583742321毕业设计（论文）机床设计.doc

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1、摘 要 随着信息技术的进步和全球化制造技术的发展，企业为了提高自身的竞争力，要求配置效率更高和成本更低的加工设备，而传统机床在未来的加工业中会遇到难以克服的困难，例如在高速加工(轨迹速度达到50mmin)和高效空间曲面加工及机床的通用性方面将无法满足现代加工技术的要求。因此探索和研究一种现代化机床具有十分重要的意义。并联机构具有运动质量小的显著特点，因此应用并联机构的虚拟轴机床能提高加速能力，显著改善加工表面质量，而且机床由于能采用许多相同的零部件而降低了生产成本。除此之外，并联机构允许实现模块化设计。关键字： 并联机构.虚拟轴机床.运动学.研抛机床.Abtract:With the prog

2、ress of the information technology and the development of the global manufacturing techniques, enterprises require more efficient and lower cost machine tools by reason of enhancing their competitive ability. But conventional machine tools will encounter many difficulities which are hard to overcome

3、 in the future, for instance of high-speed machining (path speeds exceeding 50 m/min ) and high-efficient space curved surfaces machining as well as flexibility of machines.Key word:PMT. Virtual Axis Machine Tool. Movement subject. Abrade Machine.目 录绪论4第一章 机床整体方案设计8第一节 机床总体方案设计方法简述8第二节 机床主要部件确定9第二章

4、动平台的设计13第一节 伺服电机13第二节 谐波减速器14第三节 轴承21第三章 研磨头的设计25第一节 气缸的选择25第二节 弹簧的设计26第四章 经济技术分析和环境保护29第五章 参考文献30第六章 设计小结31附录 程序32绪论并联机床(Parallel Machine Tool，简称PMT)，也被称为虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematic Machine)，是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床(可以完成机床的切削任务)，又可以看作是

5、机床化的机器人(可以完成许多精密的机器人作业)。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的新型机电设备。国际学术界和工程界非常重视对并联机床的研究与开发, 自1994年美国Giddings & Lewis公司在芝加哥国际机床展览会上首次展出名为VARIAX(变异型)加工中心的这种机床以来，倍受各国重视，比如欧盟就设立了PKM科研专项，在历届著名的国际机床展览会上都相继展出了一些经过改进的新产品，中国的高等院校与机床制造商也合作推出了几种形式的并联机床。总之，无论国际还是国内现在都在大力推进并联机床的实用化,并联机床已成为机床行业发展过程中不可忽视的一个亮点。 并

6、联机床从问世以来经过了几年的发展，经历了一个由快速发展到稳步研究的发展过程，随着人们对并联机床的认识越来越深入，并联机床相关技术的研究和开发工作的步伐正逐渐趋于平稳。研究人员认识到并联机床与传统机床相比所表现出的鲜明的特有优势，这鼓舞着国内外众多研究机构和机床厂商坚持不懈地积极从事并联机床技术的研究和开发工作；另一方面，经过几年的研究，研究人员也发现并联机床存在一些缺陷，同时并联机床在较多方面的理论研究和应用技术研究尚不够成熟，还有很多难题要突破。世界各国的研究机构和机床厂商在这一问题上基本达成了共识，认为并联机床这种新型的加工装备与传统机床相比，在一些方面具有独特优势，然而在现阶段，并联机床

7、尚不能实现大规模生产和市场化，并联机床技术也有待进一步发展完善。传统的金属切削机床，本质上是“串联”机构。而图1所示的基于Stewart平台的典型纯并联六自由度机床，相对传统机床来说，具有如下优点：硬件结构简单，刚度/重量比大，制造成本相对较低；运动部件轻，惯性小，响应速度快，易於实现高的速度和加速度；配置灵活，在动平台上可以选配不同的工作头(旋转刀具头、高能束加工头、测量头等)来进行不同的作业；理论上运动和定位精度可以达到很高，这是由于六根变长杆长度变化的误差对动平台空间位置精度的影响，不是像传统机床那样累计迭加而是具有均化倾向。目前，并联机床的发展趋势呈现如下两个特点： (1)并联机床构型

