并联机床设计理论、技术与设计环境
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表 W 并联机床运动分配方案 X Y Z [ \W X ] \^_ ‘ \ ^\ a b Y [ [ _ c Y b d _ ad ae fX g
方案 主进给机构 工件平台 固定位姿 水平单向移动 水平二方向移动 三自由度移动 三自由度姿态变化 六自由度或五自由 度位姿运动
并联机床# 又称 H $ M 1 / 1 ’ ’ 8 ’ N1 @ 4 5 0 8: & & ’ 9 O <? 9 虚# 拟$ 轴机床 # H H 7 5 / : . 1 ’ 1 P 5 9N1 @ 4 5 0 8: & & ’ %L<?$ 是空 间 并联机器 人 技 术 与 机 床 结 构 技 术 相 结 合 的 产 物H 其最初原型是 + 并联 D E ,年 提 出 的 Q : 8 R1 / : 操作机 ( 美国等工业发达 国 家先 后 推 出 D "年代中 H 多 种 并 联 机 床 商 业 化 样 机H 引起世界制造业的轰 动H 誉之为S 机床结构的重大革命T G S * +世 纪 的 新 一 代数控加工设备T 目 前H 国际学术界和工程 ( 我国机床行 界对并联机床的研究和开发非常重视 H
& F B
中国矿业大学学报 " 自然科学版 #
第& F卷
下! 寻求含一个主刚体 " 动平台 # 的并联机构杆副配 置$ 驱动方式等的组合方案 ( 首先需要确定并联机构整体方案 ! 在结构型式
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少自由度并联构型 ! 此为运动约束法 ( + ( C 构型分析与优化 实现姿态能 对设计出的构型进行运动自由度 $ 力$ 工 作 空 间$ 奇 异 性$ 灵 活 度$ 运动干涉等的初步 并对构型的支链杆件布局 $ 平台外形 $ 铰链配 分析 ! 置等 进行 局 部 优 化 调 整 ! 以 避 免 构 型 奇 异! 减少支 链干涉 ! 扩大工作空间 ! 提高运动灵活度 (
表 , 并联机构组成要素表 . / 0 1 2, . 3 22 1 2 42 5 6 7 8 9: ;<7
运动副 转动副 = 滑动副 > 虎克铰 ? 球铰 @ 驱动器 内副滑动 A 伸缩腿 滑轨副 外副滑轨 外副转动 平台型式 普通平台 角台 滑轨 A 立柱式 横梁式 多边形 环形 星形 正交式 铰链配置 单铰链 复合铰链 单层布局 分层布局 布局形状
& ! H ’ 数! 完成并联机构的参数设计 % (
针对不同类型的并联机构 ! 采用某种数学求解 方法! 具体 建 立 运 动 学 评 价 指 标 的 数 学 模 型 ( 为保 证并联机构总体性能最优 ! 应研究兼顾多种运动学 性 能指 标 $ 简 便$ 高效的并联机构运动学尺度综合
& ’ 算法 % (
间分析必须建立在并联机构运动学正逆解 $ 奇异位 形$ 运动干 涉 分 析 的 基 础 上 ! 相关理论研究较受重 视( 对于六自由度并联机构由于六维空间位置和姿 需 要 降 维 处 理! 一种方法是采用指 态空 间的 耦 合 ! 定章 动角条 件下 的 工 作 空 间 体 积 与 F章 动 角 工 作 G ! H ’ 空 间 体 积 的 比 例 关 系 来 描 述% 少自由度并联机 ( 构工作空间大小需具体研究 ( , ( + ( , 操作灵活度 并联机构的一阶影响系数矩阵 ! 或称广义速度 映射矩阵即雅可比矩阵 I 其奇异值为广义空间可 ! 操 作椭 球 的 半 轴 长 ( 利 用 其 奇 异 值 可 构 造 条 件 数$
% & ’
, 并联机构运动学分析与尺度综合
在构型设计的基础上 ! 必须经过详细的运动学 分析和尺度综合 ! 才能得出满足机床加工运动要求 的并联机构 ( , ( + 并联机构运动学分析 对并联机构进行运动学分析 ! 是评价并联机构 性 能的 重要 内容 ! 也是机构尺度参数优化设计" 尺 度综合# 的依据 ( 通常主要分析工作空间和操作灵 活度 ( , ( + ( + 工作空间分析 工作空间分析主要研究工作空间及其大小评
& ! E ’ 价% 并寻求对尺度参数的解析表达形式 ( 工作空 !
的构型设计可采取下述方法 * + ( , ( + 型数综合法
’ 根据对并联机构运动自由度的计算公式 % 确 !
