六自由度并联机床开题报告

毕业设计（论文）开题报告题目：六自由度并联机床结构设计与分析

专业机械电子工程

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1．课题背景及研究的目的和意义

1.1课题背景

并联机器人具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点,已广泛应用于工业、航天、航海、医疗、娱乐等领域，与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了整个机器人的应用领域。由于其卓越的优点及巨大的潜在应用前景，并联机器人的理论及应用研究受到了国内外学者的重视，在过去几十年取得了长远的发展。

并联机床作为机床技术和机器人技术相结合的产物，与传统结构机床相比具有很多的优点，展现出广阔的发展和应用前景。传统机床中,驱动刀具与工件作相对运动的进给轴按照笛卡尔坐标布置,为串联、开链结构。为了实现5轴加工,需在传统的3轴机床上再增加两个轴来控制刀具的姿态,所有这些轴都按串联结构布置。当一个轴运动时，需带动串联运动链上后面的所有轴一起运动，因此其运动惯性大，动态性能较差。同时，产生的切削力沿开链传递，使每一部件的缺陷都会对切削精度产生影响。

基于并联机器人开发的并联机床,由于其运动平台由几个简单的串联运动链并行驱动,与传统串联结构的机床相比,具有如下优点:

（1）并联机床刚度大，结构稳定，承载能力强。上下平台之间由六根杆支撑，形成并联闭环静定结构，传动构件理论上仅为受拉、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。

（2）并联机床没有误差的累积和放大（串联式末端误差是各关节的积累和放大）所以可以达到更高的加工精度。

（3）并联机床移动部件质量小，运动灵活，响应速度快，动态性能好，易于实现空间复杂曲面加工，适合于高速加工。

（4）并联机床正解困难反解容易，而机器人在线实时计算是要计算反解的，故轨迹规划简单，易于实现控制。

（5）并联机床结构简单，零件总数较少，成本容易控制，集成化、模块化程度高，使得并联机床结构设计和加工多方面得以简化。

（6）并联机床虽然结构设计简单，但控制却很复杂，具有更高的技术附加值。

（7）并联机床灵活性强，环境适应性强，既可根据加工对象将其设计成专用机床，也可将之开发成通用机床，还可配备必要测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。

（8）并联机床使用寿命长，由于没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤磨损腐蚀现象。

（9）并联机床变换坐标系方便，由于没有实体坐标系，机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成，非常方便。

因此,并联机床是一种具有良好应用前景的新一代制造装备，在这一领域走在前列，必能给自己的国家带来巨大的经济和社会效益。

1.2研究的目的和意义

并联机床的优点使其具有巨大的吸引力和研究价值，与传统机床相互补充，必将极大推动制造业发展。本文研究六自由度并联机床，是在传统立式铣床的基础上进行改造，将其工作台用六自由度并联机构替换，构成新型数控铣床，可用于加工复杂三维曲面。

新式并联机床由于成本高，走向市场尤其是走进中小型企业具有不小阻力，而本研究所提出的并联机床改造方案，可以充分利用大量传统立式铣床资源，提高其加工能力，并且易于推广，同时也可积累相应的改造经验，对并联机床的发展具有重要意义。

希望通过此次设计，达到培养综合运用所学知识、分析和解决工程实际问题、锻炼创造能力的目的，在系统分析、方案设计、仿真分析等方面得到进一步提高。2．国内外在该方向的研究现状及分析

2.1国外现状及分析

并联机床的理论基础是空间并联机构理论，早在1890～1894年，Clerk J.Maxwell 和A.annheim就进行了空间机构理论的研究；Gough于1948年最先提出平台式并联机构,用于轮胎测试,并于1962年与Whitehall一起设计了由六个并行线性支链支撑两个平台的轮胎测试机。

D.Stewart于1965年在飞行模拟器上应用了6自由度并联机构，1966年D.Stewart 发表了著名的论文《A Platform with Six Degrees of Freedom》,成就了其在并联机构研究行业的一世英名,随后6自由度并联机构被称为Stewart平台(也称作Stewart- Gough 平台)。

