并聯(lián)機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
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第1章 緒 論
1.1課題背景與意義
為了提高對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足快速多變的市場(chǎng)需求，近年來(lái)全球機(jī)床制造業(yè)都在積極探索和研制新型多功能的制造裝備與系統(tǒng)，其中在機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)上的突破性進(jìn)展當(dāng)屬90年代中期問世的并聯(lián)機(jī)床(ParallelMachineTool)，又稱虛(擬)軸機(jī)床(VirtualAxisMachineTool)或并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器(ParallelKinematicsMachine)。并聯(lián)機(jī)床實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其原型是并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)。與實(shí)現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床具有如下優(yōu)點(diǎn)：
剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。
響應(yīng)速度快：運(yùn)動(dòng)部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，允許動(dòng)平臺(tái)獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。
環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械手腕、高能束源或CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測(cè)量等作業(yè)。
技術(shù)附加值高：并聯(lián)機(jī)床具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究與開發(fā)并聯(lián)機(jī)床非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機(jī)。1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上，美國(guó)Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)床與加工中心，引起轟動(dòng)。此后，英國(guó)Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)和斯圖加特大學(xué)等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和加工中心。與之相呼應(yīng)，由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會(huì)，并在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點(diǎn)。近年來(lái)，與并聯(lián)機(jī)床和并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會(huì)、1998～1999年CIRA大會(huì)、ASME第25屆機(jī)構(gòu)學(xué)雙年會(huì)、第10屆TMM世界大會(huì)均有大量文章涉及這一領(lǐng)域。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)，并決定第二屆研討會(huì)于2000年在美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上均有這類新型機(jī)床參展，并認(rèn)為可望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。
我國(guó)已將并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)列入國(guó)家“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究連續(xù)得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家攀登計(jì)劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機(jī)床的研發(fā)納入教育部211工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機(jī)床骨干企業(yè)的參與。在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持下，中國(guó)大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學(xué)召開了我國(guó)第一屆并聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會(huì)，對(duì)并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)趨勢(shì)以及亟待解決的問題進(jìn)行了研討。
1.2 并聯(lián)機(jī)床發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床及虛擬軸機(jī)床普遍采用Stewart平臺(tái)及其變形機(jī)構(gòu),它是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)的完美結(jié)合。并聯(lián)機(jī)床使將近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本性的變革,拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式,采用了多桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念。由于采用Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu),大大提高了機(jī)床的剛度,實(shí)現(xiàn)了高速超高速的機(jī)床加工,促使加工速度和加工質(zhì)量顯著提高。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn),在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用?？梢哉f(shuō):“虛擬軸數(shù)控機(jī)床被認(rèn)為是20 世紀(jì)最具有革命性的機(jī)床設(shè)計(jì)的突破,代表了21世紀(jì)機(jī)床發(fā)展的方向?！?
并聯(lián)機(jī)床的研究方向：
（1）?并聯(lián)機(jī)床組成原理的研究
研究并聯(lián)機(jī)床自由度計(jì)算、運(yùn)動(dòng)副類型、支鉸類型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問題。
（2）?并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)空間的研究
包括運(yùn)動(dòng)空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解（如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等）、機(jī)床干涉計(jì)算及位置分析等。
（3）?并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究
并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括數(shù)控平臺(tái)建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等）。
（4）?并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究
