【《小型三轴并联数控机床设计与仿真分析》15000字（论文）】

-PAGE9-小型三轴并联数控机床设计与仿真研究摘要作为新时代的工业装备，机床技术的成熟度标志着一个国家工业技术的精细程度。但随着精度和效率在不断提升，传统机床逐渐满足不了制造的要求，并联机床，将作为新时代的利剑，完成它的任务。它具有和传统机床不同的设计理念，可以实现空间的三维加工，并且能够对一些复杂的零件用最低的成本来完成加工。本次论文设计主旨是设计一个小型三轴并联数控机床，类型为三自由度的万向铰型，它主要由动平台、静平台、伸缩杆组成，可工作范围为200mm。主要的设计内容为伸缩杆和伺服电机的设计，并且对伸缩杆的运动学进行分析。并利用UGNX完成机床的三维模型，使用CAD完成二维零件图和装配图，以此来更详细了解机床的整体构型。并用ansys对机床的伸缩杆进行了有限元分析。通过分析，了解丝杆的受力情况。关键词3-TPT并联机床，UGNX，可视化设计，运动仿真，有限元分析目录摘要 ii绪论 31.1设计目的和意义 31.1.1目的 31.1.2意义 31.2可行性分析 41.2.1设计必要性 41.2.2发展历史 41.2.3国内外发展现状 61.2.4现代发展趋势 81.2.5分类 8二并联机构系统的设计 72.1总体设计 72.1.1机构原理 72.1.2整体构思 82.2主要部件设计 82.2.1滚珠丝杠的选型 82.2.2电机的设计 112.3其余部件设计 142.3.1伸缩杆的设计 142.3.2静平台 152.3.3动平台 162.3.4万向铰的设计 172.3.5主轴的设计 172.3.6控制系统设计 18三建模与仿真 193.1UG简介 193.2UG主要功能 193.3设计建模 213.4运动仿真 253.4.1仿真插件 253.4.2运动学优化 26参考文献 351绪论1.1设计目的和意义1.1.1目的随着时代进入21世纪，制造业的变化也是与时俱进，汽车业航天业对零件的精密度要求越来越高。由于许多设计以传统机床来设计的话会存在很多的问题，例如精度不够，形状不符，材质不对应，适应力和所需标准不符合等问题，为了满足产品需求，达到市场所需要的标准，机床进行数控化，智能化显得极其重要。制造一个全新的概念的物品，是决定了机床制造业是否改革的重要环节，甚至注定了机床制造业未来的道路是否还能继续走下去。在这种特殊时期，一种新技术出现了，它就是并联机床，英文全称ParallelMachineTool，并联机构并非是普通的并联机构，他除了普通机床所有的功能之外，他的核心是计算机，主板才是并联机床的心脏部分，但由于技术还并未完整，还存在许多问题和理念都等着我们去解决。1.1.2意义通过现在的新闻和视频，我们能很明白中国在关键技术方面和其他国家有着很明显的差距，尤其是许多高级技术中国可是说是中下游，就比如并联机床，中国的高端机床设计水平，也就排在中下游，就连中国台湾都不如。就拿沈阳机床厂来说，其中许多的重要设备还是靠进口，尽管有自主设计的机器，但与进口设备来比，国家标准应该能过，但国际标准可能就是不合格。有的进口设备损坏，而他的进口国又针对我国实施了技术封锁，导致了设备坏了只能闲置，严重影响了我国的进步。国家号召“多研制，少生产”，但没有生产，在经济方面我们将会捉襟见肘，面对国外技术的打压，面对国内技术的竞争，机床制造业想要有好的进步实在困难。于是乎，在国家层面，将多个民间多个机床厂合并纳入央企，例如收购沈阳机床厂，由国家带头来完成科研，进行科研，可以说是事半功倍，把力用在一个地方，技术更新肯定能够很快实现，但即使是这样，科研是一件很严肃和严重的事情，时间紧迫也宝贵，科研人员们所承担的压力是常人无法想象的。从科技难易度上看，并联数控机构是由电、机械、光、数控所结合的产物，并联机床的开发将注定其产物产品的实际开发、工艺难易度、产品的可用性，注定了国家在相关技术的成形度，间接性的影响到了数控技术，控制技术，计算机技术等技术的发展情况，如果在该技术上有所攻克，那么这将是许多重型技术的进步和融合。因此，国内开始了对并联机构的研究和开发。由于并联运动机床与传统机床相比，它具有更小的运动惯性，而且运动部件质量小。主要部件并不复杂，而且还相对简单，多个零部件可以重复使用，在设计方面来说，它极大的降低了零部件的制造难度（但它的关键性难度不在于此）。且它由于技术水平更高，机床能够保持更快的运行速度和加工速度，因此在加工领域它完全能用于高速加工。对于新一代制造设备改革的契机，加强对并联数控机构的理论研究与工程实践，为早日突破技术封锁，国家达到并联机床的产业化和产品化，实现高新技术转化为生产力具有重要的意义。经过本次的课题设计，我获得了一次自己动手设计的机会，我将用自己所学习的知识，来完成对并联机床的结构的设计。