并联机床毕业设计说明书.docx
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1、学校代码: 学 号:本科毕业设计说明书学生姓名:学 系 专 班院: 别: 业: 级:指导教师:二O 一四年六月第二章并联机床结构设计相关计算此部分主要包括3-SPS伸缩式并联机床位置逆解的相关计算与分析,滚珠丝杠螺 母副的计算与选型,滚动轴承的选用,伺服电机的计算与选型,联轴器的选用与校核 的选用等。所设计的3-SPS伸缩式并联机床实物图如图2-1所示:图2-1 3-SPS并联机床模型2.1 3-SPS伸缩式并联机床位置逆解计算与分析该部分根据刘国平、李建武等3-SPS并联并联机床一种逆解算法研究主要介 绍了 3-SPS并联并联机床位置逆解的一种求解方法,该方法采用坐标变换原理,求得 运动平台
2、上的任意点经过平移、旋转后的新坐标,再根据3-SPS机械结构的特点,通 过几何方法求出各轴滑块的移动距离,从而实现逆解的求,并根据张曙的并联运动 机床加以分析处口。2.1.1 3-SPS并联并联机床机械结构简介该类型并联并联机床采用3-SPS结构,简图如图2-2所示,其中1:固定支;2: 运动滑块;3:连杆;4:活动平台。3-SPS并联并联机床的工作原理 是通过伺服电机驱动滚珠丝杆,带动 丝杆上滑块与连杆并行的移动,滑块 又通过虎克钱带动连杆运动,从而使 活动平台变化在空间的位置和姿态。图2-2 3-SPS并联机床机构简图坐标系的建立为求解3自由度平台的空间位置关系,首先建立动、静两坐标系,静
3、坐标系原点 位于上平台中心,动坐标系原点。位于下平台中心,各轴指向如图所示,动静平台坐 标系方向保持一致,坐标系如图2-3所示。其中,Bi各点是上虎克钱的几何中心,Bi 所在圆是以上虎克较几何中心所构成图形的外接圆;Pi各点是下虎克钱的几何中心, Pi所在圆是以下虎克较几何中心所构成图形的外接圆6=1、2-6) o图2-3坐标系示意图其中上下虎克校中心所在平面之间的距离定为324.03mm,上虎克皎中心 /q员二30。;且关于上虎克皎几何中心所构成图形的外接圆成分布,对称。下虎克 校中心; 。?=40。;4。k40。;且关于下虎克皎几何中心所构成图形的外接圆成分布、对称。上平台虎克钱几何中心所
4、在圆半径为 500mm,下平台虎克较几何中心所在圆半径为120mm。2.1.2 初始条件的确立当已知机构的基本尺寸,在所建立的坐标系上,由于上、下平台的各个较点和(i=L 26)对于坐标系的几何关系已确定(如各较点与原点的连线和X轴的夹角为定值),通 过几何关系就可计算出各校点在静坐标系中的坐标值,即各个校点和的坐标值可计算 出来而成为已知条件。经计算可知:上平台各个交点坐标为:Bi(-171.01, -469.85, 324.03)B2 (171.01, -469.85, 324.03)B3(492.3, -469.85, 324.03)下平台各个交点坐标为:Pi(-82.60, -87.0
5、4, 0)P2(82.60, -87.04, 0)P3(l 16.68, -28.01, 0)2.1.3 空间变换矩阵的求解假定动坐标系沿定坐标系的X、Y、Z坐标轴分别平移XpYpZp后,再在新的坐标系 下绕X轴旋转绕Y轴旋转月,绕Z轴旋转/ ,则坐标变换矩阵:C/3CySaS/3 + CaSySaSp - CaSf3Cy0C/3CySaS/3 + CaSySaSp - CaSf3Cy0CaCy - SaS/3SyCaS/3Sy + CaCy0S/3 Xp-SaS/3 YpCaCp Z尸01(21)苴中.Ca = COSa, Sa = sin a .苴他依壮举推随着滑块的移动,活动平台各较点也
6、随之到达新的位置,设为到达新位置时的坐 标值,则有 =TPi O根据毕业设计任务书技术参数中机床运动平台的动作范围,不 妨假定运动平台处于其中一极限位置时有Xp = % = Zp = 100mm且a = = 7 = 15 ; 于是计算可得:CPC7SaS + CaSySaS /3-CaS /3Cy0-CpSyCaCy-SaSpSyCaS/3Sy + SaCySB-SaCpCaCp0Xp % Zp0.9330.315-0.17500.9330.315-0.1750-0.2500.9160.31500.259-0.2500.9330100100100假定运动平台处于另一极限位置时有Xp = % =
7、 Zp = 100批且a = 15。; 此时:CPC7SaS/3 + CaSySaS/3-CaS/3Cy0-CPS7CaCy-SaSpSyCaS/3Sy + SaCy0SB-SaC(3CaCp0XpYpZp0.933-0.1850.30800.933-0.1850.30800.2500.950-0.1850-0.2590.2500.9330-100-100-1002.1.4 新坐标及各轴滑块移动量的计算100100100计算滑块的移动量0.9330.315-0.1750-0.2500.9160.31500.259-0.2500.9330计算新坐标:根据上述计算方法R = TP可知:0.9330
