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內(nèi)蒙古科技大學 畢業(yè)設計專題小論文 題 目 組合機床用動力滑臺 液壓系統(tǒng)性能分析 學生姓名 白從凱 學 號 2002041532 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 機械 2002 5 班 指導教師 尹 明 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 1 Dimensional Tolerance Allocation for New Type of Parallel Machine Tools 1 INTRODUCTIONS The prototype of a new type of parallel machine tools is a 6 6 Stewart platform mechanism Compared to the traditional machine tool a parallel machine tool possesses many advantages such as high precision high structural rigidity and high machining force torque capacity etc Currently many universities have research on this kind of machine tools As shown in Fig 1 the parallel machine tool comprises the following four parts a fixed platform six in parallel actuators the length variation of each actuator is implemented by ball screws and the ball screws are driven by servo motors The ball joints connect the fixed and moving platforms with ball screws a spindle is installed on moving platform bottom When machining work is being carried out the variation of the moving platform allows a parallel machine tool to machine complicated curved work piece such as die impeller etc The developing tendency of modern NC machine tools is high speed and high precision and the machine tool errors have direct effect on machine tool precision In order to meet the precision specified a scientific dimensional tolerance allocation is urgently required in the design of this kind of machine tool The errors of the machine tool include the following parts 1 transmission error in transmission chains i e pitch cumulative error of the ball screw in each actuator and dead domain error during starting or reversing operation 2 length transform error of the ball screw due to the influence of ambient temperature 3 pares clearance error that connect fixed and moving platform 4 other errors i e positioning error caused by transmission rigidity dynamic error caused by moving parts mass and velocity damping The above errors will finally lead to error at the cutter head of the machine tool This paper will carry out research on dimensional tolerance allocation based on a kind of statistical experiment method Monte Carlo method 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 2 2 SOLUTION OF INVERSE KINEMATICS FOR MACHINE TOOL The kinematics solution for this parallel machine tool can be classified into two types When the known quantity is the lengths of the six actuators and the orientation of the cutter head this is called direct kinematics On the contrary when the known quantity is the position and the orientation of the cutter head and the unknown quantity is the lengths of the six actuators this is called inverse kinematics The solution of the direct kinematics of the machine tool is used to monitor while the solution of the