并且通过自己掌握的有关机械制图和三维造型的软件，如CAD，UGNX，SOILDWORKS等来完成并联机床的实体模型设计。所涉及到的机械、控制、电气等知识，既是温故知新，也是对自己四年知识的一个总结。1.2可行性分析1.2.1设计必要性课题设计内容为并联机床机构，在机床系统之中，大部分的传统机床都是横加竖的串联结构，在某种程度上来说，并联且能动，有一丝天马行空的感觉。但恰恰是对科学的追求，一部分设计师努力让不可能变成可能，并联机床这一新兴概念，被人们从理论变为了实际存在的物件。就性能来说，并联机床更够完成更复杂的加工，它能取代串联机床的加工缺陷，对于一些精密零件，串联机床所不能达到的要求，可以由并联机床来完成，对于特别重要的零件，可以由两者合作制造，已达到制造目的。可以说，并联机床的出现，改变了设计制造的可行性。当设计师们在工艺设计时，可以不用考虑太多的东西，能够节省更多的的时间来完成别的部分的设计内容。1.2.2发展历史并联机床的结构独特，大多都是悬浮式结构，这样做的目的既能增加运动范围，也能节约空间。在这其中，Stewart平台是最具代表的结构，它的样式基本上就囊括了现在的并联机床的设计样式，具体如图1.1。可以说是鼻祖模型。现在很多的并联机床设计都或多或少参考了它的形象来进行调整和添加。图1.1Stewart平台它的本身设计并不是单独的机床结构，它的核心之处在于计算机机器人。它是两者的结合体，通过该结构，能够较好的解决机床刚性差的问题，从而满足机床的工作速度，提升整体效益，实现速度和质量的改革。由于其独特之处，该类机床在航天装备、军工、电子产品的领域有着极其重要的成分，可以说是这些领域的核心领导部分。它能完成高精度，高质量的精密加工零件，并且改良之后的机床没有了传统机床的刚度差，承载差的问题。因此，说它是新世纪的制造之母一点都不过分。这种技术性的更新标志着时代的制造业的发展情况，也是一种未来发展方向的指导。1965年，有一位科学家提出了一个概念，当一个机器能够悬空作业，那么是不是能克服许多在加工过程中存在的困难，这一想法立刻在工业界引发了激烈的讨论，有的人说这是胡乱想象，但有的人却认为这可以实现，于是乎，为了证明这一观点，人们开始了漫长而又艰辛的设计。1993年，美国人发明了一种并联加工机械手，它能完成当代产品所有的加工功能，虽然数据上显得有些粗糙，但它却象征着并联机床的出现，他就是未来机床的雏形。也正是因为美国该发明的出现，使得并联机床的发展正式步入了时代的道路中。在随后的1994年，在IMT94上，有三家公司分别展示了自己的设计品，这三家公司分别是美国的Giddings&Lewis和Ingersoll，以及来自于瑞士的Geodetis，他们通过之前的科研报告完成了自己的并联机床的样品。当世人看到这种强大的新型机器时，许多研究员们明白了其中所蕴含的科技价值，于是乎从之后，各国的研究院和企业开始着力发展并联机床的相关技术和开发未知的领域。美国著名研究新型科技，尤其在碳纤维方面有卓越研究的Hexel公司，他们在当年9月份向世人展示了他们所制造的Stewart平台。示意图如图1.2所示:图1.2Hexel公司的Stewart平台之后国家开始注意到该机器的重要性，美国对于该项技术有着很大的重视，随后就建立了相关研究所，专门进行并联机床的研究设计。1.2.3国内外发展现状（1）国外在并联机床这一块，国外许多公司和国家对此相当重视，早就在90年代就有所研究了，现如今已经2021年了，国外在这一块的技术早已是炉火纯青的情况，尤其是工业技术极高的德国和日本，他们在相关领域的领先是绝对化的，而在瑞士等国家，他们对于高精度机床这一块也是极其强大的，就数据上来说，即使是每年产量才几台，但对于他们的相关公司来说，已经是满足那一整年的经济收益了。国外最著名的时期便是1994年，那一年可以说是并联机床的开祖元年。那一年的芝加哥机床博览会上，并联机床向全世界展示了他的非同凡响，对于这种全新的加工机床，各个国家在之后的发展中也是重中之重，毕竟，机床是工业设计之母，哪个国家拥有最先进的机床，那这个国家的设计水平将会是全球最为领先的存在。在1994年之后，许多国家开始注重了并联机床的设计，我们耳熟能详的公司，例如瑞士的IFW研究所，为瑞士的工业水平带来了质一般的飞跃提升。再比如日本的三菱公司，作为当今世界上的工业巨头，他在负责本国的重工技术的情况下，在对于国外的影响力也是绝对领先的存在。而在日本，除了三菱重工，还有丰田、日立等耳熟的大型企业存在，他们就是日本工业的领航者。而提到工业，这里不得不提一下德国，毕竟德国才是当今世界的工业水平的体现，提到德国，人们对他的映像绝不至于是二战时间的那个强大的国家，还有那句耳熟的精美的德国工艺。作为世界上拥有最先进的工业技术的国家，他们在其中的投资水平是空前的，这不仅仅是因为他们在过去的积累，而且还有着他们对于现代的发展情况。