8、.315-0.175-0.2500.9160.31500.259-0.2500.93301001001001-82.60-87.040144.69-5.7587.041(22)-82.60-87.040其中I 1以及44.69-5.7587.041分别表示和的齐次坐标,参考并联机床第二版229o故的坐标为:同理可以计算得:(44.69,-5.75,87.04)P2(198.83,46.29,58.13)P3(215.86,l 11.09,70.76)P4(103.03,216.13,130.28)P5(39.44,194.66J 42.21)P6(-1.86,37.59,l 11.60)求Pi
9、到G的距离,P,到Bi的距离sCi:如图2-4所示,升是与Z轴平行且经过点的直线,与。垂直于垂足为 “(i=i,2,.,6),则可构建出一个直角三角形瓦匕,由于与“平行于静坐标系的 Z轴,所以2与匕仅z轴坐标不同,即xXg.。SAi图2-4计算几何图于是,Sb,=而=否=Xb, 了 + (力一与产 + (Z, Zb,)Pi到G得距离为上下虎克较中心的距离,此距离不变所以:Sb =Sb =Sb =Sb =SSr = 509.27由于品,=港=J(X - Xb, C + 3-%, )2 + (ZZb, )2代入相关数据可求得:Sc =563.99 Sc =581.27 Sc =691.46c,;
10、a;03;Sc =352.51 Sc =445,8 Sc =536.82。4; C5; Q求各轴上滑块的移动量:AS, SCj - SBi代入相关数据可求得:S1 =563.99-509.72 = 54.72AS2 =581.27-509.72 = 72(2-3)(24)(2-5)10AS3 = 691.46 509.72 = 182.13A54 = 352.51-509.72 = -156.76S, =445.8 509.72 = 63.47AS6 = 536.82 - 509.72 = 27.55以上计算结果,“-”值表示沿Z轴负方向移动;反之则表示沿Z轴正方向移动。0.933-0.185
11、0.30800.2500.950-0.1850-0.2590.2500.9330-100-100-1001计算滑块的移动量计算新坐标:根据上述相同计算方法与过程=Tpi (-198.83,-167.41,-109.34) (1.86,-148.19,-58.88) (-103.03,15.61,-131.78)计算新坐标:根据上述相同计算方法与过程=Tpi (-198.83,-167.41,-109.34) (1.86,-148.19,-58.88) (-103.03,15.61,-131.78)同理可以计算得:A (-44.69,-197.97,-58.46)*39.44,3.00,-110
12、.79)*21.59,105.02,130.76)求E到G的距离%,B到了的距离品.同上,S引: PC = PjBj= &XpXb)2+(YYb)2 + (ZZb)2代入相关数据可求得:=S%=与3 = Sb二品5 = S6 = 509.27代入相关数据可求得:Sc =529.2 Sr =516.47 Sr =700.51 5 c2c399Sr = 680.94 Sc =624.85 Sc =682.13 c4e5c699求各轴上滑块的移动量:S = SCj - SBj代入相关数据可求得:AR =529.2 509.27 = 19.9311AS2 =516.47-509.27 = 7.2S3
13、= 700.51-509.27 = 191.27A54 = 680.94 - 509.27 = 171.67AS5 = 624.85 - 509.27 = 115.58A56 = 682.13 - 509.27 = 172.86以上计算结果,“-”值表示沿z轴负方向移动。综上计算结果可知,滑块的最大位移量为191. 24mm,圆整为195mm;据此可知滚 珠丝杠螺纹的有效行程不得低于195mm。并联机床杆系简化分析跟据张曙并联运动机床第78页的相关内容,将并联并联机床杆系配置简化为 平面机构进行分析计”瞑 以刀头点沿X方向从0到100mm每移动10mm为参考,即二lOmm;据此计算机床每 根轴
14、上滑块的移动量,记为(同中的计算)。10(26)此时坐标变换矩阵为:按照2.L5中相关滑块位移量的计算方法,容易计算出各滑块的移动量如下:轴1上滑块AZAZAX010203040500 -0.16-0.65-1.34 -2.43 -3.93 0.160.49 0.691.191.4101010101060-5.651.7210708090-7.69-10.05 -12.752.042.262.7101010100-15.793.0410轴2上滑块X 0102030405060708090100Z 0 -0.11 -0.54-1.27 -2.21-3.66-5.32-7.3-15.22AZ 0.