定并联机构的支链数及各支链自由度数" 基本副 此为数综合 ( 数# ! 在数综合基础上 ! 根据动平台运动要求确定各 支 链 运 动 副$ 驱 动 器 配 置! 动$ 静 平 台 型 式! 铰链配 置等 ! 最终确定并联机构的构型 ! 此为型综合 (
上 有 纯 并 联$ 串 并 联$ 混 联! 驱 动 方 式 上 有 内 副$ 外 副$ 内外副混合驱动 ( 设计过程中应充分发挥并联 ) 串联 $ 内副 ) 外副驱动各自的优越性 ! 以使并联机床 获得较佳的性能 ( 由于六自由度并联机构工作空间较小 ! 无显式 运 动 学正 解 ! 设 计 和 控 制 比 较 复 杂! 主进给和工件 平 台采取以少自 由 度 并 联 机 构 为 基 础 的 混 联 构 型 已成为一种发展趋势 除去混联结构中的串联部 ( 分易于被解耦而简单实现外 ! 纯并联或串并联部分
% D ’
最大奇异值与最小值的比值 $ 最小奇异值和奇异值 乘积 ( , ( , 运动学尺度综合 运动学尺度综合以工作空间和操作灵活度等 运动学分析为基础 ! 以在编程空间内实现预先给定 的 位姿 能力并 使 得 操 作 性 能 等 运 动 学 性 能 最 优 为 目标 ! 确定主动关节变量的变化范围和机构尺度参
方案一 六自由度或五自由度位姿运动 方案二 二方向移动和三方向转动 方案三 垂直移动和三方向转动 方案四 三自由度姿态变化 方案五 三自由度移动 方案六 固定位姿
由 于 工 件 及 其 平 台 质 量 较 大H 方案一最常采 用( 但针对 具 体 的 加 工 对 象 H 选择其它方案有时更 加合理 H 例如长形工件的加工采用方案二就较好 ( W ( h 并联机构构型设计 根据确定的运动分配方案 H 分别设计主进给机 构和工件平台运动机构的构型 ( 并联机构构型设计是在给定的姿态实现目标
第 X期
朱 煜等 d 并联机床设计理论 9 技术与设计环境
X = X
! 并联机床整机详细设计
! " # 整机结构设计 以并联机床构型为基础 $ 以机构尺度综合产生 进行并联机床整机结构的设 的 并 联 机 构 为 核 心$ 计$ 产生包括机床所有零部件及其装配关系的设计 结果 " ! " # " # 机床基架 根据不同的构型中基础平台的结构型式 $ 设计 相应的机床的基架 " 如% 和清华大学采用珩 & ’ ( ) * + , , 刚 度 大$ 质 量 轻$ 便 于 组 装" 采 架 式 结 构$ ( + . ( / 0 1 这种结构可以获得较好 $ 的强度$ 减 少 机 床 本 体 振 动$ 提高机床的刚度和精 度$ 也使支链获得相对较大的转动角度 "
2 3 4
造刚度椭球 $ 指定位形下的静刚度定义为刚度椭球 的体积 $ 即特征值乘积 " 最大与最小特征值比值 M 静 反映相应位形下的刚度各向均衡性 " 刚度条件数 J ? J动 态 操 作 性 能 广 义 惯 性 椭 球 操 作 空 间 L< G L< 惯性矩阵 R M N JO M P JM N J S M N J P M N J $ S M N J为 操作臂 惯性矩 阵 " 用R M N J特 征 值 构 造 广 义 惯 性 椭 球$ 相应位形下椭球越圆 $ 并联机构加速性能越好 " 操 作加速 度 TO U M N J V $ V W W 为关节驱 动力 矩 " 以关 系矩 阵 U 奇 异 值 为 主 轴 M N J 构造动态可操作椭球 " 仿照操作灵活度指标构造方 法$ 利用 U的奇异 值分别 可定 义动态 条件数 9 动态 最小奇异值和动态可操作性指标 $ 反映加速性能和 动态可操作性能的好坏 "
’ 最小奇异值和可操作性三种灵活度指标 % 分别为 !
