1、为什么要研究并联虚轴实验系统 国内外文献和专利查新结果表明，目前有关并联机床的国内外研究主要集中在新构型设计、作业空间分析、动力学建模与分析、精度保证等关键技术方面，国外已有学者开始研究并联机床的集成化设计方法和虚拟原型设计环境等相关技术，但目前尚未出现支持并联机床设计的集成化、一体化、数字化并联机床快速开发环境，国内外都没有相关的专利。因此，进行并联机床快速开发环境的研究具有创新性和先进性。虚拟轴机床具有机械结构简单、刚度高、利于实现高速加工等优点。 2、研究方向 能够设计出入开篇附图那样的三连杆虚轴加工试验台，能够有较为完善的电路控制，从而实现简单的加工。 3、研究内容 设计三连杆机构，利用铰链连接丝杠副，实现三根丝杠的上下运动，从而调节道具的位置，进行铣削加工。确保试验台机械强度、电路对加工试验台的简单基本控制。 （1）并联机床实验装置总体结构设计 （2）对实验装置的运动进行仿真计算分析 （3）驱动与数控系统方案设计 4、系统功能 能够在设计的三连杆徐州试验台下装卡铣刀，通过电路控制，调节三根丝杠的进给长度， 以达到加工复杂表面零件的目的。 （1）完成并联机床实验装置的总体设计方案 （2）完成并联机床实验装置驱动与数控系统设计方案 5、系统成型后的基本要求 （1）工作空间350*350*350 （2）主轴刀具最大倾角±25° （3）主轴额定功率1kw 三、实现方法及预期目标 1、初步方案 设计出以三根丝杠调节刀具加工角度的实验台，丝杠分别带有进给电机，电机输出端加入谐波减速器，以保证大扭矩的输出和保持高精度：刀具由虚轴带动，配以驱动电机。 2、重点 确定丝杠参数，解决连接铰链强度，控制电路的设计。 3难点及环境 作为在校的学生，所接触过的机械问题比较浅薄，考虑问题不够全面，研究课题完全靠自己。无论是资料、设备都不够齐全，条件比较艰苦，好在信息飞速发展，网络是个很好的助手，可以在毕设期间给予我很大帮助。 在研究过程中，肯定会有很多意想不到或难以解决的问题。我认为最大的难点就是计算各个零部件及联接点的刚度、受力，还有实现自动化控制着两大核心部分。 四、对进度的具体安排 1、第1-3周实习调研基本结束； 2、第4周撰写并提交调研报告和开题报告； 3、第5-6周系统的整体方案的确立； 4、第7-9周计算零件的尺寸 5、第10-11周绘制草图 6、第12周校核零件强度 7、第13-14周绘制大图 7、第15-16周撰写并提交；审阅、评审并修改 8、第17周完成答辩 材料选择查阅铸造机架常用材料后得出，铸铁机架用于并联实验台比其他金属性价比高，是机架使用最多的一种材料，它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。在铸造中加入少量合金元素还可提高耐磨性能。铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。铸铁还具有切削性能好、价格便宜和易于大批量生产等优点。 牌号的选用选择了HT200，用于承受大弯曲应力和拉应力。如机床的立柱，齿轮箱体、工作台、机床横梁和滑板等。 铸铁机架的时效处理时效处理的目的是在不降低铸铁力学性能的前提下，是铸铁的内应力和机加工切削应力得到消除或隐定，以减少长期使用中的变形，保证几何精度。 时效处理分为自然时效和人工时效两种。 自然时效方法简单，效果好，但生产周期长，需要占地面积大。在加工后要在室外放置半年到一年，使内应自然松弛或消除。 人工时效普遍应用热处理方法，将铸件缓慢加热到共析点以下（一般为500~600℃），保温一段时间，然后缓慢冷却，消除内应力。 经验证明，在人工时效后配以短时间的自然时效，对精度稳定性可获得良好的效果。 所以实验台的机架铸造完毕后，须人工时效处理后，方可安装。 立柱高度之前依然断定了并联机构的运动范围，并联部分的三根滚珠丝杠副长度是950，加上丝杠外部的套筒，总共长度1050。同时，并联部分在作伸缩运动时，要保留出伸缩空间，所以立柱的高度定在1500mm。这样的高度既保证了上端并联部分的运动，又预留出了并联部分下面的卡盘装卡工件的高度。 3.3机架的截面形状、壁厚及周边筋的布置 由于主轴产生的外力偶矩通过切削运动传递给并联机构和机架立柱，并联机构在此中不予考虑，则力矩平均分配到三根圆周阵列的方形立柱上。 三根正方形立柱平均受扭转力的作用，根据材料力学公式，立柱边长300mm，厚度20mm，面积为0.3×0.3=0.09m2。将惯性矩相减后，得出每根立柱的惯性矩IP=hb3/6=5.8×108mm4。 铸铁件的弹性模量E从工程手册中可查得为E=113~157，取中间值约为E=130 则EI=1.3×105×5.8×108=7.54×1013 KNmm2 抗弯截面系数W=hb2/6=0.00338. 