裝配圖并聯結構機床

裝配圖并聯結構機床,裝配,并聯,結構,機床 XXX大學畢業(yè)設計說明書 學校代碼： 學 號： 本科畢業(yè)設計說明書 題 目 學生姓名： 學 院： 系 別： 專 業(yè)： 班 級： 指導教師： 二 〇 一 四 年 六 月 摘 要 并聯機床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯結構機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲(Hexapods)。并聯機床是近年來國內外機床研究的熱點，它具有自由度多、剛度高、精度高、傳動鏈短、制造成本低等優(yōu)點。但其也不足之處，其中位置正解復雜就是關鍵的一條。3-SPS伸縮式并聯機床是Stewart機床的一種變形結構形式，它主要特點是動、靜平臺上的3個關節(jié)點分別分布在同一個平面上，且構成的形狀相似。 并聯機床是集機械、氣動（液壓）、控制技 9! Eq` 術于一體的典型的機電一體化設備，它容易實現“三軸聯動”，有望成為21世紀高速輕型數控加工的主力設備。本課題結合本院實驗室建設，設六自由度并聯機床機構，使其能根據工藝要求進行加工。 d)dL%9K$ 提高學生的工程素質、創(chuàng)新能力、綜合實踐及應用能力。 本課題設計的主要針對并聯機床結構設計，其內容主要包括并聯機床設計方案的確定，并聯機床機構設計計算，以及滾珠絲杠螺母副、伺服電機、滾動軸承、聯軸器等主要零部件的計算選用，并利用UG軟件繪制各相關零部件的三維實體零件圖和總裝配圖，以期達到能直觀看出并聯機床實體機構的效果。 關鍵詞：并聯機床；伺服電動機；空間變換矩陣； Abstract PMT (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-legged 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 is the key. 3-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, pneumatic (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 construction 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 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 UG software to draw the relevant parts of the three-dimensional 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 1 1.1 課題的研究背景 1 1.2 課題研究的意義 2 1.3 課題研究的內容 3 1.3.1 并聯機構介紹 3 1.3.2 并聯機床設計類型的選定 3 1.3.3 并聯機床結構設計的相關計算 4 1.3.4 各零部件的三維建模、裝配與二維圖的轉化 4 第二章 并聯機床結構設計相關計算 5 2.1 3-SPS伸縮式并聯機床位置逆解計算與分析 5 2.1.1 3-SPS并聯并聯機床機械結構簡介 6 2.1.2 坐標系的建立 6 2.1.3 初始條件的確立 7 2.1.4 空間變換矩陣的求解 7 2.1.5 新坐標及各軸滑塊移動量的計算 9 2.1.6 并聯機床桿系簡化分析 12 2.2 滾動軸承的選用 20 2.2.1 基本額定載荷 20 2.2.2 滾動軸承的選擇 20 2.2.3 軸承的校核 22 2.3 步進電動機的計算與選型 22 2.3.1 伺服電機轉軸上總轉動慣量的計算 22 2.3.2 伺服電機轉軸上等效負載轉矩的計算 24 2.3.3 步進電動機尺寸 27 2.4 聯軸器的選用 28 第三章 并聯機床三維建模、裝配與出圖 30 3.1 UG軟件的概述 30 3.2 UG的功能 30 3.3 主要零部件的UG建模 31 3.4 零件的裝配 32 3.5 二維圖的處理 34 第四章 并聯機床前景展望 36 4.1 引言 36 4.2 并聯機床未來研究方 36 總結 38 參考文獻 39 謝 辭 40 第一章 總體方案的確定 1.1 課題的研究背景 為了提高對生產環(huán)境的適應性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機床制造業(yè)都在積極探索和研制新型多功能的制造裝備與系統(tǒng)，其中在機床結構技術上的突破性進展當屬90年代中期問世的并聯機床(Parallel Machine Tools)，又稱虛(擬)軸機床(Virtual Axis Machine Tool)或并聯運動學機器(Parallel Kinematics Machine)。