8、的多样性 构型的多样性是并联机床的显著特点之一，每一种构型都有其自身的优缺点，都有其各自适合的应用领域。关于并联机构构型的研究一直是人们关注的热点，设计开发出多种适用于不同应用条件的并联机构也一直是机构学家们研究的一个重要内容。近几年，众多学者提出了多种新机构构型，并对机构的类型和构建方法进行了系统的讨论。目前，基于串并混联、内外副混合驱动或纯并联的少自由度机构的并联机床正逐渐受到人们的青睐，最有代表性的基于少自由度并联机构的并联机床是瑞典Neos Robotics公司开发研制的Tricept系列，其他典型的有意大利Comau公司的HPI型四杆三自由度机床、德国斯图加特大学机床与制造设备控制技

9、术研究所的LINAPOD三杆机床、德国汉诺威大学生产工程和机床研究所研制出用于钢板激光加工的三杆机床、美国Sheldon/Van Someron公司的Triax三杆机床、清华大学与江东机床厂联合开发的三自由度混联机床等。然而，由于并联机床出现不久，并没有专用的设计开发环境，目前开发一种新型并联机床的设计周期仍很长，因此迫切需要一个快速的设计开发平台以满足结构日趋多样的新型并联机床的设计开发需求。(2)并联机床设计理论和应用技术研究不断深入 虽然已开发出一些并联机床商业化样机，且有产品投入实际应用，但由于设计理论和工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能力、作业性能等方面表现差强人意，与传统

10、数控机床相比存在一定差距。有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建模与分析、精度保证、控制技术等关键技术的研究一直在不断深入，并取得了一定的研究成果。例如，Raghavan得出的Stewart平台运动学正解结论，Innocenti 和Cheok等人提出的运动学数值解法；Gosselin、Merlet和Ji的工作空间几何解析法，黄田和汪劲松等人提出的工作空间边界的变心球面族包络面求交法；基于各向同性条件(局部灵活度)、动平台姿态能力、总体灵活度指标的多种尺度综合方法；Nguyen、Lee、Liu关于动力学建模及动态性能指标的构造的理论结果，以及熊有伦提出的动力学优化设计策略；用不同方法建立的驱动

11、部件误差与终端误差之间的关系；多种运动学标定、提高机床加工精度的方法等。总之，并联机床的各项关键技术国内外都取得了很多有价值的理论成果，在应用技术方面也取得很大进展。有关并联机床设计和应用的理论成果和应用技术虽然很多，然而这些理论成果和技术覆盖了并联机床设计开发的多个环节，相对独立分散，很难有机地融合在一起，不能系统有效地应用到并联机床的设计开发中。此外，由于并联机床结构的特点，其运动学设计、动力学优化、精度保证等设计环节均涉及非常复杂的非线性问题，很多设计环节间存在模型演化困难、数据难以集成等技术障碍。因此，迫切需要一个集成化一体化的并联机床设计开发环境，以解决上述问题。通过对当前并联机床的

12、发展现状和趋势的分析，可以看出，集成化、一体化、数字化的并联机床快速开发平台能够大大缩短并联机床的设计开发周期、实现最新设计理论和应用技术的集成和应用、保证设计过程的一体化，从而推动并联机床在理论方面的研究进展和在实际应用方面走向产业化的进程。总体上讲，目前并联机床的研究存在如下问题： -国外关于集成设计方法的研究主要提出并联机床设计中需要的组成部分，如各种商业软件或者自行开发的软件等，并没有深入探讨各设计环节间的集成，更没有提出一个集成的一体化的设计环境； -国内外进行的研究都仅针对特定的设计环节进行仿真或分析，不能支持并联机床设计的各个环节(例如Leonesio的虚拟原型环境仅支持机构原型

13、的仿真与设计)； -国内进行的研究都是针对具体机构，进行机构的仿真与分析，因此所开发的软件缺乏通用性。-其其动平台在工作空间的运动，要通过从虚轴空间(并不存在的运动座标轴)到实轴(变长杆长度)空间的非线性映射来实现，而且实轴空间存在深度耦合，因此其控制软件要比传统机床复杂； -在相同的外观尺寸下，其有效工作空间要比传统机床小得多且不直观，特别是动平台主轴头能实现的最大姿态角一般小于30； -虽然并联机床的空间定位精度理论上可以达到很高，但实际上受一些因素的制约，比如其关键元件高精度铰关节的设计制造仍较困难等原因，迄今其动平台的空间位置精度基本上还处于10微米级的水平。 综上所述，国外已开始关注