并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度，但這個(gè)特性引起的耦合問題，相對(duì)的形成在動(dòng)力分析上很大的困擾，因此對(duì)其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國(guó)際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究（及機(jī)床制造前精度設(shè)計(jì)和精度描述）和系統(tǒng)輸出精度研究（及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評(píng)價(jià)）。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。
（5）?并聯(lián)機(jī)床誤差研究
包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題。
（6）?并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計(jì)與創(chuàng)建
根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機(jī)座模塊（靜平臺(tái)模塊）；③動(dòng)平臺(tái)模塊；④機(jī)架模塊；⑤定位模塊；⑥驅(qū)動(dòng)模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤(rùn)滑與冷卻模塊。
（7）?新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究
虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因?yàn)檫@種機(jī)床的設(shè)計(jì)與運(yùn)行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算與推理。目前對(duì)于Stewart平臺(tái)的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺(tái)的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)。
（8）?并聯(lián)機(jī)床控制的研究
包括高速、高精度的控制算法，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。
目前，并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)如下兩個(gè)特點(diǎn)：
(1)并聯(lián)機(jī)床構(gòu)型的多樣性
構(gòu)型的多樣性是并聯(lián)機(jī)床的顯著特點(diǎn)之一，每一種構(gòu)型都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，都有其各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)出多種適用于不同應(yīng)用條件的并聯(lián)機(jī)構(gòu)也一直是機(jī)構(gòu)學(xué)家們研究的一個(gè)重要內(nèi)容。近幾年，眾多學(xué)者提出了多種新機(jī)構(gòu)構(gòu)型，并對(duì)機(jī)構(gòu)的類型和構(gòu)建方法進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。目前，基于串并混聯(lián)、內(nèi)外副混合驅(qū)動(dòng)或純并聯(lián)的少自由度機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床正逐漸受到人們的青睞，最有代表性的基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床是瑞典Neos Robotics公司開發(fā)研制的Tricept系列。
然而，由于并聯(lián)機(jī)床出現(xiàn)不久，并沒有專用的設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，目前開發(fā)一種新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)周期仍很長(zhǎng)，因此迫切需要一個(gè)快速的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)以滿足結(jié)構(gòu)日趨多樣的新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)開發(fā)需求。
(2)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用技術(shù)研究不斷深入
雖然已開發(fā)出一些并聯(lián)機(jī)床商業(yè)化樣機(jī)，且有產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用，但由于設(shè)計(jì)理論和工程技術(shù)的研究不夠成熟，目前并聯(lián)機(jī)床在作業(yè)能力、作業(yè)性能等方面表現(xiàn)差強(qiáng)人意，與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比存在一定差距。有關(guān)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)建模與分析、精度保證、控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究一直在不斷深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解結(jié)論，Innocenti和Cheok等人提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空間幾何解析法，黃田和汪勁松等人提出的工作空間邊界的變心球面族包絡(luò)面求交法；基于各向同性條件（局部靈活度）、動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)能力、總體靈活度指標(biāo)的多種尺度綜合方法；Nguyen、Lee、Liu關(guān)于動(dòng)力學(xué)建模及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的構(gòu)造的理論結(jié)果，以及熊有倫提出的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略；用不同方法建立的驅(qū)動(dòng)部件誤差與終端誤差之間的關(guān)系；多種運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、提高機(jī)床加工精度的方法等?？傊⒙?lián)機(jī)床的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)外都取得了很多有價(jià)值的理論成果，在應(yīng)用技術(shù)方面也取得很大進(jìn)展。
有關(guān)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)和應(yīng)用的理論成果和應(yīng)用技術(shù)雖然很多，然而這些理論成果和技術(shù)覆蓋了并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)開發(fā)的多個(gè)環(huán)節(jié)，相對(duì)獨(dú)立分散，很難有機(jī)地融合在一起，不能系統(tǒng)有效地應(yīng)用到并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)開發(fā)中。此外，由于并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、精度保證等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)均涉及非常復(fù)雜的非線性問題，很多設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)間存在模型演化困難、數(shù)據(jù)難以集成等技術(shù)障礙。因此，迫切需要一個(gè)集成化一體化的并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，以解決上述問題。
