毕业设计（论文）-五自由度混联虚拟轴机床的设计.doc

1、本科生毕业论文五自由度混联虚拟轴机床的设计5-DOF hybrid virtual axis machine tool design摘要并联机床又称为虚拟轴机床是机构学理论、机器人技术与数控技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。针对传统数控机床和现有并联机床不足之处，借鉴了传统数控机床和现有并联机床的优点，将串联结构与并联结构有机融合，通过机型综合，提出了一种混联结构并联机床。在本次设计中，主要设计的是“3 并联轴+2 串联轴”的五坐标联动，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。最终设计出了机床的基本结构，并用CAD完成了样机的绘制。关键词:并联机床 虚拟轴机床 并联机构 自由度 ABSTRACTParallel machine tools(PMTs)，which also called virtual axis machine tools(VAMTs),is an combination outcome of robotic

2、 technology and numerical control technology. Its prototype is parallel robotic manipulators.Aiming at the deficiency of traditional NC machine tool and parallel machine tool, the advantages of traditional NC machine tool and parallel machine tool are used for reference, three hybrid type PMTs, which combine serial structure with parallel structure, are proposed in this dissertation through type synthesis, and Invention patents have been applied for them.In this design，the main design is that fi

3、ve coordinates axes move together throng three parallel axes and two inseries axesThe research and manufacture of machine tools consist of two parts. At first, mechanical structure scheme includes design of machine tools shelfand move platform and end effector, etc. Second, there are study and manufacture of control circuit and so on. There are three performance indexes: symmetry.，workspace，isotropy. On the basis of these, series-parallel machine tools were designed. At last me designed the basi

4、c structure of the tool machine, counteracted the tool of CAD to complete the kind machine to draw.Keywords: Parallel Machine Tool Virtual Axis Machine Tool parallel mechanism degree of freedom 40目 录摘要1第一章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状31.2.1 并联机床发展历史回顾31.2.2 并联机床的研究现状4第二章 混联虚拟轴机床结构与设计62.1 并联机床的结构62.1.1 并联机床的结构要素62.1.2 并联机床的典型结构62.2 并联机床的理论设计方法82.2.1 原始参数确定82.2.2 概念设计和运动综合82.2.3 控制系统设计和标定92.2.4 样机试制与性能试验9第三章 混联虚拟轴机床并联部分的设计103.1 毕业设计课题和机床参数的确定103.2 并联机床的概念设计103.2.1 杆机构配置103.2.2 立柱方案与驱动方式的选择113.2.3

5、 空间自由度的选择113.3 并联机床的主要部件的选择143.3.1 球铰的选择143.3.2 主轴部件的选择153.3.3 驱动装置的选择163.4 并联机床的总体布局方案203.4.1 立柱方案的选择203.4.2 工作空间综合213.4.3 动平台与球铰座设计233.4.4 蜗轮蜗杆减速器的设计243.4.5 直线电机的选择273.4.6 滑鞍部件的设计283.5 机床串联部分的结构293.6 并联机床的最后总体结构30第四章 并联运动机床的展望与绿色制造334.1 并联运动机床的展望334.2 并联运动机床与绿色制造33第五章 结论35参考文献36致谢37附录38 第一章 绪论当传统数控加工机床取代普通机床后，生产能力和产品质量有了大幅度的提高。进入20世纪90年代后，汽车工业及其他制造加工业的迅猛发展变化对加工设备不断提出更高的要求，在精度、速度、加工灵活性及加工装备自身的生产周期和成本等方面尤其突出。而传统数控加工机床已不能满足更高的要求，各国纷纷加强对新一代制造装备的研究，对于制造装备的技术含量，已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，它对于促进国家的制造竞争力的提高

6、具有重要意义。以并联机床为代表的新一代机床已成为制造业高速发展的新的领域。1.1 课题研究的目的和意义在激励竞争的21世纪，科学技术的竞争已经成为各国综合实力的竞争中心，对于关系着国家经济命脉制造业来说，必须在风云变幻和不可预测的全球化市场环境中始终保持创新进步的发展方向和领先的技术水平。纵观世界装备制造业的发展，鲜明的特征已经对我国的制造业指明了方向。首先，制造业的地位不断基础化，发达国家重视装备制造业的发展，不仅因为其在本国工业中所占比重、积累、就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质基础，是现代化经济不可缺少的战略性。其次，经济规模化和全球化，全球化的规模生产已经成为各大跨国制造业公司发展的主流。在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，各大企业纷纷加强对其主干业务的投资与研发，不断提高系统成套能力和个性化，多样化市场适应能力，全球化转向传统的全球化方式是以母国为生产基地，将产品销往其他国家。新的全球化方式是在海外投资建立生产制造基地，在国外制造产品，销售到东道国或其他国家。其特点是：自己拥有制造设施与技术，产品完全由自己制造；在资源的利用上，仅限

7、于利用东道国的原材料、人员或资金等。再次，产品高技术化以信息技术为代表的现代科学技术发展，对机械制造业提出了更高、更新的要求，各个国家和地区，特别是发达国家更重视发展机械制造业，充分体现了机械制造业作为高新技术产业化在推动整个社会技术进步和产业升级中不可替代的基础作用，即使是迈进信息化社会的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。随着全球化的浪潮，现代装备制造业出现了从全球向中国及东南亚地区转移大趋势，中国的装备制造业也进入了跨越式快速发展新时期，由于中国的劳动力资源和工业工业资源丰富，社会稳定，经济迅速发展，中国即将成为名符其实的“世界工厂”，然而随着科学技术水平的不断发展，对与我国的机械装备制造行业在面对机遇的同时也面临着相当的挑战：首先，就目前我国机械装备制造业的现状而言，企业平均规模较小，缺少一批对行业具有较强拉动作用和竞争实力的大企业，制造工艺和装备的进步都以小改革为主，同时科研和开发应用存在着一定的脱节，在先进制造领域，我国缺乏一种蓬勃发展的动力。其次，整体装备水平落后，先进制造技术仍然应用不足。虽然个别企业技术装备水平较高，但从整体上与国外机械制造业的水平相比还相对老

8、化。再者，我国企业技术创新能力较弱，特别是核心技术、高新技术应用少，产研结合不紧密等等。总之，由于科技水平的差距，我们国家的科技人员一直是在学习西方的先进技术，也取得了一定的成果，但是不能超越西方，究其原因，一方面与技术基础有关，一方面最重要的还是缺少创新，创新是一个民族进步的灵魂，没有创新，我国将始终处于“拿来主义“的尴尬境地。并联机床是空间多自由度机构在数控机床工业中的创造性应用，它是机构学理论、机器人技术、数控技术相结合的产物，自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。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。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、

9、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，所以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

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