德国以大学为单位，进行着相关技术的研究，甚至每年出重金来举办相关的竞赛，就是为了保证每年的技术有所更新。一直相同的，美国由国家签约的实验室，早早地在1996年便成立了相关条款，并且在国内开设了一个合作的站点，供全美国的设计师们共同讨论相关的内容知识。（2）国内国内的并联机床研究虽然也发展的早，但由于技术上存在着断层，导致国内的并联机床水平严重落后于国外的水平，并且因为美国等国对中国的打压，导致中国在向外学习的过程中存在着很大的阻力，甚至于有的技术他国宁愿向其他发达国家公开学习也不愿意向中国售卖相关信息，对中国进行了科技封锁。尽管如此，中国还是在艰难中缓慢度过，不断通过国家优势，慢慢地发展着相关科技，在2000年，中国人就靠自己的努力，制造出了madeinchina的第一台数控并联机床样机，这台由当时全中国的精英们所共同设计的机床，向中国交上了一份较为满意的答卷。只可惜，在后续的发展过程中，由于相关技术被外国人卡脖子，并且国内形式的改革，实体经济严重内卷收缩，导致了实体经济发展的不景气，还有部分贪污的情况，就如沈阳机床厂，导致中国的并联机床发展技术远远不如国外技术，就当前情况来说，中国在相关技术方面，仅仅是赶上了二十年前的日本，更别提其他发展更迅速的国家。可以说这是一种时代的悲哀，就看将来的中国能不能慢慢弥补上这个巨大的漏洞。希望我国内能够赶上这些差距，弥补老一辈精英前辈们所留下的遗憾。图1.3国内第一台并联机床加工叶轮1.2.4现代发展趋势经过了几十年的研究，相关技术早已成熟了许多，但对于并联机床来说，这些进步并不代表着它完全成熟，在许多相关的知识方面还有很大的欠缺，等待着我们去完整它。冗余度：由于并联机器人是一个多项技术的结合体，它的结构不复杂，但它的内部属性却层层紧扣，因此导致了它的冗余度十分的不稳定，为了降低这个数据，保证机器的完美运行，人们在设计并联机器人的过程中需要一个更为合理的方案。奇异位形：并联机器人特殊就特殊在它的运动空间范围，和传统的机构相比，它可以做到在立体空间内的移动和变化，但立体化的空间，其位置的不确定性就需要我们通过计算机对其位移的详细分析，通过系统调整来达到最完美的运动位置，以此来减少对机器的损坏。力学：运动过程中必定有各种力的产生，有的力相对于并联机床能够起到帮助的作用，但有的力产生却会影响甚至破坏机床自身，分析并联机床的受力情况，判断部件的受力情况，通过力的分析来更改方案或材料。模块部分：并联机器人除了本身的高档之外，其重中之重在于数据模块，也就是计算机部分。计算机才是它的心脏，数据处理完全由机器人来完成，只需要输入相关数据，它就能完成传统机床所不能完成的任务，可以说它的设计比机床本身更值得去探究，主板的设计是设计的关键之一。自由度：随着轴的数量增加，对于并联机器人的自由度也有了很大的影响。结构越复杂，机器的故障率也就越高，因此为了达到科技化，使用更少自由度的机器来完成更高难度的东西，相关研究有待发展和进步。运动学优化：不管是正运动学还是逆运动学，在机器人部分都有很多的利用，对运动学的优化有助于并联机器人的使用。1.2.5分类根据以下几点，我们大致可以对并联机床进行以下几种类型的分类，用于辨别并联机床：（1）按自由度来分：自由度是区分并联机器人类型的最简单方法之一。一般来说，驱动杆有几个，自由度就是几。自由度用F来代替，当自由度等于几的时候F就等于几。例如本次设计就是3-并联机器人。当自由度大于六的时候，我们一般称这种并联机构存在冗余，该类机构统称为冗余机器人。与之概念相反的当自由度和杆的数目不匹配且小于杆数目是后我们称它为欠秩机器人。（2）按长度来分：一般情况下，多是由可伸缩的杆件来负责支撑两平台，且通过改变杆的长度来完成平台之间的空间，以此满足加工条件。这种类型的称为Hexapod型。另外一种就是将驱动杆部分固定加工，通过平台的移动，来达到加工的方法，铰链主要是与平台相连，中间有一根供平台进行移动的固定杆件，以此来达到目的。这种型的我们称为Hexaglide型。（3）按输入信号来分：一般分为两类驱动输入方式，一种是线性驱动输入，另外一种则是旋转驱动输入。线性驱动输入较为常见，我们平时设计制造的也多为该类型。这种类型的机器人运动方式较为简单，对其进行运动学分析的话考虑因素较少，它的逆运动剖析用计算机辅助的话比较容易得出数据。另外一种类型的并联机器人，它和线性驱动机器人相比，所占用的空间更少了，能承受更大的受力它的结构复杂了，但它结构相较于线性的更复杂了，对于其运动学的分析将会变得不稳定，逆运动分析的时候将也会变难上许多且复杂，不利于批量工作化。