inverse kinematics of the machine tool is used to control As shown in Fig 2 a fixed coordinate frame O XYZ is attached to the fixed platform and a moving coordinate frame O X Y Z is attached to the moving platform The center of the joint connecting the itch actuator to the fixed platform will be denoted as whereas the center of the joint connecting the same leg to the moving 6 21 ia platform will be denoted as the Y axis of the fixed coordinate frame 6 1 ib is selected along the line which bisects the angle and the Y axis of the moving 61Oa 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 3 coordinate frame is selected along the line which bisects the angle Let the 61Ob position of point O with respect to the origin of the fixed coordinate frame be denoted by vector vectors TzyxR00 will be defined as the position vectors of 6 21 izyxRTbiibii the moving coordinate frame thus we can write the position vectors of the moving platform joints in fixed coordinate frame as 6 21 00 izyxzyxQzyxR TTibibiTbiibii Where matrix is the rotation matrix describing the orientation of the moving platform with respect to the fixed platform the elements of matrix are shown by Q RPY expression Let be angles that the moving platform rotates about X axis Y axis Z axis of the fixed coordinate frame and then we can obtain cc sss cscsc aadQ32311 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 4 Let vectors be the position vectors of the platform joints with Taiiaii zyxR respect to the fixed coordinate frame then the length of each actuator can be written as 6 21 iLiabi 3 DIMENSIONAL TOLERANCE ALLOCATIONS WITH MONTE CARLO METHOD 2 1 Determination of Total Dimensional Chain Error of the Machine Tool Links In order to carry out dimension tolerance allocation the variation feature between the errors of the in parallel links and orientation error of the cutter head or the center point of the moving platform need to know The direct kinematics is used to derive the cutter head error from the link errors of the machine tool It is difficult to obtain analytical solution by direct kinematics So an inverse error estimation method by which the link errors can be derived from the position and orientation errors of the cutter head is adopted The key to the dimensional tolerance allocation is to determine the total dimensional chain error of the machine tool links Monte Carlo method is a numeral method to solve mathematics based on random sampling In this parallel an evenly distributed Monte Carlo random simulation method on a certain position and orientation precision of the cutter head is used By Esq 1 the lengths of the machine tool links under the sample volume can be obtained The maximum length error of each link can be obtained in different positions in the machine tool workspace Take the minimum length errors as the total error for dimensional tolerance allocation