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并联
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并联机床实验台总体结构设计,并联,机床,实验,总体,结构设计
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机0405 11号 马吟川 指导老师：许宝杰设计并联机床使用kinetostatic标准的表现/ftp/arxiv/papers/0705/0705.1038.pdf1 介绍多数工业机床有一个串行运动学架构，这意味着每个轴进行下列工作时，包括其执行机构和联接点高速加工突出了一些弊端，例如架构：较重的运动部件需要从机械结构高刚度，以限制弯曲问题，即降低机床精度，并限制动态表现的曲线。这就是为什么并联机床吸引了越来越多的研究人员和公司，因为它们据称提供了单独的优势，如高结构刚度和高动态的能力。事实上，并联安排的联系，可提供更高的刚度和较低的误差，减少惯性的影响。因此，并联机床有更好的动态性能。然而，设计一个并联机床是一个艰巨的任务，在进一步的研究之前，广泛地在工业用途中的调研，是必不可少的。许多标准要考虑到在设计一个并联机床。我们要特别注意描述并联机床标准依赖于现有的雅可比矩阵的机制。该组织的这份文件具体内容如下：未来介绍总论约并联机床，那就是解释了为什么并联机床是不可替代机床的设计。一个设计中的应用了一次小规模的机床样机研制irccyn。2 关于并联机床2.1 总论第一次工业应用并联机床是The Gough平台（图1 ） 设计于1957年，以测试tyres1 。并联机床当时已使用多年，在飞行模拟器和机器人applications2因为他们的低移动质量和高动态表演。由于发展的高速切削加工，并联机床已成为有趣的替代机床。图1 The Gough platform随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象，而相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点：(1) 结构简单、价格低 机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。(2) 结构刚度高 由于采用了封闭性的结构(closed-loop structure)使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。(3) 加工速度高，惯性低如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。(4) 加工精度高由于其为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果(averaging effect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。(5) 多功能灵活性强由于该机床机构简单控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。(6) 使用寿命长由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。(7) Stewart平台适合于模块化生产对于不同的机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新的机构参数输入。(8) 变换座标系方便由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成，非常方便。Stewart平台应用于机床与机器人时，可以降低静态误差(因为高刚性)，以及动态误差(因为低惯量)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小，且其在工作空间上有着奇异点的限制，而串联工作平台，控制器遇到奇异点时，将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差，但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力，无法完成固定负载对象。在并联机床，工具是以底座作为支撑做伸缩性运动，下图为伸缩运动简图。一般均作伸缩臂的同固定结点（图2A ）条，或固定长度的伸缩臂与滑动结点（图2b ）条。图2a A bipod PKM图2b A biglide PKM22 奇点奇异的配置（也称为奇点）的一个并联机床可能出现内工作空间或在其边界。有两种类型的奇点 。一个配置叫做有限速率，在结点处需要极大的速率，是所谓的一个序列奇异性。配置工具不能抗拒任何阻力，并且会转变得无法控制， 所谓平行奇异。平行的奇异尤其不可取因为他们导致以下几个问题： 结点处受力过高，这可能会损害结构，减少了该机制的刚度，这会导致无节制的运动规律工具虽然驱动关节锁死。图3A及3B及第查看奇异为biglide机制图。图2B在图3 A ，我们有一个串行奇异。速度放大系数沿垂直方向是无效的力量放大系数是无限的。 图3B及第显示一个平行的奇异性。速度放大系数是无穷，沿着垂直方向和部队放大系数是接近于零。注：一高流速放大系数并不一定是可取的，因为舵机编码器分辨率扩增，因此，准确度较低。