通過對(duì)當(dāng)前并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的分析，可以看出，集成化、一體化、數(shù)字化的并聯(lián)機(jī)床快速開發(fā)平臺(tái)能夠大大縮短并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)開發(fā)周期、實(shí)現(xiàn)最新設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用技術(shù)的集成和應(yīng)用、保證設(shè)計(jì)過程的一體化，從而推動(dòng)并聯(lián)機(jī)床在理論方面的研究進(jìn)展和在實(shí)際應(yīng)用方面走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
但是迄今為止，國(guó)內(nèi)外與此相關(guān)的研究很少，涉及到并聯(lián)機(jī)床的集成化設(shè)計(jì)方法、虛擬原型設(shè)計(jì)環(huán)境、虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果：
1965年,D. Stewart首次提出了一種6條腿連接基礎(chǔ)平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的六自由度并聯(lián)機(jī)床,同時(shí)研究了其在飛行模擬器上的應(yīng)用并展開了相應(yīng)理論的研究,奠定了其在并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域的鼻祖地位,并聯(lián)機(jī)構(gòu)也被稱為Stewart機(jī)構(gòu)。典型的Stewart平臺(tái)如圖1所示,它由上下兩個(gè)平臺(tái)和6個(gè)并聯(lián)的、可獨(dú)立自由伸縮的桿件組成,伸縮桿和平臺(tái)之間通過球鉸鏈連接,改變伸縮桿的長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)上動(dòng)平臺(tái)在空間的多自由度運(yùn)行。
在IMT94 (1994年美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì))上,美國(guó)Giddings & Lewis公司和Ingersoll銑床公司、瑞士Geodetis公司展出了Stewart數(shù)控機(jī)床樣品,舉世矚目,如圖2所示。世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始大量投入Stewart平臺(tái)的研究與開發(fā)。9月在美國(guó)成立Hexel公司,專業(yè)從事各種類型的Stewart機(jī)床機(jī)器功能部件研究、開發(fā)、生產(chǎn)與銷售,該公司的部分產(chǎn)品。隨后,在政府和企業(yè)的支持下,美國(guó)成立了五個(gè)國(guó)家級(jí)基地(M IT、N IST、ORNL、SNL /NM、SNL /CA)專業(yè)從事Stewart機(jī)床的研究開發(fā)。
1995年5月EMO 米蘭展覽會(huì)上,意大利Comau公司、日本日立精機(jī)展出了Stewart機(jī)器人。
1996年, SGI公司開發(fā)出UN IX平臺(tái)Stewart機(jī)床設(shè)計(jì)造型三維CAD軟件包。同年10月,日本本田工機(jī)公司在豐田技術(shù)展覽會(huì)上展出了日本第一臺(tái)Stewart機(jī)床,用于鑄鍛模具的高速加工。在EMO97 (1997年漢諾威國(guó)際機(jī)床展覽會(huì))上展出了10余件Stewart機(jī)床樣品,并首次進(jìn)行金屬工件銑削, Stewart機(jī)床又向商品化邁進(jìn)了一步。在此次展覽會(huì)上,在概念上將傳統(tǒng)機(jī)床與新興的Stewart機(jī)床從結(jié)構(gòu)上劃分為串聯(lián)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床,這是人類對(duì)機(jī)床機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)概念上的突破, Stewart機(jī)床專用功能部件,如球鉸、虎克鉸、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、控制器等的專業(yè)研究開發(fā)生產(chǎn)迅速崛起。C IMT97 (第五屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì))上,俄羅斯Lap ik公司展出了TM - 750型Stewart數(shù)控機(jī)床。1997年12 月, 清華大學(xué)與天津大學(xué)合作開發(fā)
Stewart機(jī)床原型樣機(jī)VAMT1Y。1999年,在C IMT、CCMT等國(guó)際、國(guó)內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上,國(guó)內(nèi)的五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相,國(guó)內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)逐漸打開,隨后國(guó)際機(jī)床巨頭紛至沓來(lái),五軸數(shù)控機(jī)床的品種和數(shù)量逐年上升。
2000年, CCMT2000分別推出3臺(tái)國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。
2001年,在C IMT2001國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上,北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)床股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速達(dá)10 000 r /min的五軸高速龍門加工中心;北京市機(jī)電院展出了主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min 的五軸高速立式加工中心;清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63,采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)六自由度聯(lián)動(dòng);大連機(jī)床廠自行研制的串并聯(lián)機(jī)床DCB- 510,其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開發(fā),該機(jī)床通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸直線運(yùn)動(dòng),由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng),其直線快速進(jìn)給速度可達(dá)80 m /min。本屆機(jī)床展最先進(jìn)、最好的展品是北京機(jī)床研究所的兩臺(tái)納米級(jí)機(jī)床和一臺(tái)高精度數(shù)控機(jī)床。其中的NAM - 800超精度數(shù)控車床是我國(guó)納米加工機(jī)床的最新成就,在世界上也是超一流的。它應(yīng)用于激光、航空航天、軍工等最前沿的領(lǐng)域,主軸回轉(zhuǎn)精度和反饋系統(tǒng)分辨率、控制系統(tǒng)分辨率分別達(dá)到了30納米、215納米和5納米。近年來(lái),并聯(lián)機(jī)床向著集成化、模塊化方向發(fā)展,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一系列的以并聯(lián)機(jī)床為核心的小型化加工中心。
自從1965 年Stewart提出著名的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu),從此開始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床研究。但開始時(shí)人們還只是對(duì)這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:并聯(lián)機(jī)床組成原理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并聯(lián)機(jī)床的工作空間和工位奇異性研究,并聯(lián)機(jī)床特性(剛度、精度、柔度、靈巧度)的研究,并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力與控制策略的研究等。其中在一些方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,并成功應(yīng)用于實(shí)踐。