14、支持并联机床设计的通用环境，并取得了一定的研究成果(如并联机床虚拟原型环境等)，而国内尚停留在针对具体机构的具体设计环节进行仿真与分析的阶段。本文提出的并联机床数字化快速开发平台能够解决国内外并联机床现有研究中存在的问题，为并联机床的设计提供高效高质量的开发环境，并且在该领域达到国际先进水平。为了解决并联机床工作空间小、特别是主轴头姿态角严重不足影响5轴联动加工能力的问题，世界上相继推出了各种不同串并联组合的所谓混联机床，其中最常见的是由三自由度并联机构实现平动和由传统串联机构实现转动的混联机床，从而使平动和转动解耦。与纯并联六自由度机床相比，这种机床不仅工作空间较大和能进行大倾角多座标数控加

15、工，而且由于位置和速度正逆解均存在解析解答，为数控编程和误差补偿创造了有利条件。瑞典NEOS ROBOTICS公司的三杆并联机床Tricept，是目前实际生产中应用最多的并联机床。在此并联机构基础上开发的Tricept 845加工中心，X、Y、Z三个自由度由三杆并联机构来完成，两个转动自由度则由传统的复合转台来实现。由三杆并联机构驱动的主轴头，最大进给速度可达90m/min，加速度2g，电主轴最高转速24,000或30,000r/min，功率30/45kW。该机床为模块化结构，除可选配复合转台外，也可选配普通工作台、单座标转台或交换工作台，主轴也有立式、卧式和45安装三种形式。其空间定位精度不

16、高(据说已由原来的50m提高至25m)，但已具有实用价值。 这种类型的串并联组合还有另一种布局结构，即三个移动轴仍由三杆并联机构来实现，而两个转动轴由动平台下串联的主轴头来完成。德国着名的机床制造商Deckel Maho公司在获得使用Tricept结构的许可後，依靠自身在机床领域积累的经验，重新设计了床身、万能主轴头、驱动杆和球铰等重要部件，开发出Tricenter (DMT 100)铣削中心(图3)。这台机床工作台固定不动，由三杆并联机构实现X/Y/Z轴移动，行程达1500/800/700mm，相应的最大进给速度100/50/50m/min，加速度2g，进给力5kN。串联的主轴头A轴转角0-

17、120，C轴转角180。所使用的电主轴最高转速24000r/min，功率27kW，力矩90Nm，刀柄HSK63A。 该机床不仅工作空间大和主轴头能实现大的姿态角，而且由於使用了激光标定，主轴头空间的位置精度可达412m。所谓激光标定，是利用高精度激光测量仪对主轴头在整个加工区域的空间位置进行测量(一般要测量200个点)，再借助专门开发的标定算法，按实测信息修整CNC控制器中的逆解模型参数，以进行精度补偿。Tricenter不仅适于高速加工复杂曲面的铝材零件，而且可以对钢和铸铁工件进行高效率加工。Deckel Maho公司计划在2002年把这台机床交世界知名的Airbus公司实际使用。中国大连机

18、床集团与清华大学合作开发的5轴联动并联机床DCB510，也是三个移动轴由并联机构实现、两个转动轴由动平台下串联机构实现的混联结构(图4)。其X/Y/Z轴行程为630/630/500mm，A轴最大转角140，C轴最大转角380。不过它是用滑板和定长杆来代替可伸缩杆，每付定长杆由双杆组成(也可用三杆组成)，而且定长杆一端的铰支固定在滑板上，这样虽然结构稍微复杂一点，但有利於提高机床的刚度和精度。此外，这种结构形式滑板的驱动不仅可以用滚珠丝杠，也可用直线电机直接驱动。串、并联组合的混联机床还有其它结构形式，比如美国Cincinnati公司针对航空工业开发的龙门移动式高速数控铣床Hyper Mach，