弯曲正应力公式σmax=Mmax/W Mmax为弯曲力偶矩，也就是前边算出来的m=0.398，平均到三根柱子上要除以3，所以Mmax=0.13Nm，从而可以计算出σmax的值。 序号材料名称弹性模量EGpa切变模量GGpa泊松比μ 1镍铬钢、合金钢206 79.38 0.25～0.3 2碳钢196～206 79 0.24～0.28 3铸钢172～202 - 0.3 4球墨铸铁140～154 73～76 - 5灰铸铁、白口铸铁113～157 44 0.23～0.27 由于零件的抗弯、抗扭强度和刚度除与其界面面积有关外，还取决于截面形状。合理改变截面形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而充分发挥材料的作用。因此，正确的选择机架的横截面形状是机架设计中的一个重要问题。 另外，截面面积不变，加大外形轮廓尺寸，减小壁厚，亦即是材料远离中性轴的位置，可提高截面的抗弯、抗扭刚度。封闭截面比不封闭截面的抗扭刚度高得多；机架受载情况往往拉、压、弯曲、扭转同时存在，对刚度又要求高，另一方面，由于空心矩形内腔容易安设其他零件，故许多机架的截面常采用空心矩形截面。 我们此次的并联实验台就参照以上优点，采用了空心矩形的截面作为立柱的造型。 此种空心矩形的抗弯、抗扭惯性矩比值分别为 抗弯惯性矩相对值：3.45抗扭惯性矩相对值：1.27 铸件壁厚的选择取决于其强度、刚度、材料、铸件尺寸、质量和工艺等因素。 就铸铁机架而言，按目前工艺水平，砂模铸造铸铁件的壁厚，可利用当量尺寸N,来确定。 N=（2L B H）/3 L、B、H分别为主见的长、宽、高 利用上述公式，结合查表铸铁机架的壁厚，确定出实验台立柱的壁厚为20mm。 对于保证立柱刚度的加强筋和肋，由于次实验台设有顶端端盖，用于安装并联机构。为了能够更好的保障立柱刚度，立柱内部设有交叉十字肋；另外柱体外侧周边添置筋板有效地提高了刚度、稳定性和抗振能力。 筋的尺寸查表可知：厚度=0.8s高度≤1.5s s为立柱的壁厚 得出筋高为100，厚16。肋厚度查表为立柱壁厚的0.6倍厚度为12mm。 加入肋后，尤其是45度对角肋，对扭转刚度的提高有明显的效果，抗弯刚度可提高60扭转刚度可提高4.5~8.5倍。 机架的动刚度主要取决于它的静刚度和固有频率，合理地改善机架结构可以提高其静刚度K和固有频率ω可改善机架的动刚度。另外，合理布置肋板和材料的改善也可使动刚度大大提高。 在动刚度问题上，机架的材料采用的是灰铸铁HT200，他的吸振性能较强，能有效地加强机架立柱本身的阻尼比；再有，机架立柱中心的45度十字交叉肋使得立柱本身的静刚度大幅度提高；再加上铸造完毕后，外侧有表面刷漆的涂层；这些综合因素都能够有效地保证机架的刚度问题，使并联实验台的刚度足以保证其所需的刚度，满足加工要求。 3.4立柱与底座的连接方式 由于立柱与底座需要进行连接，考虑到立柱下端受应力较大，而且用螺纹连接打孔不便，综合各种因素，选怎了焊接的形式。 焊接时，会产生局部应力，为了保证定位精度，立柱下端设计了定位销孔，孔径为d8。分别布置在力主四个底角的中心位置。 在焊接前，现将定位销插入销孔，两者过渡连接，使其立柱在焊接过程中不会由于焊接应力的原因，与底座产生相对偏移。 焊接时要注意的问题： 材料可靠性、合理布置焊缝、提高抗振能力、合理选择截面形状、提高焊接接头抗疲劳能力和抗脆断能力、胚料选泽的经济性、操作方便。 焊缝尺寸的确定方法一般为：按焊缝的工作应力；安等强原则；按刚度条件。由于焊接机床的床身，立柱，横梁和箱体等一般按刚度设计，所以焊缝尺寸宜采用依照刚度原则确定。 按刚度条件选择角焊缝尺寸的经验做法是：根据被焊钢板中较薄的钢板强度的3350、100为焊缝强度来确定焊缝尺寸。 为了保证实验台的良好刚度，经过查询，立柱与机床机架的角焊缝尺寸有钢板刚度的100定得出： 板厚h按照100度设计则焊缝宽度=3/4h 前边已经确定板厚h=20mm所以得出焊缝宽度K=3/4x20=15mm 接下来考虑焊缝应力问题，在焊接接头处，由于机床实验台加工时的并联机构摆动，会使立柱底端受剪切力，为了减小这种损害性力，焊坡需要呈现45度角，从而解决应力过度集中的问题。焊接时要保持连续，断续焊接会使焊缝连接处产生局部应力，难以保证并联实验台立柱受剪切力作用时的强度及其稳定性。 3.5底座的造型 首先确定出了立柱的结构，底座的造型就要基于立柱而确定。呈现三根立柱120度圆周阵列的连接体，高度200mm。与立柱材料一致，采用灰铸铁HT150，铸造后同样需要人工时效处理。前边已经确定了立柱、卡盘的构造，在底座上要预留出配合时的安装孔。有安装卡盘的螺纹孔，还有定位立柱的销孔，两种孔的加工都已标准件螺钉和定位销为基准，采用轻微过盈量。在铸造完毕时效处理后，按照表逐渐配合尺寸打孔、攻丝。 考虑到并联实验台的自身重量，底座边缘分别留出了三个32mm的地脚螺栓安装孔，以便实验台安装时的水泥浇筑地脚螺栓。