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第1章 緒 論
1.1課題背景與意義
為了提高對生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機(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年代中期問世的并聯(lián)機(jī)床(ParallelMachineTool)，又稱虛(擬)軸機(jī)床(VirtualAxisMachineTool)或并聯(lián)運動學(xué)機(jī)器(ParallelKinematicsMachine)。并聯(lián)機(jī)床實質(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)。與實現(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：
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，傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。
響應(yīng)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(zhì)，允許動平臺獲得很高的進(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，且可構(gòu)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(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。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、特種加工與測量等作業(yè)。
技術(shù)附加值高：并聯(lián)機(jī)床具有“硬件”簡單，“軟件”復(fù)雜的特點，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。
目前，國際學(xué)術(shù)界和工程界對研究與開發(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年在芝加哥國際機(jī)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(shù)控機(jī)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IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國亞琛工業(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)測量機(jī)和加工中心。與之相呼應(yīng)，由美國Sandia國家實驗室和國家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點。近年來，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(jī)構(gòu)學(xué)雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領(lǐng)域。由美國國家科學(xué)基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯(lián)運動學(xué)機(jī)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(xué)舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國際機(jī)床博覽會上均有這類新型機(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。
我國已將并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關(guān)計劃和863高技術(shù)發(fā)展計劃，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究連續(xù)得到國家自然科學(xué)基金和國家攀登計劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機(jī)床的研發(fā)納入教育部211工程重點建設(shè)項目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機(jī)床骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學(xué)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(xué)召開了我國第一屆并聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)床設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會，對并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進(jìn)行了研討。
1.2 并聯(lián)機(jī)床發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
并聯(lián)運動機(jī)床及虛擬軸機(jī)床普遍采用Stewart平臺及其變形機(jī)構(gòu),它是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)的完美結(jié)合。并聯(lián)機(jī)床使將近兩個世紀(jì)以來以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運動學(xué)原理發(fā)生了根本性的變革,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,完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的概念。由于采用Stewart平臺結(jié)構(gòu),大大提高了機(jī)床的剛度,實現(xiàn)了高速超高速的機(jī)床加工,促使加工速度和加工質(zhì)量顯著提高。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用?？梢哉f:“虛擬軸數(shù)控機(jī)床被認(rèn)為是20 世紀(jì)最具有革命性的機(jī)床設(shè)計的突破,代表了21世紀(jì)機(jī)床發(fā)展的方向?！?
并聯(lián)機(jī)床的研究方向：
（1）?并聯(lián)機(jī)床組成原理的研究
研究并聯(lián)機(jī)床自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學(xué)分析、建模與仿真等問題。
（2）?并聯(lián)機(jī)床運動空間的研究
包括運動空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解（如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等）、機(jī)床干涉計算及位置分析等。
（3）?并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究
