1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目學(xué)生姓名：包秀蘭學(xué) 院：機(jī)械學(xué)院系 別：機(jī)械系專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：指導(dǎo)教師：二 一 二 年 六 月摘 要并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機(jī)床、六足蟲(chóng)(Hexapods)。并聯(lián)機(jī)床是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外機(jī)床研究的熱點(diǎn)，它具有自由度多、剛度高、精度高、傳動(dòng)鏈短、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但其也不足之處，其中位置正

2、解復(fù)雜就是關(guān)鍵的一條。6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床是Stewart機(jī)床的一種變形結(jié)構(gòu)形式，它主要特點(diǎn)是動(dòng)、靜平臺(tái)上的6個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)分別分布在同一個(gè)平面上，且構(gòu)成的形狀相似。并聯(lián)機(jī)床是集機(jī)械、氣動(dòng)（液壓）、控制技 9! Eq 術(shù)于一體的典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它容易實(shí)現(xiàn)“六軸聯(lián)動(dòng)”，有望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力設(shè)備。本課題結(jié)合本院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，設(shè)六自由度并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)，使其能根據(jù)工藝要求進(jìn)行加工。 d)dL%9K$ 提高學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合實(shí)踐及應(yīng)用能力。 本課題設(shè)計(jì)的主要針對(duì)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其內(nèi)容主要包括機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定，機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，以及滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)、滾動(dòng)軸承、

3、聯(lián)軸器等主要零部件的計(jì)算選用，并利用PRO/E軟件繪制各相關(guān)零部件的三維實(shí)體零件圖和總裝配圖，以期達(dá)到能直觀看出并聯(lián)機(jī)床實(shí)體機(jī)構(gòu)的效果。關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)床；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；空間變換矩陣；滾珠絲杠螺母副AbstractPMT (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-legge

4、d 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

5、is the key. 6-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, pne

6、umatic (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 co

7、nstruction 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

8、 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 Pro/E software to draw the relevant parts of the three-dime

9、nsional 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 錄第一章 總體方案的確定11.1 課題的研究背景11.2 課題研究的意義21.3 課題研究的內(nèi)容31.3.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)介紹31.3.2 并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)類型的

10、選定31.3.3 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算41.3.4 各零部件的三維建模、裝配與二維圖的轉(zhuǎn)化4第二章 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算52.1 6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床位置逆解計(jì)算與分析52.1.1 6-SPS并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介62.1.2 坐標(biāo)系的建立62.1.3 初始條件的確立72.1.4 空間變換矩陣的求解72.1.5 新坐標(biāo)及各軸滑塊移動(dòng)量的計(jì)算92.1.6 并聯(lián)機(jī)床桿系簡(jiǎn)化分析122.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型142.2.1 最大工作載荷的計(jì)算152.2.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算152.2.3 規(guī)格型號(hào)的初選162.2.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算172.2.5 剛度的驗(yàn)算172.2.6 穩(wěn)定

11、性的校驗(yàn)192.2.7 滾珠絲杠總長(zhǎng)度的確定202.3 滾動(dòng)軸承的選用202.3.1 基本額定載荷202.3.2 滾動(dòng)軸承的選擇202.3.3 軸承的校核222.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型222.4.1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算222.4.2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算242.4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)尺寸272.5 聯(lián)軸器的選用28第三章 并聯(lián)機(jī)床三維建模、裝配與出圖303.1 Pro/E軟件的概述303.2 Pro/E的功能303.3 主要零部件的Pro/E建模313.4 零件的裝配323.5 CAXA電子圖版概述333.6 Pro/E繪圖導(dǎo)入CAXA方法333.7 二維圖的處理34第

12、四章 并聯(lián)機(jī)床前景展望364.1 引言364.2 并聯(lián)機(jī)床未來(lái)研究方36總結(jié)38參考文獻(xiàn)39謝 辭40第一章 總體方案的確定1.1 課題的研究背景為了提高對(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(wèn)世的并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tools)，又稱虛(擬)軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tool)或并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器(Parallel Kinematics Machine)。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)

