五自由度液压机械手及PLC控制系统设计（全套含CAD图纸）
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清华科技ISSN1007021406/18PP269275第12卷,第3号,2007年6月最优运动设计的一个二自由度平面并联机械手吴军，李铁民，刘辛军，王立平制造工程研究所，精密仪器和机械学系，清华大学，北京100084,中国摘要封闭了优化设计的运动学2自由度平面并联机械手的解决方案。基于工作空间提出了优化设计。与此同时，一个全球性的，全面介绍了空调指数评估运动设计。最好的并联机械手是纳入一个五自由度混合机工具包括一个二自由度旋转机头和一个长移动工作台。结果表明，平面并联机械手的基础试机工具可以成功地用于机叶片和导叶的水力涡轮机。关键词平面并联机械手全球调节指数混合机工具介绍并行机制能够非常快速和准确的运动，具有较高的平均刚度，且特征是在他们的工作空间，具有较低的惯性,可以操纵重载荷比串行、同行。因此,并行机制在为平台的计算机数控加工的同时也被众多研究者全面研究和制造。高夫斯图尔特的该是最受欢迎的平行运动机配置，当并联运动机床首次开发。并应用在机器人技术社区易感性的范围，从高速操纵【1】来力扭矩传感【2】。但是高夫斯图尔特平台对制造业的应用程序也有一些缺点，比如它的相对小的有用的工作区,复杂的直接运动学和设计困难。并联机构少于6自由度是相对容易的设计及其运动学可以用封闭的形式描述。因此，并行机械手少于6自由度，特别是2或3自由度,已经越来越引起关注【35】。而在2个或3个平移自由度扮演重要角色的行业里，平行机械手能够适用于并联机器【6】挑选和地方应用【7】和其他领域。大多数现有的2自由度平面平行机械手是著名的五杆机构，用的是棱镜执行机构或外卷的致动器【8、9】。这机械手输出是平移运动的一种点和末端效应器取向不能保持不变。运动学设计方法的一个关键部分是平行机制运动的设计理论。优化设计可以基于不同评估标准，括刚度【10】、敏捷、或一个全球调节指数【11、12】。因此,没有一个是被广泛接受的设计方法。黄等、艾尔【13】，提出了一种混合的方法基于调节指数。而LIUXJ【14】给了一个全球刚度索引类似全球调节指数。本文描述了一个平面并联机械手的分析。机械手的两个平移自由度不同，从传统的五杆机构在一个平行四边形结构用在每个链的运动学进行了分析，得到一个最佳的运动设计。尽量减少全局,全面调节指数，结果给最优链路长。一个五自由度混合机工具的开发是由一个串并联结构和并联机械手结合1自由度平移工作台和一个二自由度旋转铣头。为制造企业混合机工具使用平面并联机械手一直用磨叶片和导叶的水力涡轮表明混合机工具是合适的。1、结构描述二自由度并联机械手的图1所示。这个机制是由一个龙门框架,一个移动的平台,两个主动滑块,两个运动链。每个链建设作为一个平行四边形。按照设计,机械手是在约束一个平行四边形链接和另一个单一的链接的足够移动平台,拥有2平移自由度。两个平行四边形链被用来增加刚度,使结构对称。收到20060602修订20060821国家自然科学基金资助的中国第50305016号和国家高科技研究和振863计划的中国NOS。2004AA424120和2005AA424223电子邮件LITMMAILTSINGHUAEDUCN电话861062792792图1运动学模型运用P1ANDP2见图1被添加到机制来提高负载能力和加速度的致动器。独立驱动的滑块由两个伺服电机在列上沿着导轨滑动安装在列,因此移动平台由纯粹的平移运动在一个平面组成。2、运动学和奇异性21逆运动学因为运动的两个链接的每个运动链是相同的平行四边形结构,链模型可以简化为一个链接AIBII1,2见图1。基坐标系OXY附加到基地以其Y轴垂直通过的中点。一个移动的坐标系统OXY是固定在移动平台。RAI和RBI分别是位置向量AI和BI的接头位置的。2R是移动平台宽度和两列。位置矢量的起源O与关于这个坐标系OXY被定义为ROXYT1位置矢量AI的位置在OXY是RA1R0T2RA2R0T3然后这个位置向量AI在基坐标系OXY可以表示为270清华大学科学与技术,2007年6月,123269275RAIRORAI4各关节的位置矢量BI位置在OXY是RB1RY1T5RB2RY2T6因此,约束方程关联第I运动链可以写成RAIRBILINI,I1,2B7在L,N表示长度和链接的单位向量,分别。以2规范双方的EQ。7给了YLY8Y2Y9为配置图1所示,逆运动学正解YLY10Y2Y11从方程式。