of each link Before random simulation by Monte Carlo method the machine tool precision should be estimated and the variation of the moving platform s position and orientation should be determined Let the position and orientation of the center point of the moving platform be three transforming quantities and three rotating quantities A simplified model of spindle system for parallel machine Tzyx too is shown in Fig 3 From the figure we can see that point a and b represent cone 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 5 bearings segment bc represents cutter holder and segment cd represents the cutter the cutter head point d bears machining force P 4 CONCLUSIONS The presented dimensional tolerance allocation method is the combination between machine tool precision and the actual dimension tolerances The factors that influence on the cutter head errors of the parallel machine tool are analyzed first Due to the multi solution and the difficulty in obtainment of the analytical solution of the direct kinematics the derivation of the cutter head error from the error of machine tool links is difficult So a inverse error estimation method to derive errors of links from cutter head error is presented in this paper To a certain spindle dimension of the parallel machine tool the total dimensional tolerance of the machine tool link can be determined by Monte Carlo random simulation method The dimensional tolerance allocation for adjustable loop of the link is developed If the allocated dimension tolerance can not meet the design or manufacturing requirement the adjustments towards precision grade of the ball screw or the spindle dimension are desired for tolerance re allocation Example shows the presented tolerance allocation method is reasonable This work provides a basis in the design stage of the parallel machine tool 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 6 一種新型并聯(lián)機床的尺寸公差分配 1 介紹 新類型的并聯(lián)機床的原型是一個 6 6 斯圖爾特平臺機構(gòu) 與普通機床相比 并聯(lián)機床有許多優(yōu)點 比如高的精度 高的結(jié)構(gòu)剛度和高機制力量 轉(zhuǎn)力矩能力 等 現(xiàn)在 許多大學都對這種并聯(lián)機床都加以研究 如圖 1 所示 并聯(lián)機床包 括四個部分 一個固定的平臺 六個平行的主動件 每個主動件的長度變化由 球鉸鏈來控制 而球鉸鏈由伺服馬達驅(qū)使 球關(guān)節(jié)用鉸鏈連接固定部分和可動 部分 轉(zhuǎn)軸安裝在移動平臺底部 當機加工進行時 移動平臺使并聯(lián)機床能加 工復雜的工件 如鋼模的復雜彎工作塊及其他的東西 現(xiàn)代的控制母機的發(fā)展趨向是高速度和高精度 并且機床的誤差應能直接影 響機床的精度 為了解決這種精密的需要 一種尺寸公差分配方法需要應用于 機床的設計中 機床的誤差包括下列各項部分 1 傳輸鏈的傳輸誤差 也就 是 在開始或顛倒操作的時候在每個主動件和死區(qū)中球鉸鏈的累積誤差 2 周 圍溫度變化導致的球鉸鏈長度變化誤差 3 剝連固定和可動工作臺的清除誤差 4 其它的誤差 也就是 由移動部分塊和速度降低引起的動態(tài)誤差 上述的 誤差最終會導致在工作母機的切削頭上產(chǎn)生的誤差 這篇論文將對一種基于統(tǒng) 計的尺寸公差分配的實驗方法 蒙地卡羅方法加以研究 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 7 2 機床的逆向運動學的解決 運動學解決這種并聯(lián)機床的運動學解決方法可以分為兩類 當已知量是六個主 動件的長度和切削頭的方向的時候 這叫做正向的運動學 另一方面 當已知 量是位置和切削頭的方向而未知量是六個主動件的長度的時候 這叫做逆向的 運動學 并聯(lián)機床的正向運動學用于解決檢測問題 而逆向運動學用于解決控 制問題 如圖 2 所示 固定的坐標系 附在固定的平臺上 而移動的坐XYZO 標系 附在移動的平臺上 連接主動件到固定的平臺關(guān)節(jié)的中心被表 ZYXO 示為 同樣 