二并联机构系统的设计2.1总体设计2.1.1机构原理并联机床的主要目的是能够让机床对工件进行空间三维加工，对一些比较复杂的零件加工。它主要是由伸缩杆，动平台和静平台组成。其中伸缩杆包括了伺服电机，滚轴丝杠以及轴承等，而动平台也包含了主轴电机。并联机床的运动原理是：伺服电机驱动同步带轮，同时同步带轮带动伸缩杆上的滚轴丝杠运动，然后驱动连接杆做直线运动，同时与连接杆相连的万向铰链也随之运动，万向铰链带动动平台在三维空间对被加工零件进行加工。下面是设计并联机床的思路。（1）了解并联机床的运动原理及其结构，以三自由度并联机床为研究对象，主要部分由动平台和电机，滚轴丝杠以及滑块和导轨组成（2）确定并联机床的运动简图（3）利用UG、CAD、SW进行画图（4）了解并联机床用的零件各自有什么功能，需要使用到哪些部件，通过设计来选择。并联机床的运动分为三部分：（1）电机驱动带轮，然后带轮带动滚轴丝杆运动，使得伸缩杆以直线运动。（2）固定伸缩杆的虎克铰的运动。（3）与动平台相连的虎克铰的运动。通过以上三部分的运动，机床能够实现空间的三维加工。图2.1是3-TPT机床的传动原理。图2.1是3-TPT机床的传动原理2.1.2整体构思该并联机床由滚轴丝杠，驱动电机，动平台和导轨与滑块以及基座组成。该三自由度并联机床能在一定的空间范围内实现三维运动。当开启电机时，电机驱动滚轴丝杠转动，使得下面的滑块在导轨上移动，带动与其连接的连杆运动。这样与连杆另一端相连的动平台就可以在空间内实现三维运动。整体方案的设计，同时初步选择系统元件。目前并联机床的设计很多是基于少自由度的设计，本论文所涉及的并联机床是小型3轴并联数控系统设计，为3-TPT型（T-虎克铰，P移动副）。它是利用3根伸缩杆伸缩以及虎克铰的作用，从而带动电主轴进行三维加工。下面是对并联机床的主要部分进行设计(a）驱动电机的确定；(b)伸缩杆的确定；(c)动平台和静平台的确定。并联机床的运动方式：由伺服电机驱动，滚轴丝杠传动，电主轴带动刀具加工。2.2主要部件设计2.2.1滚珠丝杠的选型使用条件→确定导程→载荷及转速计算→预期额定载动载荷→尺寸选择→选型→杆副螺母选择→轴承型号→压缩载荷Fc的校验→极限转速nc使用条件工件与工作台重量：W=25kg。工作范围设定为200mm，滚轴丝杠应该大于200mm，暂时设定为300mm。最大行程：L=0.2m最大进给速度：v=0.25m/s加速时间常数：t=0.25s定位精度：0.1/200mm希望寿命：20000h表2.1希望寿命选择表机械类型Lh(小时备注普通机械5000~10000L普通机床10000~20000数控机床20000精密机床20000测示机床15000航空机械1000直线运动导程摩擦系数：u=0.3安全系数：S=2电机部分：最大转速n=5000r/min,额定转速为N=3500r/min①设定螺距L=v×60n②确定导程：Pb=VmaxNmax×2③计算基本动态额定负载不同运动状态的轴向负载加速时：加速度a==0.8(2.3)轴向负载（）==120N(2.4)恒速时：轴向负载（）==90N(2.5)减速时：轴向负载（）=W=-60N(2.6)工件运动一个周期的加速时间与减速时间相同，均为0.5s，恒速运动时间为0.75s,工作过程中停止的时间是2s，则丝杠的轴向平均负载为==60N(2.7)电机的平均转速为2142r/min(2.8)净运行寿命的时间：=20000（）=14000h(2.9)将运行系数=1.2带入下面的公式中，可得预期额定载荷C==6.4KN(2.10)④尺寸设计总长L=行程+余程+轴承连接固定部分长度=360mm，作用长度为300mm。直径第一部分为与带轮连接部分，为12mm，中线部分为轴承公称直径15mm，最大部分为丝杆外径20毫米。 ⑤选型根据额定载荷C，丝杠额定动载荷Ca应≥C根据螺距和C，根据表2.2，选择FF2005-3型号滚珠丝杆，选择螺距为5mm，丝杆外径为20mm。表2.2滚珠丝杠规格表规格代号公称直径d公称导程P丝杠外径d钢球直径D丝杠直径d循环总圈数n基本额定载荷刚度KcN动载荷CaK静载荷C0wKFF1204-312411.32.3819.5346.7208FF1604-316415.32.38113.534.89.7221FF1605-316515.53.512.937.613.2200FF2004LH-320419.32.38117.535.312.1259FF2004-320419.1316.937.315.4259FF2005-320519.53.516.939.118.3268FF2504-325424.1321.938.320.2327FF2505-325524.53.521.9310.223.6328⑥杆副螺母选择已经选型了丝杠型号，在对应的型号情况下选择与之相对应的螺母，并确定相关的安装尺寸，以便进行连接。