机械毕业设计395并联机床实验台总体结构设计.docx

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机械毕业设计395并联机床实验台总体结构设计

第1章绪论

1.1课题背景与意义

为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，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（ParallelMachineTool），又称虚（拟）轴机床（VirtualAxisMachineTool）或并联运动学机器（ParallelKinematicsMachine）。

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：

刚度重量比大：

因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅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。

响应速度快：

运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。

环境适应性强：

便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。

在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。

装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。

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。

目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。

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IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，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，并在国际互联网上设立站点。

近年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第47～49届CIRP年会、1998～1999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。

由美国国家科学基金会动议，1998年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，并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。

1994～1999年期间，在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。

我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。

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下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。

1.2并联机床发展历史及现状

并联运动机床及虚拟轴机床普遍采用Stewart平台及其变形机构,它是现代机器人技术和现代机床技术的完美结合。

并联机床使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本性的变革,抛弃了固定导轨的刀具导向方式,采用了多杆并联机构驱动,完全打破了传统机床结构的概念。

由于采用Stewart平台结构,大大提高了机床的刚度,实现了高速超高速的机床加工,促使加工速度和加工质量显著提高。

由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用。

可以说:

“虚拟轴数控机床被认为是20世纪最具有革命性的机床设计的突破,代表了21世纪机床发展的方向。

”

并联机床的研究方向：

（1） 并联机床组成原理的研究

研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。

（2） 并联机床运动空间的研究

包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解（如数值求解法、球坐标搜索法等）、机床干涉计算及位置分析等。

（3） 并联机床结构设计的研究

并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计（包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等）。

（4） 并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究

并联机构封闭回路的特性，使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题，相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。

关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究（及机床制造前精度设计和精度描述）和系统输出精度研究（及机床制造后输出数据处理和精度评价）。

并联机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。

灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。

（5） 并联机床误差研究

包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。

（6） 并联机床模块设计与创建

根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。

并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：

①执行模块；②机座模块（静平台模块）；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。

（7） 新型虚拟轴数控机床的研究

虚拟轴数控机床是“要用数学制造的机床”。

因为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。

目前对于Stewart平台的理论研究已取得一些关键结论，还需进一步研究Stewart平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的研制提供理论基础。

（8） 并联机床控制的研究

包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的直接控制、开放式数控系统等。

虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂，因此这方面的研究在并联机床的研究中具有举足轻重的作用。

目前，并联机床的发展趋势呈现如下两个特点：

（1）并联机床构型的多样性

构型的多样性是并联机床的显著特点之一，每一种构型都有其自身的优缺点，都有其各自适合的应用领域。

关于并联机构构型的研究一直是人们关注的热点，设计开发出多种适用于不同应用条件的并联机构也一直是机构学家们研究的一个重要内容。

近几年，众多学者提出了多种新机构构型，并对机构的类型和构建方法进行了系统的讨论。

目前，基于串并混联、内外副混合驱动或纯并联的少自由度机构的并联机床正逐渐受到人们的青睐，最有代表性的基于少自由度并联机构的并联机床是瑞典NeosRobotics公司开发研制的Tricept系列。

然而，由于并联机床出现不久，并没有专用的设计开发环境，目前开发一种新型并联机床的设计周期仍很长，因此迫切需要一个快速的设计开发平台以满足结构日趋多样的新型并联机床的设计开发需求。

（2）并联机床设计理论和应用技术研究不断深入

虽然已开发出一些并联机床商业化样机，且有产品投入实际应用，但由于设计理论和工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能力、作业性能等方面表现差强人意，与传统数控机床相比存在一定差距。

有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建模与分析、精度保证、控制技术等关键技术的研究一直在不断深入，并取得了一定的研究成果。

例如，Raghavan得出的Stewart平台运动学正解结论，Innocenti和Cheok等人提出的运动学数值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空间几何解析法，黄田和汪劲松等人提出的工作空间边界的变心球面族包络面求交法；基于各向同性条件（局部灵活度）、动平台姿态能力、总体灵活度指标的多种尺度综合方法；Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模及动态性能指标的构造的理论结果，以及熊有伦提出的动力学优化设计策略；用不同方法建立的驱动部件误差与终端误差之间的关系；多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。

