基于平动并联机构的机床的运动学分析与设计含5张CAD图
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附录外文文献TOOLS USING KINETOSTATIC PERFORMANCE1. INTRODUCTION 2. Most industrial machine tools have a serial kinematic architecture, which means that each axis has to carry the following one, including its actuators and joints. High Speed Machining highlights some drawbacks of such architectures: heavy moving parts require from the machine structure high stiffness to limit bending problems that lower the machine accuracy, and limit the dynamic performances of the feed axes. That is why PKMs attract more and more researchers and companies, because they are claimed to offer several advantages over their serial counterparts, like high structural rigidity and high dynamic capacities. Indeed, the parallel kinematic arrangement of the links provides higher stiffness and lower moving masses that reduce inertia effects. Thus, PKMs have better dynamic performances. However, the design of a parallel kinematic machine tool (PKMT) is a hard task that requires further research studies before wide industrial use can be expected.Many criteria need to be taken into account in the design of a PKMT. We pay special attention to the description of kinetostatic criteria that rely on the conditioning of the Jacobian matrix of the mechanism. The organisation of this paper is as follows: next section introduces general remarks about PKMs, then is explained why PKMs can be interesting alternative machine tool designs. Then are presented existing PKMTs. An application to the design of a small-scale machine tool prototype developed at IRCCyN is presented at the end of this paper.2. ABOUT PARAL KINEMATIC MACHINES2.1. General RemarksThe first industrial application of PKMs was the Gough platform (Figure 1), designed in 1957 to test tyres1. PKMs have then been used for many years in flightsimulators and robotic applications2 because of their low moving mass and high dynamic performances. Since the development of high speed machining, PKMTs have become interesting alternative machine tool designs3, 4.Figure 1. The Gough platformIn a PKM, the tool is connected to the base through several kinematic chains or legs that are mounted in parallel. The legs are generally made of either telescopic struts with fixed node points (Figure 2a), or fixed length struts with gliding node points (Figure 2b).Along with high-speed cuttings unceasing development, the traditional tandem type organization constructs the platform the structure rigidity and the traveling carriage high speed becomes the technological development gradually the bottleneck, but the parallel platform then becomes the best candidate object, but was opposite in the tandem engine bed, the parallel working platform had the following characteristic and the merit:中文翻译1介绍 多数工业机床有一个串行运动学架构,这意味着每个轴进行下列工作时,包括其执行机构和联接点高速加工突出了一些弊端,例如架构:较重的运动部件需要从机械结构高刚度,以限制弯曲问题,即降低机床精度,并限制动态表现的曲线。