并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括數(shù)控平臺(tái)建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)。并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度，但這個(gè)特性引起的耦合問題，相對(duì)的形成在動(dòng)力分析上很大的困擾，因此對(duì)其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國(guó)際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究(及機(jī)床制造前精度設(shè)計(jì)和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評(píng)價(jià))。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評(píng)價(jià)指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機(jī)床誤差研究。 包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計(jì)與創(chuàng)建。 根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。
并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機(jī)座模塊(靜平臺(tái)模塊)；③動(dòng)平臺(tái)模塊；④機(jī)架模塊；⑤定位模塊；⑥驅(qū)動(dòng)模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤(rùn)滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究。 虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因?yàn)檫@種機(jī)床的設(shè)計(jì)與運(yùn)行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算與推理。目前對(duì)于Stewart平臺(tái)的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺(tái)的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)。并聯(lián)機(jī)床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。
1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容
給定主軸功率1kw，加工范圍半徑為350的半球體，主軸傾角±25°
以上述參數(shù)，自行設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床總體零部件及裝配方案。
涉及到電主軸、刀具夾頭、裝卡夾具、立柱、底座、電源走向、安裝定位等的選用及其設(shè)計(jì)。
動(dòng)力學(xué)問題
?剛體動(dòng)力學(xué)逆問題是并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力分析、整機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和控制器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)。這類問題可歸結(jié)為已知?jiǎng)悠脚_(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解鉸內(nèi)力和驅(qū)動(dòng)力。相應(yīng)的建模方法可采用幾乎所有可以利用的力學(xué)原理，如牛頓－尤拉法、拉格朗日方程、虛功原理、凱恩方程等。由于極易由雅可比和海賽矩陣建立操作空間與關(guān)節(jié)空間速度和加速度的映射關(guān)系，并據(jù)此構(gòu)造各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的廣義速度和廣義慣性力，因此有理由認(rèn)為，虛功(率)原理是首選的建模方法。
動(dòng)態(tài)性能是影響并聯(lián)機(jī)床加工效率和加工精度的重要指標(biāo)。并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力性能評(píng)價(jià)完全可以沿用串聯(lián)機(jī)器人的相應(yīng)成果，即可用動(dòng)態(tài)條件數(shù)、動(dòng)態(tài)最小奇異值和動(dòng)態(tài)可操作性橢球半軸長(zhǎng)幾何均值作為指標(biāo)。與機(jī)器人不同，金屬切削機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣主要是基于對(duì)結(jié)構(gòu)抗振性和切削穩(wěn)定性的考慮。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)一般可歸結(jié)為，提高整機(jī)單位重量的靜剛度；通過質(zhì)量和剛度合理匹配使得低階主導(dǎo)模態(tài)的振動(dòng)能量均衡；以及有效地降低刀具與工件間相對(duì)動(dòng)柔度的最大負(fù)實(shí)部，以期改善抵抗切削顫振的能力。由此可見，機(jī)器人與機(jī)床二者間動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是存在一定差異的。事實(shí)上，前者沒有計(jì)及對(duì)結(jié)構(gòu)支撐子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，以及對(duì)工作性能的特殊要求；而后者未考慮運(yùn)動(dòng)部件慣性及剛度隨位形變化的時(shí)變性和非線性。因此，深入探討并聯(lián)機(jī)床這類機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)耦合的、具有非定長(zhǎng)和非線性特征的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和整機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，將是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的工作。這項(xiàng)工作對(duì)于指導(dǎo)控制器參數(shù)整定，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)也是極為重要的。
第2章 重要零部件選型
2.1依照主軸功率確定電主軸型號(hào)
按課題要求主軸切削功率為1kw，以課題的三桿并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)看，周邊立柱呈現(xiàn)120度圓周矩陣形式，主軸必然要在正中心，固定于三連桿下端的動(dòng)平臺(tái)上。
主軸功率1w，可知主軸所產(chǎn)生的外力偶矩m=9550P/n，主軸電機(jī)選型轉(zhuǎn)速n=24000r/min，由此可推算出外力偶矩m=9550×1/24000=0.398N·m
經(jīng)過多方查詢，最終確定了電主軸型號(hào)：為XCSD100Z24，詳細(xì)參數(shù)見下表所示。
型號(hào)
電機(jī)
潤(rùn)滑
軸端
連接
尺寸(mm)
功率
(kw)
恒功
率段
電壓
(V)
電流
(A)
轉(zhuǎn)速
r/min
頻率
(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 選擇主軸下部刀具夾頭
電主軸已經(jīng)確定為XCSD100Z24，就要考慮刀具的安裝為題了。
從上表可以看出，其主軸電機(jī)輸出端為UC10，查機(jī)械師設(shè)計(jì)手冊(cè)后得知，UC10是一種可以周向旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)節(jié)軸承，用于調(diào)整位置度的連接軸承，這種軸承恰恰解決了題目中要求的主軸傾角達(dá)到±25°。