由 表 B可 见 ! 由于并联机构组成要素的多样 性! 组合出 可 能 的 并 联 构 型 极 为 多 样 ( 型综合就是 选择合适的结构组合型式 ! 形成满足要求的并联构 型( 研究以组合数学和拓扑理论为基础的构型创新 算法有一定的工程应用价值 ( + ( , ( , 构型衍生法 型数综合会涉及大量的可能方案 ! 且很多组合 方式不能构成有效构型 ! 其构型设计存在相当大的 困难 ( 根据典型成熟并联构型 ! 进行驱动方式 $ 驱动 器结构 $ 平台型式等的改变 ! 产生新的构型 ! 称之为 构型衍生法 ( 这种方法往往能简便快捷地得到较为 满意的设计结果 * + ( , ( C 运动约束法 将六自由度并联构型删除几个驱动器使动平 台运动不确定 再引入动平台运动约束从动支链 ! 万方数据 或在各支链中引入运动约束 ! 即可形成符合要求的
第! "来自百度文库 第 !期 * " " +年 ,月
中国矿业大学学报 # 自然科学版 $
& . / 0 1 ’ & 2 3 4 5 0 160 5 7 8 / 9 5 : ;& 2 <5 0 5 0 => ? 8 @ 4 0 & ’ & = ;
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摘要 B结合并联机器人学理论和并联机床开发的工程实践 H 对并联机床的构型设计 G 机构运动学 设计 G 整机结构设计 G 动力学设计 G 精度设计 G 数控系统 设计的 理论 G 技术进 行了较 为系统 性的 讨 论H 对并联机床的设计环境及虚拟产品设计技术的采用作了初步探讨 ( 关键词 B并联机床 J 构型设计 J 运动学 J 动力学 J 精度设计 J 数控系统 J 设计环境 J 虚拟产品 中图分类号 B? " * K, 文献标识码 BL 形成 型设计使并联机床实现各种实际的加工功能 H 门类 齐全 G 产 品 线 丰 富 的 系 列 加 工 装 备H 满足不断 成长的制造业对加工装备的需求 ( W ( W 确定机床加工运动的分配方案 根据机床加工过程中对刀具与工件表面相对 运动位姿实现能力的要求 H 可分别确定刀具主进给 机构和工件平台的位姿实现能力 ( 例 如H 对 于 五 坐 标 加 工 机 而 言H 表 +中 实 现 位 姿能力的分配方案都是可行的 (
文章编号 B + " " " C + D E F # * " " + $ " ! C " ! " + C " E
并联机床设计理论 G 技术与设计环境
朱 煜+ H汪劲松 * H张永忠 + H张 华* H李剑锋 *
* * + " " I J + " " " I F $ # + (中国矿业大学 机电与材料工程学院 H江苏 徐州 * (清华大学 精密仪器与机械学系 H北京
W 并联机床构型设计
构型设计是并联机床设计的首要环节 ( 通过构
收稿日期 B* " " " + * + + 基 金 项 目 B国 家 S 资助项目# 国家自然科学基金资助项目# 国家S 资助项目# D i ! T + D D I " ! " E " i $ J , D i i , " " E H , " " F , " + I $ J I E ! T I E ! C , + * C " F C K 教育部博士点基金 # 清华大学 S 资助项目 + D H I E ! C , + + C D F ! C " " E $ J D i " " , E " i $ J D I , T 万方数据 作者简介 男H 江苏省兴化市人H 中国矿业大学副教授H 工学硕士# 博士研究生$ 从事机械工况G 监测与故障诊断G 并联 B朱 煜 # + D E , C $ H H 机床与虚拟制造技术方面的研究 j
U + H * V
业正面临着新的机遇和挑战 ( 由于并联机床的理论和设计技术尚未完全成 目前并 联 机 床 的 加 工 性 能 与 传 统 数 控 机 床 G 加 熟H 工中心相比仍有不足 ( 人们希望通过对并联机床设 提 高 并 联 机 床 的 作 业 性 能H 充 计 技术的 深 入 研 究 H 分 发 挥并 联 机 构 刚 度 重 量 比 大 G 响 应 速 度 快G 结构 布局灵活等优点 H 使并联机床与传统数控机床相比 真正具备竞争力 ( 本 文 从 并 联 机 床 构 型 设 计G 机 构 运 动 学 设 计G 整机 详 细 设 计 G 数 控 系 统 设 计G 以及设计环境等方 面H 结合并 联 机 床 开 发 的 工 程 实 践 H 系统化地讨论 了并联机床相关理论及技术 H 并对其研究方向进行 初步探讨 (
方案 主进给机构 工件平台 固定位姿 水平单向移动 水平二方向移动 三自由度移动 三自由度姿态变化 六自由度或五自由 度位姿运动
并联机床# 又称 H $ M 1 / 1 ’ ’ 8 ’ N1 @ 4 5 0 8: & & ’ 9 O <? 9 虚# 拟$ 轴机床 # H H 7 5 / : . 1 ’ 1 P 5 9N1 @ 4 5 0 8: & & ’ %L<?$ 是空 间 并联机器 人 技 术 与 机 床 结 构 技 术 相 结 合 的 产 物H 其最初原型是 + 并联 D E ,年 提 出 的 Q : 8 R1 / : 操作机 ( 美国等工业发达 国 家先 后 推 出 D "年代中 H 多 种 并 联 机 床 商 业 化 样 机H 引起世界制造业的轰 动H 誉之为S 机床结构的重大革命T G S * +世 纪 的 新 一 代数控加工设备T 目 前H 国际学术界和工程 ( 我国机床行 界对并联机床的研究和开发非常重视 H
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第& F卷