13、。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    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

14、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(kāi)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(chóng)”(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，

15、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IFW0研究所，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(mén)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4749屆CIRP年會(huì)、19981999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)

16、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998年在意大利米蘭召開(kāi)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。19941999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(kāi)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(mén)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

17、清華大學(xué)召開(kāi)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(wèn)題進(jìn)行了研討。整體而言，傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床，是屬于數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單而機(jī)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床，而相對(duì)的，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床則機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單而數(shù)學(xué)復(fù)雜，整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此虛擬軸并聯(lián)機(jī)床是一種知識(shí)密集型機(jī)構(gòu)。這種新型機(jī)床完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念，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)，大大提高了機(jī)床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進(jìn)。另外，由于其進(jìn)給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實(shí)現(xiàn)。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機(jī)械結(jié)

18、構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用，因此受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時(shí)組成的混聯(lián)式數(shù)控機(jī)床，不但具有并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，而且在使用上更具實(shí)用價(jià)值。1.2 課題研究的意義并聯(lián)機(jī)床對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、 yt(_ Oi 保障生產(chǎn)安全具有重要意義。并聯(lián)機(jī)床是集機(jī)械、氣動(dòng)（液壓）、控制技 9! Eq 術(shù)于一體的典型的機(jī)電一體化設(shè)備。并聯(lián)機(jī)床容易實(shí)現(xiàn)“六軸聯(lián)動(dòng)”，有望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力設(shè)備。本課題結(jié)合本院實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，設(shè)六自由度并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)，使其能根據(jù)工藝要求進(jìn)行加工。從而使學(xué)生得到一次機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)（液壓）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

19、 d)3ceJ: 的訓(xùn)練。 d)dL%9K$ 提高學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合實(shí)踐及應(yīng)用能力。1.3 課題研究的內(nèi)容設(shè)計(jì)過(guò)程中需要做的工作主要有：第一、收集相關(guān)資料，在了解6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床工作原理的基礎(chǔ)上，制定出滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)方案，繪制出主要結(jié)構(gòu)。第二、完善機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成傳動(dòng)零部件的設(shè)計(jì)、選型。第三、對(duì)并聯(lián)機(jī)床工作原理及運(yùn)行情況做簡(jiǎn)單分析、計(jì)算。第四、利用CAXA、PRO/E軟件建立零件圖、裝配模型，完善整機(jī)結(jié)構(gòu)。1.3.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)介紹一并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定義并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel Mechanism，簡(jiǎn)稱PM），可以定義為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具

20、有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)。二并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要具有以下特點(diǎn)： （1）與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； （2）承載能力大； （3）微動(dòng)精度高； （4）運(yùn)動(dòng)負(fù)荷??； （5）在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。三6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一大類，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但這類機(jī)構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒(méi)有或沒(méi)有完全得到解決，比如其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、動(dòng)力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機(jī)床的精度標(biāo)定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機(jī)構(gòu)必須具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，也有擁有3 個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的6 自由度并聯(lián)

21、機(jī)構(gòu)，如3-PRPS 和3-URS 等機(jī)構(gòu)，還有在3 個(gè)分支的每個(gè)分支上附加1個(gè)5桿機(jī)構(gòu)作這驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)等。 1.3.2 并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)類型的選定6自由度并聯(lián)機(jī)器人有很多種結(jié)構(gòu)類型，如6-SPS型、6-PTRT型、6-PSS型等等。根據(jù)導(dǎo)師提供的參考資料以及畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，選定6-SPS型并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)。6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)構(gòu)是將6套驅(qū)動(dòng)模塊固定在連桿上，每套驅(qū)動(dòng)模塊連接1套連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)末端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副，使絲母滑座做傾斜（與連桿平行）方向的運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)連桿聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)?？梢远x為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)六個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有