10和11,该解决方案直接运动学的机械手可以表示为12在A,B,C,FRRBC,XAYBC13为配置见图1,“”EQ。12应该只有“”。方程713表明,直接和逆运动学的机械手可以描述在封闭形式。22奇点分析以衍生品的EQ。10和EQ。11关于时间给了胡军吴军ETAL最优运动设计的一个二自由度平面2711415方程14和15可以重新排列在矩阵形式16在J是雅可比行列式表示为17因为奇异性导致损失的可控制性和退化的自然刚度的操纵者,他们必须避免在任务的工作区。奇点可以分为直接运动学奇异点,逆运动学奇异性,结合奇异性15,可以区分机械手的雅可比行列式。当其中一个链接是水平的,机械手逆运动学的经验奇点。直接运动学奇异点时发生的一个链接链和一个链接的其他链是共线。因为L1L22R结合奇异性不能发生在该机械手。图2显示了一个例子,每个类型的奇点。在实际应用中,通过限制避免了奇异性任务的工作区。图2奇异的配置3、工作空间分析工作区为二自由度平面的并联机械手是一个区域的平面所取得的工作空间参考点O的移动平台。方程10和11可以重写为XRR2YY12L1218XRR2YY22L2219因此,可达工作空间的参考点O是交叉点的子工作区关联两个运动链见图3。图3机械手工作空间任务工作空间是一个部分的可达工作空间。在实际应用中,这个任务的工作区通常定义为一个矩形区域的可达工作空间。让最大限度的角度和,链接AIBI之间的夹角I1,2和垂直轴,用MAX和MAX。让YI,MAX和YI,MIN代表最大和最小的位置ITH滑块。当O到达点Q1滑块B1达到下限和的值最大,即YIYI,MIN和MAX。同样,当O到达点Q4，即Y2Y2,MIN和MAX。一个垂直的线通过Q1与上界的可达工作空间点Q2。Q3在Q4的正上方见图3。该地区Q1Q2Q3Q4然后构成任务的工作区,作为一个矩形的宽度B和高度H,注明WT。4、最优运动设计41优化设计基于工作区这个小节的目标是确定机械手参数所需的工作区。优化设计的范围可以表达为给定R、B,和霍夫重量,确定R,L1、L2,总长度为的滑块。从方程式10,11和17,机械手的性能与RR但不要R或R独立。实际上,R应该尽可能的小,因为较小的值R导致较小的机械手。通常,R取决于轴,轴承,和工具维度在他移动平台。因此,R应该是设计师给出的。当移动平台到达下限,见图4,以下参数关系可以被获得（20）（21）其中D的距离左列到左极限任务的工作区。在实际应用中,L1应该等于L2改善系统性能和刚度。因此（22）272清华大学科学与技术,2007年6月,123269275图4机械手的优化设计因此,对于L1L2当移动平台将从Q1到Q4点沿X轴、滑动距离的滑块在导轨应24当移动平台从点Q4到Q3传播沿Y方向,滑动距离的滑块25因此,总旅程的滑块26因为优化设计基于任务的工作区不考虑灵巧和刚度的机械手,链接长度不是最优。最优长度的链42全球,综合指数条件数的雅可比行列式作为当地的性能指标评估速度、精度和刚度映射特征变量之间的联合和移动平台。这个条件数被定义为27在和是最大和最小奇异值的导数与给定的姿势有关。和可以由求解特征方程WUJUNWUARMYETALOPTIMALKINEMATICDESIGNOFA2DOFPLANAR27328I代表一个单位矩阵的订单2。这里研究了并联机械手,29在和因为K随机制配置,一个总体的能指标作为绩效测量的最优运动设计,（30）注意,本身不能充分描述总体的整体运动学性能由于其无法描述之间的差异的最大值与最小值。黄ETAL7。提出了一种全局,综合条件指数为目标函数在运动设计。目标函数可以表示为（31）在和MAX和MIN代表最大值与最小值的K在任务工作空间和W代表重量放在的比率到。和可以计算的数值（32）在的价值评估在节点M,NM1N1同样网状的WT。5、应用程序51XNZD2415混合机工具一个二自由度平面并联机械手结合工作台有一个平移自由度在Z轴和一个铣头和两个旋转自由度约X轴和Z轴的创建一个五自由度混合串并联机床XNZD2415。与双轴铣头,该工具可以获得任何想要的取向在任务工作空间,它的高灵活性可以自由移动的工作台沿Z轴,使机床制造长的工件。任务的工作区WT的并联机械手设计为一个长方形B1600毫米宽度和H1000毫米高。机械手也有MAX80,MIN10,R75毫米。奇点理论分析表明,并联机械手的奇异性不能发生任务工作空间。最优设计基于任务的工作区结果在R12174毫米。