UC10關(guān)節(jié)軸承縱向剖視圖
已知關(guān)節(jié)軸承型號(hào)，查手冊(cè)——其裝卡直徑為10mm。
關(guān)鍵參數(shù)均為已知量，接下來(lái)就可以選擇所需的刀具夾頭——刀柄了。
并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)確定了它扮演著一臺(tái)數(shù)控立銑的角色，所以刀柄的選用范圍也就確定下來(lái)，應(yīng)為裝卡直徑10mm的數(shù)控銑夾頭，查詢后得出：JT(BT)40-QH1- 75
JT系列
d
D
L
勾板手規(guī)格
配用卡簧型號(hào)
JT(BT)40-QH1- 75
3-10
36
75
38-42
QH1
2.3工件裝卡夾具選用
裝卡范圍：R=175的半球，徑向長(zhǎng)度是350，也就是說(shuō)卡具夾持的最大值至少為350mm。翻閱了卡具設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)各種機(jī)床的卡具樣式進(jìn)行了對(duì)比，可用于此并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的有：車床的三抓卡盤（需作改動(dòng)）、銑床的平口虎鉗。
因?yàn)樗杓庸すぜ螤畹牟淮_定性，所以以車床的三爪卡盤比較適合，它能夠解決工件夾裝時(shí)的自定心問題。只要在車床卡盤的基礎(chǔ)上，取消卡盤隨主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)即可。
三爪卡盤資料分析：
型號(hào)規(guī)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
夾持范圍：滿足徑向350mm
規(guī)格D
正爪
反爪
夾緊范圍
撐緊范圍
夾緊范圍
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，規(guī)格D500反爪加緊范圍150~500，滿足徑向350mm，可定下卡盤規(guī)格為D500。
卡盤規(guī)格確定后，再查卡爪的尺寸
卡爪
卡爪參數(shù)表：
規(guī)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
卡爪底座參數(shù)表：
規(guī)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
夾具加工時(shí)的注意要求：
用于并聯(lián)機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三爪卡盤需作改動(dòng)，免去了車床卡盤中盤體隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)這一動(dòng)作，所以，卡盤中軸部分予以取消?？ūP與機(jī)架連接部分只需加工六個(gè)圓周陣列的M20的沉頭通孔，用于與機(jī)架相連的螺釘貫穿卡盤，其固定作用。
卡爪依照尺寸表和零件圖加工，爪體階梯部位要求有突起，形成不規(guī)則表面，用于增大摩擦力，使之加緊時(shí)的加緊里更充足。
卡爪和卡座用螺釘配合，配合孔加工要以螺釘為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榭卓梢约庸ぃ葆斒菢?biāo)準(zhǔn)件，難于對(duì)其在作改動(dòng)。
卡盤內(nèi)部錐齒輪部分不需作改動(dòng)，由一個(gè)大錐齒輪，三個(gè)小錐齒輪，三個(gè)卡爪組成。三個(gè)小錐齒輪和大錐齒輪嚙合，大錐齒輪的背面有平面螺紋結(jié)構(gòu)，三個(gè)卡爪等分安裝在平面螺紋上。當(dāng)用扳手扳動(dòng)小錐齒輪時(shí)，大錐齒輪便轉(zhuǎn)動(dòng)，背面的平面螺紋就使三個(gè)卡爪同時(shí)向中心靠近或退出。
第3章 實(shí)驗(yàn)臺(tái)支承部分及其連接的方案
3.1機(jī)架的設(shè)計(jì)方案
機(jī)架作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的支承部分，是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。
機(jī)架設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則應(yīng)保證：剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。
在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕、成本低；抗震性好，把受迫震動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi)；噪聲??；溫度場(chǎng)分布合理，熱變形對(duì)精度的影響??；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；有道軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌受力合理、耐磨性良好；造型好，使之既適用經(jīng)濟(jì)，又美觀大方。
按照以上機(jī)架設(shè)計(jì)的要求準(zhǔn)則，首先確定機(jī)架的制造形式，為鑄造機(jī)架。
機(jī)架的設(shè)計(jì)出以上要點(diǎn)需要考慮之外，還有并聯(lián)部分的估算，在不影響并聯(lián)機(jī)構(gòu)正常伸縮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況之下，才能確定機(jī)架的具體造型結(jié)構(gòu)。
所開發(fā)的三平動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)床采用如圖1所示的3-HSS構(gòu)型(在此，H為螺旋副，S為球面副)，由底座、動(dòng)平臺(tái)和 三根立柱組成；每條支鏈中含三根平行定長(zhǎng)桿件，各桿件兩端與動(dòng)平臺(tái)用球鉸(或虎克鉸)連接。為了使動(dòng)平臺(tái)僅沿笛卡兒系三個(gè)方向平動(dòng)，令各支鏈中的三根桿件在結(jié)構(gòu)上保持平行，并與動(dòng)平臺(tái)的鉸點(diǎn)構(gòu)成 等邊三角形，進(jìn)而形成空間平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)。該機(jī)床主要用于三坐標(biāo)高速銑、鏜、磨加工，亦可配以數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)完成多坐標(biāo)異型曲面和刀具刃磨。上述總體設(shè)計(jì) 方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 工作空間呈柱形，具有較大的編程空間與機(jī)床體積比，且平行于工作臺(tái)任意截面的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能等同。
(2) 位置及速度正、逆解均有顯式解析解答，可實(shí)施快速PVT插補(bǔ)和在線運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定。
(3)支鏈采用帶消極約束的三桿平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)，不但可有效地消除鉸鏈間隙，且可大幅度提高動(dòng)平臺(tái)抵抗切削顛覆力矩的能力。
(4)除底座和動(dòng)平臺(tái)外，主要結(jié)構(gòu)件均為三對(duì)稱，可大幅度減少零部件設(shè)計(jì)工作和制造成本。
位置逆解模型
位置逆解涉及已知機(jī)床尺度參數(shù)和動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn) 位置，反求滑鞍位置，其目的有二：一是已知CAM模型后通過粗插補(bǔ)為伺服控制提供必要的輸入；二是為基于靈活度指標(biāo)的尺度綜合提供數(shù)學(xué)模型。因采用平行四 邊形支鏈結(jié)構(gòu)使得鏈中各桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律等同，故在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)可將原機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖2所示的等效機(jī)構(gòu)。在工作臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)上分別建立固定參考系o-xyz和連體 參考系o′-x′y′z′，點(diǎn)o′在系o-xyz下的位矢可表示為
