六自由度剪式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設(shè)計

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有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985  學(xué)校代碼： 學(xué) 號： 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目：六自由度剪式并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 院： 系 別：機械系 專 業(yè)：機械電子工程 班 級： 指導(dǎo)教師： 年 六 月 摘 要 并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)，曾被稱為6腿機床(Hexapods)，也叫并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛（擬）軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，其典型代表為Stewart機床。自由度剪式并聯(lián)機床是的，異于普通機床的是，它是由連桿組成的具有自由度的、封閉的空間剪式，因此較普通機床而言，它響應(yīng)快、加工適應(yīng)性強、工作范圍大、技術(shù)價值高，具有更好的發(fā)展前景。 本文主要針對并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)形式的一種——6自由度剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其主要內(nèi)容為：第一部分為總體方案的確定，通過了解并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)及特點，從而確定剪式并聯(lián)機床設(shè)計的總體方案。第二部分為剪式并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別為連桿類型的確定、虎克鉸鏈的外形及機身、機架等的相關(guān)設(shè)計。第三部分為上述零部件設(shè)計，包括、及螺旋鋼帶防護罩、導(dǎo)軌滑塊、、聯(lián)軸器等相關(guān)零件的計算與選用。最后一部分主要是利用CAXA軟件繪制出機床整體的裝配圖及各相關(guān)零部件的零件圖，以將設(shè)計思路通過工程圖的方式充分表現(xiàn)出來。 關(guān)鍵詞：剪式并聯(lián)機床；伺服電動機；滾珠絲杠螺母副 Abstract PMT (Parallel Machine Tools), has been called the 6 legs machine (Hexapods), also known as parallel structure machine (Parallel Structured Machine Tools), virtual (proposed) axis machine (Virtual Axis Machine Tools), which is typical of Stewart Machine . 6 DOF parallel machine tool is a scissors structure Stewart platform machine, the machine is different from the ordinary, which is composed of six connecting rod having six degrees of freedom, enclosed spaces scissor structure, it is more common machine tools, for its fast response, processing adaptability, large working range, high technical value, with better prospects for development. This paper mainly for parallel machine tool structure form a scissor --6 DOF parallel machine tool structure design, and its main contents are: The first part is to determine the overall program, by understanding the parallel structure and characteristics of the machine to determine scissors the overall scheme of parallel machine tool designs. The second part scissor parallel mechanism design, respectively, determine the type of link, Hooke hinge shape and body, chassis and other related design. The third part is related to calculating the component design, including calculation of the ball screw nut, bearing and spiral steel protective cover, slide rails, AC servo motors, couplings and other major parts of the selection. The last part is the use of CAXA software to map out the whole machine assembly drawings and relevant parts parts diagram, to design ideas by drawing a manner fully demonstrated. Keywords: Scissor parallel machine