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运动副 转动副 = 滑动副 > 虎克铰 ? 球铰 @ 驱动器 内副滑动 A 伸缩腿 滑轨副 外副滑轨 外副转动 平台型式 普通平台 角台 滑轨 A 立柱式 横梁式 多边形 环形 星形 正交式 铰链配置 单铰链 复合铰链 单层布局 分层布局 布局形状
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针对不同类型的并联机构 ! 采用某种数学求解 方法! 具体 建 立 运 动 学 评 价 指 标 的 数 学 模 型 ( 为保 证并联机构总体性能最优 ! 应研究兼顾多种运动学 性 能指 标 $ 简 便$ 高效的并联机构运动学尺度综合
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间分析必须建立在并联机构运动学正逆解 $ 奇异位 形$ 运动干 涉 分 析 的 基 础 上 ! 相关理论研究较受重 视( 对于六自由度并联机构由于六维空间位置和姿 需 要 降 维 处 理! 一种方法是采用指 态空 间的 耦 合 ! 定章 动角条 件下 的 工 作 空 间 体 积 与 F章 动 角 工 作 G ! H ’ 空 间 体 积 的 比 例 关 系 来 描 述% 少自由度并联机 ( 构工作空间大小需具体研究 ( , ( + ( , 操作灵活度 并联机构的一阶影响系数矩阵 ! 或称广义速度 映射矩阵即雅可比矩阵 I 其奇异值为广义空间可 ! 操 作椭 球 的 半 轴 长 ( 利 用 其 奇 异 值 可 构 造 条 件 数$
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方案一 六自由度或五自由度位姿运动 方案二 二方向移动和三方向转动 方案三 垂直移动和三方向转动 方案四 三自由度姿态变化 方案五 三自由度移动 方案六 固定位姿
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由 表 B可 见 ! 由于并联机构组成要素的多样 性! 组合出 可 能 的 并 联 构 型 极 为 多 样 ( 型综合就是 选择合适的结构组合型式 ! 形成满足要求的并联构 型( 研究以组合数学和拓扑理论为基础的构型创新 算法有一定的工程应用价值 ( + ( , ( , 构型衍生法 型数综合会涉及大量的可能方案 ! 且很多组合 方式不能构成有效构型 ! 其构型设计存在相当大的 困难 ( 根据典型成熟并联构型 ! 进行驱动方式 $ 驱动 器结构 $ 平台型式等的改变 ! 产生新的构型 ! 称之为 构型衍生法 ( 这种方法往往能简便快捷地得到较为 满意的设计结果 * + ( , ( C 运动约束法 将六自由度并联构型删除几个驱动器使动平 台运动不确定 再引入动平台运动约束从动支链 ! 万方数据 或在各支链中引入运动约束 ! 即可形成符合要求的
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摘要 B结合并联机器人学理论和并联机床开发的工程实践 H 对并联机床的构型设计 G 机构运动学 设计 G 整机结构设计 G 动力学设计 G 精度设计 G 数控系统 设计的 理论 G 技术进 行了较 为系统 性的 讨 论H 对并联机床的设计环境及虚拟产品设计技术的采用作了初步探讨 ( 关键词 B并联机床 J 构型设计 J 运动学 J 动力学 J 精度设计 J 数控系统 J 设计环境 J 虚拟产品 中图分类号 B? " * K, 文献标识码 BL 形成 型设计使并联机床实现各种实际的加工功能 H 门类 齐全 G 产 品 线 丰 富 的 系 列 加 工 装 备H 满足不断 成长的制造业对加工装备的需求 ( W ( W 确定机床加工运动的分配方案 根据机床加工过程中对刀具与工件表面相对 运动位姿实现能力的要求 H 可分别确定刀具主进给 机构和工件平台的位姿实现能力 ( 例 如H 对 于 五 坐 标 加 工 机 而 言H 表 +中 实 现 位 姿能力的分配方案都是可行的 (
文章编号 B + " " " C + D E F # * " " + $ " ! C " ! " + C " E
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朱 煜+ H汪劲松 * H张永忠 + H张 华* H李剑锋 *
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W 并联机床构型设计
构型设计是并联机床设计的首要环节 ( 通过构
收稿日期 B* " " " + * + + 基 金 项 目 B国 家 S 资助项目# 国家自然科学基金资助项目# 国家S 资助项目# D i ! T + D D I " ! " E " i $ J , D i i , " " E H , " " F , " + I $ J I E ! T I E ! C , + * C " F C K 教育部博士点基金 # 清华大学 S 资助项目 + D H I E ! C , + + C D F ! C " " E $ J D i " " , E " i $ J D I , T 万方数据 作者简介 男H 江苏省兴化市人H 中国矿业大学副教授H 工学硕士# 博士研究生$ 从事机械工况G 监测与故障诊断G 并联 B朱 煜 # + D E , C $ H H 机床与虚拟制造技术方面的研究 j
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