这就是为什么并联机床吸引了越来越多的研究人员和公司,因为它们据称提供了单独的优势,如高结构刚度和高动态的能力。事实上,并联安排的联系,可提供更高的刚度和较低的误差,减少惯性的影响。因此,并联机床有更好的动态性能。然而,设计一个并联机床是一个艰巨的任务,在进一步的研究之前,广泛地在工业用途中的调研,是必不可少的。许多标准要考虑到在设计一个并联机床。我们要特别注意描述并联机床标准依赖于现在的雅可比矩阵的机制。该组织的这份文件具体内容如下:未来介绍总论约并联机床,那就是解释了为什么并联机床是不可替代机床的设计。一个设计中的应用了一次小规模的机床样机研制irccyn。2关于并联机床2.1总论 第一次工业应用并联机床是TheGough平台(图1)设计于1957年,以测试tyres1。并联机床当时已使用多年,在飞行模拟器和机器人applications2因为他们的低移动质量和高动态表演。由于发展的高速切削加工,并联机床已成为有趣的替代机床。随着高速切削的不断发展,传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈,而并联式平台便成为最佳的候选对象,而相对于串联式机床来说,并联式工作平台具有如下特点和优点:(1)结构简单、价格低机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少,主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成,这些通用组件可由专门厂家生产,因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多,容易组装和搬运。(2)结构刚度高由于采用了封闭性的结构(closed-loopstructure)使其具有高刚性和高速化的优点,其结构负荷流线短,而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受,以材料力学的观点来说,在外力一定时,悬臂量的应力与变形都最大,两端插入(build-in)次之,再来是两端简支撑(simply-supported),其次是受压的二力结构,应力与变形都最小的是受张力的二力结构,故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。(3)加工速度高,惯性低如果结构所承受的力会改变方向,(介于张力与压力之间),两力构件将会是最节省材料的结构,而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动,因此机器很容易高速化,且拥有低惯性。(4)加工精度高由于其为多轴并联机构组成,六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用,因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象,甚至还有平均化效果(averagingeffect);其拥有热对称性结构设计,因此热变形较小;故它具有高精度的优点。(5)多功能灵活性强由于该机床机构简单控制方便,较容易根据加工对象而将其设计成专用机床,同时也可以将之开发成通用机床,用以实现铣削、镗削、磨削等加工,还可以配备必要的测量工具把它组成测量机,以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景,在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。(6)使用寿命长由于受力结构合理,运动部件磨损小,且没有导轨,不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。(7)Stewart平台适合于模块化生产对于不同的机器加工范围,只需改变连杆长度和接点位置,维护也容易,无须进行机件的再制和调整,只需将新的机构参数输入。(8)变换座标系方便由于没有实体座标系,机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成,非常方便。Stewart平台应用于机床与机器人时,可以降低静态误差(因为高刚性),以及动态误差(因为低惯量)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小,且其在工作空间上有着奇异点的限制,而串联工作平台,控制器遇到奇异点时,将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差,但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力,无法完成固定负载对象 基于平动并联机构的机床的运动学分析与设计摘 要随着信息技术的进步和全球化制造技术的进步,企业为了提高自身的竞争力,需要更高效的成本更低的加工设备,而传统的机床在未来的加工行业中将是H。克服高速加工(轨道速度可达50米/分钟)和空间曲面加工和机床通用性等困难将无法满足现代加工技术的要求。因此,探索和研究现代机床具有十分重要的意义。虚拟轴机床比传统的系列数控机床具有许多优点。传统数控机床的各种自由度串联、悬臂结构、级联嵌套LED传动链长、传动系统复杂、累积误差大、精度低、成本昂贵,目前大多数机床为4轴联动,很少5轴。虚拟轴机床的并联加工中心结构简单,传动链短,刚度大,质量轻,切削效率高,响应快,特别是六轴联动容易实现,因此可以加工成更复杂的三轴。弯曲曲面的加工精度和粗糙度直接由控制程序保证,因此,硬件成本低,且附加值高的软件,高附加值是一种机电一体化产品。