表2.3螺母安装连接尺寸表规格代号DDLDBDDDhDMDLFF1204-3222210448324.88.54.532M2.51535FF1604-32828105210385.810632M62037FF1605-32828105210385.810632M62242FF2004LH-33636106211485.810640M62538FF2004-33636106211485.810640M62538FF2005-33636106211485.810640M62543FF2504-34040106611535.810646M63038FF2505-34040106611535.810646M63043⑦轴承选择由于是轴的旋转是高速运动，且对精度有很高的要求，轴承的选择最好是选用了脚接触球轴承，成对背靠背安装。这样安装能够让承受的载荷和力矩最大化。轴承型号选用公称直径为15mm的7002AC型⑧校验：压缩载荷校验为了保证压杆的稳定性，我们需要对其Fc进行校验。Fc=K1计算得Fc=128N，与最大时的F=120N相比大于，故满足要求。极限转速验算为了避免发生共振现象，我们要对丝杆的转速进行验算。DPW×nmax左=100000=右，满足要求。2.2.2电机的设计本次设计的机床是通过伺服电机带动同步带轮转动，从而控制丝杠的转动，来达到机床三维加工的目的，其中三个轴分别使用的电机型号都相同，我设计其中一个电机即可。电机设计流程如下：最大负载计算→确定转速→负载转矩计算→转动惯量计算→电机转矩计算→确定电机型号（1）主要参数伸缩杆上升的速度：V=0.7m/min动平台的质量：25kg(估计值，实际值应小于参数)丝杠长度：L丝杠直径：D=20mm=0.02m丝杠导程：P=10mm=0.01m摩擦系数：u=0.3移动距离：l=200mm=0.2m机械效率：=09~0.95移动时间：8s（2）加速时间的确定设机床的精度为0.5mm,我们把这个精度理解成当机床接受到停止命令时，丝杠以现在的速度减速前行直到停止，这段路程应该小于0.5mm，而这段时间就是加速（减速）时间，也可以理解成机床的响应时间。（3）电机转速Nm=VP=0.70.01=70r/（4）负载转矩TL=（5）转动惯量将动平台简化成一圆形平板，直径50mm，其转动惯量为Mx=My伸缩杆质量为20Kg（估计值，包括电机）。将其简化成圆柱形结构，外径为70mm，转动惯量为：所以，负载惯量为J=J深+(6)电机转矩启动转矩：(2.17)必须转矩：S是安全系数，一般选S为2，(2.18)(7)电机的选择初选型号为SGMPH-08A。图2.2型号代表意义图因此它的惯量2.10所以（0.94+33.492.1）=1.93Nm(2.19)该电机保持扭矩为2.39Nm,当转速为80r/min时，它的实际输出扭矩约为1.93N.m,因此符合我们的要求。图2.3该类型电机转速与转矩的变化图(8)带轮的选择根据以上信息我们来选择与之相连的同步带型号。由于本次设计是希望电机与轴杆转速相同，类似于一个联轴器的作用设计情况，对此我们选择使用同步带轮，保证传动效率损失尽量减少。根据轴的长度，考虑使用XL型齿形带轮。类型：AF型图2.4AF型同步带轮与同步带相连的轴的直径为12mm，选择28XL037AF号XL同步带轮。图2.5带轮型号含义2.3其余部件设计2.3.1伸缩杆的设计并联机床的主要内容之一，它决定了我的机构的空间范围，它的结构大多是由多个杆件组合而成，两边通过铰结构与平台相连接。而我本次的设计就是通过杆与杆之间通过已经计算校验之后的丝杆来连接，然后通过改变他们之间的长度来达到改变运动范围，运动位置的作用，这种组合件就是伸缩杆。并联机床之所以有这么高的性能，主要就在于它身上的那几个万能的手臂，它们就如同哪吒的三头六臂，它控制着动平台的运用，负责整个工件加工。伸缩杆的设计直接影响到了并联机床的使用性能。伸缩杆是并联机床最主要的部分。设计的并联机床的伸缩杆示图如图2.5所示。1-滚轴丝杠2-管件3-轴承座4-同步带5-伸缩管件图2.5伸缩杆结构简图1号杆是丝杆，也是最重要的执行件，它负责2号杆和5号杆的相对运动。当电机工作时，通过带轮带动其旋转运动，它又与5号杆之间发生相反方向的运动，使得5号杆伸长或者缩短，已达到目的。对其制造选型过程有详细的制作流程，该部件的设计内容在2.2.1部分有详细的设计过程。2号管件是组成三部分之一，主要是与底座用螺栓相连接。由于尺寸长度需要大于丝杆长度，故在丝杆长度的基础上加长50mm，其长度尺寸L为350mm，5号杆是执行杆，它与动平台结合在一起。当电机转动时，丝杆与它之间有螺母相连接，它与丝杆旋转方向相反，伸缩速度由伺服电机提供的转速相同。连接的另一端是万向铰，通过它的连接为动平台的移动提供作用。中心空心部分L1=丝杆长度D1=丝杆直径。