并联机床研究现状与展望

并联机床研究现状与展望

杨建新,郁鼎文,王立平,汪劲松

(清华大学精密仪器与机械学系,北京　100084)

摘要: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。简要介绍了目前国内外并联机床的发展现状和未来趋势,以及关键技术的研究进展,提出了发展并联机床需要解决的若干理论与技术问题,以及解决这些问题的可行途径。

关键词:并联机床;机构设计;运动学;数控技术;动力学

中图分类号:TH112 文献标识码:A 文章编号:1007-9483(2002)03-00010-03

Progress in the R esearch of Parallel Machine Tool

YAN G Jian-xin,YU Ding-wen,Wang Li-ping,Wang Jin-song

(Tsinghua University,Beijing,100084,China)

Abstract:As the result of synthesizing machine tools with robot technology,parallel machine tools have many advantages compared as the classical ones.This paper briefly introduces the future prospective of parallel machine tools,points out some key issues that should be tackled for design and manufacture.

K ey w ords:Parallel Machine Tools;Mechanism Design;K inematics;NC Technology;Dynamics

并联机床自20世纪90年代中期问世以来,不过数年时间,便以迅猛的速度向前发展[1]。并联机床实质上是机器人和机床技术相结合的产物,从1994年美国Ingersoll和G&L公司首次在IM TS上首次展出称为VARIX和Hexapods的并联机床后,到2001年汉诺威国际机床展览会(EMO′2001)上展出的各种构型的商品化并联机床已达到30余台。目前,国际学术界和工程界十分重视研究与开发并联机床,对这种新型数控装备的应用前景和市场潜力抱乐观的态度,纷纷投入大量的人力和物力竞相开发[2]。并联机床如此迅速发展,并受到众多科研单位与商家的高度重视,原因是这种机床具有高刚性、高速度、高加速度、高精度、高柔性、高灵活性、大推力以及重量轻等优点,从而使得并联机床具有广阔的发展和应用前景。

1　并联机床基础理论及关键技术

111　构型设计

构型设计是并联机床设计的首要环节,其目的是在给定所需自由度条件下,寻求含一个动平台的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。关于并联机构构型的研究一直是人们关注的热点。近几年众多学者提出了多种新机构构型,并对机构的类型和构建方法进行了系统的讨论,其中基于少自由度并联机构的并联机床逐渐受到人们的青睐[3]。

按末端执行器运动自由度的数目并联机构可以分为6自由度、5自由度、4自由度和3自由度并联机床。20世纪90年代中期出现的并联机床基本都是以Stewart平台为基础的,经过几年的研究人们发现以Stewart平台为基础的6自由度并联机床存在工作空间小和加工精度不易保证的缺点,机构的运动学、动力学设计较为复杂。因此,人们逐渐开始选择并设计一些新结构形式的少自由度机构来用于加工。基于少自由度并联机构的并联机床具有结构形式简单、作业空间大、运动学动力学设计简单、运动容易解耦、对机械元件的制造及控制精度较低等优点。在少自由度机构上附加转头并且结合工作台的运动,有可能实现刀具相对工件的5个或6个自由度的运动。最有代表性的基于少自由度并联机构的并联机床是瑞典Neos Robotics公司开发研制的Tricept系列。在基于少自由度的并联机床中,5自由度和4自由度机床一般都属于变结构或串并混联结构机床,在串并混联结构中一个支链内可以有多个驱动器。例如东北大学的5轴联动3杆虚轴数控机床。

按驱动副类型的不同,并联机床可以分为内副驱动、外副驱动和内外副混合驱动,其中定长杆作为支链的外副驱动或内外副混合驱动的结构形式越来越普遍。以Stewart 平台为原型的并联机床主要为内副驱动形式,内副驱动形式灵活,速度快,常用于机器人操作机中实现一般空间运动,然而在金属加工中,内副驱动表现出很差的静特性和动特性,容易产生热效应且不便于补偿。相反,外副驱动采用定长杆,在刚度和动态性能上要比内副驱动好得多,而且在很大程度上避免了热效应,降低了热补偿的难度,此外还具有作业空间大、机械结构简单、标准化强、工艺性较好、具有优势运动方向等优点。具有代表性的外副驱动机床是瑞士苏黎世联邦技术学院的的6滑块机床Hexaglide、韩国SEN2 A TE公司的串并联机床ECL IPSE等。

按支链中伺服驱动器的数目不同,并联机床可分为并

收稿日期:2002-03-03

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2001AA421110);国家973资助项目(G1998030607)

作者简介:杨建新(1977-),男,山西阳泉人,清华大学博士研究生,主要研究领域为并联机床机构学与动力学。

012002年5月　机械设计与制造工程　第31卷　第3期

联、串并联和并串联(混联)3种类型。并联机床比较明显的缺点是工作空间小、姿态能力差以及运动特性和力特性的非线性关系,在机构构型设计中,采用混联机构是解决以上问题的有效途径,例如采用2自由度主轴头的G eodetic机床即为典型的混联结构。

总之,随着研究的深入,还会出现更多的并联机床构型。但应该指出的是,就像并联机构本身一样,每一种构型都有其自身的优缺点,都有其各自适合的应用领域,完全依靠机构学的设计理论企图寻找到一种能够适合所有应用领域的万能机床构型是不现实的。

112　运动学

并联机构位置的正、逆解析是并联机器人运动学的核心内容之一,是并联加工平台的工作空间数值算法、实时控制中虚实变换、在线精度补偿和动力学分析的理论基础。其中位置正解涉及已知关节变量求解刀具在笛卡尔空间的位置和姿态;逆解问题则涉及已知刀具位姿求解各关节变量[4]。并联机器人的位置逆解非常简单,具有一一对应的解析显示格式;但位置正解却极其复杂,不但涉及求解高次非线性方程,而且具有多种可能解答。