tool; servo motor; ball screw nut 目錄 引言 1 第1章 總體方案的確定 2 1.1 課題的研究背景 2 1.2 并聯(lián)機器的認(rèn)識 3 1.3 課題研究的內(nèi)容 3 1.3.1 剪式并聯(lián)機構(gòu)介紹 3 1.3.2 確定剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)形狀 4 1.3.3 剪式并聯(lián)機床零部件選用及計算 5 1.3.4 繪制裝配圖，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 第2章 剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 2.1 機床中并聯(lián)機構(gòu)的概念設(shè)計 6 2.1.1概念設(shè)計 6 2.1.2運動學(xué)設(shè)計 6 2.2桿件模塊的配置 6 2.2.1 桿件設(shè)計 7 2.2.2 運動模塊設(shè)計 7 2.3鉸鏈的設(shè)計（虎克鉸） 8 2.4機床框架和床身的設(shè)計 8 第3章 剪式并聯(lián)機床零部件選用及計算 10 3.1 6-PUU剪式并聯(lián)機床坐標(biāo)描述與絲杠長度計算 10 3.1.1 坐標(biāo)系的建立 11 3.1.2 初始條件的確立 12 3.1.3 絲杠長度的計算 12 3.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 14 3.2.1 最大工作載荷的計算 14 3.2.2 最大動載荷的計算 15 3.2.3 絲杠規(guī)格型號的初選 16 3.2.4 傳動效率的計算 16 3.2.5 剛度的校驗 17 3.2.6 穩(wěn)定性的校驗 19 3.2.7 滾珠絲杠總長度的確定 19 3.3 滾動軸承及螺旋鋼帶防護罩的選用 20 3.3.1 基本額定載荷的計算 20 3.3.2 滾動軸承的選擇 20 3.3.3 軸承的校驗 21 3.3.4 螺旋鋼帶防護罩的選型 22 3.4 直線滾動導(dǎo)軌副的選型計算 23 3.4.1 導(dǎo)軌的初選 24 3.4.2 工作載荷的計算 25 3.4.3 距離額定壽命的計算 25 3.5 交流伺服電動機的選型與校驗 26 3.5.1 計算滾珠絲杠對交流伺服電機產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)動慣量 26 3.5.2 計算交流伺服電機在不同場合下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 27 3.5.3 初選伺服電動機 29 3.5.4 伺服電動機的校驗 30 3.5.5 伺服電動機的尺寸 32 3.6 聯(lián)軸器的選用 32 3.6.1 計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩 32 3.6.2 聯(lián)軸器的初選 33 3.6.3 聯(lián)軸器的校驗 34 第4章 結(jié)論與展望 35 4.1 結(jié)論 35 4.2 剪式并聯(lián)機床的前景展望 35 參考文獻 36 謝 辭 37 引 言 隨著社會的發(fā)展進步，現(xiàn)有的技術(shù)、設(shè)備等已經(jīng)不能滿足人們的需求，同樣機床也一樣，并聯(lián)機床以加工精度高、適應(yīng)度強等特點補上了機床需求上的空缺，將漸漸代替普通串聯(lián)機床，成為適應(yīng)高速化NC加工的主要設(shè)備。關(guān)于并聯(lián)機床的研究一直是國內(nèi)外知名學(xué)者研究的課題之一，為了更大程度的滿足機床市場的需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計成為機床工程界研究的主要焦點。本文通過機床的概念化設(shè)計，確定機床整體布局的大致方向，然后結(jié)合本課題研究的6自由度剪式結(jié)構(gòu)，通過降低空間維度，來描述機床下運動平臺的位置。 本次設(shè)計的是剪式，其結(jié)構(gòu)包括：固定平臺（機床架）、上運動平臺（主軸部件）和下運動平臺（刀具安裝平臺），機床固定平臺是一個多邊形，下表面安裝著6個運動驅(qū)動模塊，其6個模塊下端設(shè)置著6個上運動平臺，6個上運動平臺通過虎克鉸連接著6根定長剛性連桿，6根定長剛性連桿組成空間剪式封閉結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)下端通過虎克鉸連接著下運動平臺，加工刀具安裝在下運動平臺下端，待加工工件裝夾在操作平臺上，當(dāng)驅(qū)動模塊開始工作時，便通過連桿帶動下運動平臺和刀具完成所需加工。本文以設(shè)計的角度，通過計算和選型完成機床上述零部件的合理化布局及設(shè)計，并利用CAXA繪制出裝配圖和零件圖。 1 第1章 總體方案的確定 1.1 課題的研究背景 為滿足機床市場的高需求，提高機床加工適應(yīng)性。多年來，國內(nèi)外許多機床制造企業(yè)都在努力研究發(fā)展前景較好的并聯(lián)機床，并希望能從技術(shù)上有所突破。并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)，又稱虛(擬)軸機床(Virtual Axis Machine Tool)或并聯(lián)運動學(xué)機器(Parallel Kinematics Machine)，是一種將機并聯(lián)機器人技術(shù)應(yīng)用在機械加工領(lǐng)域的機床，和有同一功能的普通NC機床相比，有如下優(yōu)點[13]： 表1-1 并聯(lián)機床的優(yōu)點 優(yōu)點 原因 剛度比大 采用機構(gòu)，時，連桿僅受壓、拉力。 響應(yīng)較快 運動機構(gòu)降低了慣性，改善了伺服控制器品質(zhì)，保證了較高的進給速度。 加工適應(yīng)度強 可通過刀具切換進行多坐標(biāo)銑、切斷、車削、以及各種特種加工。 技術(shù)價值高 它有著機械結(jié)構(gòu)簡單，控制程序較復(fù)雜的特點，所擁有的技術(shù)含量較高。 