新型五轴并串联机床的运动学仿真_伞红军

Kinematic Simulation of Novel Five Axes Serial-ParallelMachine ToolHongJun San1, ShiSheng Zhong2, ZhiXing Wang31) Faculty of Mechanical and Electrial Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming,Yunnan, China(sanhjun@)2) School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang, China (zss@)3) School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang, China (wangzx@)Abstract—In this paper, for the a novel five axes serial-parallel machine tool, The three-dimensional solid model of the machine tool is established in ADAMS. The kinematic simulation of machine tool is carried out in the ADAMS simulation module. On the basis of the kinematic simulation of the machine tool, The results of the previous theoretical analysis are verified , including the number of degrees of freedom, inverse kinematic solution and forward kinematic solution.Keywords—serial-parallel machine tool, kinematic simulation, ADAMS新型五轴并串联机床的运动学仿真伞红军1钟诗胜2王知行31)昆明理工大学机电工程学院，昆明，云南，中国2)哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨，黑龙江，中国3)哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨，黑龙江，中国摘要针对一种新型五轴并串联机床，在ADAMS软件环境下对该机床进行了简化的三维实体建模，应用ADAMS仿真模块对机床进行了运动学仿真，通过仿真验证了机床的自由度数和位置正反解算法的有效性。

为该机床的原型样机的研制打下了基础。

关键词并串联机床，运动学仿真，ADAMS1．引言并联机床由于相对于传统的串联机床具有较高的结构刚度、较好的动态性能和较高的精度，近十几年来，受到了学术界和工业界的广泛关注。

为了解决六自由度Stewart 型并联机床工作空间小、动平台刀具姿态角严重不足影响加工能力等问题，世界上相继推出了各种不同的并串联组合的混联机床[1-5]。

根据理论研究出来的众多的机构还需要检验其运动的正确性。

在传统的方法中，为了验证设计，通常要制造物理样机进行试验，有时这些试验是破坏性的。

当通过试验发现缺陷时，又要修改设计再做样机验证。

一般只有通过多次反复的设计——试验——设计过程，机构才能达到要求的性能。

通常，这一过程是冗长的，尤其是对于结构复杂的机构，设计周期难以缩短，更谈不上成本的降低了。

云南省自然科学基金项目支持（资助号：2010ZC024）因此，基于物理样机的设计验证过程严重的制约了设计质量和效率的提高。

近年来，计算机技术的广泛应用提供了新的设计方法，那就是虚拟样机技术，它包括了三维CAD 建模技术和机械系统运动学等相关技术。

本文针对一种新型五轴并串联机床[6]，采用ADAMS 三维建模和分析软件建立机床的三维模型，并对其进行运动学仿真分析，考察各铰链及各部件的相对运动状态，通过仿真分析结果来验证机床的运动自由度及机床位置反解算法的正确性。

2．机床结构描述该新型并串联机床主要由一个2-UPR/2-UPS四自由度并联机构[7]串联一个可转动的部件组成。

如图1所示，为该新型五轴并串联机床的结构示意图。

机床的并联部分大体上由固定平台、运动平台和连接固定平台与运动平台的2010 ETP/IITA 2010 International Conference on Management Science and Engineering978-988-18242-7-1/10/$25.00 ©2010 ETP MSE2010四个驱动分支所组成。

串联部分主要包括末端执行部件（一般包括电主轴和刀具）。

并联部分的四个驱动分支均采用伸缩连杆，其中两个为相邻的UPR 分支，另外两个为相邻的UPS 分支，每个UPR 分支的一端通过转动副与运动平台相联，另一端通过虎克铰与固定平台相联，每个UPS 分支的一端通过球铰与运动平台相联，另一端通过虎克铰与固定平台相联。

串联的末端执行部件通过转动副（其轴线与两个UPR 驱动分支的转动副轴线垂直且与这两个转动副轴线所在的平面平行）与运动平台相联。

机床工作时，通过伺服电机带动丝杠驱动连杆的伸缩实现运动的平台三维移动和一维转动，同时伺服电机驱动末端执行部件相对于运动平台转动，这样该机床就具备了空间三维移动和二维转动的五自由度的加工能力，可实现对空间复杂曲面零件的加工。

图1 五轴并串联机床结构简图3．机床的三维建模本文所建立三维模型的目的是为了验证机床运动的正确性及位置正反解算法的有效性，因此这里所建的三维模型并不是实际的机床样机模型，而是机床的简化模型。

建模过程中在不影响运动学仿真结果的前提下尽量采用简化原则，这样可以降低建模难度，减少ADAMS 中建立约束的难度，以及避免或减少产生过约束。

按照上述简化原则，建模过程中省略了许多连接部件，如轴承和联轴器等。

在建模中将运动平台上的2个转动副和2个球铰分别简化到了4个丝杠上，将四个驱动杆顶端的电机分别简化到了4个套筒上，将电主轴和刀具简化为一个零件，将驱动串联的摆动部件的驱动电机简化到了动平台上，因此该模型一共只有15个独立零件，即：4个套筒、4个丝杠、4个虎克铰、1个定平台、1个动平台、1个刀具。

