并联机床结构设计
《机床与液压》２００ｓ Ｎｏ １２
安装在动平台上并且使电机的轴线与动平台轴线偏离 一定距离以便安排一级减速传动，图２（ｂ）中岛为 电机安装后相对于实际动平台伸出的长度；为电机相 对于理论动平台伸出的长度，动平台运动时，电机的 伸出端有可能和连杆干涉，因此￡。必须通过干涉计 算确定；Ｒ为理论动平台的半径；ｒ取决于安装在动 平台上的主轴及电机的大小以及其布置情况。
典型的６一ｕＰＳ并联平台机构的简化模型示意图 如图１（ａ）所示，为了便于机构的分析，在动静平 台上分别建立坐标系ｏＰ—ｘＰｙＰｚＰ和ｏＢ—ｘＢｙＢｚＢ。
静平台和动平台上的各铰链点的矢量分别定义如 下：
８西。＝ｒＢ［ｃｏｓＩａ±△Ｂ） ｓｉｎ（ａ±△Ｂ） ＾。］。
＋基金项目：国家自然科学基金（５９８７５００４）和航空科学基金（９９Ｈ５１１２４）资助项目
平台铰链中心到螺母端面的距离。设实际丝杠的长度
为△，螺母的长度为Ｌ—Ｉ：作时为防止丝杠脱出螺
母，必有下面关系式成立：
ＬＩ＋工，ｓＬ…
（５）
￡１＋△＋如一￡。≥Ｌ一
（６）
当不等式（５）取等号时，丝杠的左端面与螺母
的左端面对齐；当不等式（６）取等号时，丝杠的右
端面与螺母的右端面正好对齐，这是两个极限位置。 实际中为保证安全应留一定的裕量，取该安全裕量为
《ａ）帆睐的总体结构
ＩｂＪ帆束的主体机掏
图４并联机床结构图
５结论 本文阐述了并联机床设计的基本过程，并通过笔
者的设计实例讨论了并联机床部分参数及零部件的设 计。并联机床的设计与普通机床设计相比既有其相似 的部分又有其特殊的部分，虽然并联机床的理论部分 涉及机构学的多个方面，但总的来说其设计过程并不 难，目前国内大部分厂家应该有实力完成其开发，在 机构参数确定时需要根据运动学及动力学方程编制优 化或者仿真软件，该工作可以自己组织人员完成或由 高校帮助完成。笔者希望业内人士能洞悉该类机床的 优点，发现合适的应用场合，开发出物美价廉的形式 多样的并联机床和机器人产品。 参考文献
件的详细设计。
关键词：并联机床；ｓｔｅｗｍ平台；设计
中图分类号：ＴＧ６５
文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２００５）１２—０１６—３
Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ Ｄｅｓｉ印
ＧＵ０ Ｚｕ．ｈｕａｌ，ＵＵ Ｚｈｉ．ｆｅｎ一．ＣＨＥＮ Ｗｕ．ｖｉ。
（１．Ｓｃｈ００ｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｈａｌｌｇｕｎｉｖｅ商ｔｙ，Ｂｅ巧ｉ“９１０００８３，Ｃｈｉｎ４；
收稿时问：２００４—０６—０８
并联机床结构设计
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)：
（１）根据机床的功能要求确定动平台的自由度 及并联机构的形式，如６一ｕＰｓ机构、６一ｓＰＳ机构和 ３一Ｈｓｓ机构等。
（２）根据机床的使用要求确定机床的基本构架 ——立式或卧式。一般来说对于小型机床卧式布局具 有较好的可接近性，而立式机床布局具有较好的力对
螺母伸缩丝杠的方式。动平台上采用球铰（或具有 三个转动自由度的等效球铰），静平台采用两个转动 自由度的铰链。这样机床的主体机构为６一ｕＰＳ并联 机构，由于动平台只有三个铰链，静平台有六个铰 链，故也称之为６—３式ｓｔｅｗａｎ平台。 ３基本计算公式 ３．１连杆长度求解
（＿１并鞋平台机构及坐标系
（”位置反解示蠹闰
图１ ６一ｕＰｓ并联平台机构
连杆矢量可表示为
８ｓ。＝８ｆ＋：冠’，一８西．
（１）
连杆的长度为
ｚ。＝√８ｓ。－ｏｓ；
（２）
连杆的方向矢量为
ＲＣ
８ｓ．＝孚
（３）
６ｆ