19、其X轴行程最长46m，Y轴行程2m，由直线电机驱动，但仍为传统的串联机构，其独特之处在於采用了德国DST公司开发的Z3主轴头。这种主轴头由三轴并联机构和主轴部件组成，除了主轴可以高速转动外，主轴头自身由并联机构驱动实现Z轴进给和绕A轴与B轴转动(40)。 并联机床的应用领域还在扩大，最近又把开发目标向车床扩展。比如德国Index公司开发的V100倒置式立车，其主轴平台在上，由三杆并联机构驱动不仅可以实现X、Z轴的移动，而且多出的一个自由度还可用於车床的自动上下料。其转塔刀架在主轴平台下方，只转动不移动。在目前的研究现状下研究开发并联机床数字化快速开发平台，需要解决以下关键技术问题：-以并联机构

20、型谱库为核心的并联机床虚拟概念设计技术 由于并联机床概念设计中构型综合的复杂性，完全从头进行构型综合的概念设计方式可能导致普通设计者难以完成设计任务。设想用专门软件进行辅助型数综合或由机构学家独立研究得出实用构型，按并联构型族类存入并联机构型谱库并不断积累。设计者在进行概念设计时只需直接从型谱库中选取满足机床运动性能要求的并联构型，大大简化了概念设计。此外，系统可提供并联机构常见组件库，采用组件组合设计提高构型综合和建模效率。 -以并联机构组件库为基础的并联构型组合式设计及智能设计技术 由于并联机构的构型多样，为快速建立新并联构型，建立并联机构组件库，该组件库以零件库为基础，实现并联构型的快速

21、、自动组合并且实现并联机构的智能设计是本研究需要解决的问题之一。-以并联机构运动学尺度综合知识集为基础的并联机构尺度综合专家系统技术 由于并联机构构型种类繁多，不同机构有不同的运动学方程和尺度综合目标函数，采用各自独有算法进行尺度综合将会导致系统过分庞大。在机构型谱库中的并联机构运动学尺度综合集提供各种机构的运动学方程和尺度综合目标函数及其它有关信息，由具有一定通用性的核心算法针对具体构型完成尺度综合，将使系统更加简洁且易于实现。 -以并联机床常用零件库和子装配体库为基础的整机设计专家系统技术 并联机床整机设计采取计算机辅助组合设计方式。建立并不断扩充并联机床详细设计所需的子装配体模型库，系统

22、提供辅助组合设计环境，根据机构设计平台提供的并联机构模型，以设计人员的整机结构构思为指导，以动力学分析结果为依据，并行化分布式完成各机床结构件和辅助件的选择和组合，形成可制造的机床整机数字化模型。-数字化产品样机模型演化技术及作业运动仿真技术 使用虚拟现实技术仿真数字化样机作业过程，进行作业性能分析，向用户展现虚拟产品全面具体的作业特性。切削类机床的作业仿真包括机床作业过程仿真和工件切削成型仿真，性能分析包括运动误差预估、切削颤振效应分析、热态效应分析、切削效果分析等。-并联机床动力学优化、精度综合等关键技术的实用化集成化研究 根据不同构型进行并联机床的动力学建模与分析，寻求最佳的动力学设计与

23、控制参数；按照不同精度设计指标，确定结构工艺参数，保证设计精度；同时，研究动力学优化与精度综合在系统中的集成问题。理论和实践都证明，并联机床很适於高速加工复杂曲面零件，目前也正向实用化方向发展，但真正要在工厂中较普遍应用还需经过艰苦的努力才能实现。虽然串并联组合的混联结构在扩大机床的工作空间、特别是在增大主轴头空间姿态角方面已取得较大成效，但并联机床的承载能力、特别是主轴头在空间的位置精度还极待提高。这除了从运动学和动力学角度进行研究改进外，改善制约并联机床刚度和精度的薄弱环节关节结构的性能也是当务之急，所以必须重视结构尺寸小、承载能力强和精度高的复合滚动关节的开发和生产。此外，运动学标定即精