并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計（包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等）。
（4）?并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究
并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度，但這個特性引起的耦合問題，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究（及機(jī)床制造前精度設(shè)計和精度描述）和系統(tǒng)輸出精度研究（及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價）。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。
（5）?并聯(lián)機(jī)床誤差研究
包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題。
（6）?并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計與創(chuàng)建
根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機(jī)座模塊（靜平臺模塊）；③動平臺模塊；④機(jī)架模塊；⑤定位模塊；⑥驅(qū)動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。
（7）?新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究
虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因為這種機(jī)床的設(shè)計與運行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)。
（8）?并聯(lián)機(jī)床控制的研究
包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。
目前，并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下兩個特點：
(1)并聯(lián)機(jī)床構(gòu)型的多樣性
構(gòu)型的多樣性是并聯(lián)機(jī)床的顯著特點之一，每一種構(gòu)型都有其自身的優(yōu)缺點，都有其各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型的研究一直是人們關(guān)注的熱點，設(shè)計開發(fā)出多種適用于不同應(yīng)用條件的并聯(lián)機(jī)構(gòu)也一直是機(jī)構(gòu)學(xué)家們研究的一個重要內(nèi)容。近幾年，眾多學(xué)者提出了多種新機(jī)構(gòu)構(gòu)型，并對機(jī)構(gòu)的類型和構(gòu)建方法進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。目前，基于串并混聯(lián)、內(nèi)外副混合驅(qū)動或純并聯(lián)的少自由度機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床正逐漸受到人們的青睞，最有代表性的基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)床是瑞典Neos Robotics公司開發(fā)研制的Tricept系列。
然而，由于并聯(lián)機(jī)床出現(xiàn)不久，并沒有專用的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，目前開發(fā)一種新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計周期仍很長，因此迫切需要一個快速的設(shè)計開發(fā)平臺以滿足結(jié)構(gòu)日趨多樣的新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計開發(fā)需求。
(2)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)研究不斷深入
雖然已開發(fā)出一些并聯(lián)機(jī)床商業(yè)化樣機(jī)，且有產(chǎn)品投入實際應(yīng)用，但由于設(shè)計理論和工程技術(shù)的研究不夠成熟，目前并聯(lián)機(jī)床在作業(yè)能力、作業(yè)性能等方面表現(xiàn)差強(qiáng)人意，與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比存在一定差距。有關(guān)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動學(xué)設(shè)計、并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)建模與分析、精度保證、控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究一直在不斷深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平臺運動學(xué)正解結(jié)論，Innocenti和Cheok等人提出的運動學(xué)數(shù)值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空間幾何解析法，黃田和汪勁松等人提出的工作空間邊界的變心球面族包絡(luò)面求交法；基于各向同性條件（局部靈活度）、動平臺姿態(tài)能力、總體靈活度指標(biāo)的多種尺度綜合方法；Nguyen、Lee、Liu關(guān)于動力學(xué)建模及動態(tài)性能指標(biāo)的構(gòu)造的理論結(jié)果，以及熊有倫提出的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計策略；用不同方法建立的驅(qū)動部件誤差與終端誤差之間的關(guān)系；多種運動學(xué)標(biāo)定、提高機(jī)床加工精度的方法等?？傊?，并聯(lián)機(jī)床的各項關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)外都取得了很多有價值的理論成果，在應(yīng)用技術(shù)方面也取得很大進(jìn)展。
有關(guān)并聯(lián)機(jī)床設(shè)計和應(yīng)用的理論成果和應(yīng)用技術(shù)雖然很多，然而這些理論成果和技術(shù)覆蓋了并聯(lián)機(jī)床設(shè)計開發(fā)的多個環(huán)節(jié)，相對獨立分散，很難有機(jī)地融合在一起，不能系統(tǒng)有效地應(yīng)用到并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計開發(fā)中。此外，由于并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點，其運動學(xué)設(shè)計、動力學(xué)優(yōu)化、精度保證等設(shè)計環(huán)節(jié)均涉及非常復(fù)雜的非線性問題，很多設(shè)計環(huán)節(jié)間存在模型演化困難、數(shù)據(jù)難以集成等技術(shù)障礙。因此，迫切需要一個集成化一體化的并聯(lián)機(jī)床設(shè)計開發(fā)環(huán)境，以解決上述問題。