当给定动平台的位置８ｆ和姿态翟时，用公式
（１）～（３）可以计算出各连杆的长度及方向，这就是
并联机构的反解公式。
０引言
称性。
并联机床是一种新型结构的机床，近年来，国内 外针对它进行了许多研究，并先后开发出多台样机。 目前的理论研究较为全面，为并联机床的产品化奠定 ＿ｒ ｒ旺实的基础。并联机床的主体机构是并联机构，它 与传统机床的结构差异较大，事实上，并联机床更接 近一个机器人，在其设计过程中需要求解空间机构的 若干参数，这给传统机床制造厂商的开发工作带来了 一定的困难。所以目前国内的所有的并联机床都是由 大学与制造厂联合开发或者由大学独立开发，事实上 这一点必然阻碍并联机床的产业化。北京航空航天大 学曾在并联机床的开发上做了大量的工作，受到了多 项国家自然科学基金和学校２１ｌ工程的支持，本文将 结合ｓｔｅｗａｎ平台型并联机床的实际设计过程，详细 给出并联机床设计开发过程中所需的最基本的分析计
ｍａｃｈｊｎｅ￡ｏ胡ｄ鼎ｉｇ“Ｐ删日ｎｄ ｖｊｅｗ“Ｐ阳ｃｔｉｃｅ Ａｓ ａｎ ｅｘａ瑚ｐｌｅ， ａ ｓ把ｗａ对￡ｙｐｅ
ｊｌｓ ｋｊｎｅ瑚ａ￡ｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍ记。ｑｌＪａｌｉ加ｓ ｗｅ阳Ｐ１℃ｓｅｎ－
ｔｅｄ．Ｓｏｍ８ ｐａｎｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐ啪ｌｌｅｌ ｍ丑ｃｈｉⅡｅ ｔ００ｌ；Ｓｋｗａｎ山Ⅱｏ咖；Ｄｅｓ咖
【３】Ａｌａｉｎ ｃｏｄｏｕｒｅｙ Ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｌ“ｇ ｏｉ叫ｍｌｅｌ ｒｏｂ。ｔｓ ｆｏｒ ｃｏ珈ｐ“ｔｅｄ—ｉｏｒｑｕｅ ｃ。ｍ∞Ｊ ｊｍｐｌｅｍ帅ｌａｔＪ衄．Ｔｂｅ Ｉｎｌｅｌｌ】ａｆｊｏｎ－ ａｌ Ｊｏｕｍａｌ ０ｆ Ｒ０ｂｏｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，１７（１２）：１３２５
■。的左上标Ｐ表示该向量是动平台坐标系中
△。是静平台铰链位置偏角； △，是动平台铰链位置偏角； ＾，是静平台上的第ｊ个铰链点距ｘ。ｏ。ｙＢ平面的
☆，是动平台上的第ｉ个铰链点距ｘ，ｏ∥。平面的
机构由６根支链组成，现取其中一根支链进行研 究。图ｌ（ｂ）中“，表示第ｉ根连杆的矢量；８ｆ是动 平台坐标系的原点在静平台坐标系中的位置矢量；■。 和“．分别为动静平台上铰接点的矢量；设动平台坐 标系到静平台坐标系的转换矩阵为津。
２．ｃＡＤ／ｃＡＭ ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅ妇ｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓ崎０ｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅ瑶ｉ“ｇ １０００２２，ｃｈｉｎａ）
ｐ础ｅｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｂａ８ｊ。ｐ７ｃｍｅｄｕ陀０ｆ
ｍａｃｈｊｎｅ ｔｏｏｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｌａｉｄ Ｉｔ８ ｃｈａ糟ｃｔｅｒｓ ａｎｄ帅ｍｅ ８Ｐｅ。ｉｎｌ ｐｍｂｌｅｍｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｎ
加ｍｍ。根据静平台铰链的结构，屯＝１４５ｍｍ，螺母 长度￡。＝７０ｍｍ。通过仿真计算，连杆最大理论杆长 ￡。。为８９０ｍｍ，最小理论杆长工。。为３加ｍｍ，所以由公 式（５）和（６）可以取
万方数据