24、度补偿也是提高并联机床精度的重要手段，除上文所述使用高精度激光测量仪的外部标定方法外，还可在机床内部安装传感器获取信息进行自标定(一般是在从动关节上安装精度高和抗干扰能力强的检测元件)。尽管还有上述种种问题需要解决，但并联机床成为传统高速加工机床的重要补充已为期不远了。第一章 机床总体方案设计第一节 机床总体方案的设计方法简述 前面我们所讲的是机床部件的设计方法，从整台机床的设计工作来看是属于第二步工作，而第一步工作是机床总体方案的设计，其包括拟定机床总体方案和确定机床主要技术参数两方面的工作。一、拟定机床总体方案，包括以下三方面的内容：调查分析、工艺分析、机床总体布局。 1.调查分析（1）对

25、加工对象的了解；（2）对使用要求与制造条件的了解；（3）对同类及类同设备的了解。2.工艺分析 （1）工艺方法的选定。同一种工件的加工可以有众多的工艺方案。工艺方法对机床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致机床的运动、传动、布局、结构、经济效果等方面的一系列变化。 （2）专用机床：多种工艺方案比较、选择。通用机床：按照类似的机床，适当扩大加工范围。选定了工艺方案后，即可进行机床的运动分配。确定机床的运动时，应当在满足工作要求的前提下，尽可能减少运动数目，特别是减少要求高的运动数目（例如分度运动等）。尽可能简化运动装置和传动装置的结构，减少运动执行件的数目，用一个执行件完成多个运动。（3）

26、夹具方案的拟定其是专用机床设计的组成部分。通用机床： 尽量采用标准化的通用夹具。 通用机床采用的专用夹具，由用户自行设计。3.机床的总体布局 本项工作的基本要求： （1）保证刀具和工件间的相对位置和相对运动。 （2）足够的刚性，抗振性。 （3）便于操作、维修、排屑等。 （4）材料消耗低，占地面积小。（5）造型美观。总体布局的具体内容： （1）运动分配时应考虑的结构因素：a）把运动分配给重量轻的执行件（2）机床传动形式的确定（3）机床支承结构形式的确定 图1如图所示，该机床通过3个导轨滑块的运动可实现其动平台的上下，前后，左右6个方向的的随意运动。又通过动平台下面的旋转臂的转动最终实现研磨头的任

27、意方向运动，从而使其加工自由曲面的目的得以实现。第二节 机床主要部件的确定1-直线导轨的选择：（一）. 导轨概述1、导轨功能承载、导向。2、对导轨的基本要求：(1).表面具有高的导向精度，直线度或真圆度。(2).足够的刚度。(3).导轨与导轨或导轨与其他部件之间的位置精度。(4).优良的耐磨性。(5).低速运动的平稳性。3、导轨的种类(1).按运动形式直线导轨、圆导轨。(2).按摩擦性质滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨。(3).按导轨材料铸铁导轨、钢导轨、塑料导轨。(4).按工作性质主运动导轨、进给运动导轨、调整运动导 轨。(5).按受力情况开式导轨、闭式导轨。导轨的组合 除圆柱导轨有时

28、能单根使用外，导轨需两根（或两根以上）组合使用。 重型机床常采用双矩形导轨。 中、小型车床床身采用山形、矩形导轨组合。 要求导向精度高的，采用双三角形导轨组合要求结构紧凑，高度小，调整方便的采用燕尾导轨。从制造工艺性来看，矩形、圆形导轨好，三角形、燕尾形差。提高导轨耐磨性的措施导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法，以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长的时间内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。提高导轨耐磨性的措施有： 1)选择合理的压强，单位面积上的压力成为压强，即p=P/S（公斤/厘米2） 式中 P-作用在导轨上的力（公斤）S-导轨的支承面积（厘米2）

29、由上式可知，要减小导轨的压强，应减轻运动部件的重量和增大导轨支承面的面积。减小两导轨面之间的中心距，可以减小外形尺寸和减轻运动部件的重量。但减小中心距受到结构尺寸的限制，同时中心距太小，将导致运动不稳定。降低导轨压强的另一办法，是采用卸荷装置，即在导轨载荷的相反方向，增加弹簧或液压作用力，以抵消导轨所承受的部分载荷。 2.合理选择材料及热处理 导轨副中，固定导轨的材料应较硬，运动导轨的材料应较软。 常用材料组合铸铁表面淬火铸铁铸铁淬硬钢铸铁贴塑铸铁 热处理：高频淬火，电接触淬火。（二）.导轨的作用和设计要求 当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运