并聯機床實質上是并聯機床技術與機床結構技術結合的產物，其原型是并聯并聯機床操作機。與實現等同功能的傳統(tǒng)五坐標數控機床相比，并聯機床具有如下優(yōu)點： ??? ① 剛度重量比大：因采用并聯閉環(huán)靜定或非靜定桿系結構，且在準靜態(tài)情況下，傳動構件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機構的單位重量具有很高的承載能 ??? ② 響應速度快：運動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質，允許動平臺獲得很高的進給速度和加速度，因而特別適于各種高速數控作業(yè)。 ??? ③ 環(huán)境適應性強：便于可重組和模塊化設計，且可構成形式多樣的布局和自由度組合。在動平臺上安裝刀具可進行多坐標銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備并聯機床腕、高能束源或CCD攝像機等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測量等作業(yè)。 ④ 技術附加值高：并聯機床具有“硬件”簡單，“軟件”復雜的特點，是一種技術附加值很高的機電一體化產品，因此可望獲得高額的經濟回報。 ??? 目前，國際學術界和工程界對研究與開發(fā)并聯機床非常重視，并于90年代中期相繼推出結構形式各異的產品化樣機。1994年在芝加哥國際機床博覽會上，美國Ingersoll銑床公司、Giddings & Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數控機床與加工中心，引起轟動。此后，英國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IFW1研究所，德國亞琛工業(yè)大學、漢諾威大學和斯圖加特大學等單位也研制出不同結構形式的數控銑床、激光加工和水射流機床、坐標測量機和加工中心。與之相呼應，由美國Sandia國家實驗室和國家標準局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協會，并在國際互聯網上設立站點。近年來，與并聯機床和并聯并聯機床操作機有關的學術會議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會、1998～1999年CIRA大會、ASME第25屆機構學雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領域。由美國國家科學基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯運動學機器專題研討會，并決定第二屆研討會于2000年在美國密執(zhí)安大學舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國際機床博覽會上均有這類新型機床參展，并認為可望成為21世紀高速輕型數控加工的主力裝備。 我國已將并聯機床的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關計劃和863高技術發(fā)展計劃，相關基礎理論研究連續(xù)得到國家自然科學基金和國家攀登計劃的資助。部分高校還將并聯機床的研發(fā)納入教育部211工程重點建設項目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機床骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學基金委員會的支持下，中國大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學召開了我國第一屆并聯并聯機床與并聯機床設計理論與關鍵技術研討會，對并聯機床的發(fā)展現狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進行了研討。 整體而言，傳統(tǒng)的串聯機構機床，是屬于數學簡單而機構復雜的機床，而相對的，并聯機構機床則機構簡單而數學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數學運算，因此虛擬軸并聯機床是一種知識密集型機構。