Ｌ．＝１７５ｍ硼．△＝６６０ｍｍ
４．４机床总体结构设计 在进行总体结构设计时应考虑零件布置的合理
性、机构运动的干涉、加工装配的简便以及装配件间 隙的消除等各方面问题。机床上各结构件的具体设计 遵循机械没计的一般原则。本文实例的整个设计过程 是在Ｐｒ０／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中进行的，机床所有的零件的加工 装配都一次成功，其工作空间和姿态能力也都达到了 期望的结果，有效地减少了设计中的疏忽和失误，提 高了没汁效率。罔４为并联机床整体结构。
动平台的理论半径可以根据其结构首先确定，然
后根据运动学和动力学方程，采用仿真或优化方法确
定其它参数，在此无需赘述。 ４．２动平台设计
在理论分析时，通常将动平台假想为圆形，实际 设计时为了减小惯性力及重力的影响，应去掉多余部
分，将动平台做成准正六边形。
为减小铰链的极限偏角，应调整饺链的安装平 面，使铰链向不同方向的偏角相等。对于６—３式并
Ｆ＝钏Ｐ，ｄ，０ Ｉｉ‰Ｉ『…】｜氕｜｜＾
膨为质量矩阵；
’，，为作用在动平台上的外力；
Ｍ。为作用在动平台上的外力矩；
９ｈ为作用在动平台上外力作用点位置；
Ｇ在简单动力学模型中其为动平台重力矩阵，
在详细动力学模型中该矩阵除了包含动平台重力外还 包含其它一些量，在此不做详细阐述。 ４机床结构设显示ｒ铰链安装平面凋整前
后邻杆平面中心位置与其极限位置的关系。对机构进
行运动学分析可以计算出理论动平台平面与铰链的两
个极限位置的夹角，某例中这两个角度分别为５８。和 １６７。，调整后动平台铰链的安装平面与理论动平台平
面夹角为２２，５０。
图２动平台主要参数的确定 动平台上铰链安装位置的确定需要考虑连杆与动 平台上其它零件的干涉问题，将动平台ｌ的电机垂直
动平台铰链的回转中心距离其安装平面的距离为
ｘ：土＋Ｋｓｉｎ“
ＣｏＳｄ
其中：Ｋ＝Ｒ—ｒ—Ｌｔａｎｄ；
￡＝￡ｏ一￡ｌ。
动平台铰链安装点的半径为 ｒ，＝ｒ＋缸ｏｓ２ｄ 动平台铰链安装点相对于动平台底面的偏移量为
ｆ＝Ｋ００ｓｄｓｉｎｄ
由ｒ１和￡可以确定实际动平台上铰链的安装位 置。
下面给出一组实际的计算结果，选取各个参数如 下：
《机床与液压》２００５．Ｎｎ １２
并联机床结构设计４
郭祖华１，刘志峰２，陈五一１
（１．北京航空航天大学宇航学院，北京１０００８３；２．北京工业大学ｃＡＤ／ｃＡＭ中心，北京１０００２２）
摘要：阐述了并联机床的基本设计过程，从实际应用出发讨论了并联机床设计的特点及在没汁中应注意的若干问题，
并以ｓｔｅｗａｎ型弗联机床的设计为倒列出了进行并联机床设计中需要使用的运动学和动力学方程，本文还详细给出了部分零
３．２连杆驱动力求解
在初始确定机构的结构参数时，可以采用简单的
万方数据
１７
动力学方程，只考虑动平台的质量，不计连杆及铰链 的质量。文献［１］中给出了简单的动力学模型推导 过程，详细的动力学模型可以参阅文献［２］。动力 学方程可以写成
一Ｍ嘲一【％＋，？巾。】埘 ㈩
ｒ
ＰＳ，
ＰＳ．
…
Ｐ５‘
１
其中：ｎ【＿．×＿：＾…＿。×Ｊ；
—１３３６
【４】熊有伦，丁汉，刘恩沧机器人学北京：机械工 业出版社，１９９３ 作者简介：郭祖华，男，１９７１出生，工学博士，北京
机械毕业设计395并联机床实验台总体结构设计
第1章绪论1.1课题背景与意义为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(ParallelMachineTool)，又称虚(拟)轴机床(VirtualAxisMachineTool)或并联运动学机器(ParallelKinematicsMachine)。
并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。