（1）
式中，bi=rb(cosβi sinβi 0)T，ai=ra(cosβi sinβi 0)T為點(diǎn)Bi和Ai在系o-xyz和o′-x′y′z′的位置矢量；ra、rb為動(dòng)、靜平臺(tái)半徑；βi為點(diǎn)Bi和Ai在o-xyz和o′-x′y′z′下位置角，且有
wi為支鏈i的單位矢量；L為支鏈桿長(zhǎng)；qi為滑鞍i相對(duì)參考點(diǎn)Bi的位移；e3=(0 0 1)T。對(duì)式(1)兩端取模方并整理得
（2）
根據(jù)裝配模式可解出
（3）
且可確定wi=(r-bi+ai-qie3)/L。
靈活度分析
靈活度(Dexterity)是評(píng)價(jià)并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的重要指標(biāo)，可用動(dòng)平臺(tái)三維笛卡爾速度到滑鞍移動(dòng)速度的映射矩陣——雅可比矩陣的條件數(shù)來(lái)表征。條件數(shù)越小，則說(shuō)明機(jī)床理論伺服精度越高，因此可作為結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
對(duì)式(1)關(guān)于時(shí)間求導(dǎo)，得到點(diǎn)o′的速度為
（4）
式中ωi為支鏈i的角速度矢量。對(duì)上式兩端點(diǎn)積wi并寫成矩陣形式有
（5）
式（5）為雅可比矩陣。求解如下特征方程，求解如下特征方程
（6）
即可解出J的條件數(shù)
（7）
式中，λi為JTJ的第i(i=1,2,3)階特征根。
工作空間綜合
工作空間綜合的目的是，給定編程空間的動(dòng)平臺(tái)半徑ra、球鉸鏈的許用半錐角δ1，求點(diǎn)o′位于z軸上時(shí)，wi與z軸的夾角δ0，桿長(zhǎng)L和滑鞍行程s。為此，首先將式(1)改寫為r=Lwi+r0i (8)
式中，r0i=bi-ai+qie3。保留支鏈i與動(dòng)平臺(tái)的鉸約束而解出其它，則給定qi后，點(diǎn)o′的軌跡可視為以r0i矢端為圓心，以L為半徑的球面片。由位置空間組成原理知［3，5］，點(diǎn)o′的可達(dá)空間為所有支鏈子空間的交集。根據(jù)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不妨設(shè)點(diǎn)o′的編程空間是半徑為r、高為h的圓柱體，且令其與可達(dá)空間內(nèi)接。注意到每一支鏈的可達(dá)子空間最小截面一定在r0i與z軸張成的平面內(nèi)，故對(duì)圖2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剖即可得到圖3。設(shè)球鉸許用半錐角為δ1，且點(diǎn)o′在z軸上時(shí)支鏈軸線與球鉸安裝平面法矢重合，則由圖3幾何關(guān)系得
（9）
對(duì)上式整理可解出
（10）
式中s1=L［cosδ0-cos(δ0+δ1)］
根據(jù)安裝在動(dòng)平臺(tái)上末端執(zhí)行器(如電主軸)的尺寸，給定動(dòng)平臺(tái)半徑ra，則靜平臺(tái)半徑可由下式確定
rb=Lsinδ0+ra (11)
又根據(jù)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)點(diǎn)o′降至最低時(shí)距工作臺(tái)面高度為s3≥s1，則機(jī)床的理論高度應(yīng)為
H=s3+Lcosδ0+h+s2 (12)
考察式(10)～(12)可見，當(dāng)給定r、h、ra和δ1后，L、rb、s和H均為δ0的函數(shù)。
圖4示出了當(dāng)取δ1=25°時(shí)，在任意平面內(nèi)雅可比的條件數(shù)在編程空間邊緣的最大和最小值Wmax、Wmin以及在空間中心取值W0隨δ0的變化規(guī)律。由圖可見，利用靈活度各向同性條件［6］綜合出的δ0并不能保證全域靈活度最優(yōu)。為此需要構(gòu)造如下目標(biāo)泛函
（13）
并通過一維尋優(yōu)來(lái)確定δ0。在此，t為權(quán)系數(shù)，為條件數(shù)的“重心”。S為編程空間截面面積。上述性能指標(biāo)的意義可解釋為：使得條件數(shù)全域最大值及其關(guān)于重心偏差的一次矩在加權(quán)意義下最小。
由上述公式，定下了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)范圍，選擇絲杠副長(zhǎng)度950mm，外加絲杠連桿套筒，長(zhǎng)度總共為1050。
3.2鑄造機(jī)架的材料及熱處理
材料選擇——查閱鑄造機(jī)架常用材料后得出，鑄鐵機(jī)架用于并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)比其他金屬性價(jià)比高，是機(jī)架使用最多的一種材料，它的流動(dòng)性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復(fù)雜的鑄件。在鑄造中加入少量合金元素還可提高耐磨性能。鑄鐵的內(nèi)摩擦大、阻尼作用強(qiáng)，故動(dòng)態(tài)剛性好。鑄鐵還具有切削性能好、價(jià)格便宜和易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
牌號(hào)的選用——選擇了HT200，用于承受大彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力。如機(jī)床的立柱，齒輪箱體、工作臺(tái)、機(jī)床橫梁和滑板等。
鑄鐵機(jī)架的時(shí)效處理——時(shí)效處理的目的是在不降低鑄鐵力學(xué)性能的前提下，是鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)力得到消除或隱定，以減少長(zhǎng)期使用中的變形，保證幾何精度。
時(shí)效處理分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種。
自然時(shí)效方法簡(jiǎn)單，效果好，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要占地面積大。在加工后要在室外放置半年到一年，使內(nèi)應(yīng)自然松弛或消除。
人工時(shí)效普遍應(yīng)用熱處理方法，將鑄件緩慢加熱到共析點(diǎn)以下（一般為500~600℃），保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力。
經(jīng)驗(yàn)證明，在人工時(shí)效后配以短時(shí)間的自然時(shí)效，對(duì)精度穩(wěn)定性可獲得良好的效果。
所以實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)架鑄造完畢后，須人工時(shí)效處理后，方可安裝。
立柱高度——之前依然斷定了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍，并聯(lián)部分的三根滾珠絲杠副長(zhǎng)度是950，加上絲杠外部的套筒，總共長(zhǎng)度1050。同時(shí)，并聯(lián)部分在作伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，要保留出伸縮空間，所以立柱的高度定在1500mm。這樣的高度既保證了上端并聯(lián)部分的運(yùn)動(dòng)，又預(yù)留出了并聯(lián)部分下面的卡盤裝卡工件的高度。
3.3機(jī)架的截面形狀、壁厚及周邊筋的布置
由于主軸產(chǎn)生的外力偶矩通過切削運(yùn)動(dòng)傳遞給并聯(lián)機(jī)構(gòu)和機(jī)架立柱，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此論文中不予考慮，則力矩平均分配到三根圓周陣列的方形立柱上。
三根正方形立柱平均受扭轉(zhuǎn)力的作用，根據(jù)材料力學(xué)公式，立柱邊長(zhǎng)300mm，厚度20mm，面積為0.3×0.3=0.09m2。將慣性矩相減后，得出每根立柱的慣性矩IP=hb3/6=5.8×108mm4。
鑄鐵件的彈性模量E從工程手冊(cè)中可查得為E=113~157，取中間值約為E=130
則EI=1.3×105×5.8×108=7.54×1013 KN·mm2
抗彎截面系數(shù)W=hb2/6=0.00338.
