并联机床校验台机械设计.pdf

机械制造 王新年 并联机床校验 台机械设计 并联机床 校验 台机械设计 王新年 黑龙江农业工程职业学院 ，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 8 摘要 并联机床是将并联机构应 用于机床领域 出现的一种新型机床 ， 近年 来发展 很快 。由于 并联机床出现时间较短尚有很 多未解决的难题 ， 其中主要是精度问题， 而校验台是进一步提高 机床精 度所必需的设备。重点阐述 了并联机床校验 台的机械设计 。 关键词 并联机床； 精度； 校验台； 机械设计 中图分类号 T H1 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 2 0 1 2 0 5 - 0 0 5 8 - 0 2 M e c ha ni c a l De s i g n o f Ca l i b r a t i o n Se t s i n Pa r a l l e l M a c hi ne To o l s W_ANG Xi n． n i a n H e U o n g j ia n g A g r i c u lt u r e E n g i n e e r i n g V o c a t i o n a l I n s t i t u t e ， H a r b i n 1 5 0 0 8 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p a r a l l e l ma c h in e t o o l i s a n e w k in d o f ma c h i n e wh i c h t h e p a r a l le l me c h a n i s m i s u s e d in ． I n r e c e n t y e a r s i t i s d e v elop i n g v e r y qu ic k l y ．Bu t t h e r e ar e s t i ll s ome d iffi c ult ie s whic h c a n no t b e s o lv e d，f or e x a mp le，t h e p r ec is i o n i s o n e amo ng t h e m． T h e c a l i b r a t io n s e t i s j u s t e q u ip me n t f o r imp r o v i n g t h e p r e c i s io n o f t h e ma c h i n e t o o 1 ．T h is e s s a y ma in ly s t a t e s t h e me c h a n i c a l d e s ig n o f c ali b r a t i o n s e t s i n p a r a l lel mac hine t o ols ． Ke y wo r dsp a r all e l ma c hine t o o l s； p r e c is i o n； c ali b r a t i o n s e t s； me c h a nic a l d e s i g n 0 引言 生产的自动化与高精度、 高品质是机械制造工业发展 的两大方向。为了满足此发展方向的要求， 并联机床应运 而生， 作为一种新概念机床， 并联机床在结构 、 控制等方面 完全不同于传统机床 ， 有很大的研究空间和价值。并联机 床虽然优点很多， 但没有被普及的原因还是精度有问题。 并联机床的各运动副在制造和安装中存在误差， 如定平台 和动平台上各球铰的位置及各支路杆长均存在制造或安 装误差， 这种误差对并联机床的加工精度有很大的影响． 这些误差难以进行直接测量。设计开发出一台精度较高 的、 具有 ， Y ， 三个坐标运动功能的校验台． 即成为减小 并联机床误差， 对其精度进行检测和标定的关键设备。 1 校验 台的结构原理 图 1 校验台主要由三个平动导轨 ， 三根驱动丝杠。 三台电 动机， 三路光栅组合而成。三路导轨由下到上叠加， 从而 形成空间直角坐标轴的形状。每一路驱动丝杠由一台步 进电动机驱动， 实现三轴联动。光栅用来测量导轨的位 移。根据设计原则． 考虑到质量及尺寸的要求． 将最上层 设计为垂直移动 设为 轴 ， 其余两路为水平移动 设为 轴和Y轴 ， 从而构成相互垂直的空间三轴测量台， 其结 构如 图 1 所示 。校验 台的 自由度显 而易见 是三个 平移运 动副， 自由度为 3 ， 由三台步进电动机分别驱动控制 3个 自由度 。 图 1 校验台结构简图 2 校验台关键部件的设计 校验台的设计， 就是针对具体的被加T零件在选定的 结构方案的基础上， 进行方案图样设计。这些工作包括 传动装置及动力部件的选择， 关键部件如导轨的设计 、 基 础件设计等 2 ． 1 传动装置及动 力部件 的选择 校验台实现的是沿 ， y ， 三轴的直线运动， 根据校验 台本身要求的精度及运动的实现形式， 选择二级滚珠丝杠 作为传动装置， 均采用购买件。