图2所示为在ADAMS 建模环境下建立的机床三维运动学仿真模型。

该模型的主要结构参数如下：360mm a =，200mm b =，400mm c =，600mm d =，1000mm e =，600mm f =，180mm x h =，260mm z h =，240mm mn l =，杆长极限max 1300mm L =、min 600mm L =，动平台与定平台初始距离994.987H =。

（上述这些变量的具体意义请参考文献[6]）在ADAMS 环境下对所建模型进行进行了运动仿真。

通过动态三维仿真，对机床的运动状态有了更为直观的认识。

图2 机床的三维简化仿真模型有了机床的三维仿真模型，我们可以在ADAMS 环境下对机床的自由度数及机床位置正反解算法进行验证了。

4．机床自由度的验证当机床的三维模型建好后，在ADAMS 环境下可以分析出机构的自由度。

在ADAMS/View 界面中选择Tools →Model Verify 就会显示模型的自检信息，如图3所示。

从图3中可以看出，机床具有五个自由度，从信息框中还可以看出，机床存在两个冗余约束（即虚约束），这些都与文献[7]中对机构的自由度分析结果相吻合。

图3 机床仿真模型的自检信息5．验证机床的位置反解算法首先，让刀头点从初始位置170,0,1494.987−（）沿X 方向以10mm/s 的速度运动到()370,0,1494.987−的位置。

然后，刀头点从该位置开始以初始点为圆心，200mm 为半径逆时针旋转一周，旋转角速度为0.0873rad/s 。

整个过程当中刀具姿态始终沿垂直方向不变。

这一运动过程中刀头点沿X 方向、Y 方向、Z 方向位移随时间变化的曲线如图4所示。

已知上述刀头点的运动轨迹，通过文献[6]推导的机床的反解算法计算出机床在此运动过程中各个时刻的4个驱动杆杆长及其与初始杆长的差值以及串联的摆动执行部件的摆角。

图4 机床刀头点的已知位移变化曲线将用反解算法计算出的4组驱动杆长变化量和串联部分的转角及相对应的时间做成5个*.txt 格式的文本数据文件，每个文本中只有两列数据，这5个文本中的第一列数据相同都是时间s ，前4个文本中的第二列数据分别代表用反解算法计算出的与时间相对应各驱动杆杆长变化量(1,2,3,4)i l i Δ=，第5个文本中的第二列数据是与时间相对应的串联的摆动部件的摆角。

利用这五个文本数据文件，通过ADAMS 中提供的样条函数生成工具可分别生成5个样条函数来驱动主运动副的运动。

在ADAMS 中生成样条函数后，就可以再在机床仿真模型的每个主运动副上添加驱动了。

最后，将仿真时间设置成92s ，仿真步数设置成200步，经过仿真所得到的刀头点的位移随时间变化的曲线如图5所示。

图5 通过运动仿真所求得的机床刀头点的位移变化曲线图5中的刀头点沿X 方向、Y 方向的位移随时间变化曲线与图4中的完全吻合。

而图5中刀头点沿Z 方向的位移不随时间变化而为常数，这与图4中的曲线变化趋势相一致，只是大小相差了400mm ，这是由于在ADAMS 环境下，为了建模方便而将机床沿Z 轴正向移动了400mm 所致。

因此可以说图5中的曲线和图4中的曲线是完全吻合的，由此验证了机床反解算法的正确性。

6．验证机床的位置正解算法首先，在ADAMS 中让机床模型的刀头点从初始位置沿z 轴负方向以10mm/s 的速度运动10妙后，再沿X 方向以10mm/s 的速度运动20妙。

然后，刀头点从该位置开始以初始点为圆心，200mm 为半径逆时针旋转一周，旋转角速度为5o /s ，运行时间到92妙时结束。

整个过程当中刀具姿态始终沿垂直方向不变。

最后，将仿真时间设置成92s ，仿真步数设置成100步，经过仿真所获得的刀头点沿X 方向、Y 方向、Z 方向位移随时间变化的曲线如图7所示。

图6 ADAMS 中机床刀头点的位移变化曲线仿真过程结束后，可通过ADAMS 提供的测量功能，测得机床动平台各铰点中心相对于各自对应的定平台铰点中心的位移时间关系曲线，如图7a)、7b)、图7c)和图7d)所示。

另外通过仿真还可以测得机床串联的摆动执行部件(即电主轴和刀具)绕其回转轴的角速度随时间变化曲线θ&，运用ADAMS 提供的曲线积分功能将此曲线在ADAMS 中积分后便得到机床串联的摆动执行部件绕其回转轴的转动角度随时间变化曲线θ，如图7e)所示。