通過對當(dāng)前并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的分析，可以看出，集成化、一體化、數(shù)字化的并聯(lián)機(jī)床快速開發(fā)平臺能夠大大縮短并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計開發(fā)周期、實現(xiàn)最新設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)的集成和應(yīng)用、保證設(shè)計過程的一體化，從而推動并聯(lián)機(jī)床在理論方面的研究進(jìn)展和在實際應(yīng)用方面走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
但是迄今為止，國內(nèi)外與此相關(guān)的研究很少，涉及到并聯(lián)機(jī)床的集成化設(shè)計方法、虛擬原型設(shè)計環(huán)境、虛擬設(shè)計、運動學(xué)仿真和加工仿真等方面的研究已有如下成果：
1965年,D. Stewart首次提出了一種6條腿連接基礎(chǔ)平臺與動平臺的六自由度并聯(lián)機(jī)床,同時研究了其在飛行模擬器上的應(yīng)用并展開了相應(yīng)理論的研究,奠定了其在并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域的鼻祖地位,并聯(lián)機(jī)構(gòu)也被稱為Stewart機(jī)構(gòu)。典型的Stewart平臺如圖1所示,它由上下兩個平臺和6個并聯(lián)的、可獨立自由伸縮的桿件組成,伸縮桿和平臺之間通過球鉸鏈連接,改變伸縮桿的長度可以實現(xiàn)上動平臺在空間的多自由度運行。
在IMT94 (1994年美國芝加哥國際機(jī)床博覽會)上,美國Giddings & Lewis公司和Ingersoll銑床公司、瑞士Geodetis公司展出了Stewart數(shù)控機(jī)床樣品,舉世矚目,如圖2所示。世界各國的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始大量投入Stewart平臺的研究與開發(fā)。9月在美國成立Hexel公司,專業(yè)從事各種類型的Stewart機(jī)床機(jī)器功能部件研究、開發(fā)、生產(chǎn)與銷售,該公司的部分產(chǎn)品。隨后,在政府和企業(yè)的支持下,美國成立了五個國家級基地(M IT、N IST、ORNL、SNL /NM、SNL /CA)專業(yè)從事Stewart機(jī)床的研究開發(fā)。
1995年5月EMO 米蘭展覽會上,意大利Comau公司、日本日立精機(jī)展出了Stewart機(jī)器人。
1996年, SGI公司開發(fā)出UN IX平臺Stewart機(jī)床設(shè)計造型三維CAD軟件包。同年10月,日本本田工機(jī)公司在豐田技術(shù)展覽會上展出了日本第一臺Stewart機(jī)床,用于鑄鍛模具的高速加工。在EMO97 (1997年漢諾威國際機(jī)床展覽會)上展出了10余件Stewart機(jī)床樣品,并首次進(jìn)行金屬工件銑削, Stewart機(jī)床又向商品化邁進(jìn)了一步。在此次展覽會上,在概念上將傳統(tǒng)機(jī)床與新興的Stewart機(jī)床從結(jié)構(gòu)上劃分為串聯(lián)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床,這是人類對機(jī)床機(jī)構(gòu)認(rèn)識概念上的突破, Stewart機(jī)床專用功能部件,如球鉸、虎克鉸、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、控制器等的專業(yè)研究開發(fā)生產(chǎn)迅速崛起。C IMT97 (第五屆中國國際機(jī)床展覽會)上,俄羅斯Lap ik公司展出了TM - 750型Stewart數(shù)控機(jī)床。1997年12 月, 清華大學(xué)與天津大學(xué)合作開發(fā)
Stewart機(jī)床原型樣機(jī)VAMT1Y。1999年,在C IMT、CCMT等國際、國內(nèi)機(jī)床展覽會上,國內(nèi)的五軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品紛紛亮相,國內(nèi)五軸數(shù)控機(jī)床的市場逐漸打開,隨后國際機(jī)床巨頭紛至沓來,五軸數(shù)控機(jī)床的品種和數(shù)量逐年上升。
2000年, CCMT2000分別推出3臺國產(chǎn)五軸聯(lián)動機(jī)床。
2001年,在C IMT2001國際機(jī)床展覽會上,北京第一機(jī)床廠和桂林機(jī)床股份有限公司分別展出了主軸轉(zhuǎn)速達(dá)10 000 r /min的五軸高速龍門加工中心;北京市機(jī)電院展出了主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min 的五軸高速立式加工中心;清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司聯(lián)合研制的XNZ63,采用標(biāo)準(zhǔn)Stewart平臺結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)六自由度聯(lián)動;大連機(jī)床廠自行研制的串并聯(lián)機(jī)床DCB- 510,其數(shù)控系統(tǒng)由清華大學(xué)開發(fā),該機(jī)床通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)X、Y、Z軸直線運動,由串聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)A、C軸旋轉(zhuǎn)運動,從而實現(xiàn)五軸聯(lián)動,其直線快速進(jìn)給速度可達(dá)80 m /min。本屆機(jī)床展最先進(jìn)、最好的展品是北京機(jī)床研究所的兩臺納米級機(jī)床和一臺高精度數(shù)控機(jī)床。其中的NAM - 800超精度數(shù)控車床是我國納米加工機(jī)床的最新成就,在世界上也是超一流的。它應(yīng)用于激光、航空航天、軍工等最前沿的領(lǐng)域,主軸回轉(zhuǎn)精度和反饋系統(tǒng)分辨率、控制系統(tǒng)分辨率分別達(dá)到了30納米、215納米和5納米。近年來,并聯(lián)機(jī)床向著集成化、模塊化方向發(fā)展,國內(nèi)外出現(xiàn)了一系列的以并聯(lián)機(jī)床為核心的小型化加工中心。
自從1965 年Stewart提出著名的Stewart平臺機(jī)構(gòu),從此開始了基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬機(jī)床研究。但開始時人們還只是對這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析上。目前,國內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究主要集中在以下幾個方面:并聯(lián)機(jī)床組成原理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計,并聯(lián)機(jī)床的工作空間和工位奇異性研究,并聯(lián)機(jī)床特性(剛度、精度、柔度、靈巧度)的研究,并聯(lián)機(jī)床動力與控制策略的研究等。其中在一些方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,并成功應(yīng)用于實踐。