90年代左右，在國外NC展覽會，由美國的一家銑床公司首次推出了稱為Hexapod（6足蟲）與VARIAX（變異型）的并聯(lián)機床，引發(fā)了工程界的熱論[13]。隨后，許多研究單位和大學(xué)的研究院，相繼研制出了各種異形結(jié)構(gòu)的NC并聯(lián)銑床、水射流并聯(lián)機床及坐標(biāo)測量并聯(lián)機等等。與此同時，由美國工程學(xué)術(shù)界提議的“專門用戶協(xié)會Hexapod”成立于1996年，從此國內(nèi)、外知名學(xué)者便開始了對并聯(lián)NC機床的漫漫探索之旅。僅僅5年間，國內(nèi)、外大大小小的“NC機床博覽會”上都有它的身影，被一致評為“21世紀(jì)制造業(yè)不可或缺的主要加工設(shè)備”。 在，并聯(lián)機床技術(shù)的研究已列入了“95”和“863高技術(shù)發(fā)展計劃”的科技計劃中，并在的號召下，召開了并聯(lián)機床技術(shù)相關(guān)的研討會，參與會議的大多數(shù)是從事CNC技術(shù)研究的中堅力量，會議中研討了并聯(lián)機床的發(fā)展前景、研發(fā)的關(guān)鍵性技術(shù)及待研發(fā)的相關(guān)問題[1]。 總體來說，并聯(lián)機床區(qū)別于普通結(jié)構(gòu)機床是：其機械結(jié)構(gòu)簡單，但位置計算和控制技術(shù)較復(fù)雜。此種機床摒棄了固有的以刀具為導(dǎo)向的思維方式，采用了3~6根并聯(lián)連桿形成3~6個驅(qū)動模塊，在空間中組成封閉的曲面，通過此種結(jié)構(gòu)不僅能提高機床的加工剛度，還可以改善加工效率和質(zhì)量、提高其進給速度，使得機床更容易實現(xiàn)現(xiàn)代化高速化的加工[11]。此類機床由于結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、加速度高、適應(yīng)度強等特點，受到了工程和學(xué)術(shù)研究界的高度關(guān)注[15]。 1.2 并聯(lián)機器的認(rèn)識 并聯(lián)機器是包含一個以上的并聯(lián)機構(gòu)的機器，而并聯(lián)機構(gòu)是指一種將驅(qū)動模塊安裝在多個連桿上形成空間封閉的多自由度結(jié)構(gòu)[2]。 十九世紀(jì)末，《一種6自由度的輪胎測試機》是最早出現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)的文獻。此種測試機于1954年研發(fā)成功，一直使用了46年才被替代，同年被送入英國國家科學(xué)和工業(yè)博物館。 20世紀(jì)的中期，Stewar發(fā)表了一篇名為《一種6自由度運動平臺》的文獻，首次通過論文的形式向全球工程屆展現(xiàn)了并聯(lián)機器，使得并聯(lián)機構(gòu)獲得了工程界的高度關(guān)注[4]。當(dāng)時，由于運算和科技技術(shù)等限制，使得研究并聯(lián)機器的進展較慢。隨著時代的進步和科技技術(shù)的不斷發(fā)展，也同時促進了并聯(lián)機器的發(fā)展和運用。通過后續(xù)研究表明，基于并聯(lián)機構(gòu)的機器人具有很高的速度和加速度，而且動態(tài)特性也較好。 1.3 課題研究的內(nèi)容 本設(shè)計過程的主要工作： 1. 查找-PSS剪式并聯(lián)機床相關(guān)的文獻，充分了解其工作原理，制定出合理的方案，繪出整體草圖。 2. 通過概念化的設(shè)計，找到合理的整體布局，并對機架和機身進行布局設(shè)計。 3. 通過所需的計算和零部件的選型，來進一步完善剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 4. 利用CAXA軟件完成整體的裝配及零部件圖，并完善本機構(gòu)整機設(shè)計。 1.3.1 剪式并聯(lián)機構(gòu)介紹 1.剪式并聯(lián)機構(gòu)的定義 剪式并聯(lián)機構(gòu)（Parallel Mechanism）是一種將驅(qū)動組件安裝在多個連桿上形成空間封閉的多自由度剪式結(jié)構(gòu)，屬于并聯(lián)機床的一種類型。 2.剪式并聯(lián)機構(gòu)的特點 下表為剪式并聯(lián)機構(gòu)的特點[15]： 表1-2 剪式并聯(lián)機構(gòu)的特點 具有這些特點 結(jié)構(gòu)簡單合理、剛性較好 承載力強 微小運動精度高 運動時，載荷不高 位置計算反解簡單 3.6自由度并聯(lián)機構(gòu) 并聯(lián)機構(gòu)研究較多的一種是：，此種機構(gòu)迄今為止還存在很多待解決的問題。例如：平臺運動空間位置的計算、精度標(biāo)定等等。一般來說，此類機構(gòu)應(yīng)該具有6個運動的鉸鏈，才能實現(xiàn)全部并聯(lián)[15]。 1.3.2 確定剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)形狀 剪式并聯(lián)機構(gòu)的變形組合有許多種，如、、、等變形組合[4]。根據(jù)此次設(shè)計要求，選擇本次設(shè)計的結(jié)構(gòu)形狀為：型。 型剪式并聯(lián)結(jié)構(gòu)是將個絲杠組件安裝在機架上，每個絲杠組件連接根定長剛性連桿，定長剛性連桿下端設(shè)置著加工平臺。此種結(jié)構(gòu)與同型號的普通機床的區(qū)別是：工作范圍較大。本次設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，選用了6個完全相同的定長剛性連桿，為了保證機床加工精度，也可以通過在連桿內(nèi)部開鑿冷卻槽來實現(xiàn)。由于本設(shè)計采用導(dǎo)軌配合絲杠傳動，使得剪式運動可量化，如果加工的工件較長，可通過延長導(dǎo)軌和絲杠進行加工。 比較選定鉸鏈如下表1-3所示： 表1-3 球鉸與虎克鉸的性能比較 類型 成本 f 數(shù)量 虎克鉸 小 個 球鉸 高 較 小 個 通過上述各項的比較，顯然虎克鉸性價比高，故本設(shè)計通過來連接連桿和各運動平臺，綜上所述各連桿的構(gòu)成形式就如下[3]： 上固定平臺 →滾珠絲杠 → 上運動平臺 → 虎克鉸→ 連桿→ 虎克鉸→ 下運動平臺，因此由并聯(lián)機床的命名為6-PUU剪式并聯(lián)機器人。 