并联机床专题讲座并联1

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。 与传统机床相比，并联机床具有如下优点： 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； 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； 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； 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； 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。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。进入八十年代以后，随着工业机器人应用的发展，机器人的研究逐渐成为热点，工业机器人结构向着多样化的方向发展。人们开始认识到并联机构运动结构的重要性。在随后的十多年间， Hunt、 Fichter、 Gosselin等对并联机器人和并联机构的理论进行了广泛深入的研究 ，取得了不少研究成果。如由 Clavel在1986年提出的 DELTA机构、由 Pierrot在 1991年提出的 Hexa机构、由 Herve在 1992年提出的 Star机构、由 Tsai在 1996年提出的 Tsai机构和由 Hebsacker在 1999年提出的 Hexi-glide机构等等目前，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。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。图 1.2 Ingersoll公司的 Haxapod图 1.1 Giddings& Lewis 公司的 VARIAX二、并联机构的应用随着并联机构技术应用的深入，并联类构型已不仅仅局限于并联机床等加工类设备，而被广泛的应用于人们生产和生活的各个方面，如 航空航海领域、加工制造、装配领域、轻工业领域和医疗器械领域、特种加工、微动机构、测量作业、焊接、铆接、土方挖掘、煤矿开采、娱乐设施、天文望远镜、机器人手臂和灵巧眼等很多方面 。图 2.1 并联机构用于医疗器械 图 2.2 飞行模拟器图 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图 2.6 游戏动感椅图 2.5 并联机构应用于电子行业三、 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1. 并联机床运动学一种空间三自由度并联机器人机构 (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。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。两维移动一维转动三轴并联机床结构 两维移动两维转动四轴并联机床结构 一种四自由度并联结构 (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。XNZ2010 作业空间的边界 l1=l2=1150l1=l2=1200l1=l2=1250Stewart平台控制轴最短距离与刀具自转角的关系对 XNZ2010进行标定试验2 并联机构精度和标定技术的研究一种用于空间全位置和姿态的测量方法及其装置开发了适用于工业现场环境的并联机构预标定算法；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。研究了基于少自由度测量信息的标定技术。铰链间隙的误差补偿算法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% (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。3. 并联机床动力学VAMT1Y 刚度分析（ 解析法）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 0.0513两者比值 0.984 0.981 0.991 0.991 0.987有限元模型VAMT1Y 刚度有限元分析XNZ63刚度理论分析（ 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x方向的刚度 Y方向的刚度 Z方向的刚度 机架变形占总变形的比值 位置 I II III IV V理论结果 91.292 95.170 80.025 75.593 86.5FEA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有限元模型XNZ63 刚度有限元分析用 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 图 2-5XNZ63线框模型图XNZ63的 模态分析模型（解析法）机床 1、 2、 3阶频率分布(2)并联机床模态分析XNZ63模态分析（有限元法）有限元模型 一阶频率表 位姿 时机床低阶频率频率 (Hz) 一阶 二阶 三阶Ansys 59.239 59.239 66.230结构动力学方程 66.397 66.397 71.128相差 12.1% 12.1% 7.4%解析法和有限元法结果比较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。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。(4)非线性动力学的研究(1)弹性动力学响应（ XNZ63）给定规律的切削力下机床系统的动态响应4. 并联机床切削性能与工艺(2)并联机床动态特性及其对加工性能影响规律的研究 研究内容：基于刚体动力学建立并联机床动力学模型；采用数值计算和计算机仿真方法，研究并联机床在运行过程中刀具处于不同位置、姿态以及承受不同载荷情况下刚度的非线性特性和变化规律；研究并联机床刚度特性对加工精度的影响规律；考虑到并联机床的分布参数效应、系统的内阻尼、铰链、轴的弯扭耦合效应、不平衡、刚度不对称以及其它非线性因素的影响，构造并联机床弹性体系统的非线性动力学模型；研究并联机床的动力学特性对不同加工过程的影响规律，以形成相应的自动推理模块，保证加工过程的稳定性；研究并联机床的振动特性及其对加工精度的影响规律；建立并联机床动力学特性实验和监测系统，进行动力学特性的实验监测和分析 ,以验证理论研究的正确性，提出动力学模型的修正方案；建立并联机床切削力和精度测量的实验和监测系统，测取相关实验数据并处理、分析，验证提高加工精度和稳定性策略的正确性；通过对并联机床关键技术的理论与实验研究，从设计、控制策略等方面提出合理化改进或指导方案，以利于提高机床的精度、刚度和稳定性等性能和指标，为新型并联机床的设计、制造、推广以及提高加工精度和可靠性等方面的研究提供理论基础和相关的模块化软件系统。关键问题：并联机床动力学模型的建立；高效算法的研究；并联机构的非线性特性和运动规律；并联机构动力学特性对加工精度、加工过程稳定性的影响规律；通过动力学特性的研究，给实际加工过程提出相应的控制策略和相关的模块化