柔性杆自动推进装置设计
购买设计请充值后下载,资源目录下的文件所见即所得,都可以点开预览,资料完整,充值下载可得到资源目录里的所有文件。【注】:dwg后缀为CAD图纸,doc,docx为WORD文档,原稿无水印,可编辑。具体请见文件预览,有不明白之处,可咨询QQ:12401814
I 宁 XX 大学 毕 业 设 计 (论 文 ) 柔性杆自动推进装置设计 所 在 学 院 机电学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 II 摘 要 在机器人技术、计算机技术和自动化技术飞速发展的基础上,改造传统内窥镜推 进装置或设计新型内窥镜推进装置是医学中的热点问题,国内外研究机构在智能化内 窥镜技术方面的研究,主要集中在内窥镜介入机构学方面的探索等。基于单点光纤光 栅传感头的内窥镜形状感知系统是利用单点传感头沿着内窥镜工作钳道前进时在内窥 镜上等距离的一系列点处采集波长来进行形状感知的。这就要求设计一种介入传感器 的机械装置。传感器介入到内窥镜内的方式有两种:主动引导和外力介入。由于内窥 镜的钳道直径大小不超过 3 毫米,长度大约为 1000 毫米,所以光纤光栅传感头的介入 方式不宜用主动引导方式。 本文通过对柔性杆的研究,以及如何对柔性杆改进推进装置进行了研究,利用摩擦 轮作为传动部件来推进细径线状传感器的自动推进系统, 传感器被夹持在两摩擦轮凹 槽之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光 栅传感器。通过手柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,还可以灵活改变介入力大小。 关键词:柔性杆,推进装置,摩擦轮,挤压 III Abstract In robotics, computer technology and automation technology rapid development on the basis of the transformation of traditional endoscope propelling device, or design new endoscope propelling device is in the medicine hot issues, domestic and foreign research institutions in the intelligent endoscope technology research, mainly concentrated in the endoscope intervention mechanism of exploration. Based on the single point optical fiber grating sensing head of the endoscope shape sensing system is the use of a single point sensing head along the endoscope working channel in the endoscope forceps forward on a series of points equidistant from the collection wavelength to shape perception. This requires the design of a sensor in mechanical device. The sensor into the endoscope in two ways: active guidance and intervention of foreign powers. As the endoscope forceps channel diameter less than 3mm, length of about 1000 mm, so the optical fiber grating sensing head intervention should not use active guide way. Based on the study of flexible rod, as well as how to improve the flexible rod propulsion device was studied, using the friction wheel as a driving component to promote small diameter linear sensor automatic propulsion system, sensor is clamped between the two friction wheels between the recesses, rely on friction wheel and a sensor surface friction, friction and extrusion of intervention fiber Bragg grating sensor. Through the handle on the spring to adjust the gap between the two friction wheels, also can change intervention force. Key Words: Flexible rod, a propulsion device, a friction wheel, extrusion IV 目 录 摘 要 .I Abstract .II 目 录 .III 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 设计方案的选择与分析 .3 2.1 利用摩擦轮连续介入机构及工作原理 .3 2.1.1 连续介入结构工作原理 .3 2.1.2 推进装置设计 .4 2.2 间歇送进机构及其工作原理 .5 2.2.1 机构原理 .5 2.3 方案的选择 .6 2.4 主要参数设计 .6 2.5 课题任务 .6 第 3 章 系统设计 .7 3.1 连续介入机构的原理分析 .7 3.1.1 推进装置的设计 .7 3.2 机械手夹持力和位移分析 .8 3.2.1 机械手夹持力分析 .8 3.2.2 位移分析 .8 3.3 旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型 .9 第 4 章 装置零件设计及校核 .11 4.1 轴的结构设计 .11 4.1.1 轴的设计 .11 4.1.2 轴的结构设计 .12 4.1.3 轴的校核 .12 V 4.2 齿轮设计 .16 4.3 轴承的选择以及计算 .18 4.4 键连接的选择以及校核计算 .20 总结与展望 .21 参考文献 .23 致 谢 .24 附录:零件图与装配图 .25 1. 齿轮轴零件图 1.25 2. 齿轮轴零件图 2.25 3 齿轮轴零件图 3.25 4 传动图 .25 5 壳体 1.25 6 壳体 2.25 7 壳体 3.25 8 装配图 .25 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 随着新型传感技术、机械电子技术、生物医学工程、智能材料和计算机图形学等 相关学科的发展、融合,临床上新型智能医疗器械不断出现,有效地拓展了传统医疗 器械的功能和诊疗领域。结肠内窥镜是结肠疾病诊疗的重要医疗器械,由于工作环境 的复杂性和自身形状不可视等不足,传统内窥镜在介入过程中会发生镜体缠绕、非预 期结襻等情况,给病人带来痛苦和危险。基于迫切的I临床需求和良好的市场前景,用 智能传感器技术、自动化技术及可视化技术对传统内窥镜系统进行改进和创新研究已 经在世界范围内展开。其中,新型的内窥镜形状感知系统是该领域的一个研究热点。 现有内窥纤维镜是利用操作人员的外部推力介入到人体被检腔道中的, 是一种被动 方式, 带有一定柔性的装置在腔道组织上滑行时, 对腔道壁面产生压力, 有可能对人体 内部软组织造成擦伤和拉伤, 一旦这个压力超过一定的阈值, 还可造成组织破损(穿孔)。 同时人体腔道结构比较复杂, 以结肠为例, 存在多处弯道, 仅凭手感要把内窥纤维镜顺 利插入到深处并非易事, 据统计, 经过专业训练、 有经验的医务人员把纤维镜插到结 肠远端( 盲肠部 )的概率仅为 85 90%。鉴于这种情况 , 内窥镜检查和手术基本上在技 术水平较高的大医院中进行, 而且对操作医师要求很高。 经常需要多个医师配合, 一 般一例检查为 40 60 分钟。大大增加了难度和危险性。 在这种情况下,人们对如何改进推进装置进行了研究,利用摩擦轮作为传动部件 来推进细径线状传感器的自动推进系统, 传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩 擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。通过 手柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,还可以灵活改变介入力大小。在介绍了相应 的安装了光电码盘的推进机构和工作原理之后给出了系统的电路设计和软件设计。并 给出了推进实验结果。该自动推进系统具有结构简单、实现容易等特点,可以满足智 能化渐进式内窥镜形状感知和重建的要求。 传统的介入方式将会造成的危害是难以想象的,将来的发展趋势是利用自动来代 替手动,利用摩擦轮,借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所 占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。基于以上 考虑,本系统使用两个大小相等的带有凹槽的摩擦轮,传感器被夹持在两摩擦轮凹槽 之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅 第 1 章 绪论 2 传感器。 而如今,随着机械行业的迅猛发展,自动化技术和传感器技术的不断改进,而且 它们的价格也日益降低,可靠性也逐步提高,用自动化的方式把内窥镜推入肠胃当中 不仅可以达到而且容易实现的,难度和危险性大大降低。 