畢業(yè)答辯-五軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).ppt

五軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)TheDesignofFiveAxisParallelMachineTool,專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：,一、研究的背景及意義,傳統(tǒng)機(jī)床為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在懸臂部件，不易獲得高的結(jié)構(gòu)剛度；另外，其組成環(huán)節(jié)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了加工精度和速度的提高。在20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世的并聯(lián)機(jī)床，正是為解決傳統(tǒng)機(jī)床存在的問(wèn)題而進(jìn)行的一種新的嘗試。,二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,基于Stewart平臺(tái)六自由度的并聯(lián)機(jī)床,三自由度的三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu),五自由度五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu),三、總體結(jié)構(gòu)方案,三、總體結(jié)構(gòu)方案,5-UPS/PRPU并聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,四、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,四、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,1、自由度計(jì)算采用KutzbachGrubler公式機(jī)構(gòu)的構(gòu)件總數(shù)n為15，運(yùn)動(dòng)副總數(shù)g為19，其中包括7個(gè)1個(gè)自由度的移動(dòng)副，1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，6個(gè)2自由度的虎克鉸，5個(gè)3自由度的球鉸。即本機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為5。,5-UPS/PRPU并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖,四、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,2、中間約束分支的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,D-H參數(shù),中間約束支鏈的坐標(biāo)示意圖,根據(jù)D-H參數(shù)，得到動(dòng)平臺(tái)的坐標(biāo)系B相對(duì)于定平臺(tái)坐標(biāo)系A(chǔ)的轉(zhuǎn)換矩陣為：,四、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,2、中間約束分支的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,采用Z-Y-X歐拉角來(lái)表達(dá)動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)，那么有,通過(guò)這兩種變換矩陣形式的相比計(jì)算，求解得到：,由計(jì)算得到的式子,有以下結(jié)論：在動(dòng)平臺(tái)的位姿參數(shù)中繞其法線方向的歐拉角為90度，是一個(gè)常數(shù)，這說(shuō)明中間約束支鏈能約束動(dòng)平臺(tái)繞其自身法線方向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。另外，中間PRPU約束支鏈作為一個(gè)被動(dòng)支鏈，它將承受機(jī)床大部分的載荷和扭矩。,四、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,3、五個(gè)驅(qū)動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)反解分析,定平臺(tái)上的鉸鏈支點(diǎn)在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值是：,動(dòng)平臺(tái)上的鉸鏈支點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值是：,方向余弦矩陣,那么，伸縮桿的長(zhǎng)度為,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),1、驅(qū)動(dòng)伸縮桿支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),1、驅(qū)動(dòng)伸縮桿支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）滾珠絲桿螺母副的計(jì)算、選型通過(guò)公式計(jì)算和查閱現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算出：,查閱現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，由計(jì)算的絲杠導(dǎo)程、軸向動(dòng)載荷和最小螺紋直徑等參數(shù)，初步確定滾珠絲杠副選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式，公稱直徑為32mm，基本導(dǎo)程為5mm，負(fù)荷鋼球圈數(shù)為3圈，精度等級(jí)為4級(jí)，滾珠絲杠副的型號(hào)為FFZD3205-3-P4。該型號(hào)的動(dòng)載荷為13000N，最小螺紋直徑為28mm，鋼球直徑為3.5mm。,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),1、驅(qū)動(dòng)伸縮桿支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型計(jì)算結(jié)果：綜合考慮，由北京和利時(shí)56系列二相混合式步進(jìn)電機(jī).pdf，初選步進(jìn)電機(jī)為86BYG250BS-SAKSML-0551型號(hào),五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),1、驅(qū)動(dòng)伸縮桿支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）空心滾珠花鍵副設(shè)計(jì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，滾珠絲杠高速旋轉(zhuǎn)，為限制滾珠絲杠螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用空心滾珠花鍵副對(duì)滾珠絲杠螺母的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行約束，同時(shí)對(duì)它的位移進(jìn)行導(dǎo)向。因此，空心滾珠花鍵副需要傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。本設(shè)計(jì)的空心滾珠花鍵軸其左端加工了直徑40的孔以及四個(gè)螺紋孔是為了與滾珠絲杠螺母通過(guò)螺釘連接。,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)伸縮桿支鏈裝配圖和爆炸圖,1、驅(qū)動(dòng)伸縮桿支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),2、中間約束支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）雙滑桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的雙滑桿結(jié)構(gòu)是中間約束分支PRPU(移動(dòng)副-轉(zhuǎn)動(dòng)副-移動(dòng)副-虎克鉸)中的一個(gè)移動(dòng)副。