与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点：刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。
响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。
环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。
在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。
装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。
技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。
目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。
1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Ingersoll铣床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(V ARIAX)的数控机床与加工中心，引起轰动。
此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心。
五自由度并联机床机构构型分析
（ Ｓｈｏ ｏ Ｍｃａｉａ Ｅｇｎｅｉｇ Ｈｂｉ ｖｒｉｙ Ｔｃｎｌｇ， ｎｉ， １ １ ｃｏｌ ｅｈｎｃｌ ｉｅ ｎ， ｅ Ｕｉｅｓｔ ｏ ｅ ｏｏｙ Ｔａｊｎ ３０３ ． ｆ ｎ ｒ ｅ ｎ ｆ ｈ ｉ ０ ０ ２Ｒ ｏｉ Ｒ ｅ ｃ Ｉ ｔ ｕ， ｊｇ ｅ ｉ ｏ Ａ ｏ ｕ ｃ ａ Ａ ｒ ａ ｉ， ｊ ｇ １０ ） ． ｔ ｓ ａｈ ｉ ｔ Ｂ ｉ Ｕ ｖ ｓ ｙ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｏ ｕ ｃ Ｂ ｉ ， ８ ｏ ｃ ｅ ｒ ｎ ｔ ｅ ｅ ｎ ｎ ｒ ｔ ｆ ａ ｉ ｎ ｔｎ ｔ ｓ ｅ ｎ ０ ３ ｂ ｓ ｓ ｉ ｉ ｒ ｄ ｉ ０ Ａｓｒｃ： ｅ ｃｎｅｔ ｉ ｖｃｒ ｒ ｏ诚 ｆ ｔ ｒ ａ ｓ ｅ ｓｏｓ ｕ ｔ ｂｔａｔ Ａ ｗ ｃ ｍ ｔｎ ｔ ｉｐｏ ｓ ｏ ｈ ｅ ｏ ｑｅｉ ａｏｔ ｎ ｏ ｐ ｏｏ ｅｏ ｓ ｐ ｒ ｒ ｍ ｕ ｔｎ ｂ ｈ ｅ ｅ ｅ ｍ ｔ ｄｕｅ ｔｓｌ ｔ ｔ ｅ ｔ ｓ ｐ ｂ ｍ ｗ ｅ ｔ Ｐｒ ｅＭａｉ ｌｏ（ ｗ ｎ ｄ ｅ ｏｓ ｄ ｏ ｅ ｙ ｓ ｈ ｉ ｒ ｌ ｓ ｎ ａ ｌｌ ｐ ａ ｒ ａｔ ｉ ｈ ｓ ｏ ｈ ｐ ｙ ｅｓ ｅ ｈ ｈ ａ ｖ ｅ ｎ ｏ ｅ ｎ ｕｔ Ｐ Ｍ） ｅ ｓ ａ Ｏ ｏｅ ｎｗ ｈ ｍ ｔ ｄ ｔ ｔ ｅ ｔ ｓ ｏｔ Ｐ ｉｐｅ ｎ ｄ ｅ ｏ ｍ ｔｎ ５ Ｆ ． ｅ ｐ ｙ ｈ ｏ ｈ ｙ ｓ ｈ ｉ ｆ Ｍ ｒ ｅｔ ｂ ｄ ｏｏ － Ｄ ｎ Ａ ｉ ｅ ｏ ｎ ｐ ｙ ｅｓ ｅ ｓ ｅ ａ ｎ ｉ ｔ ｅ ｎ ｈ ｓ ｓ
五 自由度并联机床机构构型分析＊
高峰 １ ，李颖’ ，赵辉 ’
（． 上海交通大学机械工程学院，上海， ０００ ２ １ ２０３； ． 河北工业大学 机械学院 ， 天津 ３０ ０ ３ ３； 北京航空航天大学 机器人研究所， ０１ ． 北京 １０８） ００３
六自由度并联机构设计说明书