30、动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下： 1.一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。 2.运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 3.良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 4.足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。 5.温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的

31、条件下，仍能正常工作。 6.结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本。 不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六点要求是相互影响的。 三角形和矩形组合：这种组合形式以三角导轨为导向面，导向精度较高，而平导轨的工艺性好，因此应用最广。 这种组合有V-平组合、棱-平组合两种形式。V-平组合导轨易储存润滑油，低、高速都能采用；棱-平组合导轨不能储存润滑油，只用于低速移动。见图21-11。 为使导轨移动轻便省力和两导轨磨损均匀，驱动元件应设在三角形导轨之下，或偏向三角形导轨。本机床采用滚动直线导轨，导轨采用优质合金

32、钢制成，定位侧面和滚道同时磨削，保证了滚道精确的几何形状，以及滚道与安装定位面之间的精确的尺寸精度。保持架能防止钢球散落。返向器一般用工程材料制成并引导钢球反向形成连续的循环运动。密封端盖和密封底片是防尘的必要部件。导轨副的润滑通过注油杯注入润滑剂来进行。其主要特点如下：（1） 承载能力大，刚度高在导轨球形滚道面上，通过成形磨削加工圆弧型沟槽，增大了接触面积，能承受较大的许用载荷，承受冲击载荷和重载荷作用时，承载接触区增大，提高了系统的刚度，MC型导轨副可承受上下左右四向各种载荷，可以根据不同的目的进行安装和设计。（2） 工作精度高根据需要，适当增加预载荷，确保钢球不会滑动，实现平稳运动,减小

33、了运动的冲击和振动，同时，滚动直线导轨副的运动借助钢球滚动实现，导轨副摩擦阻力小，动静摩擦阻力差值小，低速时不易产生爬行。重复定位精度高，适合作频繁启动或换向的运动部件。 滚珠与滚道的接触（3） 密封防尘能力强滑块两端装有密封端盖，底部采用密封底片，具有良好的防尘性能，同时导轨固定螺孔上配有螺孔盖，防止灰尘的积塞，从而保证了产品的寿命和自适应性能（4） 便于安装由于采用精密的加工技术,导轨直线度高,导轨中安装螺孔的孔距误差小,安装方便。同时HTSD-LG导轨副由于滑块内装有钢丝保持架,便于拆装。 还能向用户提供装配用的装配导轨。（5） 互换性好导轨副结构形式规则,易于进行高精度的测量,增加滑块

34、、更新滑块、调整预紧力容易。安装尺寸符合国家标准，并且和国外同行业厂家的尺寸规格基本相同。由于互换性好，导轨可以无限接长。由于以上特点，所以选择滚动直线导轨。2球铰的选择 ；由于本设计采用每滑块连接3根杆件，又因为其运动原理所以选择用球铰作为杆与平台，与滑块的连接件。 球铰结构如下图 1-套 2-半联轴器 3-销 4-接头 5-球形件 球铰的的选用是根据其功率，扭矩和转速决定的，根据其标准本设计采用WJ5型球铰其结构参数为型号公称转矩许用转速 D圆柱孔 L1 L重量转动惯量WJ563 820 29 14 16 56 0.150. 000083-球铰杆的选择由于本设计杆件连接的动平台重量轻所以杆

35、件采用35#钢的双铰链钢杆，考察双铰刚杆本身的平衡，它是仅受两个力作用而平衡的物体(二力构件)，这两个力分别作用在两铰链的中心，而根据公理一，这两个力的作用线必须沿着这两个铰链中心的连线。刚体既能受拉又能受压，因此，双铰刚杆连接能同时起前面第一类与第二类简单约束的作用，既能受拉；又能受压，这样的约束称为双面约束。当然，单个铰链也是双面约束。4工作台 首先是工作台的尺寸，他是整个机床设计的主参数，主要取决于典型零件的外廓尺寸，装夹方式等。应选比典型零件大的尺寸，以留出安装夹具的尺寸。还要考虑工作台的承载能力，当承载能力不够时候应该加大工作台的尺寸。 而且工作太的尺寸还控制加工空间的大小，如个别零

