五自由度混联虚拟轴机床的设计.docx

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五自由度混联虚拟轴机床的设计

淮阴工学院

毕业设计说明书（论文）

作者:

张XX

学号：

XXXXXXXXXX

学院:

机械工程学院

专业:

机械设计制造及其自动化

题目:

五自由度混联虚拟轴机床的设计

指导者：

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2012

年

5

月

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

ABSTRACT

Parallelmachinetools（PMTs），whichalsocalledvirtualaxismachinetools（VAMTs）,isancombinationoutcomeofrobotictechnologyandnumericalcontroltechnology.Itsprototypeisparallelroboticmanipulators.

AimingatthedeficiencyoftraditionalNCmachinetoolandparallelmachinetool,theadvantagesoftraditionalNCmachinetoolandparallelmachinetoolareusedforreference,threehybridtypePMTs,whichcombineserialstructurewithparallelstructure,areproposedinthisdissertationthroughtypesynthesis,andInventionpatentshavebeenappliedforthem.

Inthisdesign，themaindesignisthatfivecoordinatesaxesmovetogetherthrong

threeparallelaxesandtwoinseriesaxesTheresearchandmanufactureofmachinetoolsconsistoftwoparts.Atfirst,mechanicalstructureschemeincludesdesignofmachinetoolsshelfandmoveplatformandendeffector,etc.Second,therearestudyandmanufactureofcontrolcircuitandsoon.Therearethreeperformanceindexes:

symmetry.，workspace，isotropy.Onthebasisofthese,series-parallelmachinetoolsweredesigned.

Atlastmedesignedthebasicstructureofthetoolmachine,counteractedthetoolofCADtocompletethekindmachinetodraw.

Keywords:

ParallelMachineToolVirtualAxisMachineToolparallelmechanism

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、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-loop structure）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（averaging effect），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）使用寿命长。

 由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。

　　（7）Stewart平台适合于模块化生产。

 对于不同的机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新的机构参数输入。

 　　（8）变换座标系方便。

 由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成，非常方便。

由于并联机床是今年来新发展的加工设备，相对而言，传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，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，而我国的理论计算水平基础深厚，在这个领域可以说我国与国外差距不是很大，具有竞争的基础和实力。

1.2国内外研究现状

1.2.1并联机床发展历史回顾

并联机构最早可追溯到十九世纪末，二十世纪初，由ClerkJ.Maxwell和A.Mannheim进行了空间机构理论研究。

自1965年Stewart发明了六自由度并联机构作为飞行模拟器训练飞行员以来，它由上下两个平台和6个并联的，可自由伸缩的杆件组成，如图1.1，这类机构在相当长时间里未受到科技界的重视，直到1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出可以用Stewart机构作为机器人机构，弥补串联机器人刚度差、承载能力低、工作空间小的缺点，并联机构渐渐引起人们的关注，到80年代末并联机构特别90年代以来，并联机床成为了机床制造业新的热点，许多大型会议均设专题讨论。

Stewart平台并联机构最先应用于飞行模拟器，即在地面训练飞行驾驶员，由于训练费用低廉，受到各国航空公司的的欢迎，很快获得了推广，同时促进了Stewart平台并联机构的发展。

由于在飞行员培训方面的成功应用，它业很快被推广到高速列车﹑船舶﹑坦克和汽车的动态性能试验以及公众娱乐设施项目，例如德国铁路不仅将应用Stewart平台并联机构所研制的模拟驾驶舱用于驾驶员培训，而且已经作为旅游项目对公众开放。

早在1978年，Hunt就提出可以将Stewart平台并联机构应用于机器人，但是没有得到足够的重视，对于机器人而言，Stewart平台并联机构具有刚度大，运动惯性小，精度高等优点，后来在机器人领域获得了很快的发展，其中以瑞士Demaurex公司以Delta并联机构为原型生产的系列产品最为著名。

1994年，在美国芝加哥国际机床展览会上，美国Giddings&Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床，引起轰动。