它的发展趋势可以放在以下几个方面: 1 提高内窥检查效率; 2 减少医疗事故发生; 3 减少对腔道组织损害程度、使用可靠、安全; 4 操作简便、减轻医务人员工作强度; 用高新技术来解决相关问题,将智能仪器代替劳动力为已成为我们机械行业的任 务,以此来加强机械智能化,工业化建设,提高人民的生活水平。 第 2 章 设计方案的选择与分析 3 第 2 章 设计方案的选择与分析 2.1 利用摩擦轮连续介入机构及工作原理 2.1.1 连续介入结构工作原理 利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动。摩 擦轮传动可分为定传动比传动和变传动比传动两类。传动比基本固定的定传动比摩擦 轮传动 圆柱平摩擦轮传动 圆柱槽摩擦轮传动 圆锥摩擦轮传动 图 2.1 摩擦轮传动, 又分为圆柱平摩擦轮传动、圆柱槽摩擦轮传动和圆锥摩擦轮传动 3 种型式如图 2.1 所示。前两种型式用于两平行轴之间的传动,后一种型式用于两交叉轴 之间的传动。工作时,摩擦轮之间必须有足够的压紧力,以免产生打滑现象,损 坏摩 擦轮,影响正常传动。在相同径向压力的条件下,槽摩擦轮传动可以产生较大的摩擦 力,比平摩擦轮具有较高的传动能力,但槽轮易于磨损。变传动比摩擦轮传动易实现无级 变速, 并具有较大的调速幅度。机械无级变速器如图 2.2 所示多采用这种传动。在图 2 中,主动轮按箭头方向移动时,从动轮的转速便连续地变化,当主动轮移过从动轮轴 线时 从动轮就反向回转。摩擦轮传动结构简单、传动平稳、传动比调节方便、过载时 尚能产生打滑而避免损坏装置,但传动比不准确、效率低、磨损大,而且通常轴上受 力大,所以主要用于传递动力不大或需要无级调速的情况。对摩擦材料的主要要求是: 耐磨性好、摩擦系数大和接触疲劳强度高。在高速、高效率和要求尺寸紧凑的传动中, 常采用淬火钢对淬火钢,并在油中工作。干式摩擦传动常采用铸铁对铸铁、钢铁对木 材或布质酚醛层压板,或在从动轮面覆盖一层皮革、石棉基材料或橡胶等。摩擦轮传 第 2 章 设计方案的选择与分析 4 动的设计主要是根据所需传递的圆周力计算压紧力。用金摩擦轮传动作为摩擦材料时 应限制工作面的接触应力;用非金属时则限制单位接触线上的压力。 图 2.2 无极变速器 优点: (1)制造简单、运行平稳、噪声很小。 (2)过载时发生打滑,故能防止机器中重要的零件损坏。 (3)能无极的改变传动比。 缺点: (1)效率低。 (2)当传递同样大的功率时, ;轮廓尺寸和作用在轴与轴承上的荷载都 比齿轮传动大。 (3)不宜传递很大功率。 (4)不能保持准确的传动比。 (5)干摩擦时磨损快、寿命低。 (6)必须采用压紧装置。 2.1.2 推进装置设计 推进装置根据应用的设备不同,按其传动方式分为不同的几个类型。具体为: 空气送料装置:利用气动装置进行送料; 自动送料装置:通过机械手臂进行送料; 滚轮送料装置:通过滚轮进行送料; 电磁送料装置:通过电磁原理进行送料; 摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小,推 进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。基于以上考虑,本系统使用两 第 2 章 设计方案的选择与分析 5 个大小相等的带有凹槽的摩擦轮,传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮和传感 器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。在电机座上,与主动 摩擦轮同轴安装步进电机。在码盘座上,从动摩擦轮与光电码盘通过联轴节同轴安装。 旋动手柄,使码盘座沿着导轨 8 靠近主动摩擦轮方向滑动,通过手柄上的弹簧调整两摩擦 轮之间的间隙,从而可以灵活改变介入力大小。增量式光电码盘作为反馈检测元件,根据 其输出脉冲源和脉冲计数可以用来确定传感器的介入方向和推进距离。 2.2 间歇送进机构及其工作原理 2.2.1 机构原理 间隙送进机构利用电磁铁的吸合,完成机械手的开合动作。利用步进电机、丝杠 螺母和滑动导轨实现机械手的前进后退。利用步进电机和齿轮传动,实现机械手的旋 转。共有两个机械手,其中一个固定在外壁上,另外一个固定在导轨滑块上,两个机 械手配合完成内窥镜的间隙式旋转介人。图 2.3 为整体结构图,右旋转体、左旋转体和 大齿轮,通过 6 根支杆、连接块、紧定螺钉、弹簧垫圈和螺母等固接成一体。滑动导 轨通过导轨支板安放在两根支撑连接杆上。一只机械手固定在轴承支板上,另外一只 机械手固定在导轨滑块上,通过步进电机带动一对传动齿轮、利用丝杠螺母,实现抓 手在导轨上的前进后退。步进电机带动齿轮传动,使大齿轮、左右旋转体、连接杆、 导轨和机械手整体绕机械手中心旋转,实现机械手的旋转介人。 第 2 章 设计方案的选择与分析 6 图 2.3 间歇送进机构整体结构图 2.3 方案的选择 经过比较分析,我选择利用摩擦轮连续介入机构的方案,该方案结构精密且机构 原理简单易懂,成本低,工作效率高。摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦 轮推进是直接接触的,所占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音 很小。最为关键的是该机构通过光电码盘可以与电脑相连,这样可以通过电脑软件来 控制推进装置,实现内窥镜的前进、后退,并可以控制内窥镜的推进速度。简单方便, 可靠高效。因此,我选择用这个设计方案。 2.4 主要参数设计 医学上作内窥镜使用的柔性杆.柔性光纤内窥镜利用光导纤维的传光、传像原理及 其柔软弯曲性能,可以对设备中肉眼不易直接观察任何隐蔽部位(管道、腔体、复杂构 件等)方便地进行直接快速的检查,无需拆卸、破坏被测物就能进行检查内部微痕迹、 毛刺、裂纹、焊缝等缺陷。 设定参数如下: (1)内窥镜直径:10mm (2)内窥镜推进速度 0-30mm/s (3)自由度数:1 个自由度,水平移动 (4)定位精度 :0. 5mm (5)传动方式:齿轮传动 (6)控制方式:步进电机控制. 2.5 课题任务 (1)连续介入机构的原理分析; (2)机械手夹持力和位移分析; (3)旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型。 (4)零件装配图及主要零件图。 第 3 章 系统设计 7 第 3 章 系统设计 3.1 连续介入机构的原理分析 系统主要由 3 个部分组成:传感器、推进装置、控制系统及其数据采集部分如图 1 所示。介入装置 5、推进传感柔性杆,以适当的速度和力从内窥镜工作钳道进入内窥镜, 控制系统和信号采集和处理模块控制传感柔性杆在工作钳道中等距离采样数据,同时反 馈给 PC。图 3.1 中,下位机控制系统采用 AT89C51 单片机系统。它占传感器的数据采样 检查仪器 2 共同完成数据采集和数据处理部分的功能。PC 机可以作为系统上位机控制 系统,设计友好的人机界面,用串行通信方式和下位机通信,用于控制介入装置的工作和 控制信号采集和处理器的工作。 1.控制系统 2.光纤关栅解调仪 3.光纤光栅传感器 4.PC 5.推进装置 图 3.1 推进系统系统图 3.1.1 推进装置的设计 摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小, 推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。基于以上考虑,本系统使 用两个大小相等的带有凹槽的摩擦轮,传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮 和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。在电机座 2 上,与主动摩擦轮 4 同轴安装步进电机 6。在码盘座 9 上,从动摩擦轮 7 与光电码盘 1 通 过联轴节同轴安装。旋动手柄 3,使码盘座沿着导轨 8 靠近主动摩擦轮方向滑动,通过手 柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,从而可以灵活改变介入力大小,推进原理图如图 3.2 所示。增量式光电码盘5作为反馈检测元件,根据其输出脉冲源和脉冲计数可以用来 第 3 章 系统设计 8 确定传感器的介入方向和推进距离。 1.光电码盘 2.电机座 3.手柄 4.主动摩擦轮 5.电机罩 6.步进电机 7.从动摩擦轮 8.导轨 9.码盘座 图 3.2 推进原理图 3.2 机械手夹持力和位移分析 3.2.1 机械手夹持力分析 该机构介入力的调整,是依靠丝杠螺母传动,调整两个摩擦轮之间的距离来实现 的。摩擦轮之数和介入力大小之间的确切关系,通过实验测定了一组数据。实验数据 证明,螺栓旋紧圈数愈多,介入力愈大。 3.2.2 位移分析 增量式光电码盘作为反馈检测元件,根据其输出脉冲源和脉冲计数可以用来确定传 感器的介入方向和推进距离。系统的光电码盘为增量式光电编码器,型号为 E6A2-CWZ3C,精 度为 500P/R;步进电机型号为 35HS27DF05-02,细分驱动器工作在 40 细分状态。即控制 系统每发出一个步进脉冲,电机只转动 0.045,摩擦轮有效周长 51mm,可以推算出每一 个步距角推进传感头的位移为:0.04551/360=0.0064mm。在系统复位以及加载完 设定参数后,推进装置将带有光纤光栅传感头的传感器沿内窥镜的工作钳道渐进式推进。 第 3 章 系统设计 9 3.3 旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型 该机构介入力的调整,是依靠丝杠螺母传动,调整两个摩擦轮之间的距离来实现 的。摩擦轮之数和介入力大小之间的确切关系。下图 3.3 是机构的传动原理图。 图 3.3 传动原理图 该机构通过连接在步进电机轴上的小齿轮吧动力传给与之啮合的一个双联齿轮。 这个双联齿轮固定在轴 1 上,而这个双联齿轮的小齿轮与轴 2 上的一个同齿数齿轮啮 合,把动力传给轴,轴 2 和轴 1 下端同时安装有皮带轮,皮带轮夹紧之间的内窥镜,带 动内窥镜推进,实现前进或后退。 