（需微要信 swan165本科毕业设计说明书学校代码： 10128 企鹅号： 1663714557 题 目：六自由度伸缩式并联机床结构设计 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别：机械系 专 业：机械电子工程 班 级：机电10-4班 指导教师：讲师摘红字要并联系联机微床信，也可叫获取做整套并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，曾经被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。
并联机床是近年来国内外机床研究的方向，它具有多自由度、刚度高、精度高、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。
6-THRT伸缩式并联机床是Stewart 机床的一种变形结构形式，它主要构成是运动和静止的两个平台上的6个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。
并联机床是一种气动机械，集气（液），在一个典型的机电一体化设备的控制技术，它是很容易实现“六轴联动”，在第二十一世纪将成为主要的高速数控加工设备。
本次毕业设计题目结合本院实验室现有的六自由度并联机床机构进行设计，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。
此次毕业设计的主要内容是对并联机床结构设计，其内容主要包括机器人结构设计总体方案的确定，机器人机构设计的相关计算，以及滚珠丝杠螺母副、步进电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用，并利用CAXA软件绘制各相关零部件的零件图和总装配图，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；步进电动机；空间变换矩阵；滚珠丝杠螺母副AbstractPMT (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. 6-THRT 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 using CAXA software to draw the relevant parts of the parts drawings, and assembly drawings to achieve the parallel machine tool can directly see the effect of physical bodies.Keywords: parallel machine；Six axis linkage；space transformation matrix；ball screw pair目录第一章绪论 (1)1.1 课题的研究背景 (1)1.2 课题研究的意义 (2)1.3 课题的研究内容步骤 (2)1.3.1并联机构介绍 (3)1.3.2并联机床设计类型的选定 (3)1.3.3 并联机床结构设计的相关计算 (4)1.3.4 各零部件与装配图的设计出图 (4)第二章并联机床部件设计与计算 (6)2.1 6-THRT 伸缩式并联机床位置逆解计算与分析 (6)2.1.1 6-THRT并联机器人机械结构简介 (7)2.1.2坐标系的建立 (7)2.1.3 初始条件的确立 (8)2.1.4 空间变换矩阵的求解 (9)2.1.5 新坐标及各轴滑块移动量的计算 (10)2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (12)2.2.1 最大工作载荷的计算 (12)2.2.2 最大动载荷的计算 (13)2.2.3 规格型号的初选 (13)2.2.4 传动效率的计算 (13)2.2.5 