并联机床专题讲座PPT课件

(d) ≤ 38 o
Stewart平台控制轴最短距离与刀具自转角的关系
120 180 刀具转角 Θ / (o)
.
14
2 并联机构精度和标定技术的研究
对XNZ2010进行标定试验
一种用于空
开发了适用于工业现场环境的并联机 间全位置和
构预标定算法；利用单自由度的相对 位置信息的测量，实现了基础平台铰 链点位置矢量的标定。研究了基于少
compensated
0.03
0.02
0.01
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
i
erra(mm) erra(mm)
如果不考虑铰链安装误差，补偿率 r = 85.8 % 如果考虑铰链安装误差的扰动，补偿率r = 36.5%
.
16
3. 并联机床动力学
(1) 并联机床刚度分析
• 利用解析法和有限元法，研究了并联机床的 刚度特性及其分布规律，两种结果的误差小 于15％，证实了刚度模型的可靠性和准确 性，为基于刚度的并联机床设计提供了理论 依据。
.
12
(2) 非线性方程组解集边界求解算法
并联机构的结构特点决定其 输入和输出运动之间具有复杂的 非线性关系，因此在机构的运动 学、动力学、作业空间、误差分 析及运动控制中均涉及大量的非 线性方程组求解。
基于流形理论和数值连续算法,
研究和开发了一种含参数的非线
性方程组的解集边界求解算法，
可以直接搜索出一个非线性系统
姿态的测量 方法及其装 置
自由度测量信息的标定技术。
.
15
铰链间隙的误差补偿算法
0.4
0.35
uncompensate
compensated
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
i
0.090.080070.060.05
0.04
uncompensate
⑷ 功能性强：并联机床的主轴平台可以具有3-6个自由度，能 灵活地实现空间姿态，提供较强的加工、装配、测量等能力；
⑸ 结构灵活、成本低：并联机床构型多样、结构简单、部件 少、重组性强，便于模块化设计。具有“硬件”简单，“软件 ”复杂的特点，因此制造成本较低。
.
3
一、 并联机构的发展
并 联 机 构 的 构 想 可 以 追 溯 到 1895 年 ， 但 直 到 1948 年 才 由 Gough真正将并联机构运用于实践，设计出一种轮胎操作机。 1965年，Stewart首次提出一种6条腿连接静平台和动平台的6自 由度并联机构，作为飞行模拟器，该并联机构被称之为平台。 并在1978年，由Hunt提出可以应用Stewart平台作为机器人机构。
电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义pmtvpds的基本框架并联机构型谱库子装配体模型库并联机构实体模型机床整机实体模型并联机构构型综合选择并联机构方案机构初步尺度综合机构详细尺度综合并联机构实体建模机构运动学分析建立子装配体模型机床整机辅助组合设计建立动力学热力学模型机床整机动力学分析机床整机精度综合数控后处理程序作业过程运动学计算切削颤振效应分析切削温度效应分析工件切削效果分析作业过程运动仿真工件作业成型仿真其它作业效应分析产品数据管理pdm计算机仿真虚拟现实界面人机交互界面其它静态动态数据库pmtvpds的基本框架电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义并联机床数字化快速开发平台启动界面并联机床数字化快速开发平台启动界面电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义对话框对话框3d模型3d模型性能性能概念设计概念设计电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义运动学分析设计与仿真运动学分析设计与仿真电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义整机结构设计整机结构设计电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义正刚体动力学正刚体动力学电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义逆刚体动力学逆刚体动力学电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都具有重要的意义弹性动力学分析弹性动力学分析网格划分分析结果网格划分分析结果电气照明是建筑电气技术的基本内容是保证建筑物发挥基本功能的必要条件合理的照明对提高工作效率保证安全生产和保护视力都
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10
1. 并联机床运动学
(1) 基于空间模型理论的并联机构设
计方法及新机构的创新研究
研究方向：Stewart平台等6自由度并 联机构——转向少自由度和串并混联 的机构。
研究少自由度机构尺寸和性能之间的 关系，进一步研究机器人的性能随尺 寸变化的一般规律，从而达到依据性 能图谱进行机构设计的目的，为机构 尺寸设计这一难题提供了一条有效途 径。
图1.1 Giddings& Lewis 公司的VARIAX 图1.2 Ingersoll公司的Haxapod
国内从1995年由清华大学和天津大学共同开始研究并联机床，并于1997年研制
成功了VAMT1Y型桁架式六轴并联机床原型样机。东北大学、哈尔滨工业大学、天
津大学等在其后分别推出了结构各异的并. 联机床。
0 -100 -200 -300 -400
-400
0.358
0.37
0.366
0.349 0.353 0.362
0.358
0.353 -200
0.349 0.345
0
x (mm)
0.341 0.336 0.332
200
400
y (mm)
400 300 0.335
200
100
0.348
0.339
0
-100 0.344
20
y (mm)
XNZ63 刚度有限元分 析
有限元模型
位置
I
II
III
IV
V
理论结果 91.292 95.170 80.025 75.593 86.5
FEA结果 87.935 91.600 77.363 73.271 83.188
两者比值 1.038 1.039 1.034 1.032 1.040
表 位姿Ⅰ时机床低阶频率
频率(Hz)
一阶
二阶
Ansys
59.239
59.239
三阶 66.230
结构动力学方程 相差
66.397 12.1%
66.397 12.1%
71.128 7.4%
.
25
(4)非线性动力学的研究
1. 采用牛顿-欧拉法构造出了多种并联机床的非线性动力学 模型。
2. 研究了并联机床在运行过程中驱动力解的非线性特性和 运动规律，并提出了相应的最优控制方法和策略。
.
