并联结构机床设计[毕业论文+CAD图纸]

机床设计毕业论文：并联结构机床设计含论文，CAD图纸，三维图纸

摘 要

并联机床(Parallel Machine Tools)，又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是近年来国内外机床研究的热点，它具有自由度多、刚度高、精度高、传动链短、制造成本低等优点。但其也不足之处，其中位置正解复杂就是关键的一条。3-SPS伸缩式并联机床是Stewart机床的一种变形结构形式，它主要特点是动、静平台上的3个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。

并联机床是集机械、气动（液压）、控制技术于一体的典型的机电一体化设备，它容易实现“三轴联动”，有望成为21世纪高速轻型数控加工的主力设备。本课题结合本院实验室建设，设六自由度并联机床机构，使其能根据工艺要求进行加工。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。

本课题设计的主要针对并联机床结构设计，其内容主要包括并联机床设计方案的确定，并联机床机构设计计算，以及滚珠丝杠螺母副、伺服电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用，并利用UG软件绘制各相关零部件的三维实体零件图和总装配图，以期达到能直观看出并联机床实体机构的效果。

关键词：并联机床；伺服电动机；空间变换矩阵；

Abstract

PMT (Parallel Machine Tools), also known as the parallel structure machine (Parallel Structured Machine Tools), Virtual Axis Machine Tool, has also been known as the six-legged machine, six-legged insects (Hexapods).Parallel machine is in recent years the domestic machine tool research hot spot, it has multiple degrees of freedom, high rigidity, high precision, short transmission chain, with low manufacturing cost.But its shortcomings, in which the forward solution of position of a complex is the key. 3-SPS telescopic type parallel machine tool is Stewart machine tools, a deformable structure form, it is the main characteristics of dynamic, static platform on the 6joints are respectively distributed on the same plane, and form the shape similarity.

Parallel machine is a mechanical, pneumatic (hydraulic), control technology in one of the typical electrical and mechanical integration equipment. Parallel machine is easy to achieve "six-axis", is expected to become the 21st century, the main high-speed light CNC machining equipment. The combination of hospital laboratory construction project, located six-DOF parallel machine tool sector, so that it can be processed according to process requirements. Improve their engineering quality, innovation, comprehensive practice and application of skills.

The main topics for the design of parallel machine tool design, its content includes the determination of robot design, robot design and calculation, and the ball screw pair, stepping motor, bearings, couplings, limit switch, spindle ,and other major components of the calculation used to draw solid model and using UG software to draw the relevant parts of the three-dimensional solid parts drawings, and assembly drawings to achieve the parallel machine tool can directly see the effect of physical bodies.

Keywords: parallel machine；Stepping motor；space transformation matrix；ball screw pair

目 录

第一章 总体方案的确定 1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 课题研究的意义 2
1.3 课题研究的内容 3
1.3.1 并联机构介绍 3
1.3.2 并联机床设计类型的选定 3
1.3.3 并联机床结构设计的相关计算 4
1.3.4 各零部件的三维建模、装配与二维图的转化 4
第二章 并联机床结构设计相关计算 5
2.1 3-SPS伸缩式并联机床位置逆解计算与分析 5
2.1.1 3-SPS并联并联机床机械结构简介 6
2.1.2 坐标系的建立 6
2.1.3 初始条件的确立 7
2.1.4 空间变换矩阵的求解 7
2.1.5 新坐标及各轴滑块移动量的计算 9
2.1.6 并联机床杆系简化分析 12
2.2 滚动轴承的选用 20
2.2.1 基本额定载荷 20
2.2.2 滚动轴承的选择 20
2.2.3 轴承的校核 22
2.3 步进电动机的计算与选型 22
2.3.1 伺服电机转轴上总转动惯量的计算 22
2.3.2 伺服电机转轴上等效负载转矩的计算 24
2.3.3 步进电动机尺寸 27
2.4 联轴器的选用 28
第三章 并联机床三维建模、装配与出图 30
3.1 UG软件的概述 30
3.2 UG的功能 30
3.3 主要零部件的UG建模 31
3.4 零件的装配 32
3.5 二维图的处理 34
第四章 并联机床前景展望 36
4.1 引言 36
4.2 并联机床未来研究方 36
总结 38
参考文献 39
谢 辞 40