刚度的验算 (14)2.2.6 稳定性的校验 (15)2.3 滚动轴承的选用 (15)2.3.1 基本额定载荷 (15)2.3.2 滚动轴承的选择 (16)2.3.3 轴承的校核 (16)2.4 步进电动机的计算与选型 (17)2.4.1 步进电机转轴上总转动惯量的计算 (17)2.4.2 步进电机转轴上等效负载转矩的计算 (18)2.4.3 步进电动机尺寸 (21)2.5 联轴器的选用 (21)第三章并联机床的结构设计 (23)3.1 机床中的并联机构 (23)3.1.1概念设计 (23)3.1.2运动学设计 (23)3.2杆件的配置 (23)3.2.1 杆件设计 (24)3.2.2 伸缩套筒 (25)3.3铰链的设计（虎克铰） (25)3.4机床框架和床身的设计 (26)第四章并联机床的装配出图 (28)4.1 Pro/E软件的概述 (28)4.2 Pro/E的功能 (28)4.3 CAXA电子图版简介 (28)4.4 二维图的绘制处理 (29)第五章并联机床面临的主要技术问题及前景 (30)5.1 引言 (30)5.2机床的关节运动精度问题 (30)5.3 并联机床的未来展望 (31)结论 (32)参考文献 (33)谢辞 (34)第一章绪论1.1 课题的研究背景为了改善生产环境的适应性，满足快速变化的市场需求，近年来制造设备和系统，全球机床制造业正在积极探索和开发新的功能，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tools)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)[12]。
基于MATLAB的6自由度并联机床结构尺寸设计的研究
ｒｚ： ａ ｃｏ ｓ
南
）
式 中，Ｎｌ ／２ ＋（ ）＋ｒ。 ｌ 一￣（ｚ ） ２
设动平 台原点 Ｐ、 固定 平 台原点 ０、 刀具 加 工点
Ｋ， 则有 如下 几何 关系 ：
一 ＋
基 于旋 转抛 物 体 的 对称 性 ， １ ２的旋 转 抛 物 对 ／ 体进 行采 样 ， 过对 各 个 自变 量 Ｎ 等 分 ， 在 旋 转 通 可
一
设刀具 长 为 Ｌ ， 可求 得 Ｐ点在 固定 坐标 系 ０ 则
Ｇ ＡＯ ｎ 。 Ｒａ ＺＨ Ａ Ｎ Ｇ ｕ Ｈ ａ
Ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｉｅ Ｄｅ ｉ ｎ ｉ — ＤＯＦ ｒ ｌｅ ａ ｈ ｎ ｏ ｓｄ ｏ ＡＴＬＡＢ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ Ｓ ｚ ｓｇ ｎ ６。 — Ｐａ ａ ｌ ｌＭ ｃ ｉ ｅ Ｔｏ ｌＢａ பைடு நூலகம் ｎ Ｍ
ｓｚ ． ｉ ｅ
Ｋ ｅ ｒ ： ｒ ｌｅ ａ ｈｉ ｙ ｗｏ ｄｓ Ｐａ ａ ｌｌｍ ｃ ｎｅ。Ｗ ｏｒ ｐ ｃ ｋｓ ａ ｅ． Ｓｔｕｃ ｕ ｅ ｓｚ ｒ ｔ ｒ ｉｅ
并联 机 床是基 于 空 间并联 机 构 Ｓ ｅ ｒ 平 台原 ｔｗａｔ 理 开发 的一 种新 概 念 机 床 ， 有 刚 度 大 、 度 高 、 具 精 承 载 能力 强 、 速度 和 加速 度 高 、 构 简 单 等 优 点 ， 制 结 是 造 业 的研究 热 点之一 。 由于并 联 机床 整体 结构 尺寸
空 间 包 络 法 的 原
由数 学 几何 知识 可求 出姿 态角 ：
２ ． Ｘ
ｚ
２ ｙ
一 ∞ 丽 ’ 一眦∞ 丽
混联机床2自由度并联机构的设计分析(1)
(" "# )点 联结点 /即可以得到整个 动 平 台 的 运 动 % / 位置已知 " 可以直接写出驱动滑块的位置 . !和 . $ "即 . ! ,.8 . $ ,.8 3’ 3 位置正解 + @ ,
! !