4
目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，九十年代中期， 美国、英国、德国、俄罗斯、瑞士、瑞典、日本等国家的有关研究机构和机床厂 家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床。1994年，美国芝加哥国际 机床博览会上，美国Giddings& Lewis 公司和Ingersoll公司展出了最早的两台 并联机床，如图所示。
提出了多种有重要应用的并 联机构，这些并联机构可广泛地应用 在工业机器人、微动机器人、少自由 度飞行模拟器和并联机床等领域，已 经申请多项发明专利，为开发具有中 国知识产权的相关产品提供保证。 .
一种空间三自由度并联机器人机11 构
两维移动两维转动四轴并联机床结构
两维移动一维转动三轴并联机床结构
一种四自由度并联结构
70
stiffness (N/um)
整机结构静刚度
.
65
200
100
0
y (mm)
-100 -200
-200
-100
18 100
0 x (mm)
200
VAMT1Y 刚度有限元分析
位置
O点
A点
B点
C点
D点
FEA结果 0.0513 0.0485 0.0531 0.0567 0.0520
理论结果 0.0505 0.0476 0.0526 0.0562 0.0513
的解集边界，计算速度快、效率
高。已经针对作业空间和机床运
动精度建立了数学模型。
.
l1=l2=1150 l1=l2=1200 l1=l2=1250
XNZ2010 作业空间的边界
13
两支链距离d/(m) 0.3
两支链距离d/(m) 0.3
0.1
0.1
-180
-120
-60
0
60
(a) ≤ 35 o
120
0.0973
0.0973
-100 -200
0.0909
-300 0.0877 0.0941
0.0845
-400 -400
-200
0.1
x (m0 m)
0.0941
0.0909
0.0877 0.0845
200
400
（a） 沿x方向的刚度 （b） 沿y方向的刚度
（c） 沿z方向的刚度
图 机架变.形占总变形的比值
.
2
与传统机床相比，并联机床具有如下优点：
⑴ 刚度重量比大：传动构件理论上为仅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；
⑵ 精度高：并联机床刀具的运动由各独立支链的进给驱动共 同提供，不存在串联的误差积累，理论上比串联机床容易达到 较高的精度；
⑶ 响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效的改善了 伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加 速度，因而特别适用于各种高速数控作业；
两者比值 0.984 0.981 0.991. 0.991 0.987
有限元模型
19
XNZ63刚度理论分析
stiffness (N/um)
100
90
80
70
60
400
200
400
y (mm)
0 -200
200
-200 0 x (mm)
-400 -400
x方向的刚度
stiffness (N/um)
100
.
21
用其他软件进行刚度分析
基于Admas软件的刚度分析 .
基于ideas软件的有限元分析22
(2)并联机床模态分析
XNZ63的模态分析模型（解析法） 机床1、2、3阶频率分布
..
MwXwKwXw0
图2-5XNZ63线框模型图
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23
XNZ63模态分析（有限元法）
有限元模型
一阶频率
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24
解析法和有限元法结果比较
并联机床专题讲座
清华大学 精仪系制造所 王立平
2003年11月19日
.
1
并联机床（PMT, Parallel Machine Tool）又称并联运动 学机器（PKMs, Parallel Kinematics Machine）或虚（拟） 轴机床(Virtual Axis Machine Tool)，是并联机器人技术和现 代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人 的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床（可以完成机 床的切削任务），又可以看作是机床化的机器人（可以完 成许多精密的机器人作业）。它能够提供机器人的灵活与 柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的 新型机电设备。
-200
0.361 0.365
0.374
-300 -400
-400
0.352 -200
0
x (mm)
0.348 0.344
0.356
0.352
0.369
200
400
机架变形占总变形的比值
y (mm)
400 0.1
300
200 0.104
0.0909 0.0941
0.104
0.1
100
0.0973 0
.
17
VAMT1Y 刚度分析（ 解析法） Δ Δθ r(JlTJl)-1(JlTΔλJlTJbΔB)
静载荷
22
stiffness(N/um)
弹性支链系统
动平台
弹性机架
20
刚性机架
刚性支链系统
18
支 链
由虚功原理得到腿长变化
横立 梁柱
由虚功原理得到Bi位置的变化
由微分误差模型得到支链子系统的终端位移
3. 通过对并联机床关键技术的理论研究，从并联机床设计 方面提出了合理化改进或指导方案，并已成功应用于新 型大型龙门式五坐标并联机床商品化样机设计。
.
26
4. 并联机床切削性能与工艺
(1)弹性动力学响应（XNZ63）
M X C X K X F (t) 给定规律的切削力下机床系统的动态响应
由微分误差模型得到机架子系统的终端位移
＋
整机结构的终端位移
stiffness (N/um)
16
200
100
200
0 y (mm) -100
21
-200
-200
-100
100 0
x (mm)
20
19
18
17
200
100
200
0
y (mm) -100
80
-200
-200
-100
100 0
x (mm)
75
90
80
70
60
400
200
400
0
y (mm) -200
-400 -400
-200
200 0
x (mm)
Y方向的刚度
stiffness (N/um)
400
350
300
250
400
200
400
y (mm) 0 -200
-400
-400
-200
200 0
x (mm)
Z方向的刚度
400 300 200 100
.
6
图2.1 并联机构用于医疗器械
.
图2.2 飞行模拟器
7
图2.3 Delta并联机器人用于食 品包装机
图2.4 24个自由度的机器人手臂
.
8
图2.5 并联机构应用于电子行业
.
图2.6 游戏动感椅
9
三、并联机床研究进展
1. 并联机床运动学 2. 并联机床精度与标定 3. 并联机床动力学 4. 并联机床切削性能与工艺 5. 并联机床数字化快速开发平台 6. 并联机床产业化进程
180
刀具转角 Θ / (o)
两支链距离d/(m) 0.3
-180