并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括很多內(nèi)容，如機(jī)床的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(包括數(shù)控平臺建造、數(shù)控系統(tǒng)編程、數(shù)控加工過程仿真等)。并聯(lián)機(jī)床剛度、精度、柔度、靈巧度的研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)封閉回路的特性，使并聯(lián)機(jī)床較傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床具有更高的剛度，但這個特性引起的耦合問題，相對的形成在動力分析上很大的困擾，因此對其研究應(yīng)予以足夠的重視。關(guān)于并聯(lián)機(jī)床精度的研究仍是國際難題，包括機(jī)床系統(tǒng)硬件研究(及機(jī)床制造前精度設(shè)計和精度描述)和系統(tǒng)輸出精度研究(及機(jī)床制造后輸出數(shù)據(jù)處理和精度評價)。并聯(lián)機(jī)床柔度的研究包括柔度分析、柔度評價指標(biāo)及其在工作空間內(nèi)的分布等方面。靈巧度主要研究靈巧度指標(biāo)及其分布等。并聯(lián)機(jī)床誤差研究。 包括誤差分析、建模及誤差精度保證、測量系統(tǒng)設(shè)計等問題。并聯(lián)機(jī)床模塊設(shè)計與創(chuàng)建。 根據(jù)工件加工的空間型和平面型，相應(yīng)地把并聯(lián)機(jī)床分為空間型并聯(lián)機(jī)床和平面型并聯(lián)機(jī)床兩大類。
并聯(lián)機(jī)床按功能和結(jié)構(gòu)可分為以下幾個功能模塊：①執(zhí)行模塊；②機(jī)座模塊(靜平臺模塊)；③動平臺模塊；④機(jī)架模塊；⑤定位模塊；⑥驅(qū)動模塊；⑦控制和顯示模塊；⑧潤滑與冷卻模塊。新型虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研究。 虛擬軸數(shù)控機(jī)床是“要用數(shù)學(xué)制造的機(jī)床”。因為這種機(jī)床的設(shè)計與運行要用到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與推理。目前對于Stewart平臺的理論研究已取得一些關(guān)鍵結(jié)論，還需進(jìn)一步研究Stewart平臺的綜合分析，為虛擬軸數(shù)控機(jī)床的研制提供理論基礎(chǔ)。并聯(lián)機(jī)床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具運動軌跡的直接控制、開放式數(shù)控系統(tǒng)等。虛擬軸機(jī)床的最大特點是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單而控制復(fù)雜，因此這方面的研究在并聯(lián)機(jī)床的研究中具有舉足輕重的作用。
1.3 本文主要研究內(nèi)容
給定主軸功率1kw，加工范圍半徑為350的半球體，主軸傾角±25°
以上述參數(shù)，自行設(shè)計并聯(lián)機(jī)床總體零部件及裝配方案。
涉及到電主軸、刀具夾頭、裝卡夾具、立柱、底座、電源走向、安裝定位等的選用及其設(shè)計。
動力學(xué)問題
?剛體動力學(xué)逆問題是并聯(lián)機(jī)床動力分析、整機(jī)動態(tài)設(shè)計和控制器參數(shù)整定的理論基礎(chǔ)。這類問題可歸結(jié)為已知動平臺的運動規(guī)律，求解鉸內(nèi)力和驅(qū)動力。相應(yīng)的建模方法可采用幾乎所有可以利用的力學(xué)原理，如牛頓－尤拉法、拉格朗日方程、虛功原理、凱恩方程等。由于極易由雅可比和海賽矩陣建立操作空間與關(guān)節(jié)空間速度和加速度的映射關(guān)系，并據(jù)此構(gòu)造各運動構(gòu)件的廣義速度和廣義慣性力，因此有理由認(rèn)為，虛功(率)原理是首選的建模方法。
動態(tài)性能是影響并聯(lián)機(jī)床加工效率和加工精度的重要指標(biāo)。并聯(lián)機(jī)器人的動力性能評價完全可以沿用串聯(lián)機(jī)器人的相應(yīng)成果，即可用動態(tài)條件數(shù)、動態(tài)最小奇異值和動態(tài)可操作性橢球半軸長幾何均值作為指標(biāo)。與機(jī)器人不同，金屬切削機(jī)床動態(tài)特性的優(yōu)劣主要是基于對結(jié)構(gòu)抗振性和切削穩(wěn)定性的考慮。動態(tài)設(shè)計目標(biāo)一般可歸結(jié)為，提高整機(jī)單位重量的靜剛度；通過質(zhì)量和剛度合理匹配使得低階主導(dǎo)模態(tài)的振動能量均衡；以及有效地降低刀具與工件間相對動柔度的最大負(fù)實部，以期改善抵抗切削顫振的能力。由此可見，機(jī)器人與機(jī)床二者間動態(tài)性能評價指標(biāo)是存在一定差異的。事實上，前者沒有計及對結(jié)構(gòu)支撐子系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，以及對工作性能的特殊要求；而后者未考慮運動部件慣性及剛度隨位形變化的時變性和非線性。因此，深入探討并聯(lián)機(jī)床這類機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)耦合的、具有非定長和非線性特征的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模和整機(jī)動態(tài)設(shè)計方法，將是一項極富挑戰(zhàn)性的工作。這項工作對于指導(dǎo)控制器參數(shù)整定，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)也是極為重要的。
第2章 重要零部件選型
2.1依照主軸功率確定電主軸型號
按課題要求主軸切削功率為1kw，以課題的三桿并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)來看，周邊立柱呈現(xiàn)120度圓周矩陣形式，主軸必然要在正中心，固定于三連桿下端的動平臺上。
主軸功率1w，可知主軸所產(chǎn)生的外力偶矩m=9550P/n，主軸電機(jī)選型轉(zhuǎn)速n=24000r/min，由此可推算出外力偶矩m=9550×1/24000=0.398N·m
經(jīng)過多方查詢，最終確定了電主軸型號：為XCSD100Z24，詳細(xì)參數(shù)見下表所示。
型號
電機(jī)
潤滑
軸端
連接
尺寸(mm)
功率
(kw)
恒功
率段
電壓
(V)
電流
(A)
轉(zhuǎn)速
r/min
頻率
(HZ)
S1/S6
D
L
D1
D2
D3
L1
L2
N-d1
d2XL3
XCSD100Z24
1/1.4
8000
20000
215
380
3.8
24000
133.3
333.3
油脂