以上的剪式并聯(lián)機床主要零件包括：交流伺服電動機、滾珠絲杠螺母副、JSA導(dǎo)軌、連桿、上運動平臺、上平臺、下運動平臺、絲杠支撐底座、立柱、虎克鉸等，為了使以上機構(gòu)設(shè)計更加合理，必須在研究過程充分了解其運動關(guān)系。 1.3.3 剪式并聯(lián)機床零部件選用及計算 1．剪式并聯(lián)機床坐標(biāo)描述及計算 （1）坐標(biāo)系的建立； （2）初始條件的確立； （3）利用空間三角形計算絲杠長度； 2.滾珠絲杠螺母副的計算與選型 3.滾動軸承及螺旋鋼帶防護罩的選用 4.直線滾動導(dǎo)軌副的選型計算 5.交流伺服電動機的選型 6.聯(lián)軸器選用 1.3.4 繪制裝配圖，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了能直接體現(xiàn)出機床外形結(jié)構(gòu)，本設(shè)計運用CAXA繪圖軟件畫出裝配圖和零件圖，方便后續(xù)的優(yōu)化和完善[19]。 第2章 剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計 此部分主要包括剪式并聯(lián)機構(gòu)整體的構(gòu)成，還有最主要的運動組件的設(shè)計，以及機架的整體設(shè)計[8]。 2.1 機床中并聯(lián)機構(gòu)的概念設(shè)計 2.1.1概念設(shè)計 概念設(shè)計的目的是根據(jù)機床所需的自由程度，概念化的設(shè)計出整體布局，包含機架及安裝在機架上的各種并聯(lián)機構(gòu)模塊的合理布局[8]。 2.1.2運動學(xué)設(shè)計 此處設(shè)計包括工作空間的分析和描述機床運動狀態(tài)，通過分析工作空間的可行性，來進一步的描述機床的運動狀態(tài)[20]。由于本次設(shè)計的是關(guān)于6自由度的并聯(lián)機床，其工作空間是由6跟定長剛性連桿并聯(lián)而組成的空間封閉曲面，為了能更好的描述空間運動狀態(tài)，本設(shè)計采用降低空間維度來描述。 2.2桿件模塊的配置 桿件模塊是剪式機構(gòu)驅(qū)動模塊。 桿件模塊的配置主要考慮的問題是[8]： （1）桿件的基點是固定的還是移動的 （2）桿件的長度是可變的還是固定的 （3）桿件與動平臺的連接形式 我選擇的是一個固定長度的桿，其特征是固定桿兩端分別連接著虎克鉸，兩端的虎克鉸分別于安裝在上運動平臺和下運動平臺表面，上運動平臺設(shè)置在絲杠模塊上端。具體的控制過程為：[8]，通過導(dǎo)軌導(dǎo)向帶動上運動平臺水平運動，使得連桿帶動下運動平臺進行加工，由于伺服電機可實現(xiàn)半閉環(huán)控制，則上運動平臺的位置將通過編碼器或是行程開關(guān)反饋到控制系統(tǒng)，實現(xiàn)反復(fù)運動。 2.2.1 桿件設(shè)計 (1) 桿件的分類 此桿通過剪式并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)運動輸出，從運動學(xué)角度，這是一個有一定長度的剛性桿，所以桿的每個位置和姿態(tài)都將影響下運動平臺的位置和姿態(tài)。 (2) 剪式并聯(lián)桿 剪式并聯(lián)桿是一個剛性的定長桿，兩端設(shè)置著虎克鉸，具體外形如下： 圖2-1剪式并聯(lián)桿 由圖2-1可見，剛性定長桿空間斜放置，兩端通過連桿端蓋與虎克鉸鏈相連接。 2.2.2 運動模塊設(shè)計 運動模塊是本設(shè)計的驅(qū)動裝置，其相關(guān)組件如圖2-2所示： 圖2-2 運動模塊圖 上圖表示運動模塊的組成部件，以及各部件的相對安裝位置。 2.3鉸鏈的設(shè)計（虎克鉸） 通過第1章中的對比本設(shè)計選用虎克鉸，既可以滿足要求，又具有經(jīng)濟實用性。虎克鉸是連接連桿和上、下運動平臺的定制非標(biāo)件，其功能是能圍繞某一特定的點旋轉(zhuǎn)以完成本設(shè)計所需的運動，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示： 圖 2-3虎克鉸結(jié)構(gòu)圖 如上圖根據(jù)本虎克鉸機構(gòu)的特點，選用標(biāo)準(zhǔn)件十字軸承，可滿足虎克鉸的運動要求。 2.4機床框架和床身的設(shè)計 機床的框架設(shè)計除了要保證機床要求的工作空間和并聯(lián)運動機構(gòu)及其驅(qū)動裝置的安裝要求外，在設(shè)計過程中還應(yīng)考慮以下問題[7]： （1）框架零件的組成。 （2）回轉(zhuǎn)工作臺的連接。 （3）刀具交換系統(tǒng)和刀具交換位置。 （4）排屑傳送帶的位置。 （5）電源和其他管路的連接方法。 （6）在滿足要求的前提下，最大程度的節(jié)省材料。 考慮周全了上述問題之后，本畢設(shè)的機床框架如圖2-4示： 圖 2-4 機床框架圖 第3章 剪式并聯(lián)機床零部件選用及計算 此部分主要包括剪式并聯(lián)機床坐標(biāo)描述和絲杠長度的確定及滾珠絲杠螺母副、JSA直線導(dǎo)軌副、交流伺服電動機、聯(lián)軸器等相關(guān)部件的選型與計算。剪式并聯(lián)機床三維構(gòu)架草圖如下： 圖3-1 6-PUU剪式并聯(lián)機床三維構(gòu)架圖 3.1 6-PUU剪式并聯(lián)機床坐標(biāo)描述與絲杠長度計算 本設(shè)計的機構(gòu)平面結(jié)構(gòu)如下圖所示[5]： 圖3-2 并聯(lián)機床機構(gòu)簡圖 并聯(lián)機床它由6個空間運動鉸鏈成120均分3對。連桿兩端通過虎克鉸連接上、下平臺，以6個絲杠驅(qū)動塊帶動連桿運動。 3.1.1 坐標(biāo)系的建立 通過構(gòu)建空間坐標(biāo)系來描述剪式機床位置和姿態(tài)。如下圖所示：和分別是兩坐標(biāo)系的原點，屬于上、下平臺的中心點，XYZ和的正方向如下圖3-3所示。其中，和點分別表示是上、下。 1 2 3 4 5 6 圖3-3 坐標(biāo)系示意圖 上圖中假設(shè)：的垂直距離等于，上圖中之間的角度關(guān)系是：；；；且上虎克鉸幾何中心關(guān)于上圓成對稱均勻分布。上圖中之間的角度關(guān)系是：；；；且下虎克鉸幾何中心關(guān)于下圓成對稱均勻分布[5]。 假設(shè)：由組成的上圓直徑為，由組成的下圓直徑為，其中。 