36、件尺寸大于机床的行程，则必须要求工件的加工区在机床的行程范围之内。 5床身 其尺寸是按其他部件尺寸而定。他尺寸要满足使所有的部件都在其内，而且还不能少于加工工件的行程 。第二章 动平台的设计 该动平台设计包括2个部分一个是平台的设计， 还有一个是旋转臂的设计。其中平台是连接导轨滑块的部分：其作用是使研磨头在空间可以自由的运动。第二部分旋转臂则是实现研磨头在空间的回转运动。如下图 ： 如图所示由上自下分别为伺服电机，转接套，谐波减速器套，轴套，平台，腕部，旋转臂。其中在平台上还有安装球铰链的螺纹孔。 第一节 伺服电机1伺服电机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的

37、发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。定子绕组散热比较方便。惯量小，易于提高系统的快速性。适应于高速大力矩工作状态。同功率下有较小的体积和重量。自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的I

38、ndramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典

39、型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降 第二节 谐波减速器谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，它的出现为机械传动技术带来

40、了重大突破。它由三个主要构件所组成：刚轮-刚轮是刚性的内齿轮，通常情况下为固定件，但有时也可作为输出元件。柔轮-柔轮是薄壁弹性的外齿轮，其齿数比刚轮少2，通常情况下为输出元件，但当以刚轮为输出件时，亦可作为固定元件。 波发生器-波发生器由椭圆凸轮及柔性轴承组成，通常情况下为输入元件。波发生器装入柔轮内孔，凸轮转动，通过柔性轴承使得柔轮不断发生椭圆形变，从而迫使柔轮外齿与刚轮内齿的啮合点随长轴的转动而移动。 一谐波齿轮传动谐波齿轮传动和渐开线少齿差行星传动的传动比公式一样： 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮

41、合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱

42、开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须

43、相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。二谐波齿轮传动的主要特点1） 传动比大而且范围宽。一般单级谐波齿轮传动的比范围为1.0021.02,50500;2） 同时啮合的齿数多。在受载情况下，对双波传动，同时啮合的齿数可达总齿数的3040%；三波传动则更多。承载能力较高。3） 零件少，体积小，重量轻。在相同条件下，可比一般齿轮减速器的元件少一半，体积可减小2050%，重量大大减轻。4） 运动精度高。由于多齿啮合的平均效应，故共传动精度一般可比同精度等级的普通齿轮减速器的精度高一

44、级。5） 由于同时啮合的齿数多，齿面的相对滑动速度很低，又接近于面接触，故磨损小，运动平衡而无噪音。6） 在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。单级传动的效率一般在6096%的范围内。7） 具有通过密封壁传递运动的能力。由于通过密封壁传递运动，故在高真空的条件下，以及用来控制高温、高压的管路，驱动在有原子能辐射或其他有害介质空间工作的机构时，采用这种传动十分理想。这也是现有一切其他传动所无法比拟的。8） 起动力矩比一般齿轮传动大，速比越小越严重。9） 在传递运动中，柔轮要发生周期性弹性变形，因此对柔轮的材料、热处理有较高的要求，否则柔轮容易疲劳损坏。10） 有时发热过大。对动力传动，若结构参

45、数选择不当时，可能导致发热过大，必要时需采用适当的冷却措施。 由于谐波齿轮传动的优点突出，所以发展非常迅速。而且不论是用作数据传递的高精度传动，还是用作大转矩的动力传动，都得到较满意的效果。另外，其适用的范围也比较广。其功率可由几十瓦至数十千瓦；负载能力可大至数万牛米；传动精度已达几秒量级。因而这种传动的应用已相当广泛。例如在雷达天线控制系统中，机床分度机构中，自动控制系统的执行机构和数据传递装置中，以及纺织、化工、冶金、起重运输等机械设备中，都得到应用三谐波传动减速器 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 （一）传动原理 图3-79示出一种最简单的谐波传动工作原理图。它主要由三个基本构件组成：（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮； （2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；（3）波发生器H，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。 波发生器H是一个杆状部件，其两端装