UC10
100
260
65
/
/
32
71
/
M10
2.2 選擇主軸下部刀具夾頭
電主軸已經(jīng)確定為XCSD100Z24，就要考慮刀具的安裝為題了。
從上表可以看出，其主軸電機(jī)輸出端為UC10，查機(jī)械師設(shè)計手冊后得知，UC10是一種可以周向旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)節(jié)軸承，用于調(diào)整位置度的連接軸承，這種軸承恰恰解決了題目中要求的主軸傾角達(dá)到±25°。
UC10關(guān)節(jié)軸承縱向剖視圖
已知關(guān)節(jié)軸承型號，查手冊——其裝卡直徑為10mm。
關(guān)鍵參數(shù)均為已知量，接下來就可以選擇所需的刀具夾頭——刀柄了。
并聯(lián)實驗臺的結(jié)構(gòu)確定了它扮演著一臺數(shù)控立銑的角色，所以刀柄的選用范圍也就確定下來，應(yīng)為裝卡直徑10mm的數(shù)控銑夾頭，查詢后得出：JT(BT)40-QH1- 75
JT系列
d
D
L
勾板手規(guī)格
配用卡簧型號
JT(BT)40-QH1- 75
3-10
36
75
38-42
QH1
2.3工件裝卡夾具選用
裝卡范圍：R=175的半球，徑向長度是350，也就是說卡具夾持的最大值至少為350mm。翻閱了卡具設(shè)計手冊，對各種機(jī)床的卡具樣式進(jìn)行了對比，可用于此并聯(lián)實驗臺的有：車床的三抓卡盤（需作改動）、銑床的平口虎鉗。
因為所需加工工件形狀的不確定性，所以以車床的三爪卡盤比較適合，它能夠解決工件夾裝時的自定心問題。只要在車床卡盤的基礎(chǔ)上，取消卡盤隨主軸的轉(zhuǎn)動即可。
三爪卡盤資料分析：
型號規(guī)格
D
D1
D2
D3
D4
D5
H1
h
h1
h2
d1
z－d
K11500A/A111
500
196.869
165.1
125
280
235
135
19.056
16
10
29.4
6～M18
K11500A/A115
285.775
247.6
200
380
330.2
135
20.638
17
10
35.7
6～M22
夾持范圍：滿足徑向350mm
規(guī)格D
正爪
反爪
夾緊范圍
撐緊范圍
夾緊范圍
A－A1
B－B1
C－C1
250
6～110
80～250
90～250
315
10～140
95～315
100～315
325
11.5～165
95～350
110～340
380
11.5～210
95～400
110～400
400
15～210
120～400
120～400
500
25～280
150～500
150～500
由上表可知，規(guī)格D500反爪加緊范圍150~500，滿足徑向350mm，可定下卡盤規(guī)格為D500。
卡盤規(guī)格確定后，再查卡爪的尺寸
卡爪
卡爪參數(shù)表：
規(guī)格
160
200
250
315
325
380
400
500
L
67
80
95
108
130
132
B
25
30
36
45
H
41
45
53
61
70
82
h
9
10.5
13.5
17.5
17
22
a
12.675
19.025
19.025
b
7..94
12.7
12.7
e
19
22.2
27
31.5
38.1
t
3
6
t1
4
z～d
2～11
2～13
2～18
2～22
卡爪底座
卡爪底座參數(shù)表：
規(guī)格
160
200
250
315
325
380
400
500
L
64
80
98
110
114
152
L1
29
34.9
39.7
47.6
47.5
47.4
B
20
22
27
36
45
H
33
35
38
42
46
55
a
12.675
19.025
19.025
b
7..94
12.7
12.7
e
19
22.2
27
31.75
38.1
t
4
4.2
7
t1
3
z～d
2～M10
2～M12
3～M12
3～M16
4～M20
夾具加工時的注意要求：
用于并聯(lián)機(jī)床實驗臺的三爪卡盤需作改動，免去了車床卡盤中盤體隨主軸轉(zhuǎn)動這一動作，所以，卡盤中軸部分予以取消?？ūP與機(jī)架連接部分只需加工六個圓周陣列的M20的沉頭通孔，用于與機(jī)架相連的螺釘貫穿卡盤，其固定作用。
卡爪依照尺寸表和零件圖加工，爪體階梯部位要求有突起，形成不規(guī)則表面，用于增大摩擦力，使之加緊時的加緊里更充足。
卡爪和卡座用螺釘配合，配合孔加工要以螺釘為標(biāo)準(zhǔn)，因為孔可以加工，而螺釘是標(biāo)準(zhǔn)件，難于對其在作改動。
卡盤內(nèi)部錐齒輪部分不需作改動，由一個大錐齒輪，三個小錐齒輪，三個卡爪組成。三個小錐齒輪和大錐齒輪嚙合，大錐齒輪的背面有平面螺紋結(jié)構(gòu)，三個卡爪等分安裝在平面螺紋上。當(dāng)用扳手扳動小錐齒輪時，大錐齒輪便轉(zhuǎn)動，背面的平面螺紋就使三個卡爪同時向中心靠近或退出。
第3章 實驗臺支承部分及其連接的方案
3.1機(jī)架的設(shè)計方案
機(jī)架作為實驗臺的支承部分，是本次設(shè)計的一個重點。
機(jī)架設(shè)計的基本準(zhǔn)則應(yīng)保證：剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性。
在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕、成本低；抗震性好，把受迫震動振幅限制在允許范圍內(nèi)；噪聲?。粶囟葓龇植己侠?，熱變形對精度的影響小；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件；有道軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌受力合理、耐磨性良好；造型好，使之既適用經(jīng)濟(jì)，又美觀大方。
按照以上機(jī)架設(shè)計的要求準(zhǔn)則，首先確定機(jī)架的制造形式，為鑄造機(jī)架。
機(jī)架的設(shè)計出以上要點需要考慮之外，還有并聯(lián)部分的估算，在不影響并聯(lián)機(jī)構(gòu)正常伸縮旋轉(zhuǎn)運動的情況之下，才能確定機(jī)架的具體造型結(jié)構(gòu)。
所開發(fā)的三平動自由度并聯(lián)機(jī)床采用如圖1所示的3-HSS構(gòu)型(在此，H為螺旋副，S為球面副)，由底座、動平臺和 三根立柱組成；每條支鏈中含三根平行定長桿件，各桿件兩端與動平臺用球鉸(或虎克鉸)連接。為了使動平臺僅沿笛卡兒系三個方向平動，令各支鏈中的三根桿件在結(jié)構(gòu)上保持平行，并與動平臺的鉸點構(gòu)成 等邊三角形，進(jìn)而形成空間平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)。該機(jī)床主要用于三坐標(biāo)高速銑、鏜、磨加工，亦可配以數(shù)控回轉(zhuǎn)臺完成多坐標(biāo)異型曲面和刀具刃磨。上述總體設(shè)計 方案具有以下優(yōu)點：
(1) 工作空間呈柱形，具有較大的編程空間與機(jī)床體積比，且平行于工作臺任意截面的運動學(xué)性能等同。
(2) 位置及速度正、逆解均有顯式解析解答，可實施快速PVT插補(bǔ)和在線運動學(xué)標(biāo)定。
(3)支鏈采用帶消極約束的三桿平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)，不但可有效地消除鉸鏈間隙，且可大幅度提高動平臺抵抗切削顛覆力矩的能力。
(4)除底座和動平臺外，主要結(jié)構(gòu)件均為三對稱，可大幅度減少零部件設(shè)計工作和制造成本。