兩根滑桿與定平臺(tái)機(jī)架固定，滑塊可以在兩跟滑桿上沿Z軸移動(dòng)。本設(shè)計(jì)通過(guò)雙滑桿這種結(jié)構(gòu)能夠讓滑塊移動(dòng)時(shí)更穩(wěn)定，并且能大大降低摩擦和提升機(jī)構(gòu)的精度。其三維模型如圖所示：,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),2、中間約束支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）直線軸承選型本設(shè)計(jì)的雙滑桿結(jié)構(gòu)中，滑塊在兩根滑桿上移動(dòng)，為減少摩擦，提高結(jié)構(gòu)的精度以及防止在滑動(dòng)中中間約束支鏈卡死，所以采用直線軸承，并選用THK產(chǎn)品目錄中的LBF法蘭式直線軸承。,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),2、中間約束支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）滾珠花鍵副設(shè)計(jì)及計(jì)算本設(shè)計(jì)的中間約束分支PRPU(移動(dòng)副-轉(zhuǎn)動(dòng)副-移動(dòng)副-虎克鉸)中的另一個(gè)移動(dòng)副采用滾珠花鍵副的結(jié)構(gòu)。滾珠花鍵副可以使中間約束支鏈幾乎無(wú)摩擦地平滑移動(dòng)，還能夠在滾珠花鍵滑塊的半徑方向以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向施加一定的預(yù)緊力，來(lái)承受機(jī)床運(yùn)動(dòng)中的載荷，從而提升加工精度。另外，由于中間約束分支承受了大部分安裝在動(dòng)平臺(tái)上的電主軸的加工銑屑力和機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的載荷，而滾珠花鍵副能夠傳遞扭矩，所以通過(guò)滾珠花鍵副的結(jié)構(gòu)來(lái)限制中間約束支鏈繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，克服中間約束支鏈所承受的扭矩和載荷。,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),中間約束支鏈爆炸圖和裝配圖,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),3、鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）球鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在本文所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，球鉸鏈?zhǔn)怯脕?lái)把動(dòng)平臺(tái)和伸縮桿這兩部分相連的結(jié)構(gòu)，它主要是使這兩部件繞其中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)并承擔(dān)機(jī)床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的載荷。如圖所示，本文設(shè)計(jì)的球鉸鏈結(jié)構(gòu)將球鉸的球頭與球鉸拉桿變成整體叫做球頭拉桿，整個(gè)球鉸鏈結(jié)構(gòu)分為球頭拉桿，球鉸座，球鉸端蓋三部分，球頭拉桿安裝在球鉸座上并通過(guò)球鉸端蓋固定。另外，為了方便安裝與拆卸，球鉸端蓋分為上下兩部分。,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),3、鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）虎克鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，本設(shè)計(jì)的虎克鉸的結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)通過(guò)安裝在軸承上的軸與中間約束支鏈相連，圓環(huán)外有兩個(gè)軸頭與動(dòng)平臺(tái)的相連，整體的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)支鏈繞兩個(gè)坐標(biāo)軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并限制了其他四個(gè)自由度。另外，為了方便安裝與拆卸，設(shè)計(jì)了可以伸縮的軸頭。安裝時(shí)把軸頭壓進(jìn)去即可，并通過(guò)彈簧的彈性力進(jìn)行軸承的定位。在圓環(huán)和動(dòng)平臺(tái)架子上都開(kāi)了小孔，通過(guò)工具把軸頭壓進(jìn)去即可進(jìn)行拆卸。,五、機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),4、動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4.17所示，其上部是一個(gè)用來(lái)安裝虎克鉸圓環(huán)的架子，下部分是空心圓柱體結(jié)構(gòu)，電主軸安裝在動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部，減小了動(dòng)平臺(tái)的整體尺寸，使得機(jī)床運(yùn)行時(shí)動(dòng)平臺(tái)的慣性減小。另外，在動(dòng)平臺(tái)的斜面上均勻布置了五個(gè)安裝球鉸底座的孔。,六、運(yùn)動(dòng)仿真,為了進(jìn)一步分析整機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍，有必要對(duì)五軸并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，運(yùn)動(dòng)仿真是在整機(jī)模型裝配的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。本次只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)仿真，其運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建過(guò)程包括以下的過(guò)程：1).首先，需要根據(jù)本設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)床的模型，建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析的場(chǎng)景；2).針對(duì)本設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型的整體構(gòu)建，需要設(shè)定每個(gè)零部件的連桿特性以及設(shè)置各零部件兩兩連桿間的運(yùn)動(dòng)副和約束特征，再有就是對(duì)驅(qū)動(dòng)伸縮桿系添加機(jī)構(gòu)載荷；3).對(duì)本設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，并提交運(yùn)動(dòng)仿真模型數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)的輸出和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制；通過(guò)控制五根驅(qū)動(dòng)支鏈伸縮桿的長(zhǎng)度，使機(jī)床動(dòng)平臺(tái)到達(dá)兩個(gè)空間極限位置。,六、結(jié)論,與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床加工效率更高，加工產(chǎn)品尺寸范圍更大。并聯(lián)機(jī)床可以在其在加工范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)行五面乃至及所有的復(fù)合角度的姿態(tài)加工，經(jīng)常用于敏捷加工加工的場(chǎng)合。本課題主要針對(duì)五軸并聯(lián)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)資料，并結(jié)合本課題研究的背景和要求，