针对目前机械加工的发展趋势,本文设计了一种并联机床试验台。并行部分分配给合作者,作者主要负责并联机床实验台的总体框架结构设计。该平台由三个并联的并联螺杆(驱动电机)、铸铁机架、加载卡平台、电主轴和弹簧铣夹头组成。关键词:并联机构;虚轴加工;雅可比矩阵;正解算法Kinematic Analysis and Design of Machine Tools Based on Parallel Translation StructureAbstractWith the progress of the information technology and the development of the global manufacturing techniques, enterprises require more efficient and lower cost machines by reason of enhancing their competitive ability. But conventional machine tools will encounter many difficulties which are hard to overcome in the future, for instance of high-speed machining ( path speed exceeding 50m/min)and high efficient space curved surfacing machining as well as flexibility of machines. Thus, it is very important to explore and study kind of modern machines.Be compared to the normal numerical control machine tool, it has larger rigidity, stronger carrying capacity, smaller error, higher precision, smaller ratio of self-weight and load, better dynamical capacity, less investment of hardware, but stronger function of software. All of these show its high additional technical valve.This research topic for the current trend of the processing machine, developed a design of a parallel machine test-bed task, which the Author co-design and a partner. Some of them parallel to the allocation of the partner, the author mainly responsible for the PMT test-bed framework of the overall structural design. Platform from roughly parallel bodies - three parallel screw (motor driven), cast iron rack, with card platform and Spindle and milling chucks of spring. Key words: parallel instruction, virtual axis processing, Jacobian Matrix, positive solution algorithmIII目录摘 要IAbstractII1. 绪 论11.1 课题背景与意义11.2 并联机床发展历史及现状21.3 本文主要研究内容82.重要零部件选型102.1依照主轴功率确定电主轴型号102.2选择主轴下部刀具夹头112.3工件装卡夹具选用122.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型162.4.1最大工作载荷的计算162.4.2最大动载荷的计算172.4.3规格型号的初选182.4.4刚度的验算182.4.5稳定性的校验202.4.6滚珠丝杠总长度的确定202.5滚动轴承的选用212.5.1基本额定载荷212.5.2滚动轴承的选择212.5.3轴承的校核222.5.4步进电机转轴上总转动惯量的计算232.5.5步进电机转轴上等效负载转矩的计算252.5.6步进电动机尺寸282.6联轴器的选用293. 机床数学模型建立313.1机床空间位置理论313.1.1位置逆解模型323.1.2灵活度分析333.2铸造机架的材料及热处理363.3机架的截面形状、壁厚及周边筋的布置363.4立柱与底座的连接方式393.5底座的造型404. 机床电路设计414.1电路布线方案414.2电路控制要求414.3电路控制连线原理415.实验结果与三维建模435.1设计并联机床结果435.2并联机床solidworks三维建模43总结与展望46参考文献47附录49致谢54 1. 绪 论1.1 课题背景与意义为了提高生产环境的适应性,满足快速多变的市场需求,全球机床制造业近年来积极探索和开发了新型多功能生产设备和系统。机床结构的突破性进展是在90年代中期问世的并行机床(parallel machine tool),也称为虚拟机。(准)轴机床(VirtualAxisMachineTool)或平行运动机(ParallelKinematicsMachine)。事实上,并联机床是机器人技术与机床结构技术相结合的产物。它的原型是一个并联机器人操作器。与传统的五轴数控机床相比,并联机床具有以下优点:刚度和重量比大:因为并行关闭或非静态固定杆系统被采用,在准静态条件下,传输组件是理论上只有两个力杆只受到的张力和压力负荷,因此,单位重量的传导机制有一个很高的承载力。