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。 每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比 例,相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体 化产品中,如:数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 步进电机的选择有一下几个步骤: 第 3 章 系统设计 10 图 3.4 电机传动图 (1)速度曲线的确定: svltl 01.65.1270 加 速 时 间 (3.1) (2)电机转速 (3.2) (3)负载力矩 (3.3) (4)负载惯量 (3.4) (5)加速力矩 MSLm JTfgJT 40178.318031.2 (3.5) S 是安全系数,一般为 2 (6)电机选择 根据上面的计算,步进电机选择 42BYG250A-0151)(10.24mkgJM转 子 惯 量 .(38.)(MNTLa必 须 转 矩 第 4 章 装置零件设计及校核 11 第 4 章 装置零件设计及校核 机器(部件)的装配图是表达设计者设计机器总体结构意图的图样,也是制造、 装配机器及绘制零件工作图的技术依据。因此,绘制装配图是机器设计过程中的重 要环节,必须综合考虑强度、刚度、加工、装拆、调整和密封等多方面的要求。 机器(部件)的装配图的设计及绘制过程比较复杂,因此必须先作装配草图设 计,然后再经过讨论修改,最后加深或重新绘成正式的装配图。 装配草图设计包括计算、结构设计、制图等内容,而且计算与制图常需交叉进 行。其基本任务为: 1 确定各零件的结构尺寸,以及它们在机器的相互位置关系 2 得出校核零件强度(刚度)所需的尺寸及数据。 4.1 轴的结构设计 轴设计的特点是:在轴系零、部件的具体结构未确定之前,轴上力的作用点和 支点之间的跨距无法精确确定,故弯矩大小和分布情况不能得出,因此,在轴的设 计中,必须把轴的强度计算和轴系零、部件的结构设计交错进行,边画图、边计算、 边修改。 轴的设计程序是: (1)根据机械传动方案的整体布局,拟定轴上零件的布置和装配方案; (2)选择轴的合适材料; (3)初步估计轴的直径; (4)进行轴系零、部件的结构设计; (5)进行强度、刚度计算; (6)根据计算结果修改设计。 4.1.1 轴的设计 1)轴的材料选择和最小直径的估算 根据工作条件,初选轴的材料为 40 rC,调质处理。按扭转强度法进行最小直径估 算,即: 3nAd0minP 。除去算轴径时,若最小直径轴段开有键槽,还要考虑键槽对轴 第 4 章 装置零件设计及校核 12 的强弱的影响。当该轴段截面上有一个键槽时,d 要增大 5%7%, 两个键槽 增大 10%15%。 0A由查机械设计手册得知,对于 40 rC, 0A的范围为 112-97。 确定 :高轴 1 1 从动轴 1 02 mmNPAd 83 1 1 011 高速轴: 同理可得 中间轴为 8mm 4.1.2 轴的结构设计 图 4.1 轴的结构图 4.1.3 轴的校核 本文对各轴进行了校核计算,均满足强度要求,受篇幅所限,下面仅以高速轴为 例进行校核计算过程。 1)轴的力学模型的建立 1轴上力的作用点位置和支点跨距的确定 齿轮对轴的作用点按简化原则应在齿轮宽度的中点,因此可决定中间轴上两齿轮 力的作用点的位置。轴上安装的轴承是 6002,可知它的负荷作用中心到轴承外断面的 距离 a=3.5mm。故可以算出支点跨距和轴上各力作用点相互位置尺寸。高速级齿轮作 用点到靠近它的断面的距离 L1=25mm,两齿轮作用点之间的距离 L2=68mm 第 4 章 装置零件设计及校核 13 图 4.2 轴上零件的装配方案 由于整个结构的设计,主轴要从一侧装入,所以轴要从右到左直径递减,而且在 两个轴承之间轴的直径要相同。两端轴承用同一个尺寸,以便于购买、加工、安装和 维修。 轴肩:定位简单可靠,不需附加零件,能承受较大轴向力,广泛应用于轴上零件 的固定。 圆螺母:定位可靠,能实现轴上零件的间隙调整。常用于轴上零件之间,也可以 用于轴端。 平键:结构简单,在轴上加工键槽,则齿轮轮可以靠平键在轴上定位 2)轴上零件的周向定位 带轮与轴的周向定位采用过盈配合。根据设计手册,并考虑便于加工,取键槽适 用的键的规格为剖面尺寸 bh=6 6 12。配合选用 H7/k6。 滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制,主轴与轴承的配合为 H7/k6。 为了保证零件与定位面靠紧,轴上过渡圆角不应过大,轴肩处的过渡圆角应小于轴承 的圆角,最后决定取 R1。 3)考虑轴的结构工艺性 1考虑轴的结构工艺性,在轴的左端与右端均制成 145 倒角。 2为了保证轴向定位零件压紧于轴上的零件,装零件的轴段长度应较轴承套圈宽 度短 2-3mm。 4)绘制轴力学模型图 如下图 4.3 所示 第 4 章 装置零件设计及校核 14 图 4.3 轴力学模型图 1. 计算轴上的作用力 大齿轮: (4.1) .355d12T1FF t2t1 (4.2) N6.131costanFF nt1r2 (4.3) N7.353d2TF 2 2 t3 小齿轮: (4.4) NF 5.183tanFt12 (4.5) NF 4.192tanFt13 (4.6) N8.324costanFF nt1r3 皮带轮: (4.7) N5.234d12T1FF t2t1 (4.8) N6.201costanFF nt1r2 (4.9) N7.353d2TF 2 2 t3 N 第 4 章 装置零件设计及校核 15 图 4.4 垂直面内支反力 5)计算支反力 1垂直面内支反力 如上图 4.4 由于绕支点 B 的力矩和 0BVM,得: NFRAV108, FRCV127 方 向如图 . 2水平面内支反力 图 4.5 水平面内支反力示意图 由于绕支点 B 的力矩和 0BHM 得: NFRAH357方向如图 4.5 NFRCH374 方向与图中相反 6)计算总支反力 A 点总支反力带入已算得数值得: NFRA372 C 点总支反力带入已算得数值得: C94 7)计算弯矩 1垂直面内弯矩 B 处弯矩: LFMRAVB231左 (4.10) NV4右 (4.11) 2水平面内弯矩 B 处: RAVC51 (4.12) 第 4 章 装置零件设计及校核 16 合成弯矩 M=6152N 8)校核 进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面(即危险截面 D)的强 度。 MPadWca67.231.0 (4.13) 根据选定的轴的材料 40 rC,调制处理,查阅机械设计手册得: a70 1-MP 因为: 1-ca 故强度足够。 4.2 齿轮设计 选定高速级齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (1) 选定高速级齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (2) 材料选择及热处理。查阅机械零件设计手册,选择大、小齿轮的材料均为 40Cr, 并经调制处理及表面淬火,齿面硬度为 4855HRC。 (3) 柔性杆推进装置为一般机械,故选用 8 级精度。(GB 10095-88) (4) 选小齿轮齿数 1z24 则根据传动要求,大齿轮齿数则为:6.9512Zi (4.14) (5) 选取螺旋角。初选螺旋角 14。 按齿面接触疲劳强度计算 32d1tt1u2HEZT (4.15) 1) 确定公式内的各计算数值 1查阅机械设计手册,查的材料的弹性影响系数 a8.19EMP 2计算小齿轮传递的转矩。 已经算出 m3.71NT;u=3.2 3试选载荷系数 1.3t。 4查设计手册选取区域系数 4.2Zh。 5因大、小齿轮均为硬齿面,故宜选取稍小的齿宽系数,先取 1d。 6查设计手册得 0.9HN1, 0.95HN2, a601PLIM, a502PLIM. 7计算接触疲劳许用应力(失效概率 1%,安全系数 S=1) a46.1HN1 PSLIM (4.16)5.2509.22LI (4.17) 第 4 章 装置零件设计及校核 17 2)计算 1试算小齿轮分度圆直径 mm.315.5222.31 8.1892.410203.73.132.2d 3 2 24 t1 2计算齿宽 b 及模数 ntm。 dt14 (4.18) m=2.45 5.h (4.19) 3计算载荷系数 K。 根据 8 级精度,查阅机械设计手册得动载荷系数 1.2kv;继续查阅资料得1.4k fah ;继续查阅,由于小齿轮相对支撑对称布置,8 级精度,故取 1.23kh, 故载荷系数为: 07.23.14.khavA (4.20) 另得: 2.F 4按实际的载荷系数校正所算的的分度圆直径。 7.36.1031tttkd (4.21) 5计算模数。 2m1z dt (4.22) (6) 按齿根弯曲强度设计 3a2da31nzFSYCOT (4.23) 1) 确定计算参数 1计算载荷系数。 07.23.142.khavA 2根据纵向重合度 52.1,查阅机械设计手册查得螺旋角影响系数 0.8aFY。 3计算当量齿数。 8.64cosz331v1 (4.24).9.53322v (4.25) 4查阅机械设计手册得齿轮的弯曲疲劳强度弯曲疲劳寿命系数 a6201MPFE,8.0K,.FN2FN1 。 5计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,则得: 第 4 章 装置零件设计及校核 18 a7.389.162022 MPSKLIMHNF (4.26) 4.511I (4.27) 6查取齿形系数。 查阅资料得: 26.6.2aa1FFY, 7查取应力校正系数。 查阅资料得: 74.1,58.2a1aSS 8计算大、小齿轮的 1F并加以比较。 07.389621aFSY14.2a 小齿轮的数值较大。 2) 设计计算 m4.165.12407.cos8073.m3 2nt )( 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 n与由齿根弯曲疲劳强度计 算的法面模数相差不大,故取 nm=2.5mm ,取分度圆的直径 dt321。 