总长=2号杆长度+旋转零件长度≈370mm。以上部分，就是整个伸缩杆的设计。2.3.2静平台静平台的设计原则是根据并联机床的工作空间来设定，预设工作范围为200mm，根据轴的数量，设计为类似于等边三角形的立方体形状。初步设定其长边长为800mm，短边长为100mm，厚度为15mm。图2.6静平台二维图上面预留孔是为了安装支撑用底座和固定框架。2.3.3动平台动平台是主轴电机和刀具的安装平台，是并联机床的重要工作部件。动平台的体积和质量应尽量小，否则机床整体重量加大，严重影响连接轴的负担。因此采用的结构是空心的类似于等边三角形的结构。将电主轴位置放置于动平台中心，这样做不仅能够腾出更多的使用空间，在惯性力方面还能大大的降低，在平台的三边，是与连接杆所组成的万向铰链结构。动平台采用钢板，它的长边长为265mm，短边长为30mm，板厚为40mm。其上的万向铰链结构比较简单，制作容易，摩擦小，摆动范围比较大，避免了干涉的出现。图2.7动平台装配图2.3.4万向铰的设计此处设计类型为虎克铰，因为虎克铰的自由度较高，比较实用于本次设计内容所需的机构。它是由一个支杆与空心基座，两边由轴承与基座相连接。虎克铰与伸缩杆连接部分直径D=杆5直径，总高度设为95mm，用六角螺钉固定于动平台的三个斜角。万向铰链的运动范围很大程度上的能够决定并联机床的空间范围。因此，对铰链的设计范围应足够的大。为了确定万向铰的设计是否可靠，可进行模态分析校验。下部分框架是连接静平台和伸缩杆的另一种形式的万向铰。虽然它只是由两个框架零件组成，但恰恰是这两个小小的框架组成了一个虎克铰。通过这两个虎克铰完成了平台另外一边的连接。上框架可以360°的旋转，但与伸缩杆连接之后会限制其运动范围，但能保证上下转动，杆件能够进行左右摆动，实现了万向的功能。框架采用HT200的材料。2.3.5主轴的设计为了满足并联机床的高效性，此处的主轴可采用电主轴。它的结构独特，直接将电机设计与夹载刀具的主轴融为一体，这样的设计缺少了许多传动装置，大大的减少了能量传递过程中的消耗。提高了主轴的效率。且其结构简单，缺少皮带这些装置，降低了人工维护的成本。没有了齿轮机构，其产生的噪声会小许多，不会因为齿轮间的运动产生的摩擦振动而影响到并联机床整体的性能。最主要的，电主轴的特点是运用了交流变频技术，这一技术能够很好的满足主轴换刀之后工作环境改变的数值，负载的改变也不会产生特别大的影响机床的运行。而其原理就是能够在某个转速改变时做到无级变速。由于电主轴将多个内容整合到一块，这也说明了其技术的重要性，一个机床假如用了电主轴，那么这个电主轴的质量基本决定了这个机床工作效率和生产的工件质量、工艺的水平。其强大之处注定了它将取代以往的机床主轴。面对复杂工艺的加工，普通机床所不能升任的，并联机床都能够轻松搞定，主要原因就在于这跟强大的主轴。作为电机控冷等技术的结合体，它也是当前行业水平的一个衡量浮标。成为关键的部位之一。由于它结构的特殊性，本次设计我将直接选择成品，避免设计过程中存在的误差。选择车削用主轴电机。如图所示。它的型号为160CD08，它的半径为160mm，转速为8000r/min，它的轴承号2-7207C/P。2.3.6控制系统设计控制系统作为并联机床的核心，其重要程度不亚于其他几项设计，并且技术上会有很大的限制条件。出于对当前控制系统种类的考虑，我将会选择其中一种控制系统来作为本次设计的设计内容。在众多的控制系统之中，有一种控制系统较为简便，它就是PLC系统。它涉及到的编程问题相对于其他编程简单些，其相关知识在我们大学四年学习的过程中都有所学习接触过。通过了解我们还知道，外部因素的变化对于系统本身没有太大的影响，更为稳定。算法方面，它的算法更优于系统的读取，在信号识别方面更为优秀。本次的PLC系统主要是控制伸缩杆的形态，对于速度和角度有比较细的掌控，我将才用CP1H欧姆龙控制系统，这款控制系统比较大众，在性能方面也有很好的表现。设计内容传感器的最大行程为200mm，精确度小于0.01mm。控制原理图如图2.8所示。图2.8控制原理图三建模与仿真3.1UG简介UG，英文全程是UnigraphicsNX，它是由美国著名公司SiemensPLMSoftware所开发的一款实体和造型的辅助型软件。它所涉及的包含但不限于机械、医疗器械、航空器材、电气等领域，是一款功能强大且实用的设计软件。该软件的开发机缘，来自于制造业的发展。由于国家的发展离不开实体制造，但由于新兴技术的不断开发，许多设计制造不仅仅局限于数字和文字，而需要将该设计的外形和实际性能，为达到这一目的，三维实体仿真成了重要过程。计算机的CAD/CAM技术也成了设计开发的一项重要过程之一。但随着时代的进步，时间、成本和利润成了设计行业的重要标准，判断一款产品的设计是否值得，这三项指标缺一不可。