3.1.2 初始條件的確立 根據(jù)3.1.1中的假設(shè)條件，通過三維軟件模擬或是空間幾何關(guān)系，很容易可求出鉸鏈點、的坐標(biāo)，其中。 經(jīng)過計算坐標(biāo)為： 上運動平臺鉸鏈點： 下運動平臺鉸鏈點： 根據(jù)上述條件計算連桿長度： BP= 其中i=1.2.3.4.5.6 (3—1) 代入坐標(biāo)計算桿長BP： BP== 3.1.3 絲杠長度的計算 根據(jù)本設(shè)計要求剪式并聯(lián)機床X向行程100mm、Y向行程100mm、Z向行程100mm，得到如下并聯(lián)機床行程范圍示意圖： 圖3-4 并聯(lián)機床行程范圍示意圖 其中(i=1.2.3...9）分別為并聯(lián)機床下運動平臺行程范圍內(nèi)的極限點[14]，假設(shè)上述3.1.2的坐標(biāo)點為圖中極限點。當(dāng)下運動平臺從一個極限點運動到另一端的極限點，根據(jù)空間中連桿和平臺的關(guān)系，就可以推算出所需絲杠的最大長度。由上述極限范圍利用空間三角形推算最大長度如下圖： 圖3-5 空間三角形推算絲杠的最大長度 圖中=509.25mm為桿長，=324mm為3.1.2坐標(biāo)位置假設(shè)條件。圖中假設(shè)下運動平臺從極限點到另一端的極限點，由圖3-4得知有兩條路徑，分別是：和；圖3-5是根據(jù)路徑進行分析的，先分析的過程點水平移動了，下平臺由移動到點，然后分析的過程從向上移動的最大Z向行程是100mm，則下平臺由移動到點，根據(jù)分析此過程可知所需絲杠的最大長度為：181.54 mm 綜上分析過程可知，無論從運動到(i=1.2.3...9），所需絲杠的長度都不會超過181.54mm，所以滑塊的最大位移量為181.54mm，圓整為200mm；綜上所述，的螺紋長度應(yīng)大于。 3.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 本小節(jié)將由剪式機床所需要的力，推算出滾珠絲杠螺母副所需的最大動載荷，然后根據(jù)動載荷對其進行初選和校核[6]。 3.2.1 最大工作載荷的計算 最大工作載荷是一種進給牽引力，是滾珠絲杠螺母副所能承載的最大軸向力，其包含[6]。 圖3-6 力分析幾何圖 從以上的幾何圖可以看出： =50.5 (3—2) 通過參考文獻資料中對并聯(lián)機床的相關(guān)分析[5]，得知=670N，=3.25m/min；假設(shè)移動部件=9.810N。 （1）豎直方向最大工作載荷為： （3—3) （2）螺母副上的最大工作載荷[6]： (3—4) 式中： —— 折算到絲杠上的最大工作載荷 —— 豎直方向的最大工作載荷 —— 滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)， 根據(jù)上述取，可計算 3.2.2 最大動載荷的計算 滾珠絲杠螺母副的最大動載是指在有軸向負(fù)載的前提下，回轉(zhuǎn)之后，仍不會出現(xiàn)任何磨損現(xiàn)象[6]。其公式如下： (3—5) (3—6) (3—7) 式中： —— 滾珠絲杠副壽命，以為單位 —— 硬度系數(shù)， —— 載荷系數(shù)，取中等沖擊值 —— 絲杠轉(zhuǎn)速 —— 為最大切削力條件下的進給速度 —— 絲杠導(dǎo)程 —— 為使用壽命，對于數(shù)控機床取 初選導(dǎo)程，由3.2.1的速度為 代入可計算得： = = 3.2.3 絲杠規(guī)格型號的初選 由上述3.2.2的計算，選G系列型號為3205-4的滾珠絲杠副[6]，其外形圖如下： 圖3-7 G系列3205-4滾珠絲杠副圖 表3-1 G系列3205-4的滾珠絲杠副相關(guān)尺寸 規(guī)格 型號 直 徑 導(dǎo) 程 底 徑 外 徑 安 裝 尺 寸 油 杯 額定 載荷/N d0 Ph d2 d1 D1 D D4 B h M Ca Coa 3205-4 32 5 28.2 31.2 50 82 67 13 7 7 12 M6 13675 38788 根據(jù)上表額定動載荷=13675N，滿足要求。 3.2.4 傳動效率的計算 傳動效率公式如下： (3—8) 式中:——傳動效率 ——絲杠螺旋升角 ——摩擦角，其摩擦角約等于 其中 : (3—9) ——絲杠導(dǎo)程， ——公稱直徑，近似取為 所以 代入公式計算得： 由滾珠絲杠副的效率一般為—，故滿足要求。 3.2.5 剛度的校驗 本設(shè)計滾珠絲杠螺母副的選用“”形式進行安裝，具體形態(tài)如下： 3-8 滾珠絲杠的 滾珠絲杠螺母副的形變計算和剛度驗算如下所示[6]： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量[9] 具體公式如下： (3—10) 式中: ——絲杠的變形量 ——絲杠的最大工作載荷 ——材料彈性模數(shù)，對鋼 ——滾珠絲杠截面面積 ——絲杠兩端支承間的距離 “+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。 其中； （為絲杠的底徑，由上表3-1中）。 表3-2 導(dǎo)程與余程[7] 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 10 12 16 20 24 32 40 45 50 由上述3-2表中，導(dǎo)程為5mm則余程，上述選用絲杠G系列的螺母長度，代入計算絲杠螺紋為： (3—11) 圓整，取支承跨距為, 代入公式計算得： （2）絲杠的接觸形變[9] 具體計算公式為： (3—12) 式中: ——滾珠直徑， ——絲杠的預(yù)緊力，有 ——滾珠數(shù)量，，， ——單圈滾珠數(shù)，（為公稱直徑） 即， 圓整為126個滾珠。 代入公式得： （3）剛度的校驗 絲杠總的形變量： (3—13) 顯然，，則校驗合格。 3.2.6 穩(wěn)定性的校驗 為了使?jié)L珠絲杠螺母副不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，本小節(jié)對其穩(wěn)定性進行校驗。 校驗公式如下[6]： (3—14) 式中：—— 臨界載荷，單位為N； —— 絲杠支撐系數(shù)，相關(guān)系數(shù)如下表： 表3-3 導(dǎo)絲杠支撐系數(shù) 支撐形式 “雙推-自由” “雙推-簡支” “雙推-雙推” “單推-單推” 0.25 2 4 1 ??