2.3cos1ndz (4.28) z1 取 24,z2=24x3.78=94.6 z2 取 96 同理可得这个双联齿轮的另一个齿轮齿数为 72 4.3 轴承的选择以及计算 轴承校核的方法均一致,在前面的轴校核中我们已经得知,中间轴 2 的受力轴向 力最大,故轴承也最危险,故选择轴承组 2 为例来校核。高速轴和低速轴经过校核, 均符合要求。 (1) 轴承选择。 轴承类型 :深沟球轴承,轴承代号:6002 轴承参数 :轴承内径:15 轴承外径:32 轴承宽度:9 第 4 章 装置零件设计及校核 19 (2) 设计校验 1) 径向载荷 Fr A 点支反力: NRA3721 C 点支反力: Cr942 外部轴向力 .-a23ae,从最不利受力情况考虑, aeF指向 A 处 1 轴承(方 向向左) ; 2) 轴承派生轴向力: (方向向右) NYFF 7.2562 1t1d (方向向左) NYFF 9.2762 2t2d 因为: 1d2ae , 故 A 处 1 轴承压紧,C 处 2 轴承放松。故:Fda491 , da5242 当量动载荷:(载荷系数 .fp)e.025.r1a:轴 承 NYFfPaRp36)4.(1故 (4.29)era29.0.22: 因轴 承 (4.30) N376YFF0.4fp a2r2p2 (3) 验算轴承寿命 因 12,故只需验算 1 轴承。轴承预期寿命与整机寿命相同,为: 8(年) X300(天)X8(小时)=19200h 。 h920783fn6021th PCL (其中温度系数 1ft) (4.31) 故轴承具有足够寿命。 4.4 键连接的选择以及校核计算 以中间轴外伸装配齿轮轴段键为例: 因为 d=12mm,l=30mm 所以选择普通平键 A 型 ml3044hb 校核: 键的工作长度 l=L-b=15mm;键的接触高度 K=0.5h=2mm; 第 4 章 装置零件设计及校核 20 mNT.5432转 矩 : 材料为 45 钢调质,所以 a120pMP, ppa98.67ld10 MP 故强度合格。 其他各轴键的选择和校核均以此例,不再赘述。 总结与展望 21 总结与展望 一、总结 内窥检查机器人在运动时, 通过充入气体的膨胀橡胶囊与腔道壁接触, 具有较好 的柔软性。 压觉传感器检测机器人与腔道壁之间作用力的大小和方位, 为机器人提供 避障、 弯曲等信息, 以调整内窥检查机器人的运动速度和方向, 使其适应腔道的变化, 避免穿孔等医疗事故的发生。传感与主动介入技术对腔道组织损害程度极小, 具有较 高的安全性, 还可减轻医务人员的工作强度, 提高内窥检查的效率。 医用内窥镜在不同的时期都促进了医学事业的不断发展。今后随着电子技术及其他 科学技术的不断进步,相信其技术会有更广更深的发展。 它非但能完成当今所完成的 任何一项工作,还会加用特殊光谱的 CCD 提供新的诊疗图像信息,还可用图像处理技 术获得病变组织的特殊图像,并能用图像分析技术实现对病变的定量分析和定量诊断, 还可通过电讯手段进行远程会诊。 多功能的电子内窥镜已经问世,它不但能获得组织 器官形态学的诊断信息,而且也能对组织器官各种生理机能进行测定。 医用内窥镜技 术发展到今天,已经显示出它的强大生命力,相信明天会做出更辉煌的贡献。 通过这次设计,我对柔性杆自动推进装置有了一个全面地了解,了解了柔性杆技术 在现在以及以后机械工业中所起的作用,明白了柔性杆的在以后工业的发展中所扮演 的角色,为自己今后更好的学习柔性杆指明了方向。 通过这次毕业设计,使我对大学期间所学的知识,进行了融会贯通,有了一个全新 的认识,对以前许多不太清楚的地方,通过问老师和查资料的方法,已经明白了很多, 知道了自己以前学习的不足,所以以后应该更加努力。 此次设计,我认为最重要的就是使我明白了,无论做什么事情,要想做好,必须态 度端正;要善于学习,时刻学习;做事要严谨、认真,细致、不怕吃苦,还要有创新 精神。 二、今后研究方向 传统内窥镜在介入过程中会发生镜体缠绕、非预期结襻等情况,给病人带来痛苦和 危险。基于迫切的临床需求和良好的市场前景,用智能传感器技术、自动化技术及可 视化技术对传统内窥镜系统进行改进和创新研究已经在世界范围内展开。其中,新型 的内窥镜形状感知系统是该领域的一个研究热点。 利用主摩擦轮和从摩擦轮来推进传 总结与展望 22 感柔性杆,这将是推进装置的发展趋势。 参考文献 23 参考文献 1 IKuta,et al.shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope,Proc of IEEE Conference on Robotics and System,1988 2 Robert H. Sturges Laowattana. Flexible Tendon-controlled device for endoscopy The International Journal of Robotics Research,1993,12(2):121 一 131 3 高立明,林良明,颜国正,等. 全方向蠕动机器人驭动内窥镜系统的研究.中国生物 医学工程学报.1998,17(1):3641 4 朱宏擎,林良明,高立明等.新型能动内窥镜数字图像处理方法的探讨.上海工程技 术大学学报.1999,13(4):(学号): 长春理工大学光电信息学院毕 业 设 计(论 文)译文连杆混合驱动机构设计姓 名学 院机电工程分院专 业机械设计制造及其自动化班 级指导教师2010年月日机械装备的发展 一机械装备的应用近十几年来,随着计算机技术和现代控制理论等相关科技的迅速发展,以数控加工为代表的柔性加工日趋完善,基本上实现了自由曲面形状加工阶段的自动化,但其精加工主要还依靠熟练工人的手工操作。由于手工操作生产效益低下,加工质量不稳定,难以适应自由曲面低成本、短周期、高质量的要求,研究一种高效自动化的研抛设备势在必行,本研究针对自由曲面研抛加工所开发的虚拟轴混联机床就是为了适应这种需求。二状态分析本处所开发的是并联、串联有层次联结在一起的混联机床。通过大量文献阅读,建立了各种并联机构模型,运用 Adams 软件对各种并联机构模型进行分析,证明了3PTT运动副可以实现动平台三维空间运动。用 Adams 软件建立的该机床并联机构模型,并进行自由度问题研究和动平台的运动分析。仿真结果表明,该并联机构具有三个自由度,动平台是平动的运动状态。三、自由曲面研抛机床的位姿分析 根据该机车的运动特性,利用解析法建立并联机构的正解方程,首先建立并联机构的解析图形,如图2所示。图2 研抛机床并联机构解析图两端取模平方知:利用齐次变换的方法建立了自由曲面研抛机床串联机构的位置正解,并将串并联机构通过动平台为纽带,得到机床的位置正解。运用欧拉角表达研抛工具的轴线姿势,发现该轴线姿势只与串联机构有关,而与并联机构无关。四、自由曲面研抛机床的动力学分析及其仿真机床的动力学研究,包括机构惯性力计算、受力分析、动力平衡、动力学模型建立、计算机动态仿真等。特别是在机器的运行速度不断提高的情况下,动力学问题的重要性就显得尤为突出,由于计算机的不断发展,使动力学计算、分析、模拟的手段逐步实现了现代化。对机构动力学研究的深入,促进了机器的运转速度进一步提高,对机器的控制提供较为精确的理论基础。五、自由曲面研抛机床结构的研究机床的研制分为二大部分:一是确定其机械结构方案包括机床机架设计;动平台设计;终端执行器设计等。二是研制控制电路和控制软件等。机床应有三个性能指标:对称性、工作空间、各向同性的基础上来设计混联机床。自由曲面研抛机床的主、俯视图如图 3 所示。图3 自由曲面研抛机床的主、俯视图六、结论(1)通过“3 并联轴2 串联轴”的五坐标联动,用并联机构控制研抛工具的位置,用串联机构控制研抛工具的姿势,有效地拓展了研抛加工作业空间。(2)建立了 3PTT 并联机构 ADAMS 机构学模型,进行了自由度问题的研究。仿真结果表明: 3PTT 并联机构是平动的机构。(3)应用解析法推导了机床的并联机构的位置正解;利用齐次变换的方法建立了自由曲面研抛机床串联机构的位置正解。运用欧拉角表达研抛工具的轴线姿势,发现该轴线姿势只与串联机构有关,而与并联机构无关。(4)基于影响系数理论与拉格朗日方程,推导出了串、并联机构动力学方程,并建立了 ADAMS 动力学仿真模型,仿真结果表明:该机床在 x、y、z 三个方向上的速度、加速度差异很大。如果在 z 方向需要大的速度和加速度,三个滑块均需加同一方向的力,数值相差要足够小,在 x、y 方向需要较大的速度和加速度时,在三个滑块上力的数值要相差足够大。(5)在自由曲面虚拟轴混联研抛机床的结构、运动学与动力学研究以及前人关于研抛理论的工作基础上,开发了自由曲面虚拟轴混联研抛机床的样机。串-并混联研抛机床运动与控制研究1994 年在芝加哥国际机床展览会(IMTS94)上,美国的 Ingersoll 和 Giddings & Lewi公司分别首次展出了名为 Hexapod 和 Variax 的并联机床,引起举世关注。并联机床以空间并联构型为基础,打破了近两个世纪以来单一的以笛卡尔坐标直线位移为基础的串联机床结构和运动学原理,被誉为“本世纪机床机构的最大变革与创新”、“21 世纪的机床”。其后,意大利、日本、俄罗斯、挪威、瑞士、瑞典、丹麦等国的制造商竟相研发并联机床。1997 年底,清华大学和天津大学联合研制出了我国第一台并联机床 VAMT1Y。与传统的串联构型机床相比,纯并联构型的并联机床在结构及运动特性上具有刚度重量比大,运动部件质量小、响应速度快,误差累积小,可以很容易地实现 6 轴联动,运动学逆解求解容易、便于实现实时控制,机床结构简单,技术附加值高等优点。但并联机床同时也存在着工作空间小,运动学的正解求解困难,控制复杂,各轴间存在着深度的非线性运动耦合,运动学标定困难,机床的刚度和运动精度不高等缺点。为克服并联机床的缺点,串-并混联式机床应运而生。混联机床几乎继承了并联机床的全部优点,同时其工作空间增大,运动学正解的求解困难程度及控制复杂程度均明显降低。尽管其刚度和运动学精度仍不如串联机床高,但已显示出强大的生命力。目前,商品化的并联机床已投入使用。