22、6個(gè)自由度，伸縮式且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)。此類型并聯(lián)機(jī)床主要零部件包括步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠螺母副、連桿、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、底座、立柱、頂蓋、運(yùn)動(dòng)鉸鏈等，在研究過(guò)程中必須加強(qiáng)了解，使得并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更加合理。1.3.3 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算一并聯(lián)機(jī)器人位置逆解的算（1）坐標(biāo)系的建立；（2）初始條件的確立；（3）空間變換陣的求解；（4）求各軸的變化距離，實(shí)現(xiàn)逆解；（5）計(jì)算結(jié)果的簡(jiǎn)化分析。二滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型三步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型四其他主要零部件的計(jì)算與選用 1.3.4 各零部件的三維建模、裝配與二維圖的轉(zhuǎn)化為了較為直觀的看出并聯(lián)機(jī)床空間結(jié)構(gòu)的特征，采用PRO/E軟件對(duì)并聯(lián)機(jī)床各零部

23、件進(jìn)行三維建模并裝配，以達(dá)到預(yù)期效果。在三維建模完成后將其轉(zhuǎn)化成CAXA電子圖版二維圖進(jìn)行修改完善，以便打印出圖。第二章 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算此部分主要包括6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床位置逆解的相關(guān)計(jì)算與分析，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型，滾動(dòng)軸承的選用，步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型，聯(lián)軸器的選用與校核的選用等。所設(shè)計(jì)的6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床實(shí)物圖如圖2-1所示： 圖2-1 6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床模型 2.1 6-SPS伸縮式并聯(lián)機(jī)床位置逆解計(jì)算與分析該部分根據(jù)劉國(guó)平、李建武等6-SPS并聯(lián)機(jī)器人一種逆解算法研究主要介紹了6-SPS并聯(lián)機(jī)器人位置逆解的一種求解方法，該方法采用坐標(biāo)變換原理，求得運(yùn)動(dòng)平

24、臺(tái)上的任意點(diǎn)經(jīng)過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)后的新坐標(biāo)，再根據(jù)6-SPS機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)幾何方法求出各軸滑塊的移動(dòng)距離，從而實(shí)現(xiàn)逆解的求，并根據(jù)張曙的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床加以分析處10。2.1.1 6-SPS并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 該類型并聯(lián)機(jī)器人采用6-SPS結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)圖如圖2-2所示，其中1：固定支；2：運(yùn)動(dòng)滑塊；3：連桿；4：活動(dòng)平臺(tái)。 6-SPS并聯(lián)機(jī)器人的工作原理是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，帶動(dòng)絲桿上滑塊與連桿并行的移動(dòng)，滑塊又通過(guò)虎克鉸帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，從而使活動(dòng)平臺(tái)變化在空間的位置和姿態(tài)。 圖2-2 6-SPS并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.2 坐標(biāo)系的建立為求解6自由度平臺(tái)的空間位置關(guān)系，首先建立動(dòng)、靜兩坐標(biāo)系，

25、靜坐標(biāo)系原點(diǎn)位于上平臺(tái)中心，動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)。位于下平臺(tái)中心，各軸指向如圖所示，動(dòng)靜平臺(tái)坐標(biāo)系方向保持一致，坐標(biāo)系如圖2-3所示。其中，Bi各點(diǎn)是上虎克鉸的幾何中心，Bi所在圓是以上虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓；Pi各點(diǎn)是下虎克鉸的幾何中心，Pi所在圓是以下虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓(i=l、26)。 123456 圖2-3 坐標(biāo)系示意圖 其中上下虎克鉸中心所在平面之間的距離定為324.03mm，上虎克鉸中心;且關(guān)于上虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓成分布，對(duì)稱。下虎克鉸中心 ; ; ; 且關(guān)于下虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓成分布、對(duì)稱。上平臺(tái)虎克鉸幾何中心所在圓半徑為500mm，下