15、11 0.430.73 1.041.351.661.98 2.2 2.642.98AX1010101010101010101012Z 0 -4.35 -9.09 -14.21 -19.74 -25.71 -32.12 -39.03 -46.45 -54.43 -63.03AZ 4.354.745.125.535.976.416.917.427.988.6AX10101010101010101010轴4上滑块X 0102030405060708090100Z 0 -4.32 -9.08-14.23 -19.8 -25.78 -32.23 -39.16 -46.61-54.63 -63.26AZ
16、4.324.765.155.575.986.456.937.458.028.63AX 10101010101010101010轴5上滑块X 0102030405060708090100Z 0 4.117.80 11.16 14.1916.9119.33 21.4423.2524.78 26.02AZ 4.113.693.36 3.032.722.322.111.811.531.24AX10101010101010101010轴6上滑块01020304050607080901000 4.037.711.04 14.0516.75 19.1421.2323.02 24.5325.74AZ 4.03
17、3.673.343.012.72.292.091.79 1.511.21AX10101010101010101010根据上述计算可知:X10AZmax0.11于是根据虚功原理及运动学知识有:*ZmaxZmax13max出=0.86310x笆|AZ|maxx空|Az|max(27)(28)假定刀头点在加工时X、Y、Z方向上所受最大切削力均为100N,有设计要求技 竺 | 91术参数,X、Y、Z方向上的最大移动速度均为100mm/s。由于AZL. ,这使得 滑块上所受Z方向的力与刀头点处受力出现巨大波动,并且参考的划分越细可能出现 的波动越大,此处取平均值予以计算:AXAZmax100.11 +
18、0.16 + 4.35 + 4.32 + 1.24 + 1.21代入数值计算得:ZmaxZmax - FxmaxAXxAZ= 100x6.7 = 670(N)maxx max=100x0.863 = S.63mm/s 5178mm/min 以刀头点沿Y方向从0到100mm每移动10mm为参考时,相关计算与沿X方向的计 算方法相同并且结果相差不大,可取X方向计算结果。 以刀头点沿Z方向从零到100mm每移动10mm为参考时,显然滑块和运动平台(刀 头点)移动速度相同,即有:AXl 1 AZ IZ mix 6 AX max此时可知:maxFx maxAXlAz|=16.7(N)maxmax“x m
19、ax=1 QOmm / s = 600Qmm /min从上所述:刀头点以最快速度运动并且受到最大切削力时,各轴滑块最快移动速 度和根据虚功原理转换到滑块上沿Z轴的最大作用力分别为%M =6700)V7mqv = 6000mm / minZ/ ITklX14摘要并联机床(Parallel Machine Tools),又称并联结构机床 (Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools),也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联 机床是近年来国内外机床研究的热点,它具有自由度多、刚度高、精度高、
20、传动链短、制造成本低等优点。但其也不足之处,其中位置正解复杂就是 关键的一条。3-SPS伸缩式并联机床是Stewart机床的一种变形结构形式, 它主要特点是动、静平台上的3个关节点分别分布在同一个平面上,且构 成的形状相似。并联机床是集机械、气动(液压)、控制技术于一体的典型的机电一体 化设备,它容易实现“三轴联动”,有望成为21世纪高速轻型数控加工的 主力设备。本课题结合本院实验室建设,设六自由度并联机床机构,使其 能根据工艺要求进行加工。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及 应用能力。本课题设计的主要针对并联机床结构设计,其内容主要包括并联机 床设计方案的确定,并联机床机构设计计算,以
21、及滚珠丝杠螺母副、 伺服电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用,并利用UG软 件绘制各相关零部件的三维实体零件图和总装配图,以期达到能直观 看出并联机床实体机构的效果。关键词:并联机床;伺服电动机;空间变换矩阵;2. 2滚动轴承的选用基本额定载荷Cr=Pa(223)f.式中:力一速度系数,由机电一体化系统设计课程设计指导书查表4. 2-8,取 力=0. 370;fh一一寿命系数,由机电一体化系统设计课程设计指导书查表4.2-8,取% =3. 11;Pa一一当量动载荷,由机电一体化系统设计课程设计指导书查表4.2-84,取巴=耳” =12O5N ; f3 11C =以己x 1205 = 1
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