课题组通过多年的研究发现,研抛属于弹性加工,研抛过程中作用反力较小,因而对机床的刚度要求较低,同时,研抛机床需要在其终端执行器上安装位移-力柔顺控制器,柔顺控制器的安装使研抛加工对机床运动精度的要求被弱化。研抛加工所具有的这些工艺特性,使得串-并混联机床扬长避短,可以在研抛加工中得到较好的应用。基于对吉林省科技发展重点规划课题“精密自动研抛加工模具自由曲面的虚拟轴专用机床”的研究(机床照片见图 1),本文就串-并混联研抛机床的概念设计、运动学分析、插补控制、研抛实验等问题展开研究。对串联构型、并联构型、混联构型机床的结构特性、运动特性、控制特性等内容进行了分析比较,选定在并联 3 自由度平动平台上串联 2 回转自由度的串-并混联形式作为自由曲面研抛机床的构型。机床结构见图 2。对 3 自由度平动平台的支链结构形式进行了分析。通过齐次坐标变换方法,从支链平台结构位姿变换及其空间几何关系分析入手,建立了三支链并联平台的封闭位置关系,得出了以虎克铰为联接关节条件下 3 自由度平动平台的最简单构型形式和平台工作空间与平台机构体积比值最大条件下的结构参数配置。基于并联平台封闭位置关系,给出了机床的运动学正解,并对机床工作空间的形状、构成进行了剖析。本文所述构型形式的研抛机床具有由三段圆弧面构成的柱形工作空间,工作空间的上顶和下底均为由四个球弧面构成的复合曲面。首次将工具灵活性的概念引入机床的工作空间分析,并按照研抛工具所具有的灵活程度,将机床工作空间划分为完全灵活工作空间、大部分灵活工作空间、小部分灵活工作空间和不灵活工作空间四个子区。通过推理,得出了机床完全灵活工作空间的主要影响因素是研抛工具杆长度的结论。机床工作空间形式及构成见图 3。基于并联平台封闭位置关系和研抛工具的位置-姿态要求,对机床运动学逆解的构成及求解方法进行了研究。由于研抛姿态角1的存在,工具杆轴线可以形成一个以1为半角的姿态圆锥,致使机床的运动学逆解具有多值、不确定性。为使机床的运动学逆解合理、唯一,需添加工艺和运动限定条件。本文对研抛正压力与研抛姿态角之间的关系、研抛线速度与研抛姿态角之间的关系进行了分析,提出了满足研抛正压力和研抛线速度双重控制要求的1选择工艺限定条件,并基于对加工效率、运动干涉等问题的考虑,提出了限定姿态圆锥使用范围的运动条件。综合考虑,提出了研抛工具姿态的选择控制策略,同时给出了机床各种灵活程度工作空间内运动学逆解的求解方法。姿态圆锥及其可选用的范围见图4 和图 5。对离线插补和在线插补的工艺特性进行了分析比较,结合目前插补控制的发展趋势,选择在线的直接插补作为新开发数控系统的插补控制方式。并结合 NURBS 曲面的参变量定义域特性,给出了 NURBS 曲面研抛的路径规划方式。对研抛轨线行间距与表面许用残留高度误差、研抛工具半径、曲面曲率半径之间的关系(图 6),插补步长与表面加工误差、研抛工具半径、曲面曲率半径之间的关系(图 7)行了较为深入的分析,找出了两类加工误差的主要影响因素,并据此提出了针对粗研磨和精整抛光的研抛轨线行间距、插补步长确定方法。五坐标虚拟轴研抛机床数控系统的研究一、说明我国于 2001 年正式加入 WTO 以来,经济发展迅速。随着汽车、航空航天以及一批高新技术产业的发展,含有自由曲面的零件所占的比例越来越大,对自由曲面的加工质量和效率要求也越来越高。但是目前对自由曲面的精加工主要还依靠熟练工人的手工操作。由于手工操作生产效益低下,加工质量不稳定,难以适应自由曲面低成本、短周期、高质量的要求,研究一种高效自动化的研抛设备势在必行。本文针对用于自由曲面研抛加工的 JDYP51 型五坐标虚拟轴研抛机床,研究出了一种基于 PMAC 的开放式数控系统。二、虚拟轴机床机构设计的分析本课题所研究的是并联、串联组合在一起的混联机床,该机床为 3+2 式虚拟轴机床,即 3 个并联轴实现 X、Y、Z 向 3 个坐标运动,并联机构带动动平台实现平动,在动平台上安装 2 自由度串联机器手,串联机构下加装主轴装置。用此机床进行模具自由曲面的研抛加工。机床照片如图 1 所示,虚拟轴机床的总体结构如图 2 所示,它的并联机构由静平台、动平台和三个导轨立柱滑块支链相结合的机构组成 ,支链采用定长杆,各杆件一端与滑块,另一端与动平台用虎克铰连接,滑块由伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动,沿导轨作上下移动。机床的串联机构连接在动平台上,由两个转动关节构成,分别绕轴转动来调整研抛工具的位姿。以上所述即为并联机构的位置关系,同时可以利用齐次变换的方法建立机床串联机构的位置方程,并将串并联机构通过动平台为纽带,得到机床整体的位置关系。三、开放式数控系统的硬件设计与实现我们通过对 JDYP51 型虚拟轴研抛机床的研究,设计使用了一种基于PMAC 的开放式数控系统。根据此数控系统所设计的数控装置目前已经完成,如图 4 所示,控制装置区域划分由上至下为:实时显示区,饲服控制区,控制电路区,核心控制区和主轴控制区。制机、PMAC 运动控制器、双端口 RAM(DPRAM)、伺服单元及交流伺服电机等组成。图中的虚线将上位机和下位机的功能模块分开,实线框以外部分为系统的外部设备。由框图可以看出,PMAC 控制器与主机(IPC)之间的通讯采用了两种方式。一种是总线通讯方式,另一种是利用 DPRAM 进行数据通信,主机与 PMAC 运动控制器主要通过 ISA 总线通讯,至于控制器和电机的状态、所处的位置、速度、跟随误差等数据则通过 DPRAM 交换信息。图4 JDYP51 NC 装置四、开放式数控系统的软件研究虚拟轴机床数控系统实现正常工作,需要三个部分的系统软件来执行:IPC的用户界面应用程序;IPC 与 PMAC 上下位机间的通讯程序;PMAC 中对各种输入、输出量进行监控的 PLC 程序。其中通讯程序的开发工作量最大、最困难、也最具有技巧性,Delta Tau 公司提供的 Pcomm32 已经对通讯程序进行了充分的开发,我们可以通过 Pmac.dll 进一步利用。人机界面应用程序采用Visual C+6.0 语言进行开发。PLC 程序采用 Delta Tau 公司提供的语言进行设计开发。系统软件工作机理如图 6 所示,五、结论本课题对 JDYP51 型五坐标虚拟轴研抛机床的数控系统进行了研究和设计,建立了一种基于 PMAC 和 IPC 的双 CPU 开放式数控系统,完成了机床的数控装置,并通过此数控装置对机床进行了初步的调试和试运行,实现了基本的运行要求。本论文主要的研究工作及研究成果如下:1对虚拟轴机床机构整体设计和工作原理进行了分析研究,通过分别对机床并联机构、串联机构和主轴研头的位置解析,得到机床输入与输出的位置正逆解关系式,为数控系统对机床的轨迹运动控制提供了基础。2对可编程多轴运动控制器(PMAC)进行了深入系统的研究,针对本虚拟轴机床设计开发了一种基于 PMAC 和 IPC 的双 CPU 开放式数控系统硬件结构,根据硬件设计要求选择了相应的硬件设施和电子器件,组建完成了数控系统的控制装置。3对 CNC 系统软件结构与功能做了深入的研究,建立了数控系统软件结构框架。根据数控系统硬件的结构设计,提出了系统软件工作机理,同时参与了人机控制界面的开发并对系统软件设计做了进一步的研究。此控制界面软件实现了部分的硬件软件化,将部分控制按钮和指示灯等硬设施转化为软件控制,同时可以根据需要添加多个 I/O 通道,具有良好的开放性和实时性。4通过数控系统的控制装置对 JDYP51 型五坐标虚拟轴研抛机床进行了调试,并在调试过程中完成了数控系统的参数设置与调整,初步完成了机床的合理运行。通过对饲服系统的 PID 调节及位置速度反馈的分析结果,实现了较为理想的运动状态。Polishing Machine DevelopmentYudy and development on hybrid virtual axis machine tool forpolishing free-form surfaces1 IntroductionWith the development of automobile industry,electric industry and some new high-techindustries ,the larger is the proportion of NC machining parts with free-form surface in all, thehigher and higher requirements are made for quality and efficiency of machining on free-formsurfaces. After the roughing method is used, precision machining, such as polishing and polishing,is necessary to obtain required workpiece surfaces. Near for over ten years, With the developmentat a high speed in relevant science and technology, such as the technology of the computer andmodern control theory, etc., flexibility machining become more perfect. The automatic machiningof free-form surfaces come to true basically. However, these subsequent processes of precisionmachining still depend mainly on the handwork of skilled mechanists. Productivity effect ofhandwork is very low and its quality is unstable. As to the machining of free-form surfaces, lowcost and short period and high quality were its main aim. As a result of that, the research of a kindof