26、平臺(tái)虎克鉸幾何中心所在圓半徑為120mm。2.1.3 初始條件的確立當(dāng)已知機(jī)構(gòu)的基本尺寸，在所建立的坐標(biāo)系上，由于上、下平臺(tái)的各個(gè)鉸點(diǎn)和(i=l，26)對(duì)于坐標(biāo)系的幾何關(guān)系已確定(如各鉸點(diǎn)與原點(diǎn)的連線和X軸的夾角為定值)，通過(guò)幾何關(guān)系就可計(jì)算出各鉸點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，即各個(gè)鉸點(diǎn)和的坐標(biāo)值可計(jì)算出來(lái)而成為已知條件。 經(jīng)計(jì)算可知： 上平臺(tái)各個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)為： B1(-171.01，-469.85，324.03) B2 (171.01，-469.85，324.03) B3(492.4，-469.85，324.03) B4(321.39，383.02，324.03) B5(-321.39，383.02

27、，324.03) B6(-492.40，86.82，324.03) 下平臺(tái)各個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)為： P1(-82.60，-87.04，0) P2(82.60，-87.04，0) P3(116.68，-28.01，0) P4(34.08，115.06，0) P5(-34.08，115.06，0) P6(-116.68，-28.01，0)2.1.4 空間變換矩陣的求解假定動(dòng)坐標(biāo)系沿定坐標(biāo)系的X、Y、Z坐標(biāo)軸分別平移XPYPZP后，再在新的坐標(biāo)系下繞X軸旋轉(zhuǎn)，繞Y軸旋轉(zhuǎn)，繞Z軸旋轉(zhuǎn) ，則坐標(biāo)變換矩陣：9 (21) 其中： ；其他依此類推。隨著滑塊的移動(dòng)，活動(dòng)平臺(tái)各鉸點(diǎn)也隨之到達(dá)新的位置，設(shè)為到達(dá)新位置時(shí)的坐

28、標(biāo)值，則有 。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)技術(shù)參數(shù)中機(jī)床運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)作范圍，不妨假定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)處于其中一極限位置時(shí)有且；于是計(jì)算可得： 假定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)處于另一極限位置時(shí)有且；此時(shí)： 2.1.5 新坐標(biāo)及各軸滑塊移動(dòng)量的計(jì)算 當(dāng)計(jì)算滑塊的移動(dòng)量 計(jì)算新坐標(biāo)： 根據(jù)上述計(jì)算方法可知： (22) 其中以及分別表示和的齊次坐標(biāo)，參考工業(yè)機(jī)器人第二版229。故的坐標(biāo)為：同理可以計(jì)算得： 求到的距離，到的距離： 如圖2-4所示，是與Z軸平行且經(jīng)過(guò)點(diǎn)的直線，垂直于，垂足為(i=1,2,.,6)，則可構(gòu)建出一個(gè)直角三角形，由于平行于靜坐標(biāo)系的軸，所以與僅Z軸坐標(biāo)不同，即， 。圖2-4 計(jì)算幾何圖于是， (23)到得距離為上

29、下虎克鉸中心的距離，此距離不變所以：由于 (24)代入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得： ； ；求各軸上滑塊的移動(dòng)量： (25) 代入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得： 以上計(jì)算結(jié)果,“-”值表示沿Z軸負(fù)方向移動(dòng)；反之則表示沿Z軸正方向移動(dòng)。 當(dāng) 計(jì)算滑塊的移動(dòng)量計(jì)算新坐標(biāo)： 根據(jù)上述相同計(jì)算方法與過(guò)程，同理可以計(jì)算得： 求到的距離，到的距離： 同上， 代入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得：而 代入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得： ； ；求各軸上滑塊的移動(dòng)量：代入相關(guān)數(shù)據(jù)可求得： 以上計(jì)算結(jié)果,“-”值表示沿Z軸負(fù)方向移動(dòng)。 綜上計(jì)算結(jié)果可知，滑塊的最大位移量為191.24mm,圓整為195mm；據(jù)此可知滾珠絲杠螺紋的有效行程不得低于195mm。2.1.6 并聯(lián)