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結構的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯機構驅動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質量都有較大的改進。另外，由于其進給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結構簡單、制造成本低、標準化程度高等優(yōu)點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術界的廣泛關注。由并聯、串聯同時組成的混聯式數控機床，不但具有并聯機床的優(yōu)點，而且在使用上更具實用價值。 1.2 課題研究的意義 并聯機床對于實現生產過程自動化、提高勞動生產率、降低勞動強度、 ]yt(_ Oi 保障生產安全具有重要意義。并聯機床是集機械、氣動（液壓）、控制技 9! Eq` 術于一體的典型的機電一體化設備。并聯機床容易實現“三軸聯動”，有望成為21世紀高速輕型數控加工的主力設備。本課題結合本院實驗室建設，設六自由度并聯機床機構，使其能根據工藝要求進行加工。從而使學生得到一次機械結構設計、氣動（液壓）系統(tǒng)設計 d)3ceJ: 的訓練。 d)dL%9K$ 提高學生的工程素質、創(chuàng)新能力、綜合實踐及應用能力。 1.3 課題研究的內容 設計過程中需要做的工作主要有：第一、收集相關資料，在了解3-SPS伸縮式并聯機床工作原理的基礎上，制定出滿足設計要求的結構方案，繪制出主要結構。第二、完善機床的結構設計，完成傳動零部件的設計、選型。第三、對并聯機床工作原理及運行情況做簡單分析、計算。第四、利用CAXA、UG軟件建立零件圖、裝配模型，完善整機結構。 1.3.1 并聯機構介紹 一．并聯機構的定義 并聯機構（Parallel Mechanism，簡稱PM），可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環(huán)機。 二．并聯機構的特點 并聯機構主要具有以下特點： （1）與串聯機構相比剛度大，結構穩(wěn)定； （2）承載能力大； （3）微動精度高； （4）運動負荷??； （5）在位置求解上，串聯機構正解容易，但反解十分困難，而并聯機構正解困難反解卻非常容易。 三．3自由度并聯機構 3自由度并聯機構是并聯并聯機床機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的并聯機構，但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯機床的精度標定等。從完全并聯的角度出發(fā)，這類機構必須具有3個運動鏈。但現有的并聯機構中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度并聯機構，如3-PRPS 和3-URS 等機構，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構作這驅動機構的3自由度并聯機構等。 　　 1.3.2 并聯機床設計類型的選定 3自由度并聯并聯機床有很多種結構類型，如3-SPS型、6-PTRT型、6-PSS型等等。根據導師提供的參考資料以及畢業(yè)設計任務書，選定3-SPS型并聯機床進行設計。 3-SPS伸縮式并聯機構是將3套驅動模塊固定在連桿上，每套驅動模塊連接1套連桿機構，連桿機構末端與運動平臺連接，由伺服電機驅動絲杠螺母副，使絲母滑座做傾斜（與連桿平行）方向的運動，然后通過連桿聯動，帶動運動平臺產生運動?？梢远x為動平臺和定平臺通過六個獨立的運動鏈相連接，機構具有3個自由度，伸縮式且以并聯方式驅動的一種閉環(huán)機。 此類型并聯機床主要零部件包括伺服電機、滾珠絲杠螺母副、連桿、運動平臺、底座、立柱、頂蓋、運動鉸鏈等，在研究過程中必須加強了解，使得并聯機床結構設計得更加合理。 1.3.3 并聯機床結構設計的相關計算 一．并聯并聯機床位置逆解的算 （1）坐標系的建立； （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，實現逆解； （5）計算結果的簡化分析。 二．滾珠絲杠螺母副的計算與選型 三．伺服電機的計算與選型 四．