快速响应:运动部件的惯性大幅降低,有效地提高了伺服控制器的动态质量,使移动平台获得了较高的进给速度和加速度,特别适合于各种高速数控操作。环境适应性:易于重组和模块化设计,可形成多种布局和自由度组合。可移动平台上的切削工具可用于多轴铣削、钻孔、磨削、抛光、磨削等特殊刀具。设备,如机械腕、高能束源或CCD相机,也可用于精密装配、特殊加工和测量。技术的高附加值:并联机床具有“硬件”和“软件”的特点,是一种具有较高技术附加值的机电一体化产品,有望获得较高的经济效益。目前,国际学术界和工程界都十分重视并行机床的研究与开发。在90年代中期,不同结构形式的产品原型陆续推出。1994年,在芝加哥国际机床博览会上,英格索勒的铣床公司Giddings&Lewis公司和美国的Hexal公司首次展出了被称为“六足虫”的数控机床和加工中心,这是第一次引起了震动。自那时起,英国的大地,俄罗斯Lapik挪威Multicraft、日本丰田、日立、三菱和其他公司,瑞士ETZH和IFW研究所,瑞典NeosRobotics,丹麦布伦瑞克公司,德国Rheinisch Westfaelische科技Hochschule亚琛大学汉诺威大学和斯图加特大学也开发了不同结构形式的数控铣床,激光加工和喷水机、坐标测量机,加工中心。在桑迪亚国家实验室和国家标准局的倡议下,1996年成立了六足用户协会,并在互联网上建立了一个网站。近年来,与并联机床和并联机器人操作机器相关的学术会议层出不穷,如:第四十七届 49届年会、1998年1999年的CIRA会议、ASME第二十五届两年一度的机构双年展,以及第十届TMM世界大会。1998年,美国国家科学基金会在意大利米兰举办了第一次关于平行运动学机器的国际研讨会,并决定于2000年在密歇根大学举行第二届会议。在19941999年期间,这款新型机床展已在所有大型国际机床博览会上展出,预计将成为21世纪高速光控加工的主要设备。在中国,平行机床的研究和开发已被纳入国家“95”计划和863高技术发展计划。相关的基础理论研究一直得到国家自然科学基金和国家攀登计划的支持。一些大学也加入了R &在教育部211工程的重点建设项目中,配备了平行机床,并得到了当地政府部门的支持,并吸引了机床骨干企业的参与。在中国国家自然科学基金的支持下,中国内地的研究骨干在中国内地举行。1.2 并联机床发展历史及现状 该平台及其变形机制广泛应用于并行运动机床和虚拟轴机床。它们是现代机器人技术和现代机床技术的完美结合。近两个世纪以来,基于笛卡尔坐标线性位移的机床的结构和运动学都发生了根本性的变化。它抛弃了固定导轨的工具导轨,采用了多杆并联机构,彻底打破了传统机床结构的概念。由于使用了Stewart平台结构,使机床的刚度大大提高,实现了高速、超高速机床的加工,大大提高了加工速度和加工质量。由于高刚度、高承载能力、高速度、高精度、轻重量、简单机械结构、高标准化、高模块化等优点,已成功应用于航天、武器、船舶、电子等精密加工领域。可以这样说:“虚拟轴数控机床被认为是二十世纪机器设计中最具革命性的突破,代表了21世纪机床发展的方向。”并联机床研究方向:(1)对并联机床组成原理的研究。研究了并联机床的自由度计算、运动副类型、支撑铰类型、运动学分析、建模和仿真。(2)并联机床运动空间研究。它包括运动空间分析和仿真、可达工作空间解决方案(如数值求解法、球面坐标搜索法等)、机床干涉计算和位置分析。(3)并联机床结构设计研究。并联机床的结构设计包括很多内容,如机床的总体布局、安全机制的设计和数控系统的设计(包括数控平台的建设、数控系统的编程,数控加工过程的仿真,等等)。(4)对并联机床的刚度、精度、灵活性和灵巧性进行研究。并联机构闭环的特点使得联合机器的刚度比传统的系列结构机床要高,但由于这种特性引起的耦合问题受到了动态分析的困扰,因此应该对其进行足够的重视。并联机床精度的研究仍然是一个国际问题,包括机床的硬件系统的研究(和之前的精密度和准确度机床制造)和系统的输出精度的研究(和输出数据处理和精度评价后,机床制造业)。对并联机床柔性的研究包括柔性分析、柔性评价指标及其在工作空间中的分布。灵巧度主要关注灵巧度指数及其分布。(5)并行机床误差研究。它包括误差分析、建模、误差精度保证和测量系统的设计。(6)并行机床模块的设计与创建。根据工件加工的空间类型和平面类型,将并联机床分为空间并联机床和平面并联机床两类。根据功能和结构,将并联机床分为以下功能模块:(1)执行模块;(2)模块模块(静态平台模块);(3)动态平台模块;(4)框架模块;(5)定位模块;(6)驱动模块;控制和显示模块;(7)研究一种新型的虚拟轴数控机床。虚拟轴数控机床是“由数学制造的机床”。由于这种机床的设计和操作需要非常复杂的数学计算和推理。目前,斯图尔特平台的理论研究已经得出了一些重要结论,需要对Stewart平台的综合分析进行进一步的研究,为虚拟轴数控机床的发展提供理论依据。(8)对并联机床的控制研究。它包括高速高精度控制算法、刀具路径直接控制、开放式数控系统等。虚拟轴机床的主要特点是机械结构简单,控制复杂。因此,该领域的研究在并行机床的研究中起着决定性的作用。目前,并联机床的发展趋势有以下两个特点:(1)并联机床配置的多样性。配置的多样性是并行机床的显著特点之一。每种配置都有其优缺点,每个配置都有自己的应用领域。对并联机构配置的研究一直是人们关注的焦点。设计和开发适合不同应用条件的各种并联机构,是机构科学家研究的重要组成部分。近年来,许多学者提出了各种新的制度配置,探讨了机制的类型和构建方法。目前,基于平行混合、内、外混合驱动或纯平行的自由机制的并联机床正变得越来越受欢迎。基于更少自由度并联机构的最具代表性的并联机床是由瑞典Neos机器人公司开发的Tricept系列。然而,随着并行机床的出现,没有特殊的设计和开发环境。目前,新型并联机床的设计周期还很长,迫切需要一个快速的设计和开发平台,以满足新型并联机床设计的要求。(2)并行机床设计理论与应用技术的研究正在深入。尽管一些商业并联机床的原型开发,和一些产品已投入实际应用,因为设计理论的研究和工程技术不够成熟,并联机床的操作能力和性能表现不佳,有一个缺口相比,传统的数控机床。对并联机构的运动学设计、并联机床的动力学建模与分析、精度保证、控制技术等关键技术进行了深入的研究,取得了一定的研究成果。