$ B 8(
C 3M )$ $ C )$ 8M $
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如图 ! 所 示 " 解 除 等 长 杆 与 动 点 / 的 约 束 " 则 两 & $回转 " 在 ( & $除 分 别 建立 局 杆只能绕各自的中心 ( 部坐标系 " 令 . 轴与 . 轴同向 " 两杆与 . 轴 正 向 夹角 分 别用 #和 $ 表 示 % 则 动 点 /在 两 坐 标 系 中 坐 标 分 别 为
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并联机床实验台总体结构设计正文
第一章概述1.1课题意义与背景并联机床(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)。
并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。
它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。
自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。
传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。
这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。
另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。
由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。
由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。
随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象，而相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点：结构简单、价格低。
机械工程及自动化精品毕业设计并联机床实验台总体结构设计开题报告
并联机床实验台总体结构设计开题报告班级(学号):机姓名:指导老师:一、选题综述1、理论意义三连杆虚拟轴数控机床的出现被认为是本世纪最具革命性的机床设计突破。
如果充分发挥这种新型机床在结构上的优势，就有可能为大幅度地提高机床的性能开辟一条新途径。
虚拟轴机床不太适合加工大范围、多坐标运动的零件。
但从另一个角度看，在实际生产中需要多坐标加工的复杂零件毕竟是少数，而占主导地位的还是普通常规零件的加工。
因此，研究如何利用虚拟轴机床的结构特点，在常规零件的高速、高效加工上发挥其优势，将更具有实际意义。
2、现实意义具有六个自由度的三连杆结构的虚轴加工中心，是利用三根并联丝杠调节刀具进给的新兴设备，取代了传统机床的固定主轴。
所谓的虚轴其实就是它的主轴，与传统机床相比，它的最大特点就是装卡刀具的主轴可以依照加工要求，大幅度地改变其位置。
通过主轴的移动，一次性加工完成复杂表面的创新型数控铣床。
解决了复杂零件的需要多次装卡、定位的问题。
从而简化了部分加工中涉及到的工艺流程，大大提高了效率。
3、理论的渊源及演进过程在1965年,由Stewart提出并联机构,原是作为飞行模拟器用于训练飞行员中应用。
后来由澳大利亚著名机构学教授Hunt在1978年提出,可将Stewart平台机构应用到并联机构中应用。
从此,并联机构的研制与开发工作开始了。
经过数十年的探索,并联机构的研究已从基础理论工作过渡到实践应用中。
并联机构在工业上、在航空上、在航海上、在地下工程方面及在微电子机械系统(MEMS)都得到广泛的应用。
特别是在机械加工领域的实际应用更是令人瞩目的,可用于砂轮或铣刀打毛刺、倒角、钻油孔、低精度焊接、自动装配的压配合等。
并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。
最新并联六杆机床
并联六杆机床摘要概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在给定所需自由度条件下，寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。
按照支链中所含伺服作动器数目不同，并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。
前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器，以直接生成3～6个自由度；而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。
按照作动器在支链中的位置不同，并联机床可采用内副和外副驱动，且一般多采用线性驱动单元，如伺服电机—滚珠丝杠螺母副或直线电机等。
机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性，但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。
因此，在制定总体布局方案时，应采用概念设计与运动学设计交互方式，并根据特定要求做出决策。
通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。
然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响，致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷，难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。
目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。
这种配置不但可使平动与转动控制解耦，而且具有工作空间大和可重组性强等优点。