总之，并联机床的各项关键技术国内外都取得了很多有价值的理论成果，在应用技术方面也取得很大进展。

有关并联机床设计和应用的理论成果和应用技术虽然很多，然而这些理论成果和技术覆盖了并联机床设计开发的多个环节，相对独立分散，很难有机地融合在一起，不能系统有效地应用到并联机床的设计开发中。

此外，由于并联机床结构的特点，其运动学设计、动力学优化、精度保证等设计环节均涉及非常复杂的非线性问题，很多设计环节间存在模型演化困难、数据难以集成等技术障碍。

因此，迫切需要一个集成化一体化的并联机床设计开发环境，以解决上述问题。

通过对当前并联机床的发展现状和趋势的分析，可以看出，集成化、一体化、数字化的并联机床快速开发平台能够大大缩短并联机床的设计开发周期、实现最新设计理论和应用技术的集成和应用、保证设计过程的一体化，从而推动并联机床在理论方面的研究进展和在实际应用方面走向产业化的进程。

但是迄今为止，国内外与此相关的研究很少，涉及到并联机床的集成化设计方法、虚拟原型设计环境、虚拟设计、运动学仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果：

1965年,D.Stewart首次提出了一种6条腿连接基础平台与动平台的六自由度并联机床,同时研究了其在飞行模拟器上的应用并展开了相应理论的研究,奠定了其在并联机构领域的鼻祖地位,并联机构也被称为Stewart机构。

典型的Stewart平台如图1所示,它由上下两个平台和6个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成,伸缩杆和平台之间通过球铰链连接,改变伸缩杆的长度可以实现上动平台在空间的多自由度运行。

在IMT94（1994年美国芝加哥国际机床博览会）上,美国Giddings&Lewis公司和Ingersoll铣床公司、瑞士Geodetis公司展出了Stewart数控机床样品,举世瞩目,如图2所示。

世界各国的研究机构和企业开始大量投入Stewart平台的研究与开发。

9月在美国成立Hexel公司,专业从事各种类型的Stewart机床机器功能部件研究、开发、生产与销售,该公司的部分产品。

随后,在政府和企业的支持下,美国成立了五个国家级基地（MIT、NIST、ORNL、SNL/NM、SNL/CA）专业从事Stewart机床的研究开发。

1995年5月EMO米兰展览会上,意大利Comau公司、日本日立精机展出了Stewart机器人。

1996年,SGI公司开发出UNIX平台Stewart机床设计造型三维CAD软件包。

同年10月,日本本田工机公司在丰田技术展览会上展出了日本第一台Stewart机床,用于铸锻模具的高速加工。

在EMO97（1997年汉诺威国际机床展览会）上展出了10余件Stewart机床样品,并首次进行金属工件铣削,Stewart机床又向商品化迈进了一步。

在此次展览会上,在概念上将传统机床与新兴的Stewart机床从结构上划分为串联机床与并联机床,这是人类对机床机构认识概念上的突破,Stewart机床专用功能部件,如球铰、虎克铰、导轨、滚珠丝杠、控制器等的专业研究开发生产迅速崛起。

CIMT97（第五届中国国际机床展览会）上,俄罗斯Lapik公司展出了TM-750型Stewart数控机床。

1997年12月,清华大学与天津大学合作开发

Stewart机床原型样机VAMT1Y。

1999年,在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上,国内的五轴数控机床产品纷纷亮相,国内五轴数控机床的市场逐渐打开,随后国际机床巨头纷至沓来,五轴数控机床的品种和数量逐年上升。

2000年,CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床。

2001年,在CIMT2001国际机床展览会上,北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速达10000r/min的五轴高速龙门加工中心;北京市机电院展出了主轴转速为15000r/min的五轴高速立式加工中心;清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63,采用标准Stewart平台结构,可实现六自由度联动;大连机床厂自行研制的串并联机床DCB-510,其数控系统由清华大学开发,该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动,由串联机构实现A、C轴旋转运动,从而实现五轴联动,其直线快速进给速度可达80m/min。

本届机床展最先进、最好的展品是北京机床研究所的两台纳米级机床和一台高精度数控机床。

其中的NAM-800超精度数控车床是我国纳米加工机床的最新成就,在世界上也是超一流的。

它应用于激光、航空航天、军工等最前沿的领域,主轴回转精度和反馈系统分辨率、控制系统分辨率分别达到了30纳米、215纳米和5纳米。

近年来,并联机床向着集成化、模块化方向发展,国内外出现了一系列的以并联机床为核心的小型化加工中心。

自从1965年Stewart提出著名的Stewart平台机构,从此开始了基于Stewart并联机构的虚拟机床研究。

但开始时人们还只是对这种机构停留在理论分析上。

目前,国内外关于并联机器人的研究主要集中在以下几个方面:

并联机床组成原理研究和结构设计,并联机床的工作空间和工位奇异性研究,并联机床特性（刚度、精度、柔度、灵巧度）的研究,并联机床动力与控制策略的研究等。

其中在一些方面已经取得了丰硕的成果,并成功应用于实践。

并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计（包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等）。

并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究。

并联机构封闭回路的特性，使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题，相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。

关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究（及机床制造前精度设计和精度描述）和系统输出精度研究（及机床制造后输出数据处理和精度评价）。

并联机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。

灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。

并联机床误差研究。

包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。

并联机床模块设计与创建。

根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。

并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：

①执行模块；②机座模块（静平台模块）；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。

新型虚拟轴数控机床的研究。

虚拟轴数控机床是“要用数学制造的机床”。

因为这种机床的设计与运行要用到非常复杂的数学计算与推理。

目前对于Stewart平台的理论研究已取得一些关键结论，还需进一步研究Stewart平台的综合分析，为虚拟轴数控机床的研制提供理论基础。

并联机床控制的研究。

包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的直接控制、开放式数控系统等。

虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂，因此这方面的研究在并联机床的研究中具有举足轻重的作用。

1.3本文主要研究内容

给定主轴功率1kw，加工范围半径为350的半球体，主轴倾角±25°

以上述参数，自行设计并联机床总体零部件及装配方案。

涉及到电主轴、刀具夹头、装卡夹具、立柱、底座、电源走向、安装定位等的选用及其设计。

动力学问题

 刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数整定的理论基础。

这类问题可归结为已知动平台的运动规律，求解铰内力和驱动力。

相应的建模方法可采用几乎所有可以利用的力学原理，如牛顿－尤拉法、拉格朗日方程、虚功原理、凯恩方程等。

由于极易由雅可比和海赛矩阵建立操作空间与关节空间速度和加速度的映射关系，并据此构造各运动构件的广义速度和广义惯性力，因此有理由认为，虚功（率）原理是首选的建模方法。

动态性能是影响并联机床加工效率和加工精度的重要指标。

并联机器人的动力性能评价完全可以沿用串联机器人的相应成果，即可用动态条件数、动态最小奇异值和动态可操作性椭球半轴长几何均值作为指标。

与机器人不同，金属切削机床动态特性的优劣主要是基于对结构抗振性和切削稳定性的考虑。

动态设计目标一般可归结为，提高整机单位重量的静刚度；通过质量和刚度合理匹配使得低阶主导模态的振动能量均衡；以及有效地降低刀具与工件间相对动柔度的最大负实部，以期改善抵抗切削颤振的能力。

由此可见，机器人与机床二者间动态性能评价指标是存在一定差异的。

事实上，前者没有计及对结构支撑子系统动态特性的影响，以及对工作性能的特殊要求；而后者未考虑运动部件惯性及刚度随位形变化的时变性和非线性。

因此，深入探讨并联机床这类机构与结构耦合的、具有非定长和非线性特征的复杂机械系统动力学建模和整机动态设计方法，将是一项极富挑战性的工作。

这项工作对于指导控制器参数整定，改善系统的动态品质也是极为重要的。

第2章重要零部件选型

2.1依照主轴功率确定电主轴型号

按课题要求主轴切削功率为1kw，以课题的三杆并联机床结构来看，周边立柱呈现120度圆周矩阵形式，主轴必然要在正中心，固定于三连杆下端的动平台上。

主轴功率1w，可知主轴所产生的外力偶矩m=9550P/n，主轴电机选型转速n=24000r/min，由此可推算出外力偶矩m=9550×1/24000=0.398N·m

经过多方查询，最终确定了电主轴型号：

为XCSD100Z24，详细参数见下表所示。

型号

电机

润滑

轴端

连接

尺寸（mm）

功率

（kw）

恒功

率段

电压

（V）

电流

（A）

转速

r/min

频率

（HZ）

S1/S6

D

L

D1

D2

D3

L1

L2

N-d1

d2XL3

XCSD100Z24

1/1.4

8000

20000

215

380

3.8

24000

133.3

333.3

油脂

UC10

100

260

65

/

/

32

71

/

M10

2.2选择主轴下部刀具夹头

电主轴已经确定为XCSD100Z24，就要考虑刀具的安装为题了。

从上表可以看出，其主轴电机输出端为UC10，查机械师设计手册后得知，UC10是一种可以周向旋转角度的关节轴承，用于调整位置度的连接轴承，这种轴承恰恰解决了题目中要求的主轴倾角达到±25°。