連接相同的腿到那個移動平臺的關(guān)節(jié)中心被表示為 6 1 ia 固定坐標系的 Y 軸是按沿著角 挑選的 而移動坐標系的 2 bi 61a Y 軸是沿著角 讓有關(guān)固定的坐標系的起源用矢量 表61b TzyxR00 示 而移動坐標系的起源用矢量 表示 如 6 21 izyxRTbiibii 此 我們把移動平臺的位置在固定平臺中用位置矢量表示為 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 8 6 21 00 izyxzyxQzyxR TTibibiTbiibii 點陣式 是描述移動平臺相對于固定平臺的旋轉(zhuǎn)點陣式 點陣式 元素用 Q RPY 表示 讓 為移動平臺與 X 軸 Y 軸 Z 軸之間的旋轉(zhuǎn)夾角 然后 我們能獲得 cc sss cscsc aadQ32311 讓矢量 是有關(guān)于坐標體格平臺位置的矢量 然后每個主動 Taiiaii zyxR 件的長度可以寫作 6 21 iLiabi 3 蒙地卡羅尺寸公差分配方法 為了要實現(xiàn)尺寸公差分配 必須弄清楚聯(lián)編尺寸誤差和切削頭的定位誤差之間 的變化特征 正向運動學用于來制來自機床的聯(lián)編誤差的切削頭誤差 直接運 動學的獲得分析是十分困難的 如此一個可能起源于位置的逆向誤差和切削頭 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 9 定方位的判斷方法可以被采用 尺寸公差分配的關(guān)鍵是要決定機床的聯(lián)編總體尺寸公差 蒙地卡羅方法是基于 隨意抽取樣品的解決尺寸公差分配的一種數(shù)學方法 平均地隨意分配在一個某 位置和切削頭方向的蒙地卡羅模擬方法被采用在并聯(lián)機床上 樣本容量下的機 床的聯(lián)編尺寸的長度可能被獲得 聯(lián)編的最大長度誤差可能在工作母機工作空 間的不同位置獲得 尺寸公差分配為拿聯(lián)編最小量長度誤差作為總誤差 在蒙 地卡羅隨意模擬之前 工作母機的精度應被估計 并且移動平臺的位置變化和 方位應被考慮 那個移動平臺的中心點位置和方向為三轉(zhuǎn)換量和三替換量 并聯(lián)機床的轉(zhuǎn)軸的簡化模型也被顯示在圖片 3 中 從這 Tzyx 個圖片 我們可以看出 a 和 b 代表圓錐體 弦 bc 代表切削者 而弦 cd 切削頭 切削頭點 d 產(chǎn)生機制力量 P 3 結(jié)論 尺寸公差分配方法是機床精確度和真實尺寸公差之間的組合 我們應首先分 析影響并聯(lián)機床的切削頭的誤差 由于直接運動學的分析解決獲得困難和形式 多樣 源自機床聯(lián)編誤差的切削頭誤差的引出很困難 因此 本論文中闡述了 源自切削頭誤差的聯(lián)編誤差的倒轉(zhuǎn)誤差判斷方法 對于并聯(lián)機床轉(zhuǎn)軸來說 機床聯(lián)編總體尺寸公差分配可能被蒙地卡羅隨意模 擬方法確定 調(diào)整性的尺寸公差分配正被發(fā)展 如果尺寸公差分配不能滿足機 械制造業(yè)和設計的需要 那么 能調(diào)整的精密的球螺釘或轉(zhuǎn)軸被需要出現(xiàn) 事 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計外文翻譯 10 例證明這個尺寸公差分配方法是合理可行的 這一工作為并聯(lián)機床的設計階段 提供了基礎 內(nèi)蒙古科技大學 畢業(yè)設計外文翻譯 題 目 并聯(lián)機床尺寸 公差分配 學生姓名 白從凱 學 號 2002041532 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 機械 2002 5 班 指導教師 尹 明 組合機床用動力滑臺液壓系統(tǒng)性能分析 摘要 對動力滑臺液壓系統(tǒng)的各工作步驟進行了詳細的分析 指出了構(gòu)成系 統(tǒng)的各基本回路 重點總結(jié)出動力滑臺液壓系統(tǒng)的性能特點 關(guān)鍵詞 動力滑臺 工作原理 性能分析 Abstract Detailed analysis has been made on each work step of the hydraulic system of dynamic slip way basic circuit of the structure system and performance and characteristics of the hydraulic system Key words Dynamic slipway Work principal Performance analysis 1 前言 組合機床是一種工序集中 效率較高的專用機床 因其具有加工能力強 自動化程度高 經(jīng)濟性好等優(yōu)點 被廣泛應用于產(chǎn)品批量較大的流水線生產(chǎn)中 如汽車制造廠的汽缸生產(chǎn)線 機床廠的齒輪箱生產(chǎn)線等 組合機床一般由動力 滑臺 動力頭和部分專用部件 主軸箱 夾具等 組成 動力滑臺是組合機床 上實現(xiàn)進給運動的關(guān)鍵部件 由設計完善的液壓系統(tǒng)驅(qū)動 配上動力頭和主軸 箱后可以對工件完成鉆 擴 鉸 鏜 銑 攻絲和端面的加工工序 組合機床采用液壓傳動 是因為液壓傳動有許多的優(yōu)點 1 在同等的體積下 液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生更大的動力 因為液壓 系統(tǒng)中的壓力可以比電樞磁場中的磁力大出 30 40 倍 在同等功率的情況下 液壓裝置的體積小 重量輕 結(jié)構(gòu)緊湊 液壓馬達的體積只有同等功率電動機 的 12 左右 2 液壓裝置工作比較平穩(wěn) 由于重量輕 慣性小 反映快 液壓裝置 易于實現(xiàn)快速啟動 制動和頻繁換向 3 液壓裝置能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速 還可以在液壓裝置運行的過程 中進行調(diào)速 4 液壓傳動容易實現(xiàn)自動化 因為它對液體的壓力 流量或流動方向進 行調(diào)節(jié)或控制 操作十分方便 5 液壓裝置容易實現(xiàn)過載保護 液壓缸和液壓馬達都能在失速狀態(tài)下工 作而不會發(fā)熱 這是電氣裝置和機械傳動裝置無法實現(xiàn)的 液壓件能自行潤滑 使用壽命較長 6 由于液壓元件都實現(xiàn)了標準化 系列化和通用化 液壓系統(tǒng)的設計 制造和使用都比較方便 液壓元件的排列布置也具有較大的機動性 7 