彎曲正應(yīng)力公式σmax=Mmax/W Mmax為彎曲力偶矩，也就是前邊算出來(lái)的m=0.398，平均到三根柱子上要除以3，所以Mmax=0.13N·m，從而可以計(jì)算出σmax的值。
序號(hào)
材料名稱
彈性模量\E\Gpa
切變模量\G\Gpa
泊松比\μ
1
鎳鉻鋼、合金鋼
206
79.38
0.25～0.3
2
碳鋼
196～206
79
0.24～0.28
3
鑄鋼
172～202
-
0.3
4
球墨鑄鐵
140～154
73～76
-
5
灰鑄鐵、白口鑄鐵
113～157
44
0.23～0.27
由于零件的抗彎、抗扭強(qiáng)度和剛度除與其界面面積有關(guān)外，還取決于截面形狀。合理改變截面形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，從而充分發(fā)揮材料的作用。因此，正確的選擇機(jī)架的橫截面形狀是機(jī)架設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。
另外，截面面積不變，加大外形輪廓尺寸，減小壁厚，亦即是材料遠(yuǎn)離中性軸的位置，可提高截面的抗彎、抗扭剛度。封閉截面比不封閉截面的抗扭剛度高得多；機(jī)架受載情況往往拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)同時(shí)存在，對(duì)剛度又要求高，另一方面，由于空心矩形內(nèi)腔容易安設(shè)其他零件，故許多機(jī)架的截面常采用空心矩形截面。
我們此次的并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)就參照以上優(yōu)點(diǎn)，采用了空心矩形的截面作為立柱的造型。
此種空心矩形的抗彎、抗扭慣性矩比值分別為
抗彎慣性矩相對(duì)值：3.45 抗扭慣性矩相對(duì)值：1.27
鑄件壁厚的選擇取決于其強(qiáng)度、剛度、材料、鑄件尺寸、質(zhì)量和工藝等因素。
就鑄鐵機(jī)架而言，按目前工藝水平，砂模鑄造鑄鐵件的壁厚，可利用當(dāng)量尺寸N,來(lái)確定。
N=（2L+B+H）/3 L、B、H分別為主見的長(zhǎng)、寬、高
利用上述公式，結(jié)合查表——鑄鐵機(jī)架的壁厚，確定出實(shí)驗(yàn)臺(tái)立柱的壁厚為20mm。
對(duì)于保證立柱剛度的加強(qiáng)筋和肋，由于次實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)有頂端端蓋，用于安裝并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為了能夠更好的保障立柱剛度，立柱內(nèi)部設(shè)有交叉十字肋；另外柱體外側(cè)周邊添置筋板有效地提高了剛度、穩(wěn)定性和抗振能力。
筋的尺寸查表可知：厚度=0.8s 高度≤1.5s s為立柱的壁厚
得出筋高為100，厚16。 肋厚度查表 為立柱壁厚的0.6倍 厚度為12mm。
加入肋后，尤其是45度對(duì)角肋，對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的提高有明顯的效果，抗彎剛度可提高60%，扭轉(zhuǎn)剛度可提高4.5~8.5倍。
機(jī)架的動(dòng)剛度主要取決于它的靜剛度和固有頻率，合理地改善機(jī)架結(jié)構(gòu)可以提高其靜剛度K和固有頻率ω可改善機(jī)架的動(dòng)剛度。另外，合理布置肋板和材料的改善也可使動(dòng)剛度大大提高。
在動(dòng)剛度問題上，機(jī)架的材料采用的是灰鑄鐵HT200，他的吸振性能較強(qiáng)，能有效地加強(qiáng)機(jī)架立柱本身的阻尼比；再有，機(jī)架立柱中心的45度十字交叉肋使得立柱本身的靜剛度大幅度提高；再加上鑄造完畢后，外側(cè)有表面刷漆的涂層；這些綜合因素都能夠有效地保證機(jī)架的剛度問題，使并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的剛度足以保證其所需的剛度，滿足加工要求。
3.4立柱與底座的連接方式
由于立柱與底座需要進(jìn)行連接，考慮到立柱下端受應(yīng)力較大，而且用螺紋連接打孔不便，綜合各種因素，選怎了焊接的形式。
焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力，為了保證定位精度，立柱下端設(shè)計(jì)了定位銷孔，孔徑為d8。分別布置在力主四個(gè)底角的中心位置。
在焊接前，現(xiàn)將定位銷插入銷孔，兩者過渡連接，使其立柱在焊接過程中不會(huì)由于焊接應(yīng)力的原因，與底座產(chǎn)生相對(duì)偏移。
焊接時(shí)要注意的問題：
材料可靠性、合理布置焊縫、提高抗振能力、合理選擇截面形狀、提高焊接接頭抗疲勞能力和抗脆斷能力、胚料選澤的經(jīng)濟(jì)性、操作方便。
焊縫尺寸的確定方法一般為：按焊縫的工作應(yīng)力；安等強(qiáng)原則；按剛度條件。由于焊接機(jī)床的床身，立柱，橫梁和箱體等一般按剛度設(shè)計(jì)，所以焊縫尺寸宜采用依照剛度原則確定。
按剛度條件選擇角焊縫尺寸的經(jīng)驗(yàn)做法是：根據(jù)被焊鋼板中較薄的鋼板強(qiáng)度的33%、50%
、100%作為焊縫強(qiáng)度來(lái)確定焊縫尺寸。
為了保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的良好剛度，經(jīng)過查詢，立柱與機(jī)床機(jī)架的角焊縫尺寸有鋼板剛度的100%確定得出：
板厚h 按照100%強(qiáng)度設(shè)計(jì) 則焊縫寬度=3/4h
前邊已經(jīng)確定板厚h=20mm 所以得出焊縫寬度K=3/4x20=15mm
接下來(lái)考慮焊縫應(yīng)力問題，在焊接接頭處，由于機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)加工時(shí)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，會(huì)使立柱底端受剪切力，為了減小這種損害性力，焊坡需要呈現(xiàn)45度角，從而解決應(yīng)力過度集中的問題。焊接時(shí)要保持連續(xù)，斷續(xù)焊接會(huì)使焊縫連接處產(chǎn)生局部應(yīng)力，難以保證并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)立柱受剪切力作用時(shí)的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。
3.5底座的造型
首先確定出了立柱的結(jié)構(gòu)，底座的造型就要基于立柱而確定。呈現(xiàn)三根立柱120度圓周陣列的連接體，高度200mm。與立柱材料一致，采用灰鑄鐵HT150，鑄造后同樣需要人工時(shí)效處理。前邊已經(jīng)確定了立柱、卡盤的構(gòu)造，在底座上要預(yù)留出配合時(shí)的安裝孔。有安裝卡盤的螺紋孔，還有定位立柱的銷孔，兩種孔的加工都已標(biāo)準(zhǔn)件螺釘和定位銷為基準(zhǔn)，采用輕微過盈量。在鑄造完畢時(shí)效處理后，按照表逐漸配合尺寸打孔、攻絲。