increasingly automated polishing equipment is imperative. Series-parallel virtual axis machine tools for polishing free-form surfaces meets the requirement .2 Work principle and degree of freedom study on hybrid virtual axis machine tools for polishing The sliding block that was drived by servo electromotor and rolling screw thread-nut move up and down along with rail. The inseries mechanism of the machine tool was linked with move platform. It was made up of two rotation joints. The pose of polishing tools was adjusted around axis. The structure principle of the machine tool is shown as Figure.1.3.Position and pose analysis of series-parallet virtual axis machine tool for polishing free-form surface.Fig2Model of parallel mechanism was established by ADAMS software, It is analyzed out that the parallel mechanism has three DOF and the motion status of move platform is linear motion. it is shown As Fig2Positive position solution of inseries mechanism of machine tools for polishing free-form surfaces was established through homogeneous transformation of the coordinate frames. Inseries and parallel mechanism were regarded moving the platform as the tie, so positive position solution of machine tools was got. Axes position of polishing tools is related to inseries mechanism but not parallel mechanism. It was proved by Euler angles.4 kinetics analysis and simulation of series-parallel virtual axis machine tools for polishing free-form surfaces Kinetics analysis of machine tools included inertia force calculate, force analysis, balance of motive force, establishment of kinetics model, dynamic simulation with computer,etc. In the case of increasing velocity of machine tools, the importance of kinetics questions become particularly outstanding. Because of the uninterrupted development of computer, the methods of kinetics calculate and analysis and simulation become modernization. With the deep study of kinetics, the velocity of machine tools was further improved. It offers theory basis for control of the machine tools.The move platform can only realize linear motion in 3D space. There is not rotation kinetic nergy. Then the kinetic energy of move platform is design of machine tools shelfand . 5.Stand on structure of series-parallet virtual axis machine tool for polishing free-form surface.The front view and bottommove platform and end effector,view of the polishing machineetc. Second, there are study andtool for free-form surfaces manufacture of control circuitand so on. There are three perfor-mance indexes :symmetry.worksp-ace.isotropy. On the basisof these, series-parallel machine tools were designed. Overall appearance of machine tools must be aesthetic. There are another requirements with good igidity and stability and enough operation space. Front view and bottom view of machine tools for polishing free-form surfaces are shown as Figure.3.6 conclusion1. Five coordinates axes move together throng three parallel axes and two inseries axes. The position of polishing tools was controlled by parallel mechanism and the pose was controlled by parallel mechanism. Thus, the work space for polishing was increased effectually.2.3PTT parallel mechanism structure model of Adams was established. The problem of degree of freedom was studied. The simulation shows: 3PTT parallel mechanism move linearly.3.Analytics methods were applied to deduct the positive position solution of machine toolsparallel. Positive position solution was obtained by making use of homogeneous transformation of the coordinate frames. Axes pose of polishing tools was expressed by Euler angle. It is shown that the axes pose is related to inseries mechanism,but not parallel mechanism.4.On the basis of influence coefficient theory and Lagrangian equation, it was deducted that the kinetic equation of inseries and parallel mechanism. Kinetic simulation model was established by Adams. The simulation shows: there are much difference of velocity and acceleration in X,Y, Z direction of the machine tool. If it is required that high velocity and acceleration in Z direction, the same direction forces were added to the three siding blocks. The difference of value should be small enough. The difference of force value on the three sliding blocks should be big enough, if requiring high velocity and acceleration in X, Y direction.5.Through studying the structure and kinematics and kinetic