特别是由于位置正解存在解析解答，故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。
应该强调，传统机床的发展已有数百年历史，任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。
本次设计的是由6根伸缩杆连接固定平台（机床的框架）和动平台（主轴部件），机床的6边形框架是固定平台，6根伸缩杆通过铰链成60度角分布在框架上，杆件的支撑点是固定的，而杆件的长度是可变的，即可伸缩的。
6根伸缩杆的另一端，则通过铰链与装有主轴部件的动平台相连接，从而实现刀具的6个自由度运动。
待加工零件固定在机床的工作台上，在整个加工过程中不作任何运动.ABSTRACTThis design is made up of 6telescopic rod is connected with a fixing platform ( machine frame ) and a moving platform ( spindle ), the machine on 6 sides of the frame is fixed platform,6 telescopic rod through a hinge at a 60 degree angle distribution in the frame, the support rod is fixed, and the rod of are variable in length, can be telescopic. 6 telescopic rod at the other end, through a hinge and a spindle of moving platform is connected, so as to realize the tool with 6degrees of freedom of motion. Parts to be processed is fixed on a working table of a machine tool, in the entire process without any movement第1章绪论1.1 课题背景与意义为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(ParallelMachineTool)，又称虚(拟)轴机床(VirtualAxisMachineTool)或并联运动学机器(ParallelKinematicsMachine)。
一种五自由度并联卧式机床构型设计 (1)
万方数据
１０７０
机械科学与技术
第２６卷
（上接第１０６６页）
图３五自由度并联卧式机床的末端运动特征
图４五自由度并联卧式机床样机
６结论 以运动单元为基础，研究了机构末端输出运动
的描述方法，提出了串联机构和并联机构两种不同 的概念设计方法，最后设计了一种五自由度并联卧 式机床样机，验证了理论分析的正确性。
实现沿球面的平动，根据前面定义的几种运动单元，
显然ｕ‘携带的运动单元为Ｅ恐，其中单元的控制要
素Ｒ：是Ｕ’单元中上下两组虎克铰中心连线所在的
线矢量。
要实现三维平动，由式（２）得
￡４－＋Ｅ恐＝Ｃ
（１０）
因此，应与ｕ＋关节串联一移动副，考虑到上式
成立的条件是口，·恐≠０，两者在串联连接时要必
须满足这一几何关系。
５五自由度并联卧式机床构型实例
５．１尸Ｕ‘Ｕ支链的设计
根据并联机构的设计原则，由式（４）知，并联机
构末端的输出运动特征等于各支链运动特征的交
集，应此，要设计具有某种运动特征的并联机构，所
选用支链的末端运动特征必须等于或包含这一运动
特征。为此，首先设计具有三平动和两转动的运
动链。
文献［６］提出一种ｕ’复合关节，末端构件能够
８ｃｔｅｒｉｓｔｉｃ８ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｅｆｌ．ｅｃｔｏｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａＩｌｉｓｍ；ｔ），ｐｅ ｓｙｌｌ吐ｌｅｓｉｓ；ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅ８ｉｇｎ；ｋｉｎｅｍａｄｃ ｕｎｉｔ
机构作为运动的载体，广泛应用在各个领域，不 同的使用领域，对其末端执行器的输出运动特性提 出了不同的要求。普遍的观点认为机构构型问题就 是按照给定的要求，设计出具有确定自由度数目和 自由度性质的机构。目前主要存在４种构型理论。 即基于自由度计算公式的列举法…、基于螺旋理论 的型综合法【２’３】、基于李群李代数的型综合法Ｈ１和 运动综合法Ｄ’。Ｊ。
并联运动机床 三杆并联运动机床
位置测量反馈系统
转角测量 位置输入 位移测量
误差补偿 位置测量 Tricept 机器人 位置比较
Prof. Shu Zhang Institute 转角测量 on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的结构特点
机床采用3自由度的 Tricept 805型并联机器人和可绕 2 个轴线回转的主轴部件，现实主轴的 5个坐标运动 为了装卸工件方便，机器人安装在机床立柱的45°倾 斜面上 机床采用3个位置测量反馈系统，提高了加工精度
输送管道和零件的取放
主轴夹盘 零件
输送管道
刀具 刀夹
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
待加工零件的输送控制
进入管道
待加工零件
传送数量 控制
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
Tricept 805枪钻长
Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
加工波音飞机结构零件
Tricept机器人
高速铣头
移动工作台 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University
机床的结构配置
电滚珠丝杆 工件