例如,Stewart平台的运动学正解得到Raghavan,提出的运动学数值解Innocenti Cheok,Gosselin的几何分析方法,Merlet霁在工作区中几何,变量的信封交会法提出的工作空间边界球面黄田和王劲松et al。多尺度合成方法动态平台的态度能力和整体弹性指数;在动态建模和动态性能指标的构建过程中,Nguyen、Lee和Liu的理论成果,以及熊有伦提出的动态优化设计策略;不同方法所建立的驱动部件误差与终端误差的区别。关系,各种运动校准,以及提高机床加工精度的方法。总之,并行机床的关键技术已经在国内外取得了许多有价值的理论成果,在应用技术方面取得了长足的进步。尽管有许多理论和应用技术并联机床的设计和应用,这些理论成果和技术涵盖许多链接并联机床的设计和开发,相对独立、分散,不能有效地应用于设计和开发机器的床上。此外,由于并联机床结构的特点,其运动学设计、动态优化、精度保证等设计环节都涉及非常复杂的非线性问题。许多设计环节之间存在许多技术障碍,如复杂的模型演化和难以整合的数据。因此,迫切需要一个集成的、集成的并行机床设计环境来解决上述问题。通过分析当前现状和趋势的并联机床,可以看出集成,集成和并联机床数字化的快速开发平台可以大大缩短并联机床的设计和开发周期,实现集成和应用最新的设计理论和应用技术,并确保设计过程的集成。在实际应用中,促进了并联机床在理论和工业化过程中的研究进展。但目前国内外相关研究较少,涉及并行机床的集成设计方法、虚拟样机设计环境、虚拟设计、运动学仿真和加工仿真等。在1965年,D. Stewart首先提出了一个六自由度的并联机床,6条腿连接基本平台和移动平台。同时,对其在飞行模拟器上的应用进行了研究,并对相应的理论进行了研究,并在并联机构的领域中定位了其发起者的位置,并将并联机构称为Stewart机制。典型的Stewart平台,如图1所示,由两个上下平台和6个平行、独立和自由的膨胀杆组成,它们由伸缩杆和平台之间的球铰链连接。可改变伸缩杆的长度,实现上动平台在空间上的多自由度操作。在IMT94(1994年芝加哥国际机床展),Giddings &Lewis, Ingersoll铣床公司和瑞士Geodetis公司展示了Stewart CNC机床的样品,如图2所示。世界上的研究机构和企业开始大力投资于Stewart平台的研发。9月,公司在美国成立。公司主要从事各种类型的Stewart机床的研发、生产和销售,以及公司的一些产品。随后,在政府和企业的支持下,美国建立了5个国家级基地(M IT, N IST, ORNL, SNL /NM, SNL /CA),专门从事Stewart机床的研究和开发。1995年5月意大利米兰展、意大利科非公司和日本日立精密机床展出了Stewart机器人。1996年,SGI开发了UN IX平台Stewart machine tool design modeling 3D CAD软件包。同年10月,日本的本田工程公司在日本的丰田技术展览会上展出了第一款斯图尔特机床,用于高速加工铸造和锻模。在EMO97(1997汉诺威国际机床展)上展出了10多件Stewart机床的样品,金属工件是第一次铣削。斯图尔特的机床进入商业化阶段。在这次展览中,传统的机床和新的Stewart machine工具从概念上分为系列机床和并联机床,这是人机工具机制概念上的一个突破。开发和生产了Stewart机床的专用功能部件,如球铰、万向铰链、导轨、滚珠丝杠、控制器等。快速上升。C IMT97(第五届中国国际机床展),俄罗斯Lap IK公司展出TM - 750 Stewart CNC机床。1997年12月,清华大学与天津大学开展合作。Stewart原型机原型吸血鬼。1999年,在C IMT、CCMT等国内外机床展上,国内五轴数控机床产品相继出现。国内五轴数控机床市场逐步开放,国际机床巨头大量涌现,五轴数控机床的品种和数量逐年增加。2000年,CCMT2000分别推出3个国产5轴机床。2001年,在C IMT2001国际机床展览会,北京第一机床工厂和有限股份有限公司机床有限股份有限公司展出高速龙门五轴加工中心的主轴转速10000 R / min,和北京机电研究所展出五轴高速立式加工中心的主轴转速15000 R / min;以及清华大学和昆明机床的股份。XNZ63由有限公司开发,采用标准的Stewart平台结构实现六自由度联动;该系列并联机床DCB- 510由大连机床厂开发,由清华大学开发。数控系统由并联机构开发,实现了X、Y、Z轴的直线运动,A、C轴的旋转运动通过串联机构实现,实现了5个。线性快进的速度可以达到80米/分钟。本次机床展最先进、最优秀的展品是两台纳米机床和北京机床研究所高精度数控机床。其中,NAM - 800超精密数控车床是中国最新研制的纳米材料机床,在世界上也是一流的。它被用于激光、航天、军事和其他领域的前沿。主轴旋转精度、反馈系统分辨率和控制系统分辨率分别达到30纳米、215纳米和5纳米。近年来,并行机床一直在朝着一体化和模块化的方向发展。目前国内外已出现了一系列具有并联机床的微型化加工中心。由于Stewart在1965年提出了著名的Stewart平台,它开始了基于Stewart并联机构的虚拟机工具的研究。但一开始,人们只是停留在理论分析上。目前,国内外对并联机器人的研究主要集中在以下几个方面:研究并联机床的组成原理,结构设计,研究并联机床的工作空间和奇异性,研究并联机床的特点(刚度、精度、灵活性、敏捷),和研究力量和并联机床的控制策略。其中一些取得了丰硕成果,并已成功应用于实践。并联机床的结构设计包括很多内容,如机床的总体布局、安全机制的设计和数控系统的设计(包括数控平台的建设、数控系统的编程,数控加工过程的仿真,等等)。研究了并联机床的刚度、精度、灵活性和灵活性。并联机构闭环的特点使得联合机器的刚度比传统的系列结构机床要高,但由于这种特性引起的耦合问题受到了动态分析的困扰,因此应该对其进行足够的重视。并联机床精度的研究仍然是一个国际问题,包括机床的硬件系统的研究(和之前的精密度和准确度机床制造)和系统的输出精度的研究(和输出数据处理和精度评价后,机床制造业)。对并联机床柔性的研究包括柔性分析、柔性评价指标及其在工作空间中的分布。灵巧度主要关注灵巧度指数及其分布。并联机床误差研究。它包括误差分析、建模、误差精度保证和测量系统的设计。并行机床模块的设计与创建。