第一章 总体方案的确定

1.1 课题的研究背景

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(Parallel Machine Tools)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)。并联机床实质上是并联机床技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联并联机床操作机。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：

① 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

② 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。

③ 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。装备并联机床腕、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。

④ 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IFW1研究所，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，与并联机床和并联并联机床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并联机床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。

整体而言，传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，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，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。

1.2 课题研究的意义

并联机床对于实现生产过程自动化、提高劳动生产率、降低劳动强度、保障生产安全具有重要意义。并联机床是集机械、气动（液压）、控制技术于一体的典型的机电一体化设备。并联机床容易实现“三轴联动”，有望成为21世纪高速轻型数控加工的主力设备。本课题结合本院实验室建设，设六自由度并联机床机构，使其能根据工艺要求进行加工。从而使学生得到一次机械结构设计、气动（液压）系统设计的训练。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。

1.3 课题研究的内容

设计过程中需要做的工作主要有：第一、收集相关资料，在了解3-SPS伸缩式并联机床工作原理的基础上，制定出满足设计要求的结构方案，绘制出主要结构。第二、完善机床的结构设计，完成传动零部件的设计、选型。第三、对并联机床工作原理及运行情况做简单分析、计算。第四、利用CAXA、UG软件建立零件图、装配模型，完善整机结构。

1.3.1 并联机构介绍

一．并联机构的定义

并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机。
二．并联机构的特点
并联机构主要具有以下特点：

（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；

（2）承载能力大；

（3）微动精度高；

（4）运动负荷小；

（5）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。

三．3自由度并联机构

3自由度并联机构是并联并联机床机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有3个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3 个运动链的6 自由度并联机构，如3-PRPS 和3-URS 等机构，还有在3 个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的3自由度并联机构等。

1.3.2 并联机床设计类型的选定

3自由度并联并联机床有很多种结构类型，如3-SPS型、6-PTRT型、6-PSS型等等。根据导师提供的参考资料以及毕业设计任务书，选定3-SPS型并联机床进行设计。

3-SPS伸缩式并联机构是将3套驱动模块固定在连杆上，每套驱动模块连接1套连杆机构，连杆机构末端与运动平台连接，由伺服电机驱动丝杠螺母副，使丝母滑座做倾斜（与连杆平行）方向的运动，然后通过连杆联动，带动运动平台产生运动。可以定义为动平台和定平台通过六个独立的运动链相连接，机构具有3个自由度，伸缩式且以并联方式驱动的一种闭环机。

此类型并联机床主要零部件包括伺服电机、滚珠丝杠螺母副、连杆、运动平台、底座、立柱、顶盖、运动铰链等，在研究过程中必须加强了解，使得并联机床结构设计得更加合理。

1.3.3 并联机床结构设计的相关计算

一．并联并联机床位置逆解的算

（1）坐标系的建立；

（2）初始条件的确立；

（3）空间变换阵的求解；

（4）求各轴的变化距离，实现逆解；

（5）计算结果的简化分析。

二．滚珠丝杠螺母副的计算与选型

三．伺服电机的计算与选型

四．其他主要零部件的计算与选用

1.3.4 各零部件的三维建模、装配与二维图的转化

为了较为直观的看出并联机床空间结构的特征，采用UG软件对并联机床各零部件进行三维建模并装配，以达到预期效果。在三维建模完成后将其转化成CAXA电子图版二维图进行修改完善，以便打印出图。

第二章 并联机床结构设计相关计算

此部分主要包括3-SPS伸缩式并联机床位置逆解的相关计算与分析，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，滚动轴承的选用，伺服电机的计算与选型，联轴器的选用与校核的选用等。所设计的3-SPS伸缩式并联机床实物图如图2-1所示：

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