of the inseries-parallel virtual axis machine tool for polishing free-form surfaces and on the working foundation of polishing theory of forefathers, it was developed that the sample of inseries-parallel virtual axis machine tool for polishing free-form surfaces.Keywords: parallel mechanism helix theory degree of freedominfluence coefficient free-form surfaces polishingvirtual axis machine toolStudy on the Kinematics and Interpolation Control of the Series-Parallel Hybrid Polishing Machine ToolIn 1994 on the Chicago international exhibition of machine tool (IMTS94), the parallel machine tools of Hexapod and Variax are displayed by the Ingersoll and Giddings & Lewis company of America for the first time, and it is paid close attention by the whole world. Based on the three dimensional parallel mechanism, the parallel machine tool founds a new principle of the construction and the kinematics for the machine tool, and is known as the biggest transformation and innovation of the mechanism for machine tool in this century , the machine tool of the 21 century . In after years, the manufacturers of Italy, Japan, Russia, Norway, Switzerland, Sweden and Danish etc. develop parallel machine tool competitively. In the end of 1997, the first parallel machine tool VAMT1Y of our country was developed by the Tsinghua University and Tianjin University jointly.Compared with the traditional series machine tool, the parallel machine tool has many merits on the aspect of the structure and the kinematics characteristic such as higher proportion of the rigidity and weight, less quality of the moving parts, rapider respond speed, less error accumulation, easier realization for 6 axles uniting to move, easier calculation for inverse kinematics result that is expedient for real time control, simpler structure of machine tool, higher technical additional value and so on. However, the parallel machine tool has also the disadvantages such as smaller work space, more difficult calculation for forward kinematics result, deeper nonlinear coupling among each axis and more complex control for interpolation, more difficult kinematics marking, weakIt is against the shortcomings of the parallel machine tool that the hybrid machine tool with series-parallel conformation has been developed.The series-parallel hybrid machine tool has inherited all advantages of the parallel virtual axis machine tool nearly, and its workspace to be increased, the difficulty to calculate the forward kinematics result and to control the machine tool to be reduced. For these reasons, theer rigidity and movement precision of the machine tool. series-parallel hybrid machine tool has shown powerful vitality though its rigidity and movement precision is still lower than the series machine tool. Observing the conformation of the machine tools to be made recently, mostly of them are series-parallel one.Studying the polishing for many years, the group knows that the polishing machining belongs to flexible machining. In the polishing process, the requirements for the rigidity and the movement precision of the machine tool are both lower because the active force of the polishing process is smaller and the displacement-force obedience controller is installed in the bearing rod of the polishing tool. For these reasons, the series-parallel hybrid machine tool can be used as a better polishing machine tool.Based on the polishing machine tool made by the group, these questions such as the conception design, the kinematics analysis, the interpolation control and the polishing experiment of the series-parallel hybrid polishing machine tool have been discussed deeply in the paper. Fig. 1 is the photo of the machine tool.After analyzing the structure characteristic, the kinematics characteristic and the control characteristic among the series conformation, the parallel conformation and the series-parallel conformation, select the conformation connected 2 series rotation mechanisms on the 3 DOFS translation moving platform as the conformation of the polishing machine tool. Fig. 2 is the mechanisms of the machine tool.The chain structure of 3 DOFS translation platform is analyzed. Through the method ofhomogeneous transformation and the analysis of dimensional geometry connection about the position-posture of the parallel platform, the closed position connection of the parallel platform is given