UC10关节轴承纵向剖视图

已知关节轴承型号，查手册——其装卡直径为10mm。

关键参数均为已知量，接下来就可以选择所需的刀具夹头——刀柄了。

并联实验台的结构确定了它扮演着一台数控立铣的角色，所以刀柄的选用范围也就确定下来，应为装卡直径10mm的数控铣夹头，查询后得出：

JT（BT）40-QH1-75

JT系列

d

D

L

勾板手规格

配用卡簧型号

JT（BT）40-QH1-75

3-10

36

75

38-42

QH1

2.3工件装卡夹具选用

装卡范围：

R=175的半球，径向长度是350，也就是说卡具夹持的最大值至少为350mm。

翻阅了卡具设计手册，对各种机床的卡具样式进行了对比，可用于此并联实验台的有：

车床的三抓卡盘（需作改动）、铣床的平口虎钳。

因为所需加工工件形状的不确定性，所以以车床的三爪卡盘比较适合，它能够解决工件夹装时的自定心问题。

只要在车床卡盘的基础上，取消卡盘随主轴的转动即可。

三爪卡盘资料分析：

型号规格

D

D1

D2

D3

D4

D5

H1

h

h1

h2

d1

z－d

K11500A/A111

500

196.869

165.1

125

280

235

135

19.056

16

10

29.4

6～M18

K11500A/A115

285.775

247.6

200

380

330.2

135

20.638

17

10

35.7

6～M22

夹持范围：

满足径向350mm

规格D

正爪

反爪

夹紧范围

撑紧范围

夹紧范围

A－A1

B－B1

C－C1

250

6～110

80～250

90～250

315

10～140

95～315

100～315

325

11.5～165

95～350

110～340

380

11.5～210

95～400

110～400

400

15～210

120～400

120～400

500

25～280

150～500

150～500

由上表可知，规格D500反爪加紧范围150~500，满足径向350mm，可定下卡盘规格为D500。

卡盘规格确定后，再查卡爪的尺寸

卡爪

卡爪参数表：

规格

160

200

250

315

325

380

400

500

L

67

80

95

108

130

132

B

25

30

36

45

H

41

45

53

61

70

82

h

9

10.5

13.5

17.5

17

22

a

12.675

19.025

19.025

b

7..94

12.7

12.7

e

19

22.2

27

31.5

38.1

t

3

6

t1

4

z～d

2～11

2～13

2～18

2～22

卡爪底座

卡爪底座参数表：

规格

160

200

250

315

325

380

400

500

L

64

80

98

110

114

152

L1

29

34.9

39.7

47.6

47.5

47.4

B

20

22

27

36

45

H

33

35

38

42

46

55

a

12.675

19.025

19.025

b

7..94

12.7

12.7

e

19

22.2

27

31.75

38.1

t

4

4.2

7

t1

3

z～d

2～M10

2～M12

3～M12

3～M16

4～M20

夹具加工时的注意要求：

用于并联机床实验台的三爪卡盘需作改动，免去了车床卡盘中盘体随主轴转动这一动作，所以，卡盘中轴部分予以取消。

卡盘与机架连接部分只需加工六个圆周阵列的M20的沉头通孔，用于与机架相连的螺钉贯穿卡盘，其固定作用。

卡爪依照尺寸表和零件图加工，爪体阶梯部位要求有突起，形成不规则表面，用于增大摩擦力，使之加紧时的加紧里更充足。

卡爪和卡座用螺钉配合，配合孔加工要以螺钉为标准，因为孔可以加工，而螺钉是标准件，难于对其在作改动。

卡盘内部锥齿轮部分不需作改动，由一个大锥齿轮，三个小锥齿轮，三个卡爪组成。

三个小锥齿轮和大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构，三个卡爪等分安装在平面螺纹上。

当用扳手扳动小锥齿轮时，大锥齿轮便转动，背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出。

第3章实验台支承部分及其连接的方案

3.1机架的设计方案

机架作为实验台的支承部分，是本次设计的一个重点。

机架设计的基本准则应保证：

刚