位置逆解模型
位置逆解涉及已知機(jī)床尺度參數(shù)和動平臺參考點 位置，反求滑鞍位置，其目的有二：一是已知CAM模型后通過粗插補(bǔ)為伺服控制提供必要的輸入；二是為基于靈活度指標(biāo)的尺度綜合提供數(shù)學(xué)模型。因采用平行四 邊形支鏈結(jié)構(gòu)使得鏈中各桿運動規(guī)律等同，故在運動學(xué)分析時可將原機(jī)構(gòu)簡化為如圖2所示的等效機(jī)構(gòu)。在工作臺和動平臺上分別建立固定參考系o-xyz和連體 參考系o′-x′y′z′，點o′在系o-xyz下的位矢可表示為
（1）
式中，bi=rb(cosβi sinβi 0)T，ai=ra(cosβi sinβi 0)T為點Bi和Ai在系o-xyz和o′-x′y′z′的位置矢量；ra、rb為動、靜平臺半徑；βi為點Bi和Ai在o-xyz和o′-x′y′z′下位置角，且有
wi為支鏈i的單位矢量；L為支鏈桿長；qi為滑鞍i相對參考點Bi的位移；e3=(0 0 1)T。對式(1)兩端取模方并整理得
（2）
根據(jù)裝配模式可解出
（3）
且可確定wi=(r-bi+ai-qie3)/L。
靈活度分析
靈活度(Dexterity)是評價并聯(lián)機(jī)床運動精度的重要指標(biāo)，可用動平臺三維笛卡爾速度到滑鞍移動速度的映射矩陣——雅可比矩陣的條件數(shù)來表征。條件數(shù)越小，則說明機(jī)床理論伺服精度越高，因此可作為結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則。
對式(1)關(guān)于時間求導(dǎo)，得到點o′的速度為
（4）
式中ωi為支鏈i的角速度矢量。對上式兩端點積wi并寫成矩陣形式有
（5）
式（5）為雅可比矩陣。求解如下特征方程，求解如下特征方程
（6）
即可解出J的條件數(shù)
（7）
式中，λi為JTJ的第i(i=1,2,3)階特征根。
工作空間綜合
工作空間綜合的目的是，給定編程空間的動平臺半徑ra、球鉸鏈的許用半錐角δ1，求點o′位于z軸上時，wi與z軸的夾角δ0，桿長L和滑鞍行程s。為此，首先將式(1)改寫為r=Lwi+r0i (8)
式中，r0i=bi-ai+qie3。保留支鏈i與動平臺的鉸約束而解出其它，則給定qi后，點o′的軌跡可視為以r0i矢端為圓心，以L為半徑的球面片。由位置空間組成原理知［3，5］，點o′的可達(dá)空間為所有支鏈子空間的交集。根據(jù)機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不妨設(shè)點o′的編程空間是半徑為r、高為h的圓柱體，且令其與可達(dá)空間內(nèi)接。注意到每一支鏈的可達(dá)子空間最小截面一定在r0i與z軸張成的平面內(nèi)，故對圖2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剖即可得到圖3。設(shè)球鉸許用半錐角為δ1，且點o′在z軸上時支鏈軸線與球鉸安裝平面法矢重合，則由圖3幾何關(guān)系得
（9）
對上式整理可解出
（10）
式中s1=L［cosδ0-cos(δ0+δ1)］
根據(jù)安裝在動平臺上末端執(zhí)行器(如電主軸)的尺寸，給定動平臺半徑ra，則靜平臺半徑可由下式確定
rb=Lsinδ0+ra (11)
又根據(jù)數(shù)控機(jī)床設(shè)計規(guī)范，設(shè)點o′降至最低時距工作臺面高度為s3≥s1，則機(jī)床的理論高度應(yīng)為
H=s3+Lcosδ0+h+s2 (12)
考察式(10)～(12)可見，當(dāng)給定r、h、ra和δ1后，L、rb、s和H均為δ0的函數(shù)。
圖4示出了當(dāng)取δ1=25°時，在任意平面內(nèi)雅可比的條件數(shù)在編程空間邊緣的最大和最小值Wmax、Wmin以及在空間中心取值W0隨δ0的變化規(guī)律。由圖可見，利用靈活度各向同性條件［6］綜合出的δ0并不能保證全域靈活度最優(yōu)。為此需要構(gòu)造如下目標(biāo)泛函
（13）
并通過一維尋優(yōu)來確定δ0。在此，t為權(quán)系數(shù)，為條件數(shù)的“重心”。S為編程空間截面面積。上述性能指標(biāo)的意義可解釋為：使得條件數(shù)全域最大值及其關(guān)于重心偏差的一次矩在加權(quán)意義下最小。
由上述公式，定下了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動范圍，選擇絲杠副長度950mm，外加絲杠連桿套筒，長度總共為1050。
3.2鑄造機(jī)架的材料及熱處理
材料選擇——查閱鑄造機(jī)架常用材料后得出，鑄鐵機(jī)架用于并聯(lián)實驗臺比其他金屬性價比高，是機(jī)架使用最多的一種材料，它的流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復(fù)雜的鑄件。在鑄造中加入少量合金元素還可提高耐磨性能。鑄鐵的內(nèi)摩擦大、阻尼作用強(qiáng)，故動態(tài)剛性好。鑄鐵還具有切削性能好、價格便宜和易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
牌號的選用——選擇了HT200，用于承受大彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力。如機(jī)床的立柱，齒輪箱體、工作臺、機(jī)床橫梁和滑板等。
鑄鐵機(jī)架的時效處理——時效處理的目的是在不降低鑄鐵力學(xué)性能的前提下，是鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)力得到消除或隱定，以減少長期使用中的變形，保證幾何精度。
時效處理分為自然時效和人工時效兩種。
自然時效方法簡單，效果好，但生產(chǎn)周期長，需要占地面積大。在加工后要在室外放置半年到一年，使內(nèi)應(yīng)自然松弛或消除。
人工時效普遍應(yīng)用熱處理方法，將鑄件緩慢加熱到共析點以下（一般為500~600℃），保溫一段時間，然后緩慢冷卻，消除內(nèi)應(yīng)力。
經(jīng)驗證明，在人工時效后配以短時間的自然時效，對精度穩(wěn)定性可獲得良好的效果。
所以實驗臺的機(jī)架鑄造完畢后，須人工時效處理后，方可安裝。
立柱高度——之前依然斷定了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動范圍，并聯(lián)部分的三根滾珠絲杠副長度是950，加上絲杠外部的套筒，總共長度1050。同時，并聯(lián)部分在作伸縮運動時，要保留出伸縮空間，所以立柱的高度定在1500mm。這樣的高度既保證了上端并聯(lián)部分的運動，又預(yù)留出了并聯(lián)部分下面的卡盤裝卡工件的高度。
3.3機(jī)架的截面形狀、壁厚及周邊筋的布置
由于主軸產(chǎn)生的外力偶矩通過切削運動傳遞給并聯(lián)機(jī)構(gòu)和機(jī)架立柱，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此論文中不予考慮，則力矩平均分配到三根圓周陣列的方形立柱上。
三根正方形立柱平均受扭轉(zhuǎn)力的作用，根據(jù)材料力學(xué)公式，立柱邊長300mm，厚度20mm，面積為0.3×0.3=0.09m2。將慣性矩相減后，得出每根立柱的慣性矩IP=hb3/6=5.8×108mm4。
鑄鐵件的彈性模量E從工程手冊中可查得為E=113~157，取中間值約為E=130
則EI=1.3×105×5.8×108=7.54×1013 KN·mm2
抗彎截面系數(shù)W=hb2/6=0.00338.