； ——材料彈性模數(shù)，對鋼E=21MPa K——穩(wěn)定的安全系數(shù)，取值范圍，此處； a——絲杠支承距離（mm），a=320mm； I——絲杠慣性力矩 公式： (3—15) 代入公式計算得： 顯然，=1211N，故滾珠絲杠穩(wěn)定性校驗合適。 3.2.7 滾珠絲杠總長度的確定 圖3-9 滾珠絲杠桿圖 根據(jù)上圖表示絲杠桿總長度：L=523mm。 3.3 滾動軸承及螺旋鋼帶防護罩的選用 本小節(jié)主要通過計算載荷選出滾動軸承，然后根據(jù)軸承參數(shù)選取螺旋鋼帶防護罩。 3.3.1 基本額定載荷的計算 具體計算公式如下[6]： (3—16) 式中：—— 速度系數(shù)，取=0.370； —— 壽命系數(shù)，取=3.11； —— 當(dāng)量動載荷，?。? 代入數(shù)據(jù)得： 3.3.2 滾動軸承的選擇 由3.2.7得知絲杠桿軸承端=，基本額定載荷=10178.95N，根據(jù)以上條件選角接觸球軸承。 其相關(guān)參數(shù)如下： 表3-4 絲杠桿軸承參數(shù) 外形尺寸 極限轉(zhuǎn)速 重量 型號 d D B 脂 油 型 25 47 12 11.2 7.08 12000 17000 0.074 圖3-10 軸承外形尺寸 由虎克鉸軸徑d=6mm，故選02系列，代號的。 表3-5 虎克鉸軸承參數(shù) 外形尺寸 重量 型號 d D B 脂 油 6 19 6 2.80 1.05 36000 0.0008 3.3.3 軸承的校驗 （1）壽命校驗公式如下： (3—17) 式中：——額定動載荷，=11200N ——工作轉(zhuǎn)速， ——當(dāng)量動載荷，=1211N 將上述數(shù)據(jù)代入： 15000，故壽命校驗合適。 （2）額定靜載荷校驗 (3—18) 式中：——基本額定靜載荷 ——當(dāng)量靜載荷，取 ——安全系數(shù)，取=2 代入計算得： 顯然2422N，故靜載荷校驗合適。 3.3.4 螺旋鋼帶防護罩的選型 計算防護罩小端內(nèi)徑： (3—19) 式中：——保護套小端內(nèi)徑 ——被保護零件的最大直徑，=28mm 則代入計算得： 取絲桿的跨徑a=320，查手冊選擇LGB規(guī)格代號為：40-550-50的螺旋鋼帶防護罩，其端蓋外形如下圖： 圖3-11 螺旋鋼帶防護罩小端法蘭外形尺寸 圖3-12 螺旋鋼帶防護罩大端法蘭外形尺寸 螺旋鋼帶防護罩的尺寸為： 表3-6 螺旋鋼帶防護罩尺寸 規(guī)格代號 最大延伸長度 最小壓縮長度 保護套小端徑 保護套大端徑 LGB規(guī)格 40-550-50 550 50 40 67 計算大端法蘭內(nèi)徑的公式為： ＝(6～8)mm (3—20) 由表3-6代入計算得： ==75mm 計算小端法蘭外徑的公式為： ＝(1～2)mm (3—21) 由表3-6代入計算得： ==39mm 3.4 直線滾動導(dǎo)軌副的選型計算 直線導(dǎo)軌副具有摩擦因數(shù)小、不易磨損、便于安裝和預(yù)緊、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點[6]。 3.4.1 導(dǎo)軌的初選 結(jié)合本次設(shè)計的特點，選用型號為JSA-LG15的導(dǎo)軌，其長度系列如下[6]： 表3-7 JSA型導(dǎo)軌長度系列 導(dǎo)軌副型號 導(dǎo)軌長度系列/mm JSA-LG15 280 340 400 460 520 640 700 760 根據(jù)絲桿跨徑，取導(dǎo)軌的長度系列為400mm。 初選JSA-KL型導(dǎo)軌其外形圖如下： 圖3-13 JSA-KL型直線導(dǎo)軌副外形 JSA-KL型導(dǎo)軌基本尺寸參數(shù)如下表： 表3-8 JSA-KL型直線導(dǎo)軌副尺數(shù)參數(shù) 型 號 裝配后 導(dǎo)軌 滑塊 尺寸 H W B I F K T JSA-LG15 24 15.5 16 15 20 60 1500 47 19.4 7 11 型號 滑塊尺寸 靜力矩 JSA-LG15 7.9 7.6 9.5 12.3 38 65 40.5 30 M5 55 61 55 61 88 98 3.4.2 工作載荷的計算 由于設(shè)計尺寸要求，采用雙導(dǎo)軌、二滑塊的支承形式。在此，直線導(dǎo)軌副主要起到是導(dǎo)向作用。所需承受的工作載荷較小，此處假設(shè)工作載荷為0.1KN。 3.4.3 距離額定壽命的計算 假設(shè)導(dǎo)軌的期望距離80，當(dāng)選擇球時[6]， 計算公式如下： (3—22) 式中： L——距離額定壽命，單位為km； ——額定動載荷，單位為kN；=7.64kN； F——滑塊上的工作載荷，單位為kN，F(xiàn)=0.1kN； ——硬度系數(shù)，如表3-9所示，取=0.8； ——溫度系數(shù)，如表3-10所示；取=0.9； ——接觸系數(shù)，如表3-11所示；取=0.81； ——精度系數(shù)，如表3-12所示；取=0.9； ——載荷系數(shù)，如表3-13所示；取=2； 表 3-9 硬度系數(shù) 滾道硬度（HRC） 50 55 58-64 0.53 0.8 1.0 表 3-10 溫度系數(shù) 工作溫度/ <100 100-150 150-200 200-250 1.00 0.90 0.73 0.60 表 3-11 接觸系數(shù) 每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 表 3-12 精度系數(shù) 精度等級 2 3 4 5 1.0 1.0 0.9 0.9 表 3-13 載荷系數(shù)[10] 工況 低速工況 中速工況 高速工況 1-1.5 1.5-2 2-3.5 將上述數(shù)據(jù)代入式中： = =87.4km =80km滿足設(shè)計要求。 3.5 交流伺服電動機的選型與校驗 關(guān)于交流伺服電動機的選型，其主要工作內(nèi)容有：1.計算滾珠絲杠對交流伺服電機產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)動慣量；2.計算交流伺服電機在不同場合下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；3.