然后通过计算最小化目标函数其他设计参数。图5表明,有最小值1916当L12060毫米为W01。基于EQ。26,它可以被获得为23452毫米。图5为不同链接最小化长度条件数的雅可比行列式的并联机械手在机床是图6所示。条件数的分布是对称的X轴。良好的运动性能是通过平衡和之间的矛盾。机床是由清华大学在中国轧机一系列叶片和导叶的水力透平发电机组并应用在哈尔滨电机有限公司。原型图7所示。274清华大学科学与技术,2007年6月,123269275图6条件数的雅可比行列式的XNZD2415机床图7XNZD2415混合机工具52XNZD2430重型机床XNZD2415之后成功的应用在对各种加工任务,哈尔滨电机有限公司需要一个混合机工具机非常大的叶片和导叶的水力涡轮机发电机组。当时另一个重型机床XNZD2430建基于二自由度并联机械手。新的类似于第一个机在结构与一个更大的XNZD2430新工作区和一些其他的包括修改两个额外的盖表固定的列和一个辅助盘固定在顶部的铣头。双方的盖表联系辅助托盘覆盖着薄铜板。辅助盘接触两个盖板和幻灯片之间的铣头动作。因此,覆盖表限制变形的铣头和提高机床刚度正常的平面机械手运动。四个括号也添加到新机床提高刚度。两个额外的非旋转铣头被设计来取代二自由度铣头,安装在侧面或底部的移动平台。这种重型机床是那么一个三自由度的机器可以机纵向或横向。WT任务的工作区在新的并联机械手别被设计为一个长方形宽度B3000毫米和高度H1800毫米与MAX,MIN。这个机械手不能达到奇异CON形状在任务的工作区。最优设计基于任务的工作区结果在R23425毫米有最小值L13550毫米,当W01。可以从EQ决定。26。主要设计参数表1中列出。表1的结果XNZD2430试机优化工具参数数值L13550MML23550MMR550MM40107MM199的分布为优化设计显示在图8。分布表明,条件数也是对称所以X轴和运动性能是最优的。图8条件数的雅可比行列式的XNZD2430机床机床的XNZD2430显示在图9是由清华大学正在很快的建造与机床的动力学和控制胡军吴军ETAL最优运动设计的一个二自由度平面275的测试。图9XNZD2430机床的原型6、结论运动学设计的一个二自由度平面并联机械手已被调查。调查显示如下。1两列之间的距离通常是通过优化设计基于工作区。2一个全球性的,综合性能指标,包括均值和条件数的范围的雅可比行列式在任务工作空间,可以用来有效地优化运动设计。3平面并联机械手建立机床被成功用于机叶片和导叶的水力涡轮机。另一个重型机床基于并联机械手被建立更大的加工任务。参考文献1BEQONP,PIERROTF,DAUCHEZP模糊滑模控制的快速并行机器人。在IEEE机器人与自动化国际会议上,199511781183。2FERRARESIC,PASTORELLIS,SORLIM,ZHMUDN静态和动态行为的高刚度STEWART平台力/力矩传感器。机器人系统杂志,1995,1212883893。3吴J,李TM,唐XQ鲁棒轨迹跟踪控制的一个平面并联机构。J清华大学SCI。工艺。,2005年,455642646。在中国4KOCKS,SCHUMACHERW平行XY机制与驱动冗余应用为高速和活跃的刚度。在IEEE机器人与自动化国际会议上。鲁汶。比利时,199822952300。5刘XJ,王QM,小王JS运动学、动力学和空间合成二自由度平动机械手的一本小说。智能和机器人系统杂志,2004年,4142052246小王JS,唐XQ分析和空间设计的一种新型的混合机工具。国际期刊的机床和制造,2003年,4376476557黄T,李ZX,李M,CHETWYNDDG,GOSSELINCM概念设计和空间合成的二自由度平动并联机器人小说为选择和地点操作。ASME杂志机械设计,2004,1263449455。8高F,刘XJ,GRUVERWA绩效评估两个程度的自由平面并联机器人。机制和机理论,1998,336661668。9MCCLOYD一些比较串行驱动和并行驱动的机械手。ROBOTICA,1990,84355362。10ARSENAULTM,BOUDREAUR合成一个通用平面并联机械手与棱镜关节最佳刚度。在第11届世界大会在机制和机科学。北京中国机械出版社,200416331637。11GOSSELINCM优化设计的机器人机械手使用灵巧指数。机器人和自治系统,1992,94
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