其他主要零部件的計算與選用 1.3.4 各零部件的三維建模、裝配與二維圖的轉化 為了較為直觀的看出并聯機床空間結構的特征，采用UG軟件對并聯機床各零部件進行三維建模并裝配，以達到預期效果。在三維建模完成后將其轉化成CAXA電子圖版二維圖進行修改完善，以便打印出圖。 第二章 并聯機床結構設計相關計算 此部分主要包括3-SPS伸縮式并聯機床位置逆解的相關計算與分析，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，滾動軸承的選用，伺服電機的計算與選型，聯軸器的選用與校核的選用等。所設計的3-SPS伸縮式并聯機床實物圖如圖2-1所示： 圖2-1 3-SPS并聯機床模型 2.1 3-SPS伸縮式并聯機床位置逆解計算與分析 該部分根據劉國平、李建武等《3-SPS并聯并聯機床一種逆解算法研究》主要介紹了3-SPS并聯并聯機床位置逆解的一種求解方法，該方法采用坐標變換原理，求得運動平臺上的任意點經過平移、旋轉后的新坐標，再根據3-SPS機械結構的特點，通過幾何方法求出各軸滑塊的移動距離，從而實現逆解的求，并根據張曙的《并聯運動機床》加以分析處[10]。 2.1.1 3-SPS并聯并聯機床機械結構簡介 該類型并聯并聯機床采用3-SPS結構，簡圖如圖2-2所示，其中1：固定支；2：運動滑塊；3：連桿；4：活動平臺。 3-SPS并聯并聯機床的工作原理是通過伺服電機驅動滾珠絲桿，帶動絲桿上滑塊與連桿并行的移動，滑塊又通過虎克鉸帶動連桿運動，從而使活動平臺變化在空間的位置和姿態(tài)。 圖2-2 3-SPS并聯機床機構簡圖 2.1.2 坐標系的建立 為求解3自由度平臺的空間位置關系，首先建立動、靜兩坐標系，靜坐標系原點位于上平臺中心，動坐標系原點。位于下平臺中心，各軸指向如圖所示，動靜平臺坐標系方向保持一致，坐標系如圖2-3所示。其中，Bi各點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成圖形的外接圓；Pi各點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成圖形的外接圓(i=l、2…6)。 圖2-3 坐標系示意圖 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;且關于上虎克鉸幾何中心所構成圖形的外接圓成分布，對稱。下虎克鉸中心 ; ; ; 且關于下虎克鉸幾何中心所構成圖形的外接圓成分布、對稱。上平臺虎克鉸幾何中心所在圓半徑為500mm，下平臺虎克鉸幾何中心所在圓半徑為120mm。 2.1.3 初始條件的確立 當已知機構的基本尺寸，在所建立的坐標系上，由于上、下平臺的各個鉸點和(i=l，2…6)對于坐標系的幾何關系已確定(如各鉸點與原點的連線和X軸的夾角為定值)，通過幾何關系就可計算出各鉸點在靜坐標系中的坐標值，即各個鉸點和的坐標值可計算出來而成為已知條件。 經計算可知： 上平臺各個交點坐標為： B1(-171.01，-469.85，324.03) B2 (171.01，-469.85，324.03) B3(492.3，-469.85，324.03) 下平臺各個交點坐標為： P1(-82.60，-87.04，0) P2(82.60，-87.04，0) P3(116.68，-28.01，0) 2.1.4 空間變換矩陣的求解 假定動坐標系沿定坐標系的X、Y、Z坐標軸分別平移XPYPZP后，再在新的坐標系下繞X軸旋轉，繞Y軸旋轉，繞Z軸旋轉 ，則坐標變換矩陣：[9] (2—1) 其中： ；其他依此類推。 隨著滑塊的移動，活動平臺各鉸點也隨之到達新的位置，設為到達新位置時的坐標值，則有 。根據畢業(yè)設計任務書技術參數中機床運動平臺的動作范圍，不妨假定運動平臺處于其中一極限位置時有且； 于是計算可得： 假定運動平臺處于另一極限位置時有且； 此時： 2.1.5 新坐標及各軸滑塊移動量的計算 ㈠ 當計算滑塊的移動量 ①計算新坐標： 根據上述計算方法可知： (2—2) 其中以及分別表示和的齊次坐標，參考《并聯機床》第二版22[9]。故的坐標為： 同理可以計算得： ②求到的距離，到的距離： 如圖2-4所示，是與Z軸平行且經過點的直線，垂直于，垂足為(i=1,2,....,6)，則可構建出一個直角三角形，由于平行于靜坐標系的軸，所以與僅Z軸坐標不同，即，， 。 圖2-4 計算幾何圖 于是， (2—3) 到得距離為上下虎克鉸中心的距離，此距離不變所以： 由于 (2—4) 代入相關數據可求得： ；；； ；； ③求各軸上滑塊的移動量： (2—5) 代入相關數據可求得： 以上計算結果,“-”值表示沿Z軸負方向移動；反之則表示沿Z軸正方向移動。 ㈡ 當 計算滑塊的移動量 ①計算新坐標： 根據上述相同計算方法與過程，同理可以計算得： ②求到的距離，到的距離： 同上， 代入相關數據可求得： 而 代入相關數據可求得： ；； ；； ③求各軸上滑塊的移動量： 代入相關數據可求得： 以上計算結果,“-”值表示沿Z軸負方向移動。 綜上計算結果可知，滑塊的最大位移量為191.24mm,圓整為195mm；據此可知滾珠絲杠螺紋的有效行程不得低于195mm。 2.1.6 并聯機床桿系簡化分析 跟據張曙《并聯運動機床》第78頁的相關內容，將并聯并聯機床桿系配置簡化為平面機構進行分析計[10]。 ㈠ 以刀頭點沿X方向從0到100mm每移動10mm為參考，即=10mm；據此計算機床每根軸上滑塊的移動量，記為（同2.1.5中的計算）。 此時坐標變換矩陣為： (2—6) 按照2.1.5中相關滑塊位移量的計算方法，容易計算出各滑塊的移動量如下： 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 -2.43 -3.93 -5.65 -7.69 -10.05 -12.75 -15.79 \ 0.16 0.49 0.69 1.19 1.4 1.72 2.04 2.26 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 -2.21 -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 2.2 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 -14.21 -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 10 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 2.32 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 \ 4.03 3.67 3.34 3.01 2.7 2.29 2.09 1.79 1.51 1.21 \ 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 根據上述計算可知： (2—7) 于是根據虛功原理及運動學知識有： (2—8) 假定刀頭點在加工時X、Y、Z方向上所受最大切削力均為100N，有設計要求技術參數，X、Y、Z方向上的最大移動速度均為100mm/s 。由于 ，這使得滑塊上所受Z方向的力與刀頭點處受力出現巨大波動，并且參考的劃分越細可能出現的波動越大，此處取平均值予以計算： 代入數值計算得： ㈡ 以刀頭點沿Y方向從0到100mm每移動10mm為參考時，相關計算與沿X方向的計算方法相同并且結果相差不大，可取X方向計算結果。 ㈢ 以刀頭點沿Z方向從零到100mm每移動10mm為參考時，顯然滑塊和運動平臺（刀頭點）移動速度相同，即有： 此時可知： 從上所述：刀頭點以最快速度運動并且受到最大切削力時，各軸滑塊最快移動速度和根據虛功原理轉換到滑塊上沿Z軸的最大作用力分別為 2.2 滾動軸承的選用 2.2.1 基本額定載荷 (2—23) 式中：—— 速度系數，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》查表4.2-8，取=0.370； —— 壽命系數，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》查表4.2-8，取=3.11； —— 當量動載荷，由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》查表4.2-84，??； 2.2.2 滾動軸承的選擇 滾珠絲桿的公稱直徑為12mm，基本額定載荷=1168.46N，根據以上條件選擇（角接觸球軸承）。 表2-2 軸承參數 基本尺寸／mm 基本額定載荷/KN 極限轉速/（r/min） 質量 /kg 軸承 代號 d D B 脂 油 70000C （AC.B）型 25 47 12 11.2 7.08 12000 17000 0.074 7005AC 其它尺寸/mm 安裝尺寸/mm a 31.9 40.1 14.4 0.6 0.15 30 42 0.6 圖2-9 軸承外形尺寸 根據十字軸的直徑可以選擇60000型深溝球軸承，型號為626。 