取上述2中其中較大的值用來計算峰值負(fù)載轉(zhuǎn)矩和功率[7]，以此作為初選交流伺服電動機的依據(jù)；4.通過交流伺服系統(tǒng)的慣性匹配原則和電機發(fā)熱校核，對所選的交流伺服電機進行校驗[7]。 3.5.1 計算滾珠絲杠對交流伺服電機產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)動慣量 （1）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量計算[6] 圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下： (3—23) 式中: ——材料密度，取; L——絲杠跨徑，L=344mm=34.4cm； ——絲杠的公稱直徑，取=32mm=3.2cm； 代入公式計算得 ： 由于伺服電機直接與滾珠絲杠軸連接，故電機的轉(zhuǎn)動慣量為： (3—24) （2） 安裝在絲杠螺母上的運動部件的轉(zhuǎn)動慣量 其公式如下： (3—25) 式中：—— 絲杠導(dǎo)程，??； ——運動部件在各個連桿上分?jǐn)偟闹亓?，? 代入公式計算得： （3）總轉(zhuǎn)動慣量的計算 由于電動機直接與絲杠桿相連，故絲杠桿對交流伺服電機產(chǎn)生的等于： (3—26) 3.5.2 計算交流伺服電機在不同場合下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 本小節(jié)將計算交流伺服電機不同場合下運行的負(fù)載轉(zhuǎn)矩[6]。 1. 高速空載場合下啟動 (3—27) 式中 ：——伺服電機所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ——伺服電動機上的最大加速轉(zhuǎn)矩 ——安裝在絲桿上的部件的摩擦轉(zhuǎn)矩 ——絲杠桿形成的附加摩擦力矩 （1）伺服電動機上的最大加速轉(zhuǎn)矩： (3—28) 式中： ——伺服電機轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)動慣量； ——伺服電動機的加速時間，?。? ——伺服電動機的最大轉(zhuǎn)速（r/min），； 代入公式計算得 ： （2）安裝在絲桿上的部件的摩擦轉(zhuǎn)矩 (3—29) (3—30) 式中：——導(dǎo)軌的摩擦力（N） ——滾珠絲杠導(dǎo)程（m） ——傳動鏈總效率，取 ——總傳動比，=1 ——垂直方向工作載荷，=670N G——運動部件總重力，G=98N ——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，取=0.003 代入上式得： （3）絲杠桿形成的附加摩擦力矩 因為本設(shè)計的滾珠絲杠的傳動效率為，導(dǎo)致，故此處可忽略。 綜合所述得： (3—31) 2.伺服電機滿載場合運行 (3—32) 式中：關(guān)于與電機的運行狀況無關(guān)，所以其數(shù)值與上述1相同。 ——伺服電機滿載時的最大工作轉(zhuǎn)矩() (3—33) 其中：——進給方向最大工作載荷（N），； ——傳動鏈效率，； 代入數(shù)據(jù)計算： 分別將、、代入： (3—34) 3.選大的那個值伺服電動機的最大負(fù)載 (3—35) 3.5.3 初選伺服電動機 由于該伺服電動機長期連續(xù)工作在變負(fù)載的條件下，故按方均根負(fù)載初選伺服電動機[7]。 計算負(fù)載峰值力矩有如下公式： （3—36） 式中：——伺服電動機的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ——正轉(zhuǎn)矩時間， ——負(fù)轉(zhuǎn)矩時間， 將上述代入公式得： 負(fù)載峰值力矩 如果要求電動機在峰值負(fù)載轉(zhuǎn)矩下以峰值轉(zhuǎn)速不斷的驅(qū)動負(fù)載，則電動機功率有如下公式[7]： （3—37） 式中：——負(fù)載峰值力矩 ——電動機負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速 ——傳動效率，取 ——系數(shù)，經(jīng)驗數(shù)據(jù) 代入公式得： 估算出的后就可以選取電動機了，使其額定功率滿足： 根據(jù)上述條件，選取BONMET公司制造的SM80系列，型號為SM80-024-30LFB的交流伺服電動機。 表3-14 伺服電機的主要參數(shù) SM系列電動機 主要參數(shù) 配置 轉(zhuǎn)子慣量 電動機代號 轉(zhuǎn)速 功率 SFC SFC+ SM80-024-30LFB 2.4 3000 0.75Kw SA3L06B SA3L16B 1.0610 3.5.4 伺服電動機的校驗 1.伺服系統(tǒng)慣量匹配原則 實踐證明，的比值大小對電動機的性能影響很大，而且與電機的種類及其應(yīng)用場合有關(guān)，對于本設(shè)計中慣量較小的電機，一般要求[7]。 由上述3.5.1得知： 由上述3-14表中： 代入計算得： 由12.63，故滿足匹配原則。 2.伺服電動機需要的轉(zhuǎn)矩 已知：加速時間，電動機轉(zhuǎn)速3000，工作所需轉(zhuǎn)速650，則電動機所需的轉(zhuǎn)矩為： （3—38） 式中：——為正常工作是電機所需的轉(zhuǎn)矩 ——電動機的轉(zhuǎn)子慣量， ——絲杠對交流伺服電動機的總轉(zhuǎn)動慣量， ——電動機轉(zhuǎn)速 ——加速時間，取 ——傳動效率， ——伺服電動機的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 當(dāng)時，代入計算得： 當(dāng)時，代入計算得： 3.伺服電動機發(fā)熱校核[7] 已知：，如圖2-12，其方均根轉(zhuǎn)矩為： =1.1931.394 故有，=1.7222.012 由伺服電機的應(yīng)滿足下列公式： （3—39） 式中：——伺服電機額定轉(zhuǎn)矩 ——均方根轉(zhuǎn)矩 ——安全的系數(shù)，取 ——波形的系數(shù)，矩型波取 代入式中有： （3—40） 由1.7222.012>1.26，這表明該電動機的轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.5.5 伺服電動機的尺寸 圖3-14 伺服電動機外形圖 其安裝尺寸如下表： 表3-15 電動機的安裝尺寸 電機型號 L L A B M D SM80-024-30LFB 19 70 150 30 5 3 125 M6 100 3.6 聯(lián)軸器的選用 聯(lián)軸器是用來連接伺服電機和絲杠桿的零件，一般分為剛性和撓性兩大類。