out, and based on it, the conclusion is revealed that the most simple mechanism of the 3 DOFS translation platform is 3 single-link chains mechanism which is symmetrical in space and jointed by Hook joints. The structure parameters are discussed under the condition of the biggest ratio between the workspace and the structure space of the platform.Based on the closed position connection of the parallel platform, the forward kinematics result of the machine tool is given out, and the workspace of the machine tool is discussed in form and shape. The workspace of the series-parallel hybrid virtual axis polishing machine tool is a column space that is made up of 3 circular-arc surfaces, and its top and bottom are both the complex curved surface consists of 4 ball-arc surfaces. The concept of tool flexibility was introduced firstly in the analysis of machine tool workspace, and according to it, the workspace of the machine tool is divided into four kinds of flexible workspace, the full flexible-workspace, the most flexible-workspace, the fraction flexible-workspace and unhandy workspace. The main influence factor on the full flexible-workspace of the machine tool is the bearing rod length of the polishing tool. The workspace of the machine tool is shown as Fig. 3.Based on the closed position connection of the parallel platform and the requirement of position-posture on polishing tool, the inverse kinematics result of the machine tool is analyzed in form and calculating method. Being the polishing posture angle 1, the axes of the polishing tool bearing rod can form a cone with half-angle 1(shown as Fig. 4). That makes the inverse kinematics result of the machine tool have the characteristic of more values and uncertainty. In order to make the inverse kinematics result uniquely, the technical restricting conditions and the motion restricting conditions should be appended. The relations among the active force, the polishing velocity and the polishing posture angle 1 are analyzed, and the technical restricting conditions, the motion restricting conditions are put forward. The method of calculating the polishing posture in four kinds of flexible workspace is introduced. After that, the inverse kinematics result of the machine tool is given out. Fig. 5 is the semi-cone that the axes of the polishing tool bearing rod should be located on.According to the property of the variable definition region of the NURBS curved surface, the polishing path has been planned. For the reason of its excellent property, online direct interpolation control is chosen as the interpolation control method of the new developing system.Based on the analysis about the row space of the polishing trace and its influence factor, the interpolation step size and its influence factor, the methods how to determine the row space of the polishing trace and the interpolation step size are given out. The relation between row space and radius of the curved surface is shown in Fig. 6, and the relation between interpolation step size and radius of the curved surface is shown in Fig. 7.Research on CNC System of five-coordinate Virtual Axis polishing Machine Tool1IntroductionSince our country was affiliated to WTO in due form in 2001, the economic development is speedier. With the development of automobile industry, aeronautics and astronautics industry and some new high-tech industries, the larger is the proportion of NC machining parts with free-form surface in all, the higher and higher requirements are made for quality and efficiency of machining on free-form surfaces. However, these subsequent processes of precision machining still dependmainly on the handwork of skilled mechanists presently. Productivity effect of handwork is very low and its quality is unstable. As to the machining of free-form surfaces, low cost and short period and high quality were its main aim. As a result of that, the research of a kind of increasingly automated polishing equipment is imperative. This paper regards the JDYP51 model five-coordinate virtual axis polishing machine tool for polishing free-form surfaces. We have researched a kind of open architecture CNC system which is based on PMAC.2Mechanism design analysis of virtual axis machine toolThe series-parallel machine tool, which is well arranged by in series and parallel, is researched in this dissertation.It is a “3+2” model virtual axi
收藏