30、機(jī)床桿系簡(jiǎn)化分析 跟據(jù)張曙并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床第78頁(yè)的相關(guān)內(nèi)容，將并聯(lián)機(jī)器人桿系配置簡(jiǎn)化為平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)10。 以刀頭點(diǎn)沿X方向從0到100mm每移動(dòng)10mm為參考，即=10mm；據(jù)此計(jì)算機(jī)床每根軸上滑塊的移動(dòng)量，記為（同2.1.5中的計(jì)算）。此時(shí)坐標(biāo)變換矩陣為： (26) 按照2.1.5中相關(guān)滑塊位移量的計(jì)算方法，容易計(jì)算出各滑塊的移動(dòng)量如下：軸1上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -0.16 -0.65 -1.34 -2.53 -3.93 -5.65 -7.69 -10.05 -12.75 -15.79 0.16 0.49 0.69 1.19

31、1.4 1.72 2.04 2.36 2.7 3.04 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸2上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -0.11 -0.54 -1.27 -2.31 -3.66 -5.32 -7.3 -9.6 -12.24 -15.22 0.11 0.43 0.73 1.04 1.35 1.66 1.98 2.3 2.64 2.98 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸3上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -4.35 -9.09 -14.2

32、1 -19.74 -25.71 -32.12 -39.03 -46.45 -54.43 -63.03 4.35 4.74 5.12 5.53 5.97 6.41 6.91 7.42 7.98 8.6 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸4上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -4.32 -9.08 -14.23 -19.8 -25.78 -32.23 -39.16 -46.61 -54.63 -63.26 4.32 4.76 5.15 5.57 5.98 6.45 6.93 7.45 8.02 8.63 10 10 10 1

33、0 10 10 10 10 10 10軸5上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 4.11 7.80 11.16 14.19 16.91 19.33 21.44 23.25 24.78 26.02 4.11 3.69 3.36 3.03 2.72 2.42 2.11 1.81 1.53 1.24 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸6上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 4.03 7.7 11.04 14.05 16.75 19.14 21.23 23.02 24.53 25.74

34、 4.03 3.67 3.34 3.01 2.7 2.39 2.09 1.79 1.51 1.21 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10根據(jù)上述計(jì)算可知： (27) 于是根據(jù)虛功原理及運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)有： (28) 假定刀頭點(diǎn)在加工時(shí)X、Y、Z方向上所受最大切削力均為100N，有設(shè)計(jì)要求技術(shù)參數(shù)，X、Y、Z方向上的最大移動(dòng)速度均為100mm/s 。由于 ，這使得滑塊上所受Z方向的力與刀頭點(diǎn)處受力出現(xiàn)巨大波動(dòng)，并且參考的劃分越細(xì)可能出現(xiàn)的波動(dòng)越大，此處取平均值予以計(jì)算： 代入數(shù)值計(jì)算得： 以刀頭點(diǎn)沿Y方向從0到100mm每移動(dòng)10mm為參考時(shí)，相關(guān)計(jì)算與沿X方向的計(jì)算方法相同并且

35、結(jié)果相差不大，可取X方向計(jì)算結(jié)果。 以刀頭點(diǎn)沿Z方向從零到100mm每移動(dòng)10mm為參考時(shí)，顯然滑塊和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（刀頭點(diǎn)）移動(dòng)速度相同，即有： 此時(shí)可知： 從上所述：刀頭點(diǎn)以最快速度運(yùn)動(dòng)并且受到最大切削力時(shí)，各軸滑塊最快移動(dòng)速度和根據(jù)虛功原理轉(zhuǎn)換到滑塊上沿Z軸的最大作用力分別為 2.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 該部分主要介紹滾珠絲杠螺母副最大工作載荷的計(jì)算、初選型號(hào)和剛度的驗(yàn)算等。2.2.1 最大工作載荷的計(jì)算根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)第37頁(yè)滾珠絲杠副的計(jì)算與選型，最大工作載荷是指滾珠絲杠在驅(qū)動(dòng)時(shí)所承受的的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引6。它包括滾珠絲杠螺母副的進(jìn)給力和移動(dòng)部件的重力。