根据工件加工的空间类型和平面类型,将并联机床分为空间并联机床和平面并联机床两类。根据功能和结构,将并联机床分为以下功能模块:(1)执行模块;(2)模块模块(静态平台模块);(3)动态平台模块;(4)框架模块;(5)定位模块;(6)驱动模块;控制和显示模块;一种新型虚拟轴数控机床的研究。虚拟轴数控机床是“由数学制造的机床”。由于这种机床的设计和操作需要非常复杂的数学计算和推理。目前,史都华平台的理论研究尚处于起步阶段。1.3 本文主要研究内容由于主轴功率1KW,加工半径为350的半球形阀体,主轴倾斜角为+ 25度。结合以上参数,设计了并联机床的整体零件和装配方案。它涉及电动主轴、刀具夹头、夹具、柱、底座、电源、安装和定位的选择和设计。动力学问题刚体动力学的逆问题是并联机床动态分析、机器动态设计和控制器参数优化的理论基础。这类问题可以简化为已知运动平台的运动规律,解决了铰链的内力和驱动力。相应的建模方法可以采用牛顿欧拉法、拉格朗日方程、虚功原理、Kaine方程等几乎所有可用的力学原理。通过雅可比矩阵和海族矩阵建立空间速度与关节空间加速度之间的映射关系,构造了各运动分量的广义速度和广义惯性力。因此,认为虚拟工作原理(rate)是建模方法的第一选择是合理的。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。该并联机器人的动态性能评价可用于跟踪该系列机器人的相应结果,即动态条件的数量、动态最小奇异值和动态可操作性椭球半轴的长几何平均值作为指标。与机器人不同,金属切削机床的动态特性主要是基于结构振动阻力和切削稳定性的考虑。动态设计目标通常可以归因于静态刚度的提高整机的单位重量,平衡的振动能量低阶主导模式的质量和刚度的合理匹配,并减少的最大负实部工具和工件之间的相对动态的灵活性,为了提高抵制削减喋喋不休的能力。可以看出,机器人与机床的动态性能评价指标存在一定的差异。事实上,前者并没有考虑到结构支持子系统的动态特性,以及对性能的特殊要求;后者没有考虑到运动部件的惯性和刚度变化的时间变异性和非线性。因此,研究具有非定长和非线性特性的复杂机械系统的动态建模和动态设计将是一项非常具有挑战性的任务,这与并联机床的结构相结合。该工作对于指导控制器参数的优化和提高系统的动态质量也非常重要。2.重要零部件选型2.1依照主轴功率确定电主轴型号根据本课题的要求,主轴的切削功率为1kW。根据三杆并联机床的结构,周围圆柱呈120度的圆形矩阵形式,主轴固定在正中心,固定在三个连杆下端的移动平台上。主轴功率1W是由主轴产生的外力耦合力矩m=9550P/n,主轴电机的选型转速为n=24000r/min,因此外部力耦合力矩m=9550 x 1/24000=0.398N。可以计算。经过多次查询,最终确定了电主轴类型:XCSD100Z24,详细参数见下表。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/S6D L D1 D2 D3L1L2N-d1d2XL3XCSD100Z241/1.48000200002153803.824000133.3333.3 油脂UC1010026065/3271/M102.2选择主轴下部刀具夹头电动主轴已确定为XCSD100Z24,必须考虑刀具的安装。从上表可以看出,主轴电机的输出端为UC10。在检查了机修工的设计手册后,发现UC10是一种具有周向角度的关节轴承,用于调整连接轴承的位置。这种轴承已经解决了主轴倾斜度为25度的问题。UC10关节轴承纵向剖视图关节轴承的类型已知,手册为10mm。关键参数是已知的数量,然后可以选择必要的工具查克柄。平行实验平台的结构决定了它在数控立式铣削中起着一定的作用,因此也决定了手柄的选择。它应该是直径为10mm的数控铣夹头。查询后,JT (BT) 40-QH1- 75。JT系列dDL勾板手规格配用卡簧型号JT(BT)40-QH1- 753-10367538-42QH12.3工件装卡夹具选用卡盘的大小为R=175半球,径向长度为350,也就是说,夹具的最大夹紧能力至少为350mm。对设计手册进行了翻转,并比较了各种机床的风格。它可用于平行测试表:车床的三爪卡盘(更换)和铣床的扁嘴虎钳。由于工件形状的不确定性,车床的三爪卡盘更合适,当工件夹紧时可以解决自定心问题。只要卡盘在车床的基础上,卡盘就从主轴上拆下。三爪卡盘的数据分析:型号规格DD1D2D3D4D5H1hh1h2d1zdK11500A/A111500196.869165.112528023513519.056161029.46M18K11500A/A115285.775247.6200380330.213520.638171035.76M22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AA1BB1CC125061108025090250315101409531510031532511.51659535011034038011.5210954001104004001521012040012040050025280150500150500由上表可知,规格D500反爪加紧范围150500,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160200250315325380400500L678095108130132B25303645H414553617082h910.513.517.51722a12.67519.02519.025b7.9412.712.7e1922.22731.538.1t36t14zd211213218222卡爪底座卡爪底座参数表:规格160200250315325380400500L648098110114152L12934.939.747.647.547.4B2022273645H333538424655a12.67519.02519.025b7.9412.712.7e1922.22731.7538.1t44.27t13zd2M102M123M123M164M20应注意对夹具的加工。在并联机床机床上使用的三爪卡盘需要更换,消除了车床卡盘上的阀瓣本体的移动,从而消除了卡盘的轴部。卡盘的连接部分和框架只需要6个环形阵列的M20锥孔,用来固定螺丝,穿过夹头。