关于动力部件的选择问 题， 考虑到经济上的原因及对电动机的要求 ， 选择混合式 步进电动机作为动力部件。由于校验台不承受外力 ， 精度 要求较高， 尺寸小， 因此． 对电动机的参数要求是 外形尺 寸尽量小 ， 转距 ≤ 4N m， 步距角为 0 ． 9 o ， 细分电路为 6 4 细分。为了简化结构， 电动机与丝杠的联接形式采用轴套 作者简介 王新年 1 9 7 4 一 ， 男 ， 黑龙江依安人 、 副教授 ， 工程硕士 ， 研究方 向为机械制造。 5 8 h t t p ffZ Z H D ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c Y l 机械制造与自 动化 机械制造 王新年 并联机床校验 台机 械设计 联结。 2 ． 2导轨的设计 导轨的功能是支承和引导机械的移动部分做直线运 动 。导轨 一般 由运动件 和引 导件两 部分组 成 。对 导轨 的 主要要求是 方向精度高， 运动的灵活性和平稳性好 ， 对温 度变化不敏感 ， 耐磨性和结构工艺性好。对于有移动工作 台的机械 ， 导轨的结构方案是否合理， 对其品质和成本往 往有较大的影响。 对于直线运动导轨， 为了使运动件只沿一个方 向运 动 ， 必须限制运动件绕 ， ， ， ， 轴的转动 自由度和另外两个 方 向的移 动 自由度 。 图 2是 常 用 导轨 的几 种 基 本结 构 列出 a 、 b 、 c 三种 。每根导轨由两个狭长导轨 面组成 ． 它限制了沿 向和 向的移动， 和绕 轴和z 轴的 转动。由于导轨面很窄， 所以不能限制绕 y 轴的转动。因 此常采用增加一个导轨面或加宽一个导轨面的方法． 来限 制绕 y轴的转动。为防止运动件绕 y 轴转动， 在图 2所示 的三种导轨之外再加一辅助支承点即可， 考虑承载能力和 耐磨性 ． 在实际结构中往往增加一个导轨平面如图3中所 示 ， 但是这就对两条导轨的平行度的要求提高了。由此可 知 ， 导轨面数超过了运动学原理的要求时， 由于有多余的 约束 ， 必须提高导轨的加工精度。 入脏物很敏感 ， 抗震性差。滚动导轨的刚度一般比滑动导 轨低的多 ， 但如增加适当的预紧力可以提高刚度。而且一 定的预紧力可以防止滚动滑条跑偏。 2 ． 3 丝杠 的结构 设计 丝杠是传动装置的主要部件 ， 它选择的好坏将直接影 响到传动精度 ， 进而影响到整个校验台的精度。由于滚珠 丝杠副为通用部件 ， 生产工艺成熟， 品质和生产周期都容 易保证， 且比较适合于精密传动． 故选用的是滚珠丝杠作 为平动的实现形式 ， 丝杠的两端固定在导轨两侧． 丝杠的 方形螺母固定在滑块上 ， 丝杠的一端通过联轴器与电动机 相联。当电动机 旋转 时 ， 通 过丝 杠将 转 动 转化 为 螺母 移 动， 从而实现平动。 2 ． 4 基础件设计 从校验台结构简 图中可以看出。 轴的底座体积较 大， 质量 占的比重也大， 起着支承和固定其他零件的作用 ． 因此它的设计和制造 品质对机器 的品质有很大 的影响 。 对底座 的设计要求 有 有足够 的强 度和 刚度 ． 有 足够 的精度， 有较好的工艺性， 有较好的尺寸稳定性和抗振性 ， 外形美观 ， 还 要考虑到安放水平 。 底座设计主要考虑如下问题 正确选择支承点 。 这里 选择四个支承点 端面的形状及厚度． 主要是考虑到底座 受弯曲、扭转的应力作用； 加强筋的形式和作用， 根据材 料力学原理 ， 为防止变形 ， 采 用“ 米 ” 字 形封闭式加强筋 。 3 结论 根据设计要求确定了校验台的总体设计方案 。 提出了 具体的设计要求 ． 阐述了校验台的结构原理 ， 对校验台的 传动装置及动力部件进行了选择， 对关键部件如导轨 、 基 础件提出了设计理念。优化的结构设计， 往往会使校验台 工作可靠 ， 结构紧凑 ， 运动起来更加灵活， 直接的对并联机 床的误差进行了测量， 合理的提高了精度。 a 棱一 平导 轨 1o V一 平导 轨 图 3 辅助导轨面 参考文献 常用的导轨按其支承原理可分为 滑动摩擦导轨， 滚 动摩擦导轨。根据精度要求及经济上的原因， 本文选用的 是滚动摩擦导轨。滚动摩擦导轨的优点是 低速时运动平 稳 ， 运动阻力小 特别在启动时 ， 精度一般较高而且保持 时间较长， 润滑简单； 缺点是 制造一般较难， 对导轨上落 [ 1 ]孑 L 令富．六 自由度并联机 器人运 动控制 系统 的研究 [ D] ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学 博士学位论文 ， 1 9 9 5， 1 - 7 ． [ 2 ]白志富 ， 陈五一． 球铰 刚度计算 模型 及靠冗 余支链 实现并 联 机床刚度的改善[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 1 0 ． 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 2 欢迎投稿 欢迎刊登广告 欢迎订阅 Ma d t i n e B u i ld in g Au t o m a t i o n ， ”2 0 1 2 ， 4 1 5 5 8 5 9 5 9