36、從左邊的幾何圖可以看出： (29) 豎直方向最大工作載荷為： （210) 折算到滾珠絲杠上的最大工作載荷： (211) 圖2-5 幾何圖2.2.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)38頁(yè)6，用以下公式計(jì)： (212) (213) (214) 式中： 滾珠絲杠副壽命，以10r為單位 硬度系數(shù)，=1 載荷系數(shù)，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-30查得，取中等沖擊值=1.2 絲杠轉(zhuǎn)速 為最大切削力條件下

37、的進(jìn)給速度 絲杠導(dǎo)程 為使用壽命，對(duì)于數(shù)控機(jī)床取T=15000h 初選導(dǎo)程=5mm，由2.1.6最大切削力下的速度，代入公式可計(jì)算得： = = 2.2.3 規(guī)格型號(hào)的初選初選滾珠絲杠副的規(guī)格時(shí)，應(yīng)使其額定動(dòng)載荷 ；初選海特傳動(dòng)部件高速靜音型滾珠絲杠，型號(hào)為SFS03205-3.8(pdf35頁(yè))，其參數(shù)如表2-1所示：圖2-6 滾珠絲杠螺母副外形尺寸表2-1 滾珠絲杠螺母副參數(shù)表該型號(hào)滾珠絲杠螺母副額定動(dòng)載荷，滿足額定動(dòng)載荷的要求。2.2.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)3-24式可6： (215) 式中: 絲杠螺旋升角 摩擦角，其摩擦角約等于 其中

38、: (216) 絲杠導(dǎo)程，=5mm 公稱直徑，近似取為=32mm 所以 代入公式計(jì)算得：2.2.5 剛度的驗(yàn)算根據(jù)指導(dǎo)書(shū)3-28表，采用單推-單推的形式來(lái)安裝滾珠絲杠副簡(jiǎn)圖如圖2-5所示6： 圖2-7 滾珠絲杠副支承形式 滾珠絲杠副的軸向變行主要包括絲杠的拉伸或壓縮、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形等，從以下方面計(jì)算： 絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,按機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)3-25式計(jì)算6，公式如下： (217) 式中: 絲杠的變形量（mm） 絲杠的最大工作載荷（N） 材料彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=21MPaS絲杠按底徑確定的截面積（）絲杠兩端支承間的距離（mm）“+”號(hào)用于

39、拉伸，“-”號(hào)用于壓縮。其中；（絲杠的底徑，按照機(jī)電裝備設(shè)計(jì)136頁(yè)8，取d=20mm）。由機(jī)電裝備設(shè)計(jì)課本3-21表可知8，取余程為20mm，所選絲杠副螺母裝配總長(zhǎng)為L(zhǎng)=42mm，則初步計(jì)算螺桿螺紋長(zhǎng)度： (218)取支承跨距為=320mm 代入公式計(jì)算得：=0.0058mm 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)3-27式可知6： (219)式中: 滾珠直徑，=3.175mm預(yù)緊力，取軸向預(yù)緊力為 滾珠總數(shù)量，（圈數(shù)3.8，列數(shù)1） Z單圈滾珠數(shù)，（為公稱直徑） 即， 圓整為120 代入公式得： 剛度的驗(yàn)算絲杠的總變形量 (220)顯然，小于要求的重復(fù)定位精度0.0