彎曲正應(yīng)力公式σmax=Mmax/W Mmax為彎曲力偶矩，也就是前邊算出來的m=0.398，平均到三根柱子上要除以3，所以Mmax=0.13N·m，從而可以計算出σmax的值。
序號
材料名稱
彈性模量\E\Gpa
切變模量\G\Gpa
泊松比\μ
1
鎳鉻鋼、合金鋼
206
79.38
0.25～0.3
2
碳鋼
196～206
79
0.24～0.28
3
鑄鋼
172～202
-
0.3
4
球墨鑄鐵
140～154
73～76
-
5
灰鑄鐵、白口鑄鐵
113～157
44
0.23～0.27
由于零件的抗彎、抗扭強(qiáng)度和剛度除與其界面面積有關(guān)外，還取決于截面形狀。合理改變截面形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，從而充分發(fā)揮材料的作用。因此，正確的選擇機(jī)架的橫截面形狀是機(jī)架設(shè)計中的一個重要問題。
另外，截面面積不變，加大外形輪廓尺寸，減小壁厚，亦即是材料遠(yuǎn)離中性軸的位置，可提高截面的抗彎、抗扭剛度。封閉截面比不封閉截面的抗扭剛度高得多；機(jī)架受載情況往往拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)同時存在，對剛度又要求高，另一方面，由于空心矩形內(nèi)腔容易安設(shè)其他零件，故許多機(jī)架的截面常采用空心矩形截面。
我們此次的并聯(lián)實驗臺就參照以上優(yōu)點，采用了空心矩形的截面作為立柱的造型。
此種空心矩形的抗彎、抗扭慣性矩比值分別為
抗彎慣性矩相對值：3.45 抗扭慣性矩相對值：1.27
鑄件壁厚的選擇取決于其強(qiáng)度、剛度、材料、鑄件尺寸、質(zhì)量和工藝等因素。
就鑄鐵機(jī)架而言，按目前工藝水平，砂模鑄造鑄鐵件的壁厚，可利用當(dāng)量尺寸N,來確定。
N=（2L+B+H）/3 L、B、H分別為主見的長、寬、高
利用上述公式，結(jié)合查表——鑄鐵機(jī)架的壁厚，確定出實驗臺立柱的壁厚為20mm。
對于保證立柱剛度的加強(qiáng)筋和肋，由于次實驗臺設(shè)有頂端端蓋，用于安裝并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為了能夠更好的保障立柱剛度，立柱內(nèi)部設(shè)有交叉十字肋；另外柱體外側(cè)周邊添置筋板有效地提高了剛度、穩(wěn)定性和抗振能力。
筋的尺寸查表可知：厚度=0.8s 高度≤1.5s s為立柱的壁厚
得出筋高為100，厚16。 肋厚度查表 為立柱壁厚的0.6倍 厚度為12mm。
加入肋后，尤其是45度對角肋，對扭轉(zhuǎn)剛度的提高有明顯的效果，抗彎剛度可提高60%，扭轉(zhuǎn)剛度可提高4.5~8.5倍。
機(jī)架的動剛度主要取決于它的靜剛度和固有頻率，合理地改善機(jī)架結(jié)構(gòu)可以提高其靜剛度K和固有頻率ω可改善機(jī)架的動剛度。另外，合理布置肋板和材料的改善也可使動剛度大大提高。
在動剛度問題上，機(jī)架的材料采用的是灰鑄鐵HT200，他的吸振性能較強(qiáng)，能有效地加強(qiáng)機(jī)架立柱本身的阻尼比；再有，機(jī)架立柱中心的45度十字交叉肋使得立柱本身的靜剛度大幅度提高；再加上鑄造完畢后，外側(cè)有表面刷漆的涂層；這些綜合因素都能夠有效地保證機(jī)架的剛度問題，使并聯(lián)實驗臺的剛度足以保證其所需的剛度，滿足加工要求。
3.4立柱與底座的連接方式
由于立柱與底座需要進(jìn)行連接，考慮到立柱下端受應(yīng)力較大，而且用螺紋連接打孔不便，綜合各種因素，選怎了焊接的形式。
焊接時，會產(chǎn)生局部應(yīng)力，為了保證定位精度，立柱下端設(shè)計了定位銷孔，孔徑為d8。分別布置在力主四個底角的中心位置。
在焊接前，現(xiàn)將定位銷插入銷孔，兩者過渡連接，使其立柱在焊接過程中不會由于焊接應(yīng)力的原因，與底座產(chǎn)生相對偏移。
焊接時要注意的問題：
材料可靠性、合理布置焊縫、提高抗振能力、合理選擇截面形狀、提高焊接接頭抗疲勞能力和抗脆斷能力、胚料選澤的經(jīng)濟(jì)性、操作方便。
焊縫尺寸的確定方法一般為：按焊縫的工作應(yīng)力；安等強(qiáng)原則；按剛度條件。由于焊接機(jī)床的床身，立柱，橫梁和箱體等一般按剛度設(shè)計，所以焊縫尺寸宜采用依照剛度原則確定。
按剛度條件選擇角焊縫尺寸的經(jīng)驗做法是：根據(jù)被焊鋼板中較薄的鋼板強(qiáng)度的33%、50%
、100%作為焊縫強(qiáng)度來確定焊縫尺寸。
為了保證實驗臺的良好剛度，經(jīng)過查詢，立柱與機(jī)床機(jī)架的角焊縫尺寸有鋼板剛度的100%確定得出：
板厚h 按照100%強(qiáng)度設(shè)計 則焊縫寬度=3/4h
前邊已經(jīng)確定板厚h=20mm 所以得出焊縫寬度K=3/4x20=15mm
接下來考慮焊縫應(yīng)力問題，在焊接接頭處，由于機(jī)床實驗臺加工時的并聯(lián)機(jī)構(gòu)擺動，會使立柱底端受剪切力，為了減小這種損害性力，焊坡需要呈現(xiàn)45度角，從而解決應(yīng)力過度集中的問題。焊接時要保持連續(xù)，斷續(xù)焊接會使焊縫連接處產(chǎn)生局部應(yīng)力，難以保證并聯(lián)實驗臺立柱受剪切力作用時的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。
3.5底座的造型