为了达到目的，验证多种设计方案是否合理，将产品实体化才能用更少的时间去判断产品的合理性。UG不仅是让使用者能够轻松找到最合理的方案之外，还能够通过电脑计算判断完成该方案大概需要多久才能完成任务，极大地节约了时间，减少成本。方便人们能用更多的时间去与优化和解决产品中存在的问题和不足。通过这些优点，使得NX在设计制造软件方面一直有一席之地，为了帮助人们更好的将概念转化为实际产品，它成为了在设计过程中不可缺少的工具，成为了设计师们得力的助手。3.2UG主要功能（1）用户界面UGNX的界面一般是两种，除设置经典款之外，还可以使用晋级款。在辨识度上和自动化上它的界面设计都是简洁化的。而且每次更新公司都在对用户界面去更新，只为了用户更好的体验。进入软件之后的左边导航器囊括了所有的操作命令，除了绘制装配这些基本命令，还有使用历史和重用库等作用框。假如说操作命令错误的时候，可以通过删除左边导航器中所记录的命令就可以做到更正的作用。而在装配过程中，由于装配任务可能会很繁重，涉及到的零件间的约束关系会很复杂，如果仅仅是通过删除实体图上的约束关系，很可能出现误删或漏删。并且无法检查装配图的约束情况时候有缺少的部分。但装配导航器就能很好的解决这个问题，既方便检查，也方便更改，非常的实用。(2)草图设计草图是一个零件的必须品，也是工程师能否读懂零件的设计尺寸的关键，通过草图我们可以分析一个零件是否可以制作。在UG的新建菜单中，有一个独立部分，叫图纸。刚建立的时候有个过滤器，我们既可以新建一个工程图，也可以将模型导成草图，通过草图来分析模型的尺寸。在进入编辑空间之后，左上方的工具条有着所有我们需要使用到的日常操作命令了，比如画线，测量尺寸，分析等。(3)建模UG除了草图部分之外，它真正实用的核心是建模，UG的建模功能可以说是十分强大的。除了基本形状的建模之外，它强大的地方在于曲面和特殊零件的建模。比如说齿轮和弹簧的建模。使用proe绘制齿轮的话，你需要程序输入来进行设计，设计弹簧的话需要曲面扫描命令，但UG可以输入齿轮的数据就可以完成相关建模任务，可以说是相当便捷。曲面建模，在建立某些曲型零件时，可以通过扫描命令来完成曲线型的加工建模。当我开始建模的时候，建立的模型会处于黄色高亮状态，当对模型进行剪辑的时候，移除部分颜色会呈灰色，并且图形处于透明状，方便观察图形修改后的形状变化。在完成建模之后图形颜色可以选择继续保持橙色或者变为银色，也可更改颜色，全看个人喜爱。(4)新特征对于模型的简单修改，不需要额外的进行设计命令，而通过特征创建里面的选项就能轻松完成。在特征命令里，不仅有导角等命令，还有阵列、打孔、拔模等命令。尤其是打孔，对于设计师来说，专门添加打孔命令会显得繁琐，而打孔命令，极大的减少了设计的任务，方便了设计师们进行穿孔，并且在数据库中有着众多标准孔供设计师选择。拔模则极大的方便设计师对薄壁零件的设计，该类薄壁零件的材质大多很脆，故拔模方便制作其薄壁。(5)大型装配UG的另一重要功能，就是其装配功能。光有零件可不行，只有将零件组装起来，才能使其所组成的机器完成我们预期所希望它所完成的任务，许多设计师也渐渐使用UG的装配功能。而每一年，UG的公司都会对装配模块进行优化，只为给用户提供最好的装配体验。并且在软件性能上有所提升，在高质量硬件的情况下能更快的完成装配任务，充分利用电脑硬件来进行装配任务，使得电脑装配从最初的适应几十个零件，到现在可以进行一台飞机几万个零件的装配量，可谓是史诗级提升。(6)仿真加工UG更实用的一点，除了建模装配之外，还有对零件的机床本身加工模拟。通过启动按钮中的模拟加工，可以通过设计参数，来完成一个零件的机床加工步骤。在完成加工模拟之后，还能导出相关的编程，可以适用于任何支持该类型命令的机床当中，可谓是从理论到实际，甚至到加工的全面完成。3.3设计建模开始我的建模任务。首先是滚珠丝杆，作为并联机床中涉及比较重要的零件，我们先绘制它的全长图形，之后将余程部分，连接部分进行修改，之后再添加螺纹。三维图形如图3.1所示。图3.1滚轴丝杆之后是同步带轮的建模，为将电机的转动完美的传递到连杆之上，通过同步带轮来完成传递。图3.2同步带轮之后再绘制其他零件，并完成伸缩杆的装配图。图3.3伸缩杆装配图伸缩杆作为主要部件之一，它决定了机床是否能控制平台的移动，在接收到命令之后能够很准确的三杆之间协调运动，以此来完成任务。实现三维空间的运动，进行加工。在完成伸缩杆之后，我们对静平台部分进行建模，在建立平台之后，并在固定铰链的地方增加两个小块以起到固定的作用。并在三个角添加三个垫块。如图2.4所示。图3.4静平台三维图与静平台相连接的是一个万向铰，该万向铰由两个框组成，一个框与静平台连接，另一个框与伸缩杆相连。图3.5方框万向铰图在机械的另一边，与动平台和伸缩杆相连的是另一种形式的虎克铰，它为动平台的旋转提供了相关功能。