40、5mm，滿足設(shè)計(jì)要求。2.2.6 穩(wěn)定性的校驗(yàn) 滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象?？筛鶕?jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)3-28式進(jìn)行校6： (221) 式中： 臨界載荷，單位為N； 絲杠支撐系數(shù)，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)3-34表，?。徊牧蠌椥阅?shù)，對(duì)鋼E=21MPa K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54，垂直安裝取K=3； a 絲杠兩端支承間的距離（mm），a=320mm；I 滾珠絲桿橫截面慣性矩單位，按底徑計(jì)算；其中：（材料力學(xué)） (222) 代入公式計(jì)算得：顯然，即所選滾珠絲桿壓桿穩(wěn)定性完全滿足要求。2.2.7 滾珠絲杠總長(zhǎng)度的確定圖2-

41、8 滾珠絲杠尺寸圖總長(zhǎng)度：L=20+278+31.5+14+12.5=356mm2.3 滾動(dòng)軸承的選用2.3.1 基本額定載荷 (223) 式中： 速度系數(shù)，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)查表4.2-8，取=0.370； 壽命系數(shù)，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)查表4.2-8，取=3.11； 當(dāng)量動(dòng)載荷，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)查表4.2-84，?。?.3.2 滾動(dòng)軸承的選擇滾珠絲桿的公稱直徑為12mm，基本額定載荷=1168.46N，根據(jù)以上條件選擇（角接觸球軸承）。表2-2 軸承參數(shù)基本尺寸mm基本額定載荷/KN極限轉(zhuǎn)速/（r/min）質(zhì)量/kg軸承代號(hào)dDB脂油7000

42、0C（AC.B）型25471211.27.0812000170000.0747005AC其它尺寸/mm安裝尺寸/mma31.940.114.40.60.1530420.6圖2-9 軸承外形尺寸 根據(jù)十字軸的直徑可以選擇60000型深溝球軸承，型號(hào)為626。表2-3 軸承參數(shù)基本尺寸mm基本額定載荷/KN極限轉(zhuǎn)速/（r/min）質(zhì)量/kg軸承代號(hào)dDB脂油70000型61962.801.0528000360000.0008626安裝尺寸mm其他尺寸mm8.417.00.310.715.70.32.3.3 軸承的校核（1）壽命校核 (224) 式中： 額定動(dòng)載荷，=11200N 工作轉(zhuǎn)速， 當(dāng)量動(dòng)

43、載荷，=1205N遠(yuǎn)大于15000h，所以滿足要求。（2）額定靜載荷校核 (225) 式中： 基本額定靜載荷（N） 當(dāng)量靜載荷，由機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)查表4.2-84得 安全系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)查表4.2-16得=2遠(yuǎn)大于2410N，所以滿足要求。2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型根據(jù)指導(dǎo)書(shū)61頁(yè)6，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型，通常按一下幾個(gè)步驟進(jìn)： 根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，求得加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 計(jì)算不同工況下加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 取其中較大值，作為確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)； 根據(jù)運(yùn)行矩頻特性、起動(dòng)慣頻特性等，對(duì)初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行校核。2.4.1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

44、的計(jì)算、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-1知，圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下6： (226) 式中: 材料密度（kg/cm3），取; L 絲杠總長(zhǎng)，L=356mm=35.6cm； 絲杠的公稱直徑，取=32mm=3.2cm； 代入公式計(jì)算得 ： 控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)速靈活，可不用減速齒輪直接通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)直接連接，絲杠折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (227) 、滑塊等部件折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)4-1表公式6： (228) 式中： 絲杠導(dǎo)程，??； 分配到每根軸移動(dòng)部件的平均質(zhì)量，取為3kg；代入公式計(jì)算得： 、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算由于絲杠是通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)直接進(jìn)行連接的，所以，絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (229) 根據(jù)機(jī)電裝備設(shè)計(jì)課本第2448，為使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起到性能及較快的響應(yīng)速度，所選電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)滿足，由此可知所選電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不小于719.75。據(jù)此可初步選擇步進(jìn)電機(jī)：由北京和利時(shí)56系列二相混合式步進(jìn)電機(jī).pdf第一頁(yè)，初選步進(jìn)電機(jī)為56BYG250E-SASSBL0601型號(hào)，其參數(shù)表如表2-2所示：表2-4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)表顯然，該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)