首先確定出了立柱的結(jié)構(gòu)，底座的造型就要基于立柱而確定。呈現(xiàn)三根立柱120度圓周陣列的連接體，高度200mm。與立柱材料一致，采用灰鑄鐵HT150，鑄造后同樣需要人工時效處理。前邊已經(jīng)確定了立柱、卡盤的構(gòu)造，在底座上要預(yù)留出配合時的安裝孔。有安裝卡盤的螺紋孔，還有定位立柱的銷孔，兩種孔的加工都已標(biāo)準(zhǔn)件螺釘和定位銷為基準(zhǔn)，采用輕微過盈量。在鑄造完畢時效處理后，按照表逐漸配合尺寸打孔、攻絲。
考慮到并聯(lián)實驗臺的自身重量，底座邊緣分別留出了三個32mm的地腳螺栓安裝孔，以便實驗臺安裝時的水泥澆筑地腳螺栓。
第4章 實驗臺電路設(shè)計
4.1電路布線方案
實驗臺電源配置380V三相交流電，在裝配圖中，按照電主軸及并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)電源入口，在機(jī)架立柱上預(yù)留了一個50mm的電源孔，四周有安裝配電箱螺釘?shù)目?。主電源線由地面，上連到配電箱，電源線外側(cè)套有絕緣蛇皮管。
電主軸和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的配電，經(jīng)過配電箱的電源線，經(jīng)立柱內(nèi)側(cè)分配到各個電源接口。
電主軸在二章中已經(jīng)選出，實驗臺裝配時，將電主軸用螺栓固定于動平臺上。則主軸位于動平臺中央，連接電源線須從立柱上端引出線，從實驗臺頂蓋向下連入電主軸。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的電源入口，就在絲杠套筒的端口，所以和電主軸一樣，電源從立柱上端引出。
4.2電路控制要求
并聯(lián)機(jī)構(gòu)在此不予考慮，那么電主軸的控制相對于并聯(lián)部分就簡單的多，只需用繼電器控制電主軸的正反轉(zhuǎn)、加減速的簡單動作。
4.3電路控制連線原理圖
左半部分是主軸正反轉(zhuǎn)控制；右邊部分是主軸加減速、制動控制。
第5章 實驗結(jié)果與三維建模
5.1設(shè)計并聯(lián)實驗臺結(jié)果
經(jīng)過一個學(xué)期的調(diào)研、設(shè)計，我們的并聯(lián)機(jī)床實驗臺課題終于有了雛形，能夠?qū)崿F(xiàn)相對較為粗糙并聯(lián)運動。對于初出茅廬的我們來說，是個很大的鼓舞，畢竟是自己設(shè)計出來的東西，雖然問題考慮的不盡周全，許多地方都存在著這樣或那樣的缺陷，這是由于我們的經(jīng)驗還太少，需要各位老師的諒解。
5.1并聯(lián)實驗臺solidworks三維建模
在設(shè)計與畫CAD的同時，我們同步進(jìn)行著solidworks的立體零部件的創(chuàng)建。最終，我們將全部的零件組裝在一起，構(gòu)成一個并聯(lián)實驗臺的整體模型。并對并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了局部仿真，但由于驅(qū)動設(shè)置的不夠成熟，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還達(dá)不到作者與合伙人所設(shè)想的完美運動方案。
第6章 總結(jié)與展望
此次課題《并聯(lián)機(jī)床實驗臺》，在設(shè)計過程中，作者與合伙人遇到了許多的困難。相比較，并聯(lián)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，但并聯(lián)機(jī)構(gòu)的活動范圍計算復(fù)雜，需要考慮的問題不計其數(shù)。在課題中難免有我們考慮不到的地方，望各位老師予以諒解。
傳統(tǒng)機(jī)床的發(fā)展已有數(shù)百年的歷史,而并聯(lián)機(jī)床的出現(xiàn)才不過幾年的時間,期望短期內(nèi)一下子就能解決并聯(lián)機(jī)床在理論和實踐上的一系列難題是不現(xiàn)實的;同樣,在并聯(lián)機(jī)床發(fā)展過程中暫時碰到一些難題就認(rèn)為并聯(lián)機(jī)床沒有前途、難以最終走向市場同樣是不可取的。
并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點有許多，能夠完成表面形狀極其復(fù)雜的零件，加工形式類似于數(shù)控加工中心，而且具有高剛度、高精度等諸多優(yōu)點。相比于普通銑床，加工性能大大提高。是機(jī)具發(fā)展前途的新型金屬切削機(jī)床。
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致謝
感謝機(jī)械系的各位老師，讓作者在四年的時間里，對機(jī)械有所領(lǐng)悟，從最開始的枯燥乏味到現(xiàn)在的認(rèn)真思考。是老師把作者帶入了機(jī)械的大門，開始自己真正的人生旅途。尤其感謝作者畢業(yè)設(shè)計的，是他給我們定下了并聯(lián)機(jī)構(gòu)這一課題，通過對此課題的一個學(xué)期設(shè)計，對作者四年里學(xué)到的所有知識進(jìn)行了一番大串聯(lián)。先前感覺乏味的機(jī)械知識在此可派上了用場，它們似乎都有了靈氣，相互開始產(chǎn)生出了關(guān)聯(lián)。通過畢業(yè)設(shè)計，作者領(lǐng)悟到了機(jī)械的博大精深，是值得自己用漫長時間去細(xì)細(xì)品味、值得深入的一個前途無量的國家基礎(chǔ)制造行業(yè)。再次感謝機(jī)械系的老師們，是您們讓作者有了充實的四年。
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