爪按大小表和零件图处理。爪身的台阶位置需要一个投影来形成一个不规则的表面,用来增加摩擦力,并使其在收紧时收紧。爪和支架与螺钉配合,孔应按照孔加工,因为孔可以加工,螺钉是标准件,所以很难修改。恰克的卡盘的内部部分不需要改变,包括一个大的伞齿轮,三个小锥齿轮和三爪爪。三个小伞齿轮与大伞齿轮啮合,大锥齿轮的背面有一个平面螺纹结构,三个夹爪在平面螺纹上均匀排列。当小锥齿轮用扳手缠绕时,大锥齿轮转动,后平面螺纹使三张嘴同时靠近中心或出口。2.4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。2.4.1最大工作载荷的计算根据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,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6。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: (29) 竖直方向最大工作载荷为: (210) 折算到滚珠丝杠上的最大工作载荷: (211) 图2-5 几何图2.4.2最大动载荷的计算选用滚珠丝杠副的直径时,必须保证在一定轴向载荷作用下,丝杠在回转100万转(106转)后,在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载,根据机电一体化系统设计课程设计指导书38页6,用以下公式计: (212) (213) (214) 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 丝杠转速 为最大切削力条件下的进给速度 丝杠导程 为使用寿命,对于数控机床取T=15000h 初选导程=5mm,由2.1.6最大切削力下的速度,代入公式可计算得: = = 2.4.3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 ;初选海特传动部件高速静音型滚珠丝杠,型号为SFS03205-3.8(pdf35页),其参数如表2-1所示:图2-6 滚珠丝杠螺母副外形尺寸表2-1 滚珠丝杠螺母副参数表该型号滚珠丝杠螺母副额定动载荷,满足额定动载荷的要求。2.4.4刚度的验算根据指导书3-28表,采用单推-单推的形式来安装滚珠丝杠副简图如图2-5所示6: 图2-7 滚珠丝杠副支承形式 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6,公式如下: (217) 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8,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=42mm,则初步计算螺杆螺纹长度: (218)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6: (219)式中: 滚珠直径,=3.175mm预紧力,取轴向预紧力为 滚珠总数量,(圈数3.8,列数1) Z单圈滚珠数,(为公称直径) 即, 圆整为120 代入公式得: 刚度的验算丝杠的总变形量 (220)显然,小于要求的重复定位精度0.05mm,满足设计要求。2.4.5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: (221) 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) (222) 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。2.4.6滚珠丝杠总长度的确定图2-8 滚珠丝杠尺寸图总长度:L=20+278+31.5+14+12.5=356mm2.5滚动轴承的选用2.5.1基本额定载荷 (223) 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;2.5.2滚动轴承的选择滚珠丝杆的公称直径为12mm,基本额定载荷=1168.46N,根据以上条件选择(角接触球轴承)。表2-2 轴承参数基本尺寸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25471211.27.0812000170000.0747005AC其它尺寸/mm安装尺寸/mma31.940.114.40.60.1530420.6图2-9 轴承外形尺寸 根据十字轴的直径可以选择60000型深沟球轴承,型号为626。表2-3 轴承参数基本尺寸mm基本额定载荷/KN极限转速/(r/min)质量/kg轴承代号dDB脂油70000型61962.801.0528000360000.0008626安装尺寸mm其他尺寸mm8.417.00.310.715.70.32.5.3轴承的校核(1)寿命校核 (224) 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 (225) 式中: 基本额定静载荷(N) 当量静载荷,由机械设计使用手册查表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指导书61页6,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。2.5.4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6: (226) 式中: 材料密度(kg/cm3),取; L 丝杠总长,L=356mm=35.6cm; 丝杠的公称直径,取=32mm=3.2cm; 代入公式计算得 : 控制系统采用步进电机单片机控制系统,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: (227) 、滑块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6: (228) 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: (229) 根据机电装备设计课本第2448,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.pdf第一页,初选步进电机为56BYG250E-SASSBL0601型号,其参数表如表2-2所示:表2-4步进电动机参数表显然,该步进电动机转动惯量为750,初步满足要求。