J个结构参数对第i种测量方式的误差传递系数，误差传递矩阵各元素的确定可参考文献1O。32 结构误差向量的数值求解有了误差传递矩阵 使用标准量块进行标定利用名

37、义测量值和量块的真实值之间的误差，通过数值算法可以获取结构参数的误差向量。重新整理式(1 6)，把各种测量方式的测量误差结果分成两类：位置误差P 和姿态误差P 。同时误差传递矩阵也分为位置误差传递矩阵 和姿态误差传递矩阵 考虑到两者精度要求的不同需要对两类误差进行加权处理，协调两者之间的比例。建立控制残余误差的目标函数为： op&e 一 s (17)L“ A e，J L J式中 和03, 分别为位置误差和姿态误差的权值矩阵。采用结构参数优化目标函数C为C D D (18)以式(18)为目标的优化公式，采用改进后的共轭梯度法，该方法的第一个搜索方向取负梯度方向，也就是最速下降法。其余各步的搜索方

38、向是将负梯度偏转一个角度进行修正。该方法具有最速下降法的优点，而且收敛速度比最速下降法快，克服了最速下降法的锯齿现象，并且具有二次收敛性L1 。优化函数是36元的二次函数，优化过程中需要频繁进行求导、方程求解，数值计算非常繁琐，本文采用了Matlab工具中的符号运算。优化过程原理图如图7所示。图中g 为第k次迭代点处的梯度；d 为第k次迭代点处的共轭方向；a 为第k次迭代时的步长；g 和d 之间满足如下三个关系等式C( )一oyo 一(12)(zXS)TG(AS)+b (zZxS)+ c (19)d ( +1一g )一0 (20)d， Gd 一0 (21)式中G为海赛(Hessian)矩阵；b

39、 为一梯度向量；c为标量。共轭梯度法判断程序是否结束的条件是最后迭代点处梯度的模是否小于给定允许值。但当该模非常小，变量多达36个，优化时间非常长，甚至无法获取最终优化结果。为了解决该问题，根据实际应用需要，修改条件为标定误差的残差是否小于给定允许值。试验表明，该方法优化速度较快，经过多次优化，可以获取最优结果。4 标定试验经过上平台水平度标定后的上下平台铰点的位置参数如表1所示，标定过程略。在上平台的中心位置加工一个具有一定深度的工艺孔，利用三点定圆的原理确定测头点(tg是刀头点)中心水平位置，计算结果为(O300和70343 mm)，以该位置为名义圆心，确定一个半径RM一60 mm 的圆周

40、，在该圆周上，让上平台带一姿态角 一12。运动，倾斜方向角a由测头名义位置和上平台坐标系原点在圆周上的位置确定。上平台在圆周上倾斜方向角以1。为步长，带姿态依次运动并触发测头，采集一系列上平台坐标系原点在基座坐标系中的位置坐标，见表2。利用极值的高度差和章动角 可以获取测头实际水平位置与名义水平位置之间的水平距离为19889mm。利用位置序号270处的上平台水平位置坐标，以及名义测头位置、测头实际与名义位置值间的数学关系，可以计算出测头的实际水平位置(0300和90232 mm)以及上平台的厚度参数96525 mm，借助对刀器可以确定铣床刀具装卡位置相对于基座坐标系的坐标为(0300，9023

41、2和961694 mm)。完成刀具参数的标定工作后，互换权值标定并联机构的36个位置参数，采集一系列位姿点，各位姿点均相对于上平台坐标系，数据见表3。第1类数据用于标定上平台的水平度以及测头中心点的高度，具体方法是采集水平工作台上表面的若干个测量点，获取测头中心点在工作台表面的高度与实际高度值的误差。第1IX类，IIY类，IIZ类数据分别用于标定测头中心点在上平台坐标系中x 轴，y轴，z轴方向上的误差，具体方法是在水平工作台上装卡各种长度的量块，利用测头测量各方向上的长度值，获取与真实值之间的误差。第1II类数据用于标定测杆的聚点性，具体作法是首先获取一倾斜工作台面的法向矢量，然后让测头中心点

42、在上平台坐标系中的位置固定，测杆在进动角360。范围内相对倾斜10。，控制测头在上平台坐标系z轴方向运动触发倾斜平面，最后获取测头的相对位置坐标在法向矢量上的投影位置的误差。获取各种误差，利用改进的共轭梯度修正法，对误差源进行修正，修正后的残余误差见表3的最后一列，从表中可以看出该方法一次性即可把最大误差一0707降至0027。表明该方法快速有效。5结束语 针对6一TPS并联平台型数控铣床铣切头和铣床参数进行标定，标定后的铣床刀具相对于工件联工作台分离，且存在较强耦合性的特点借助于 坐标系的位置精度明显提高，表明该方法有效。目前已运用于哈平台型数控铣床的标定。除此之外，近年来固体润滑也已经成为

43、摩擦学(摩擦、磨损与润滑)领域重要的研究课题之一。固体润滑涂层技术是指将固体物质涂或镀于摩擦副界面，作为固体润滑材料或固体润滑剂，对摩擦副界面进行润滑的方法，以降低摩擦或减少磨损。利用固体润滑材料进行润滑的方法称为固体润滑。摩擦副表面实施固体润滑涂层处理可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原、强辐射、少油或无油润滑的工况下使用，明显降低摩擦因数，提高耐磨性能，既可简化润滑机构，延长使用寿命，同时又提高了设备的可定位精度为002300 mm。经分析计算，机床选用NL3008型内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，滚珠丝杠采用一端轴向固定，一端游动的支承方式。固定端采用4个接触角为25。的角接触球轴承，2个同向、面对面安装，加上预紧，轴向刚度和承载能力能够达到设计要求。进给驱动电动机选用由奥托尼克斯电子(嘉兴)有限公司生产的具有制动功能的步进电动机，型号为A1l0KG5913。小型数控钻铣床的机械部分设计的研究工作包括总体布局、主传动系统、主轴组件和进给系统设计。归纳研究成果，得出如下结论。1)总体设计采用单立柱布置方案，加工精度、生产率和自动化程度高，结构简