图3a. A serial singularity图 3b. A parallel singularity2.3 工作和装配方式一个序列（或平行）的奇异性，是与转变工作模式6（或者装配模式）。举例来说， biglide有四种可能的工作模式某一特定工具的位置（每个结点的，可以向左边或到右边的中间位置相对应的串行奇异，在图4A ）及两项装配模式，为某个结点处进行输入（该工具是高于或低于此水平线对应平行的奇异性，图4 ）。选择装配模式和该工作模式，可明显影响的行为机制。图 4a. The four working modes图 4b. The two assembly modes3 并联机床作为替代机床设计31局限性串行机床今天，新设计的机床受益于技术的改进部件，如主轴，线性传动，轴承。多数机床是基于串行架构（图5），其优点是输入/输出关系，是简单的。3.2并联机床潜力机床设计低移动质量的并联机床和良好的刚度，使速率（截至100米/分钟）和加速度（ 1至5克） ，这是我们设计并联系统所需要的高速切削加工。并联机床是非常准确的，确切地说在有些情况下不是这样的，只有在牵引或压缩时，才会显现出来。但是，也有许多结构性差异，串行和并行机床，这使得让他们的表现很难它的优势才能被突出体现。3.3 并联机床带来的问题a) 这个工作一并联机床已不是一个简单的几何形状，它的功能量减少了，相比，要占用的空间，我们可以看图五。图5 Workspace sections of Tricept 805b) 对于一个串行的机制，在速度和扭矩投送比例是常数的工作空间。作为并行的机制，相比之下，这些比例可能会有所变动显著，因为位移的工具并不是线性关系到位移的驱动装置。在某些部分的工作空间，最大进给速度和进给时的受力，会有最大速度和力量驱动能的产生，这一点尤为如此。在奇异性，速度，准确性和力量的比例达到极端价值观。c) 标定并联机床是个相当复杂的，这取决于运动学模型本身的复杂性。4 现有并联机床设计4.1 充分并联机床我们所说的充分并联机床是并联机床有许多程度新闻自由作为支撑。对图7 ，我们可以看到一个3自由度的充分并联机构3伸缩臂的。每一支杆材料是一种旋转接头，棱柱驱动关节和旋转联合。图6 3-RPR fully parallel mechanism充分并联机床变长了伸缩臂是所谓hexapods 。 hexapods是灵感源于The Gough平台。第一个并联机床是六足 variax 吉丁斯和刘易斯在1994年在imts在芝加哥。 hexapods 6 自由度。多一个最近的例子就是cmw300 ，六足头设计由度（图7 ）图7 Hexapod CMW 300充分并联机床与固定长度的伸缩臂能有三，四或六只脚。该urane的SX（figures8和13 ），从雷诺自动化是一个三腿机，其刀具只能沿X ，Y和Z轴，其建筑灵感来自三角洲robot9 ，设计，取放申请。该六米，丰田是一个六个伸缩臂的并联机床（图9 ）。图8 Renault automation Urane SX图9 Toyoda Hexa M4.2其他并联机床该tricept 805，是一种广泛使用的并联机床增加了伸缩臂的长度（图5 和第10条） 。该tricept 805有一个混合结构：两自由度手腕串联安装在一个三角架结构。另一项则是不完全平行，是（图11 ）由塞纳technology10 ， 11 。 这种偏离类型是一个overactuated并联机床快速加工，有能力一次性加工五个表面，这归功于有了第二主轴。图10 Tricept 805 from Neos robotics图11he Eclipse, from Sena Technology5设计一个并联机床5.1 总体设计为了满足当今时代需要，我们所需要的机器将设计通过一套设计参数，如机器形态（串行，并行或混合运动学结构），这台机器几何（连接尺寸，联合的方向和联合不等），类型的致动器（线性或旋转电机），该型伸缩缝（棱柱形或旋转），数量和类型的自由度工作。5.2 并联机床达到足够标准只有这样，在设计过程中，才能应对由于奇点是整合并联机床业绩标准。并联机床业绩标准评价能力的一个机制来传送力量还是速度，从励磁机，以该工具。这些并联机床业绩标准必须能够保证最低刚度，精度和速度的表演，沿各个方向在并联机床整的个工作区。为了实现这一目标，我们使用两种互补的标准：现有的雅可比矩阵J号的并联机床，所谓调理指数，以及可操作性椭球与j12 。雅可比矩阵j涉及联合利率工具速度等。这也涉及静态工具，努力动的努力。该空调指数的定义是，两者的比例约为最高及最小特征值J的空调指数不同，从1到无限大。在一个奇异，该指数是无限大。这是一在另一项特殊的配置要求各向同性的配置。在此配置模式下， 工具，速度和刚度都是平等的全方位方向发展。该空调指数措施该均匀分布的速度，并努力靠近一个给配置，但并不告知有关的速度扩增或阻力因素。该操作性椭球的定义是从矩阵。主轴线该椭球的定义是由特征向量和长度的主体是平方根的特征值。特征值有联系与速度（或强迫）扩增因素沿主轴线的可操作性。这些标准是用来在wenger13 ，优化工作空间形状和表演的均匀程度orthoglide ，三自由度的并联机床专用铣削时应用（图12 ） 。图12 A section of Orthoglides optimised workspace5.3 技术问题如果并联机床的伸缩臂因为过热而锁死，则并联机床的准确性与伸缩臂的翘曲由于供热所造成的摩擦所产生的热量有关。因此，除了制造不准确，标定一个让并联机床不得不
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