2.5.5步进电机转轴上等效负载转矩的计算步进电机转轴所承受的负载转矩在不同工况下是不同的,通常考虑两种情况:一种是快速空载起(工作负载为0)时所需要的力矩,另一种是承受最大工作负载时所需要的力矩,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 (230) 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 (231) 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 (232) 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 (233) (234) 式中: 导轨的摩擦力(N) 滚珠丝杠导程(m) 传动链总效率,取 总传动比,=1 垂直方向工作载荷,=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。综合以上计算结果可得: (235) 、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 (236) 式中:的计算方法与前面完全一样,这里不再赘述。 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩(N.m) 由机电一体化系统设计课程设计指导书4-14式知6: (237) 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 (238)、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) (239) 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。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。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。2.5.6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2.6联轴器的选用联轴器是一种常用的机械传动装置,主要用来连接轴(或连接轴与其它回转零件),以传递运动和转矩。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。3. 机床数学模型建立3.1机床空间位置理论机架作为实验平台的支撑部分,是设计的重点。框架设计的基本原则应得到保证:刚度、强度和稳定性。在强度和刚度条件下,框架重量轻,成本低;抗震性能良好,强迫振动的振幅限制在允许范围内;噪音小;温度场分布合理,热变形对精度影响不大;结构合理,工艺合理;结构在铸造、焊接和机械加工中;为了便于安装调试,便于维修更换零件,轨道架需要合理的受力,良好的耐磨性,良好的形状,使其适合经济、美观、大方。根据上述框架设计的要求,首先确定框架的制造形式为铸造框架。设计了该框架的主要点,并对平行部分进行了估计。在平行机构的正常展开和旋转运动的情况下,可以确定框架的具体结构。由3-HSS结构组成的3-HSS结构,如图1所示(H为螺旋对,S为球面对),由一个底座、一个移动平台和三个垂直柱组成;每个分支包含三个平行的固定长度条,每个成员的两端都与一个球铰链(或胡克铰链)相连。为了使动平台移动只有沿着三个方向的笛卡尔坐标系统,每个分支保持平行的三棒结构,和等边三角形形成的铰链点移动平台,然后形成平行四边形框架结构的空间。该机床主要用于三轴高速铣削、镗削和磨削。它还可配备数控旋转工作台,用于多坐标的异形表面和刀具刃磨。以上总体设计方案具有以下优点:(1)工作区是圆筒形的,具有较大的编程空间和机床体积比,与工作台的任意横截面平行。(2)在快速PVT插值和在线运动学标定中,可以实现位置和速度正反解的显式和解析解。(3)具有负约束的三杆平行四边形框架结构不仅能有效地消除铰链,而且能大大提高动态平台抵抗切削扭矩的能力。(4)除基础和移动平台外,主要结构部件为三对称,可大大降低零件的设计和制造成本。3.1.1位置逆解模型位置逆解涉及已知的机床规模参数和移动平台参考点的位置,以扭转鞍座的位置。其目的是:首先,在已知凸轮模型后,对伺服控制的粗插补提供必要的输入,二是为基于柔性指标的尺度综合提供数学模型。由于采用平行四边形分支链使链中各杆的运动相等,可以将原机构简化为等效机构,如图2所示。固定参考值分别设置在工作台和移动平台上。系o-xyz和连体 参考系o-xyz,点o在系o-xyz下的位矢可表示为 (1)式中,bi=rb(cosisini0)T,ai=ra(cosisini0)T为点Bi和Ai在系o-xyz和o-xyz的位置矢量;ra、rb为动、静平台半径;i为点Bi和Ai在o-xyz和o-xyz下位置角,且有wi为支链i的单位矢量;L为支链杆长;qi为滑鞍i相对参考点Bi的位移;e3=(001)T。对式(1)两端取模方并整理得 (2)根据装配模式可解出 (3)且可确定wi=(r-bi+ai-qie3)/L。3.1.2灵活度分析灵巧度是评价并联机床运动精度的一个重要指标,它可以用移动平台的三维笛卡尔速度来表示马鞍移动速度的映射矩阵,即雅可比矩阵的条件数。条件数越小,机床的理论伺服精度越高,可以作为结构参数的设计标准。对式(1)关于时间求导,得到点o的速度为 (4)式中i为支链i的角速度矢量。对上式两端点积wi并写成矩阵形式有 (5)式(5)为雅可比矩阵。求解如下特征方程,求解如下特征方程 (6)即可解出J的条件数 (7)式中,i为JT
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