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2011年 8月 机床与液压 Aug.2011
第39卷 第 15期 MACHINET0OL HYDRAULICS Vo1.39No.15
DOI:10.3969/j.issn.1001—3881.2011.15.007
三回转 自由度数控主轴结构设计与运动学分析
王战中,刘超颖,程林章,范晓珂,韩彦军,高文中,王军
(石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043)
摘要 :基于对 3R斜交非球型手腕结构的研究和数控机床主轴功能的分析,提出一种具有3个连续回转 自由度的数控
主轴的概念设计 ,并用SolidWorks软件建立该主轴的三维模型。用 D—H参数法建立该主轴的运动学模型,进行运动学分析
和工作空间的分析与仿真。仿真结果表明:该主轴结构紧凑、惯量小 、灵活度大 ,能够实现三维空间的任意姿态 ,扩大数
控机床的加工范围。
关键词:数控主轴;三 自由度;仿真;运动学
中图分类号:TH122 文献标识码:B 文章编号:1001—3881(2011)15—023—4
StructuralDesignandKinematicsAnalysisof3R NC Spindle
WANGZhanzhong,LIUChaoying,CHENGLinzhang,FANXiaoke,HANYanjun,GAOWenzhong,WANGJun
(SchoolofMechanicalEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,ShijiazhuangHebei050043,China)
Abstract:Basedonthestudyof3R obliquenon—sphericalwristandtheanalysisofNCmachinespindle’Sfunction,theconcept
designofaNC spindle,withthreecontinuousrotation degreesoffreedom ,wasoffered andthe3D modelofthisNC spindlewas
builtwithSolidworkssoftware.ThekinematicsmodelofthisNCspindlewassetupwithD-H parametermethodandthekinematics
workspaceofthisNCspindlewereanalyzedandsimulate.SimulationresultsindicatedthattheNC spindle,withcompacted-struc—
ture,low inertnessand considerableflexibility,canbeinanygestureinthe3D space.TheworkrangeofNC machinecanbe
expanded.
Keywords:NC spindle;3-DOF;Simulation;Kinematics
从20世纪中叶开始,在机械制造业 中,数控机 果能够把绕 轴或绕Y轴的回转运动转换到装夹刀具
床应用得到迅速发展。数控加工有如下特点:对零件 的主轴上,使得数控机床主轴具有类似于3R斜交非
加工的适应性强、自动化程度高、加工质量稳定、生 球型手腕 的结构,称之为三 回转 自由度数控主轴
产效率高、利于生产管理现代化。数控机床的发展趋 (3R数控主轴)。在不增加很大功率的基础上 ,就能
势是:高速度化 、高精度化、高智能化、高柔性化、 够增加主轴 的灵活性,明显扩大数控机床的加工范
高 自动化和高可靠性。通常数控机床 自由度的增加是 围。
通过增加绕 轴或Y轴的转动 ,或采用立卧转换式主 2 3R数控主轴方案设计
轴。前者需要输出较大的功率 ,后者对主轴灵活性的 2.1 传动方案分析 比较
提高有限。如果能设计类似于机器人手腕结构的数控 由于锥齿轮具
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