它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑，其内部结构如图1.2所示。

图1.1六自由度并联机构图1.25坐标立式加工中心

从图中可见，6根由伺服电动机驱动的伸缩杆，借助万向铰固定在下平台上，这种结构也被称为“6条腿（Hexapod）”，丝杆的螺母通过万向铰支承着上平台。

杆件长度的伸缩使带有主轴部件的上平台完成加工零件所需的运动。

嗣后，美国Ingersoll公司推出采用并联机构的VOH1000型立式加工中心和HOH600型卧式加工中心，在结构上作了最大改进，从“内铣型”改为“外铣型”，明显缩小动平台的体积，减轻了运动部件的重量，安装工件也较为方便，对并联运动机床的发展曾经产生很大的影响。

   但是由于种种原因，Ingersoll机床也没有投入生产实际应用。

两台VOH1000型立式加工中心分别交付给美国国家标准和技术研究所和美国国家宇航局进行研究。

HOH600型加工中心提供给德国阿亨工业大学的机床实验室进行研究。

它们的研究结果对并联运动机床的发展起到很大的促进作用。

1.2.2并联机床的研究现状

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。

自1994年美国Giddings&Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床后，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IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，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，与并联机床和并联机器人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。

   目前，国内外有许多公司和研究单位在研究虚拟轴机床。

我国的并联机床研究起步较晚，但成果显著。

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机器人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。

其中清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1997年12月25日与天津大学合作，共同开发出我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机-VAMT1Y。

在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水平，其中部分理论成果属国际首创。

目前正在进行虚拟轴机床系列化、实用化的研究，与多家机床骨干厂家进行了新型虚拟轴机床商品化样机的研制工作，以期实现虚拟轴机床的产业化。

其中与昆明机床股份有限公司、江东机床厂和大连机床厂联合研制的三种不同构型的机床已经问世，并与2001年在CIMT上展出。

与昆明机床股份有限公司共同研制的XNZ63虚拟轴机床，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，其综合指标达到了国际先进水平。

与江东机床厂联合开发的一台龙门式虚拟轴机床，结构采用双柱龙门工作台移动式，可完成4坐标联动。

与大连机床厂联合研制的DCB-510五轴联动串并联机床，能够通过并联机构实现X、Y和Z方向的移动，采用传统的串联方式实现主轴头的A和C方向的转动。

另外由天津大学设计并与天津市第一机床厂联合研制的并联机床也获得成功并达到实用化水平。

第二章混联虚拟轴机床结构与设计

2.1并联机床的结构

并联机床是以空间并联机构为基础的，因此空间机构是我们研究的重点。

2.1.1并联机床的结构要素

空间机构由运动链串联或并联组成。

串联机构是由一组运动链串联组成，其特点是第一个运动链接受驱动器输入而开始运动，只有当它结束后，才开始第二个运动链的运动，依次类推，它属于开环机构。

并联机构是一组有两个或两个以上的分支机构并联组成，其特点是所有的分支机构都同时接受驱动器的输入，而最终共同输出，属于闭环结构。

混联结构是指与固定平台连接的独立运动链少于末端执行器自由度的并联机构，即由串联机构和并联机构混合组成的。

运动副确定两构件的相互运动关系，组成空间机构的运动副有:

转动副（R）、移动副（P）,螺旋副（H）、圆柱副（C）、球面副（S）、平面副（E）、以及虎克铰（T）等，如图2.1。

其中常用的有:

转动副、移动副、圆柱副、球面副、虎克铰。

上述运动副中转动副、移动副、螺旋副具有一个相对自由度:

圆柱副、虎克铰具有两个相对自由度;平面副、球面副具有三个相对自由度。

转动副R移动副P球面副S万向铰链T

图2.1空间机构的运动副

2.1.2并联机床的典型结构

并联机构可以严格定义为:

上下平台用2个或2个以上分支相联，机构具有2个或2个以上的自由度，且以并联方式驱动的机构。

由运动副的自由组合可以得到各种结构形式的并联机构，若各分支的运动副都是单自由度的基本副，则并联机构的结构形式可以方便地列出。

大体上并联机床的结构形式可以份为可变杆长和不可变杆长2种，而后又根据使用运动副的种类和杆件数目演化成各种各样的并联机构形式。

图2.2不可变杆长并联机床

如图2.2左上为具有三根固定杆长和3根立柱的并联机床，沿立柱导轨移动杆件基点进行驱动，具有三个自由度；右上为具有六根固定杆长的杆件，具有六个运动自由度；左下具有六根固定杆长和三根立柱，杆件的基点分布不同高度，杆件的另一端分布在动平台的不同位置，居于6个自由度；右下图为六根件和六根立柱的结构，具有六个自由度。

图2.3可变杆长并联机床

如图2.3左上为具有三根可变杆长和3根立柱的并联机床，由杆件伸缩进行驱动，具有三个自由度；右上为具有六根可变杆长的杆件，具有六个运动自由度；左下具有六根可变杆长和三根立柱，杆件的基点分布不同高度，杆件的另一端分布在动平台的不同位置，居于6个自由度；右下图为六根可变杆长和六根立柱的结构，具有六个自由度。

2.2并联机床的理论设计方法

新技术对并联运动机床的设计提出了新的要求，主要由以下几个方面：

（1）轻质材料和高强度材料的应用。

（2）零件形状越来越复杂。

（3）最好可以在一台设备上完成全部加工工序。

（4）能够经济加工小批量，多品种的零件。

这些都影响并联机床的设计理论和设计方法。

2.2.1原始参数确定

根据机床的应用领域和加工对象的范围确定机床设计的原始参数，例如被加工的材料，零件的尺寸范围，加工工艺，主轴功率和切削力。

2.2.2概念设计和运动综合

概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体（动平台）的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。

   按照支链中所含运动副的种类和数目不同，机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。

因此，在制定总体布局方案时，要进行运动学分析，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。

   由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。

目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。

这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。

特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。

应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。

2.2.3控制系统设计和标定

从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射（又称虚实映射）。

因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。

由于构型和尺度参数不同，导致不同并联机床虚实映射的结构和参数不尽相同，如何解决这些问题将成为并联运动机床控制系统设计的主要目的。

2.2.4样机试制与性能试验

在关键的概念设计和运动学设计完成后，机床的样机试制，标定，补偿，修正将成为机床产品化关键的一步，是将并联机床推向市场的重要环节。

这时，要注意基础件的选用，并联机床所需的关键基础件包括功率体积比大的高速电主轴单元、高速高性能直线电机、精密丝杠导轨副、结构紧凑且可调隙的精密滚动球轴承和卡当铰，以及高精度光栅和激光测量定位系统等。

目前，国外已有专业生产厂（如德国INA轴承公司）开发出不同系列的产品。

然而，这些产品在我国还多属空白，或与国际先进水平存在较大差距。

   并联机床是机床家族中的一个新成员，目前，尚有许多理论与技术问题有待攻克，很难一次就设计成功，只有经过反复的优化和改进才能投入批量生产和实际应用。

第三章混联虚拟轴机床并联部分的设计

3.1毕业设计课题和机床参数的确定

毕业设计课题是设计串并联虚拟轴机床，即混联机构的并联机床，要求设计出总体结构与动平台部分，其中要采用蜗轮蜗杆减速，对其中的一些构件的选用进行分析，来掌握并联机床的概念设计和结构方法。

通过调查研究，确定如下的设计原则和基本参数。

（1）机床的加工范围，即工作空间为500mm

400mm，主要用于高速铣削钻削的加工。

（2）加工材料主要为铸铁，钢件，铸铝等，加工形状要素主要为平面，孔，槽等

（3）最大移动速度不大于60m/s

（4）最大加速度不大于10m/s

（5）占地面积尽量小，机床宽度要小于3000mm

3.2并联机床的概念设计

主要是设计和选定能够满足机床加工要求的并联机构，由于众多因素相互制约，所以最终的结果是在这些因素之间谋求折中，最后达