用液壓傳動來實現(xiàn)直線運動遠比用機械傳動簡單 液壓動力滑臺由液壓缸驅(qū)動 在電氣和機械裝置的配合下可以實現(xiàn)各種自 動工作循環(huán) 以滿足各種加工工序的要求 下面以 YT4543 型動力滑臺為例來 說明其工作原理并分析其性能特點 2 工作原理 表 1 YT4543 型動力滑臺液壓系統(tǒng)的電磁鐵動作順序表 電磁鐵工作狀態(tài) 動作名稱 信號來源 1YA 2YA 3YA 快速 按下啟動 按鈕 一工進 擋塊壓下 行程閥 8 二工進 擋塊壓下 行程開關(guān) 停留 滑臺靠壓 在四擋鐵處 快退 時間繼電 器發(fā)出信號 停止 擋塊壓下 終點開關(guān) YT4543 型動力滑臺的液壓系統(tǒng)見圖 1 動作循環(huán)見表 1 此系統(tǒng)可以實現(xiàn) 快進 工進 停留 快退 停止 的半自動工作循環(huán) 其工作情況 如下 1 快進 先按下啟動按鈕 電磁鐵 1YA 得電 先導閥 11 左 位接入系統(tǒng) 油液經(jīng)先導閥進入液動換向閥 12 左液控口 使換向閥 12 左位接入系統(tǒng) 因快進時負載較小 變量泵 14 輸出最大流量 且順序閥 2 因系統(tǒng)壓力較低 處于關(guān)閉狀態(tài) 此時 油液經(jīng)換向閥 12 行程閥 8 右位進入液壓缸 7 左腔 此時液壓缸 7 左差動連接 實現(xiàn)液壓缸的快速 進給 2 一工進 當滑臺快進到預定的工作位置時 由滑臺上的擋 塊壓下行程閥 8 此時行程閥 8 左位接入系統(tǒng) 油路截止 油液經(jīng)換向 閥 12 調(diào)速閥 4 電磁閥 9 進入液壓缸 7 左腔 液壓缸 7 右腔油液經(jīng)換 向閥 12 順序閥 2 背壓閥 1 回油箱 液壓缸在調(diào)速閥 4 控制下實現(xiàn)第 一次工作進給 3 二工進 當?shù)谝淮喂ぷ鬟M給結(jié)束時 由滑臺上擋塊壓下行 程開關(guān) 使電磁鐵 3YA 得電 電磁閥 9 左位接入系統(tǒng) 油路截止 油液 經(jīng)換向閥 12 調(diào)速閥 4 調(diào)速閥 10 進入液壓缸 7 左腔 液壓缸 7 右腔油 液經(jīng)換向閥 12 順序閥 2 背壓閥 1 回油箱 由于調(diào)速閥 10 的開口比調(diào) 速閥 4 小 系統(tǒng)工作壓力進一步升高 液壓缸在調(diào)速閥 4 和調(diào)速閥 10 的 共同作用下實現(xiàn)第二次工作進給 4 停留 當滑臺以第二次工進速度行進到碰到死擋塊時 不 在前進 開始停留 此時 各油路狀態(tài)不變 變量液壓泵 14 繼續(xù)運轉(zhuǎn) 使系統(tǒng)壓力不斷升高 同時 泵輸出量減小至與系統(tǒng)的泄漏量相適應 當液壓缸左腔的壓力升至壓力繼電器 5 調(diào)定值時 壓力繼電器動作并發(fā) 出信號給時間繼電器 滑臺經(jīng)時間繼電器延時 停留一段時間后再返回 其停留時間由時間繼電器調(diào)節(jié) 5 快退 當滑臺停留到時間繼電器調(diào)定的時間時 時間繼電 器發(fā)出信號 使電磁鐵 1YA 斷電 2YA 通電 先導閥 11 右位接入系統(tǒng) 油液經(jīng)先導閥進入液動換向閥 12 右液控口 使換向閥 12 右位接入系統(tǒng) 從而主油路換向 油液經(jīng)換向閥 12 進入液壓缸 7 右腔 液壓缸 7 左腔油 液經(jīng)單向閥 6 換向閥 12 回油箱 此時滑臺無外負載 系統(tǒng)壓力下降 使限壓式變量液壓泵 14 的流量又自動增至最大 滑臺實現(xiàn)快速退回 6 停止 當動力滑臺快速退回到原位時 擋塊壓下終點開關(guān) 電磁鐵 2YA 和 3YA 都斷電 此時先導閥 11 處于中位 換向閥 12 因其 兩控制油口均通油箱 也處于中位 換向閥 12 的中位具有鎖緊功能 所 以液壓缸 7 的兩腔封閉 滑臺停止運動 同時變量泵 14 卸荷 油液經(jīng)單 向閥 13 換向閥 12 回油箱 3 性能分析 由以上工作情況分析可知 此液壓系統(tǒng)按其功能可以分解為 由限 壓式變量液壓泵 調(diào)速閥和背壓閥組成的容積節(jié)流加背壓的調(diào)速回路 液壓缸 差動連接的快速回路 電液換向閥的換向回路 由行程閥 電磁閥和順序閥等 組成的速度換接回路 調(diào)速閥串聯(lián)的兩次工進回路以及用電液換向閥 M 型中位 機能的卸荷回路等 這些基本回路決定了該液壓系統(tǒng)的性能 據(jù)此 可以總結(jié) 出 YT4543 型動力滑臺的液壓系統(tǒng)具有以下一些性能特點 1 系統(tǒng)采用了限壓式變量液壓泵和液壓缸差動連接兩項措施 來實現(xiàn)快進 可獲得較大的快進速度 且能量也比較合理 滑臺停止運 動時 采用單向閥和 M 型中位機能的換向閥串聯(lián)的回路使液壓泵在低壓 下卸荷 既減少了能量損耗 又使控制油路保持一定的壓力 以保證下 一工作循環(huán)的順利起動 2 系統(tǒng)采用了行程閥和順序閥實現(xiàn)快進與工進的換接 不僅 簡化了油路和電路 而且使動作可靠 轉(zhuǎn)換的位置精度也比較高 兩次 共進速度的換接 由于速度比較低 采用了由電磁閥切換的調(diào)速串聯(lián)的 回路 既保證了必要的轉(zhuǎn)換精度 又使油路的布局比較簡單 靈活 采 用死擋塊作限位裝置 定位準確 重復精度高 3 系統(tǒng)采用了 限壓式變量液壓泵 調(diào)速閥 背壓閥 式調(diào)速回路 它能保證液壓缸穩(wěn)定的低速運動 較好的速度剛性和較大 的調(diào)速范圍 回油路上背壓閥可防止空氣進入系統(tǒng) 并能使滑臺承受伏 負向的負載 4 系統(tǒng)采用了換向時間可調(diào)的電液換向閥來切換主油路 使 滑臺的換向更加平穩(wěn) 沖擊和噪聲小 同時 電液換向閥的五通結(jié)構(gòu)使 滑臺的進和退時分別從兩條油路回油 這時滑臺快退時系統(tǒng)沒有背壓 也可減少了壓力損失 4 結(jié)論 YT4543 型動力滑臺的液壓系統(tǒng)具有運行速度快 換向精度較高 滑臺換向 平穩(wěn) 沖擊小 調(diào)速范圍寬等優(yōu)點 此液壓系統(tǒng)的設計合理 它使用元件不多 卻能完成較為復雜的半自動工作循環(huán) 且性能良好 參考文獻 1 章宏甲 黃誼 王積偉 液壓與氣壓傳動 北京 機械工業(yè)出版社 2000 5 2 方桂花 液壓傳動 北京 地震出版社 2002 5 3 毛信理 液壓傳動和液力傳動 北京 冶金工業(yè)出版社 1993