图3.6万向铰图之后是动平台的建模，将它与万向铰装配在一起，形成另一半的装配图。图3.7动平台装配图最后，将我们创建的所有建模三维装配在一起，完成我们最终的并联机床装配图，结果如图3.8所示：图3.8并联机床总装三维图通过图3.6，我们就不用通过较高的想象力来理解二维图实体建模之后的样子，可以明确的用眼睛就能去明白和了解并联机床的结构样式。3.4运动仿真3.4.1仿真插件在UG当中，还有一项功能十分实用，那便是模拟仿真。当我们将三维模型设计出来之后，为了验证设计品是否能完成初始设计要求，满足运动。我们会对其进行运动仿真。在分析完运动学部分之后，我们能够得出更全面的数据分析，并且可以将这些数据信息转化为曲线幅值图，更方便我们优化设计方案。在UG中完成建模和装配之后，UG左上角的启动按钮中就有着我们需要的运动仿真。点击之后进入系统会自动为伸缩杆添加运动，在新建仿真之后会正式进入运动学优化。在UG当中添加连杆之后，建立运动副关系，在添加算法之后，就可以通过动画了解部件的移动动画，通过添加XY图可以得到分析图表。3.4.2运动学优化(1)伸缩杆沿X轴方向的运动分析伸缩杆是并联机床的主要部分，其中涉及到电和机械构件较多，因此，分析它的运动学部分，并对其进行优化很重要。接下来是我开始对杆开始分析，设它的速度方程为：(0,6.28)s(3.1)设置材料为45号钢，因此它的质量为3.4Kg。伸缩范围为200mm。通过仿真后的连接杆的平均速度幅值。纵轴是速度值的变化过程，横轴表示的是时间变化。图3.9沿X轴方向的平均速度幅值以上曲线表示，在滚轴丝杠的带动下，伸缩杆件按照速度方程y=50sin(t)，在一个运动周期T=6.28s内，经历两次加速，两次减速运动。并在t=3.14s其运动组件的瞬时速度为零。通过分析曲线我们可以得到以下几个结论：结构对伺服电机的控制精度要求比较高，结构对滚珠丝杠的强度与传动精度要求也比较高。下面我们验证速度幅值图形的准确性，设定它的某一点时间。当t=1.6s时，v=50sin(1.6)=50mm/s(3.2)与图形相吻合。通过连接杆的速度方程，我们计算出了它的加速度方程。加速度为==50cos()(0,6.28)s(3.3)通过仿真我们得出了它的加速度幅值图形，如图4.4表示的是伸缩杆加速度随时间变化曲线。图3.10质心平均加速度幅值验算它的加速度幅值的正确性。我们给出它的某一点时间，设t=1.6s得出a=50cos1.6=0(3.4)图形所示的在t=1.6s时，a=0因此加速度运动图形是正确的。图形分析：当伺服电机启动，并达到一定的转速后，带动伸缩杆件做加速运动，加速度的值在半个周期里随时间先变小，在变大。图4.5显示的是伸缩杆件的驱动力幅值。连接件的质量为m=3.4Kg，加速度方程为a=50cost,t(0,6.28)(3.5)因此，驱动它的力为f=ma=3.450cost=170costN(3.6)图3.11驱动力的幅值取t=3.14s,得出f=170cos3.14=0.17N(3.7)与模拟仿真出的力的图形相一致。通过上述的模拟仿真出的连接杆的各运动图形，可以很清楚的显示连接杆在各个运动时间里的各参数大小。它与我们计算出来的结果想一致，因此，在很多复杂的环境下，我们可以直接运用Solidworks进行仿真运动，可以减少设计的时间。(2)同步带轮绕X轴的旋转运动分析同步带轮与电机相连接，当电机运转时，通过电机轴带动同步带轮转动。从而带动连接杆运动。设定同步带轮为运动部件，给出它的运动方程为：=360sin(t),t(0,6.28)(3.8)通过仿真得出它的角速度幅值，如图4.6所示，纵轴是角速度值的变化过程，横轴表示的是时间变化。图3.12同步带轮角速度幅值当t=3.14s时，得出=360deg/s通过比较我们得出计算的结果与图形结论相一致。对变化曲线的分析：在伺服电机的带动下，同步带轮按照角速度方程w=50sin(t)，在一个运动周期T=6.28s内，经历两次加速，两次减速运动。并在t=3.14s其正到半周期的那一瞬间多有的运动组件的瞬时速度为零。通过分析这个曲线我们可以得到以下几个结论：通过同步带轮的运动，我们可以得出伺服电机的输出变化，由此得出结构对伺服电机的控制精度要求比较高。通过计算我们得出v=r=13sin(t)(3.9)而运动仿真后的速度图形如图4.7所示。纵轴是速度值的变化过程，横轴表示的是时间变化。图3.13同步带轮的速度幅值由速度公式得v=r,则v=468mm/s因此，所计算后的数据与仿真后的运动图形上的数据大致上相同。通过计算我们得出角加速度方程为==360cos(t),(0,6.28)(3.10)通过运动仿真得出的带轮沿X轴方向的角加速图形如图4.8所示。纵轴是角加速度值的变化过