表2-3 軸承參數 基本尺寸／mm 基本額定載荷/KN 極限轉速/（r/min） 質量 /kg 軸承 代號 d D B 脂 油 70000型 6 19 6 2.80 1.05 28000 36000 0.0008 626 安裝尺寸／mm 其他尺寸／mm 8.4 17.0 0.3 10.7 15.7 0.3 2.2.3 軸承的校核 （1）壽命校核 (2—24) 式中：—— 額定動載荷，=11200N —— 工作轉速， —— 當量動載荷，=1205N 遠大于15000h，所以滿足要求。 （2）額定靜載荷校核 (2—25) 式中：—— 基本額定靜載荷（N） —— 當量靜載荷，由《機械設計使用手冊》查表4.2-84得 —— 安全系數，由《機械設計使用手冊》查表4.2-16得=2 遠大于2410N，所以滿足要求。 2.3 步進電動機的計算與選型 根據指導書61頁[6]，對步進電動機的計算與選型，通常按一下幾個步驟進： ①根據機械結構，求得加在步進電動機轉軸上總轉動慣量； ②計算不同工況下加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩； ③取其中較大值，作為確定步進電動機最大靜轉矩的依據； ④根據運行矩頻特性、起動慣頻特性等，對初選步進電動機進行校核。 2.3.1 伺服電機轉軸上總轉動慣量的計算 ⑴、滾珠絲杠的轉動慣量計算 由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》表4-1知，圓柱體轉動慣量計算公式如下[6]： (2—26) 式中: —— 材料密度（kg/cm3），取; L—— 絲杠總長，L=356mm=35.6cm； ——絲杠的公稱直徑，取=32mm=3.2cm； 代入公式計算得 ： 控制系統(tǒng)采用伺服電機單片機控制系統(tǒng)，調速靈活，可不用減速齒輪直接通過聯軸器與電機直接連接，絲杠折算到電機軸上的轉動慣量： (2—27) ⑵、滑塊等部件折算到絲杠上的轉動慣量 根據《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》4-1表公式[6]： (2—28) 式中：—— 絲杠導程，?。? ——分配到每根軸移動部件的平均質量，取為3kg； 代入公式計算得： ⑶、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量的計算 由于絲杠是通過聯軸器與電機直接進行連接的，所以，絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量為： (2—29) 根據《機電裝備設計》課本第244[8]，為使伺服電機具有良好的起到性能及較快的響應速度，所選電機轉子的轉動慣量應滿足，由此可知所選電機轉動慣量不小于719.75。據此可初步選擇伺服電機： 由北京和利時56系列二相混合式伺服電機.pdf第一頁，初選伺服電機為56BYG250E-SASSBL0601型號，其參數表如表2-2所示： 表2-4步進電動機參數表 顯然，該步進電動機轉動慣量為750，初步滿足要求。 2.3.2 伺服電機轉軸上等效負載轉矩的計算 伺服電機轉軸所承受的負載轉矩在不同工況下是不同的，通?？紤]兩種情況：一種是快速空載起（工作負載為0）時所需要的力矩，另一種是承受最大工作負載時所需要的力矩，以下分別進行計算： ⑴、快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 (2—30) 式中 ：—— 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 —— 快速空載起動時折算到電機轉軸上的最大加速轉矩 —— 移動部件折算到電機軸上的摩擦轉矩 —— 絲杠預緊后折算到電機軸上的附加摩擦力矩 ① 快速空載起動時折算到電機轉軸上的最大加速轉矩 (2—31) 式中： —— 步進電動機轉軸上總的轉動慣量； —— 電機加速到最快進給速度所需時間，??； —— 電動機的最大轉速（r/min），； 由于 (2—32) 代入公式計算得 ： ② 移動部件運動時折算到電機轉軸上的摩擦轉矩 (2—33) (2—34) 式中：—— 導軌的摩擦力（N） —— 滾珠絲杠導程（m） —— 傳動鏈總效率，取 —— 總傳動比，=1 —— 垂直方向工作載荷，=670N —— 運動部件總重力，=98N —— 導軌的摩擦因數，取=0.15 代入上式得： ③ 絲杠預緊后折算到電機軸上的附加摩擦轉矩 由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以相對于很小，在這里也忽略不予計算。 綜合以上計算結果可得： (2—35) ⑵、最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 (2—36) 式中：的計算方法與前面完全一樣，這里不再贅述。 —— 折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩(N.m) 由《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》4-14式知[6]： (2—37) 其中：—— 進給方向最大工作載荷（N），； —— 傳動鏈總效率，取0.85； 于是 代入公式得： ⑶、伺服電機轉軸上最大等效負載轉矩 (2—38) ⑷、步進電動機性能校核 圖2-9 步進電動機矩頻特性曲線 ① 最快工作進給速度時電動機輸出轉矩校核： 由最快工作進給速度和系統(tǒng)脈沖當量，可計算出電動機對應的運行頻率為： （取脈沖當量0.01） (2—39) 根據初選型號步進電動機矩頻特性曲線（圖2-9），頻率下對應的電機輸出轉矩。顯然 ，即所選電動機滿足要求。 ② 最快空載移動時電動機輸出轉矩校核： 同上計算公式： 根據初選型號步進電動機矩頻特性曲線（圖2-9），頻率下對應的電機輸出轉矩。顯然 ，即所選電動機滿足要求。 ③ 最快空載移動時電動機運行頻率的校核： 由②的計算可知，顯然未超出所選電機的極限空載頻率。 綜上所述，所選步進電動機型號完全滿足要求。 2.3.3 步進電動機尺寸 美國pittman電機 22mm直徑 12V60轉每分鐘 全金屬精密行星減速箱 額定電壓：10.8V 轉 速：60 轉每分鐘（12V時70轉） 直 徑：22mm 總共長度：58mm（未含出軸） 出軸直徑：4mm 出軸長度：15mm（外套0.5模數不銹鋼齒，16齒） 扭 矩：約2.5 kg.cm 重 量：93g 2.4 聯軸器的選用 聯軸器是一種常用的機械傳動裝置，主要用來連接軸（或連接軸與其它回轉零件），以傳遞運動和轉矩。聯軸器分為剛性聯軸器和撓性聯軸器兩類。撓性聯軸器是機床進給傳動中廣泛采用的一種無間隙傳動聯軸器。剛性聯軸器是不能補償兩軸有相對位移的聯軸器。 根據所選步進電動機型號的主軸尺寸a=8mm，以及所選絲杠的型號，初步選用剛性聯軸器，其型號LS9-25-88，其規(guī)格尺寸及性能如表2-5所示： 圖2-13 聯軸器外形尺寸 表2-5 聯軸器規(guī)格尺寸 根據《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》51頁聯軸器的選用，對所選聯軸器進行校[6]： 由伺服電機的計算與選型2.3.2中的計算可知：所需聯軸器工作中的最高轉速為n=650r/min,傳遞的最大轉矩為T=1.309N.m；從上表可知，該型號聯軸器的最高轉速，許用轉矩[T]=2N.m。 顯然：且；所以所選該型號的聯軸器完全滿足設計要求。即所選聯軸器的型號：鋼性聯軸器型號LS9-25-88。 第三章 并聯機床三維建模、裝配與出圖 3.1 UG軟件的概述 3.2 UG的功能 3.3 主要零部件的UG建模 1. 底板 2.支架 3橫梁 4主骨架 5.大齒輪 6．電機與手臂的連接件 7.手臂與手肘的連接件 8．手肘 9.手部 3.4 零件的裝配 1.底部與支架 2.支架與橫梁 3．手的裝配 4. 手臂的裝配 5. 手肘的裝配 6.只收裝配后 7.手部安裝 8.整體裝配好 3.5 二維圖的處理 考慮到畫圖的方法和優(yōu)越性我的設計思路是先畫CAD簡圖，根據大概的尺寸和原理用3D軟件來設計他的整體結構，和標準件的建模，在根據弄好的3D來導出二維圖。 第四章 并聯機床前景展望 4.1 引言 并聯機床（又稱虛擬軸機床）是由機械機構學原理引用過來的，機構學里將機構分為串聯機構和并聯機構，串聯機構的典型代表是并聯機床，傳統(tǒng)機床的布局實際上也是串聯機構。理論上串聯機構具有工作范圍大，靈活性好等特點，但精度低，剛性差，作為機床，為提高精度和剛性，不得不將床身、導軌等制造得寬大厚實，由此導致了活動范圍和靈活性能的下降。 4.2 并聯機床未來研究方 并聯機床是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。本文介紹了它的特點和研究現狀，并總結出了并聯機床的八個研究方向。 并聯機床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯結構機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲(Hexapods)。并聯機床是基于空間并聯機構Stewart平臺原理開發(fā)的，是近年才出現的一種新概念機床，它是并聯并聯機床機構與機床結合的產物，是空間機構學、機械制造、數控技術、計算機軟硬技術和CAD/CAM技術高度結合的高科技產品。