考慮到并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的自身重量，底座邊緣分別留出了三個(gè)32mm的地腳螺栓安裝孔，以便實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝時(shí)的水泥澆筑地腳螺栓。
第4章 實(shí)驗(yàn)臺(tái)電路設(shè)計(jì)
4.1電路布線方案
實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源配置380V三相交流電，在裝配圖中，按照電主軸及并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源入口，在機(jī)架立柱上預(yù)留了一個(gè)50mm的電源孔，四周有安裝配電箱螺釘?shù)目?。主電源線由地面，上連到配電箱，電源線外側(cè)套有絕緣蛇皮管。
電主軸和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的配電，經(jīng)過配電箱的電源線，經(jīng)立柱內(nèi)側(cè)分配到各個(gè)電源接口。
電主軸在二章中已經(jīng)選出，實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝配時(shí)，將電主軸用螺栓固定于動(dòng)平臺(tái)上。則主軸位于動(dòng)平臺(tái)中央，連接電源線須從立柱上端引出線，從實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂蓋向下連入電主軸。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源入口，就在絲杠套筒的端口，所以和電主軸一樣，電源從立柱上端引出。
4.2電路控制要求
并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此不予考慮，那么電主軸的控制相對(duì)于并聯(lián)部分就簡(jiǎn)單的多，只需用繼電器控制電主軸的正反轉(zhuǎn)、加減速的簡(jiǎn)單動(dòng)作。
4.3電路控制連線原理圖
左半部分是主軸正反轉(zhuǎn)控制；右邊部分是主軸加減速、制動(dòng)控制。
第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與三維建模
5.1設(shè)計(jì)并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)果
經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的調(diào)研、設(shè)計(jì)，我們的并聯(lián)機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)課題終于有了雛形，能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)較為粗糙并聯(lián)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于初出茅廬的我們來(lái)說(shuō)，是個(gè)很大的鼓舞，畢竟是自己設(shè)計(jì)出來(lái)的東西，雖然問題考慮的不盡周全，許多地方都存在著這樣或那樣的缺陷，這是由于我們的經(jīng)驗(yàn)還太少，需要各位老師的諒解。
5.1并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)solidworks三維建模
在設(shè)計(jì)與畫CAD的同時(shí)，我們同步進(jìn)行著solidworks的立體零部件的創(chuàng)建。最終，我們將全部的零件組裝在一起，構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體模型。并對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了局部仿真，但由于驅(qū)動(dòng)設(shè)置的不夠成熟，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還達(dá)不到作者與合伙人所設(shè)想的完美運(yùn)動(dòng)方案。
第6章 總結(jié)與展望
此次課題《并聯(lián)機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺(tái)》，在設(shè)計(jì)過程中，作者與合伙人遇到了許多的困難。相比較，并聯(lián)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)范圍計(jì)算復(fù)雜，需要考慮的問題不計(jì)其數(shù)。在課題中難免有我們考慮不到的地方，望各位老師予以諒解。
傳統(tǒng)機(jī)床的發(fā)展已有數(shù)百年的歷史,而并聯(lián)機(jī)床的出現(xiàn)才不過幾年的時(shí)間,期望短期內(nèi)一下子就能解決并聯(lián)機(jī)床在理論和實(shí)踐上的一系列難題是不現(xiàn)實(shí)的;同樣,在并聯(lián)機(jī)床發(fā)展過程中暫時(shí)碰到一些難題就認(rèn)為并聯(lián)機(jī)床沒有前途、難以最終走向市場(chǎng)同樣是不可取的。
并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)有許多，能夠完成表面形狀極其復(fù)雜的零件，加工形式類似于數(shù)控加工中心，而且具有高剛度、高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)。相比于普通銑床，加工性能大大提高。是機(jī)具發(fā)展前途的新型金屬切削機(jī)床。
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致謝
感謝機(jī)械系的各位老師，讓作者在四年的時(shí)間里，對(duì)機(jī)械有所領(lǐng)悟，從最開始的枯燥乏味到現(xiàn)在的認(rèn)真思考。是老師把作者帶入了機(jī)械的大門，開始自己真正的人生旅途。尤其感謝作者畢業(yè)設(shè)計(jì)的，是他給我們定下了并聯(lián)機(jī)構(gòu)這一課題，通過對(duì)此課題的一個(gè)學(xué)期設(shè)計(jì)，對(duì)作者四年里學(xué)到的所有知識(shí)進(jìn)行了一番大串聯(lián)。先前感覺乏味的機(jī)械知識(shí)在此可派上了用場(chǎng)，它們似乎都有了靈氣，相互開始產(chǎn)生出了關(guān)聯(lián)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，作者領(lǐng)悟到了機(jī)械的博大精深，是值得自己用漫長(zhǎng)時(shí)間去細(xì)細(xì)品味、值得深入的一個(gè)前途無(wú)量的國(guó)家基礎(chǔ)制造行業(yè)。再次感謝機(jī)械系的老師們，是您們讓作者有了充實(shí)的四年。
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