1978年,Hunt建议将Stewart平台用做机器人,并指出由于该机构同串连机构相比所具有的精度高、刚度高的优势,非常值得在机器人领域展开深入研究,这可以看作并联机构,特别是Stewart平台在机器人领域的研究起点。

真正将并联机构成功应用于机床是在1994年,这年的美国芝加哥国际机床博览会(IMTS'94)上,美国的Giddings&Lewis公司推出了历时6年研制的第一代“变轴”并联机床,即“Variax”机床;Ingersoll公司推出了第一代八面体六足虫并联机床,即OctahedralHexapod VOH- 1000。这些并联机床的推出引起了极大的轰动,被称作“机床行业的革命”,“是21世纪的新一代数控加工设备”，但此时的第一代并联机床还只能称作原型样机,大多数仅仅能够加工腊模等易加工材料。

IMTS'94极大地激发了各国对并联机床的研究热情,到1997年的汉诺威国际机床

展(EMO'97)时,各国展出的并联机床样机就已经达到了10多种。1997年以后,世界各国都掀起了研究并联机床的热潮,并联机床的研制水平似乎已经成为衡量一个国家机床行业水准的标杆。

到2001年的德国汉诺威国际机床展(EMO' 2001)上,已有多个国家的30余台并联机床参展。此时并联平台机构的应用也已不仅仅局限于加工机(milling machines),种类还涉及到加工中心(machining centers/robots)、定位和定向机械(devices for position and orientation),测量机(mea-suringmachines)(如图10所示),装配机械(assemblingdevices)等等。

1995年以后,并联数控机床的研究与开发一直得到国内外工程界和学术界的广泛重视,1998年由美国科学家基金会提议在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会,2000年又在美国密执安召开了第二届,并于2002年4月底在德国开姆尼斯召开第三届研讨会。

当前典型的六自由度机床有：

日本大隈公司的PM-600铣床，该型铣床的工作空间为420×420×420mm ，最高速度为120m/min，加速度能达到1.5g，生产实用性很强，而且已经售出了十多台。

美国Ingersoll 公司的HOH600 卧式并联机床，转速20000r/min，功率37.5KW，快速30m/min，工作空间为600×600×800mm ，加速度为0.5g，A、B轴可回转±15 ，刀库40/80把，加工区封闭，采用西门子840D或Franuc15MB操作系统。

俄罗斯Lapik公司生产的基于并联机构的TM系列多维坐标测量机，上平台就是测量机的框架，6根伸缩杆采用摩擦驱动方式改变长度，它们共同与装有测量头的下平台连接。在固定的上平台和运动的下平台之间安装有6根激光干涉测量尺，对伸缩杆的位移进行测量，并实时反馈，工作精度可达±0.001~0.002mm。工作空间为750×550×450mm。采用并联机构测量机的特点是可以很方便地将测量头偏转一个角度，测量斜孔直径。

2.2国内现状及分析

国内并联机器人的研究与国际几乎是同步的。1997年北京第五届中国国际机床展览会(CIMT'97)时俄罗斯Lapik公司展出了加工、测量两用的TM- 750型并联机床,引起了中国许多科研院所、大学以及工厂的极大兴趣,使他们看到了并联机床的应用前景,并在随后的一段时间里有力地促进了中国并联机床的研究工作。

从1998年开始,我国的各个研究单位取得了一系列的标志性成果。清华大学和天津大学合作于1998年研制成功我国的第一台基于Stewart平台机构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机V AMT1Y,并在2001年的中国国际机床展览会上推出了与昆明机床股份有限公司合作开发的XNZ63数控型镗铣类虚拟轴机床和江东机床有限公司合作开发的XNZ2010数控龙门式虚拟轴机床。2002年的中国国际机床展览会上又展示了与