对于一个运动学问题,求出其解析表达是最理想的。当前处理运动学封闭解法一般采用各种不同的消元方法从一系列约束方程中消除未知变量,形成只含有单一变量的高阶多项式。这种方法的优点是能够求解出全部可能的解,输入误差对于输出误差的影响可进行量化处理,可以避免奇异性带来的求解困难;缺点是消元过程非常复杂,大多数方法都要产生8阶或更高阶的多项式。Raghavan[5]针对一般的Stewart平台将运动学正解问题归结为求解一个非线性多变量的多项式方程组,利用多项式延拓法证明一般Stewart平台在复数域具有40组解。总之,就目前的研究状况而言,一般的Stewart平台型机构还无法得到可以实际应用的运动解析表达。因此,人们在实际控制中大多采用数值解法,尽管数值解法比较简单,并且可用于任何类型的并联构型,但却无法保证一定能搜索到满意的解,计算时间通常无法预测。

为了更方便地求得正、逆解,许多学者提出了多种解决方案。Cheok、Merlet和Petrovic等学者使用了附加传感器的方法计算运动学的封闭解,使运动学正解大大简化。在实际应用中,瑞典N EOS开发的Tricept机床使用了角度和位置传感器使运动学正解极其容易,从而大大提高了机床加工精度。

113　作业空间和灵活度

工作空间分析涉及在已知操作机的尺度和关节变量范围条件下,评价末端效应器位姿的能力及精度和刚度;尺度综合则是在不发生铰干涉和支链干涉前提下,以实现给定位姿能力并确保机床具有良好的运动精度和刚度为目标,确定关节变量范围和结构参数。

工作空间分析方面,应用的方法大致可分为数值法和解析法。数值法的思路是,根据支链可变杆长、从动铰约束条件搜索工作边界点集。这类方法主要包括网格法、优化法和蒙特卡罗法,上述方法普遍存在适用性差、计算效率和求解精度低等缺点,无法直接揭示尺度参数对工作空间的影响规律。在解析法研究方面,最具代表性的当属G os2 selin[6]的几何法。黄田和汪劲松等人[7]应用单参数曲面族包络理论,将受杆长和铰链约束的工作空间边界问题归结为若干变心球面族的包络面求交问题。

尺度综合需要兼顾考虑末端效应器的位姿能力、运动精度、刚度及结构可实现性等多种因素。目前的方法可以分为基于各向同性条件(局部灵活度)的尺度综合,兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合,以及基于总体灵活度指标加权综合的尺度综合。R.Boudrear和C1M1G osselin将遗传算法用于2种平面3自由度的并联机构的尺度综合,在给定理想工作空间的前提下,利用遗传算法求出使得实际工作空间最接近理想工作空间的结构参数。

奇异位形、灵活度的分析是评价并联机床运动精度和静力学性能的基础。通常利用雅可比矩阵的奇异值进行奇异位形和灵活度的分析。对于并联操作机奇异位形的产生条件,G osselin和Angeles,Ma和Angeles对不同结构的并联操作机的奇异位形进行了分类。并联机构在灵活度分析方面,可以利用的指标是Y oshikawa针对串联操作机提出的可操作度、雅可比矩阵的最小正奇异值、雅克比矩阵的二条件数以及以上3个指标的综合。

114　精度保证

精度是目前并联机床发展最关键的问题之一,从一般的机床研究观点来看,提高精度的主要策略是精度分析、综合及补偿。精度综合是精度分析的逆变换过程。并联机床毕竟同传统机床在运动原理上存在巨大差异,仅仅依靠上述的研究是无法克服其全部误差的。

并联机床刀具在作业空间的不同位置、不同的姿态以及承受切削力的不同方向都会对零件的精度产生很大影响,而且在上面这些条件不同的情况下有不同的影响效果。在控制中合理选择刀具的位姿对加工精度是至关重要的。目前相关的文献主要局限在机器人的应用领域,如何实现并联机床的高速、高精度加工,尚需更深入的研究。F. Rehsteiner提出的通过零件的合理定位提高机床整体性能的思路是非常有价值的。另外,影响并联机床精度的另一个重要问题是控制中的非线性误差,消除是不可能的,如何降低此误差对轨迹精度的影响也是提高并联机床精度的一个关键问题。

关于并联机床和并联机器人的运动学标定,可以使用串联机构的标定方法,也可以直接对单个支链直接进行标定。W.Khalil和S.Besnard针对6自由度并联机床提出了一种快速标定方法。C.C.Iurascu和F.C.Park给出了一个运动学标定的统一框架,使运动学标定与坐标无关,提出了一种直接解决运动学标定这一非线性约束优化问题的算法。另外,利用冗余传感数据对机构进行自标定的方法在实践中得到了广泛的应用,G.Pritschow以瑞典N EOS公司的Tricept805并联机床为例,提出把增加角度和位置传感器作为一种提高精度的有效方法,这也是少自由度机床发展的一种趋势。可以看到,关于运动学标定的文献还是针对并联机器人的为多,如何应用并联机器人运动学标定的研究成果实现并联机床的运动学标定,还需要进一步研究。115　动力学分析和控制

目前国内外对并联机构动力学的研究主要集中在刚体动力学逆问题上,主要涉及给末端执行器的位置、速度和加速度反求伺服电机的驱动力,是并联机床动力分析、整机动

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・综述・ 杨建新　郁鼎文　王立平等　并联机床研究现状与展望