為滿足本設(shè)計要求選用撓性聯(lián)軸器[6]。 3.6.1 計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩 公稱轉(zhuǎn)矩的計算如下[6]： （3—41） 式中：——傳遞的功率，單位為kw ——軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min 根據(jù)3.5所選的伺服電機=0.75kw；n=650r/min 代入公式： 應(yīng)用時，還應(yīng)考慮實際的工況，所以計算公式如下： （3—42） 式中：——實際應(yīng)用轉(zhuǎn)矩（） ——公稱的轉(zhuǎn)矩（） ——工況系數(shù)，取=1.5 代入計算得： 3.6.2 聯(lián)軸器的初選 根據(jù)上述計算及表3-15中伺服電機19和本文絲桿末端尺寸，初步選取SLK2系列的定位螺栓固定平行式聯(lián)軸器，型號為：SLK2-C200-1819。 其聯(lián)軸器外形如下圖： 圖3-15 聯(lián)軸器外形尺寸圖 以下是該聯(lián)軸器的主要參數(shù)表： 表3-16 聯(lián)軸器的主要參數(shù)表 型號 d1 d2 D L L1 M 扭緊力矩（） SLK2-C200-1819 19 18 50.8 51 6.7 M6 7.5 3.6.3 聯(lián)軸器的校驗 根據(jù)初選的聯(lián)軸器的參數(shù)表，對其進行校驗： 表3-17 初選聯(lián)軸器的參數(shù)表 代號 軸向偏差 重量 SLK2-C200-1819 （） （） （r/min） （） （mm） （g） 14.0 28.0 4500 3.0 0.15 392 根據(jù)3.5可知：剪式并聯(lián)機床的工作,工作轉(zhuǎn)矩；由上表3-17可知，初選聯(lián)軸器的最大轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)矩。 顯然： 且； 故型號為：SLK2-C200-1819的聯(lián)軸器，校驗合適。 第4章 結(jié)論與展望 4.1 結(jié)論 本設(shè)計是以目前市場上現(xiàn)有機床為參考，進行的六自由度剪式并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其關(guān)鍵零部件設(shè)計，并用CAXC軟件畫出裝配圖和零件圖。 根據(jù)前3章的綜合分析，本設(shè)計得出如下結(jié)論： 1.剪式并聯(lián)機床的剪式并聯(lián)機構(gòu)可以彌補普通串聯(lián)機床的許多不足[16]。 2.剪式并聯(lián)機構(gòu)屬于新一代的機床，有寬廣的發(fā)展空間。 3.剪式并聯(lián)機床雖然機械結(jié)構(gòu)簡單，但空間位置和姿態(tài)的描述及控制技術(shù)都較復(fù)雜，仍然需要廣大學(xué)者大力研究[12]。 4.雖然剪式并聯(lián)機構(gòu)目前仍存在著許多技術(shù)上的難題，但隨著社會的發(fā)展進步，其未來的發(fā)展前景很樂觀，具有深入研究和開發(fā)的意義。 4.2 剪式并聯(lián)機床的前景展望 本畢業(yè)設(shè)計只是在并聯(lián)機床的一個小的方向——6自由度剪式并機構(gòu)，進行了簡單的研究分析，由于剪式并聯(lián)機構(gòu)特性的復(fù)雜，仍有若干主題值得在未來繼續(xù)深入研討[16]。 與此同時，隨著社會的進步，其他的科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展也為開發(fā)剪式并聯(lián)機構(gòu)，提供了新的機遇與挑戰(zhàn)[12]。例如，以下問題就值得未來深入研討。 1.智能化機器人的應(yīng)用 2.多功能剪式并聯(lián)機械手 3.柔性剪式并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型 4.微型剪式并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型 另外在未來的醫(yī)療發(fā)展中，醫(yī)療機器人也將必不可少，所以在醫(yī)療、微型操作手、納米操作手等方面也可以通過剪式并聯(lián)機構(gòu)進行開發(fā)研究。 參考文獻 [1]王知行,李建生,王洋等.3-HSS并聯(lián)機床.制造技術(shù)與機床,1999,(9) [2]黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制 .北京:機械工業(yè)出版社,1997 [3]張旭華.6-THRT并聯(lián)機器人運動學(xué)性能研究.南京理工大學(xué)碩士論文[J].2004 [4]Nguyen C C,Antrazi S S,etal.Experimental study of motion control and trajectory planning for a Stewart platform robot manipulator.In：proceedings of the IEEE International Conference on Roboties and Automation,1991,2 [5]張曙，U.Heisel.并聯(lián)運動機床.北京:機械工業(yè)出版社，2003 [6]尹志強.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書.合肥.機械工業(yè)出版社，2007 [7]林述溫.機電裝備設(shè)計. 北京:機械工業(yè)出版社，2002 [8]孫恒,陳作模,葛文杰.機械原理.北京,高等教育出版社,2006 [9]劉鴻文.材料力學(xué).北京,高等教育出版社,2004 [10]濮良貴,紀(jì)名剛.機械設(shè)計.北京,高等教育出版社,2008 [11] M. Mitsuishi, S. Warisawa