它克服了傳統(tǒng)機床串聯機構刀具只能沿固定導軌進給、刀具作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工。自其1994年在美國芝加哥機床展上首次面世即被譽為是“21世紀的機床”，成為機床家族中最有生命力的新成員。 總結 通過這次設計，使我對并聯機床有了感性的認識，同時對國內外的并聯機床的發(fā)展也有所了解。根據國內外并聯機床發(fā)展的經驗、現狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內經濟發(fā)展的具體情況，并聯機床技術重點應在開展智能并聯機床、并聯機床化及其相當技術的開發(fā)及應用。經過努力，我國已研制了許多示教再現型并聯機床以及噴涂、焊接裝配等并聯機床。而國外，并聯機床的發(fā)展更迅速，并聯機床化機械已經興起。 通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識，結合生產實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；學會從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，正確計算零件的工作能力，確定它的尺寸、形狀、結構及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經濟和安全等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在老師的指導和一些同學的幫助下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經驗及水平有限，設計仍存在一些問題，如并聯機床的動力學分析以及缺少并聯機床的動作模擬仿真，望老師給予指正。 參考文獻 [1] 馮辛安，黃玉美。機械制造裝備設計. 機械工業(yè)出版社，1999.10 [2] 熊有倫等。機器人學. 機械工業(yè)出版社，1993 [3] 馬香峰主編。機器人機構學. 機械工業(yè)出版社，1991.9 [4] 龔振邦主編。機器人機械設計. 電子工業(yè)出版社，1995.1 [5] 蔡自興。機器人學. 清華大學出版社，2000 [6] 周伯英。工業(yè)機器人設計.機械工業(yè)出版社，1995 [7] 張鐵，謝存禧。機器人學. 華南理工大學出版社，2002.6 [8] 殷際英，何廣平。關節(jié)型機器人. 化學工業(yè)出版社，2003.8 [9] 白井良明編著，王棣堂譯。 機器人工程. 科學出版社，OHM社，2001 [10] 孫迪生，王炎。機器人控制技術. 機械工業(yè)出版社，1998 [11] 王國強等。虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐. 西北工業(yè)大學出版社，2003.3 [12] 鄭建榮。ADAMS——虛擬樣機技術入門與提高. 機械工業(yè)出版社，2002.4 [13] 宋培林。虛擬模型:機械工程的一門新興技術. 美國機械動力學公司，1999 [14] 陳定方，羅亞波。虛擬設計. 機械工業(yè)出版社，2002.10 [15] 李景涌。有限元法. 北京郵電大學出版社，1999.2 [16] (美) Saeed Moaveni。有限元分析:ANSYS理論與應用. 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通過這次設計，讓我綜合運用機械設計的理論與實際知識，結合生產實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學的知識得到深化和擴展，進一步鞏固、；通過設計，讓我掌握機械設計的一般規(guī)律，樹立了正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力；讓我學會從機器功能的要求動身，合理選擇傳動機構類型，制定設計方案，如何正確計算零件的工作能力，確定它形狀、尺寸、結構及材料，并考慮制造工藝、維護、使用、經濟與平安等問題，培養(yǎng)獨立設計能力。 當然在設計過程中，也碰到許多問題。老師的指導和一些同學的協助下，也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺乏經驗及水平有限，但是設計仍存在一些問題，如并聯機床的動力學分析以及缺少并聯機床的動作模擬仿真等等，希望老師給予指正。 35