（机械制造及其自动化专业论文）三平移激光加工并联机床的设计与研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 并联机床具有结构简单紧凑、刚度好、运动速度快、精度高等优点， 是新一代机床的发展趋势之一，也成为当前机床行业的研究热点。激光 加工技术具有非接触、无污染、低噪音等特点。因此，结合并联机床与 激光加工技术的特点，设计与研究一种三平移激光加工并联机床具有重 要的理论研究意义与工程应用价值。 针对三平移激光加工并联机床，本文在科技部与江苏省中小企业基 金的资助下，主要做了以下工作，其中包括机床机构的选型、整体方案 设计、机床工作空间与条件数等性能分析与参数优化、a d a m s 运动学 仿真验证与机床的a n s y s 动态性能分析等。 首先，应用并联机构构型方法，分析运动副组成，得到了以平移副 作为驱动副的单支链结构。结合平移副在静平台上位置矢量的分布，得 到了一系列并联机构构型。通过比较，选择了一种结构对称、安装方便 的并联机构作为机床结构，并计算机床的自由度。通过激光系统的介绍 与分析比较，选择了n d ：y a g 激光器与激光光纤柔性传输这一组合的激 光系统，并最终得出三平移激光加工并联机床的整体方案。 其次，通过建立并联机床的坐标系统，得到了机床的运动约束方程， 并求解了机床的运动学正反解。通过求解机床的雅克比矩阵，得到了机 床的奇异位形，进一步分析得到机床动平台的9 条轨迹线下的各滑块速 度特性曲线。通过求解微分方程，建立了机床的几何参数误差模型。 之后，分别应用几何法与边界搜索法对并联机床的工作空间进行了 求解与分析；通过求解雅克比矩阵的条件数，得到了机床机构的局部条 三平移激光加工并联机床的设计与研究 件指标( l c i ) 与全局条件指标( g c i ) ；基于工作空间与全局条件指标( g c i ) ， 通过b p 网络算法建立了目标函数，进而应用遗传算法对机床几何参数 进行优化，并获得了满意的参数结果。 最后，通过a d a m s 软件建立了并联机床的数字化虚拟样机，对两 种运动轨迹( 立方体与螺旋线) ，进行了仿真，验证了并联机床的运动学性 能。应用a n s y s 软件建立机床的有限元模型，分析机床两种姿态下的 模态，得到了机床固有频率与模态振型。通过对2 7 组不同几何参数组合 下的机床进行模态分析，得到了固有频率与机床几何参数的关系，从而 为机床的设计与进一步优化提供了理论基础。 本文的工作为三平移激光加工并联机床的设计与运动控制提供了理 论依据。同时，为机床的构型、机构参数优化、机床的仿真与性能分析 提供了方法，并积累了经验。 关键词：并联机床，激光加工，性能分析，参数优化，运动仿真，模态 分析 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep 甜a l l e lm a c h i n et 0 0 lh a sb e c o m et h e 玳啊g e n e r a t i o nm a c h i n et 0 0 la n di th 舔 a l s ob e e nt h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u si i lt h em a c l l i n et o o l i n d u s t r ) rb e c a u o fi t ss i i l l p l e 觚d c o m p a c ts t n l c t l l r e ，g o o ds t i f 缅e s s ，h i 曲s p e e d ，e t c t l l l el a s e rp r 0 c e s s i n gt e c h n o l o g yi s 锄 a d v a n c e d p r o c e s s i n gt e c l u l o l o g y w h i c hh 鹊t h ec h a r a c t e r i s t i 娼0 f n o n - c o n t a c t ， l o w - p o l l u t i o n 趾dl e s s - n o 硫s oi ti ss i 印i f i c 如ta n dv a l u a b l et 0d e s i 印柚ds t u d ya3 - d o f t r 柚s l a t i o n a jl a rp r o c e s s i n gp a r a j l e lm a c h i n et 0 0 1 t h i sp a p e rc o n s i s t so ff o l l o w i n gp a n s ：m e c h 锄i s m l e c t i o n ，t h e0 v e r a l ld e s i 印o ft h e m a c h i n e t 0 0 l ， w o r k s p a c e锄a l y s i s ， 锄dc o n d i t i o n n u m b e r s i v i n 岛p a r 锄e t e r s 叩t i i n i z a t i o n ，l 【i n e m a t i c ss i l l l u l a t i o n 姐dd y n 锄i cp e 渤册柚c e 柚a l y s i s f i r s u y ，w i t h 觚a l y s i so ft h el 【i i 圮m a t i cp a i r s ，as i i l 出ec h a i nw i t hat r 锄s l a t i o n a lp a i r ， w h i c hi st h ed r i v ed e v i c e ，h 弱b e e ng o t w i mt h ec o m b i n a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o no ft h e p o s i t i o nv e 咖r w i t ht h e 呦s l a t i o n a lp a i r so nt h es t a t i cp l a t f b 姗，av 撕e t yo ft h ep a r a l l e l m e c h 柚i s mc o n f i g u m t i o n sa 陀s y n t h e s i z e d b yc o m p a r i s o n ，as y 咖e t r i cs t m c t u r e ，w h i c h i sa l e 弱yf o ri n s t a l l a t i o n ，i sw o r k e d0 u t 柚dw i l lb eu df o rt h ep a r a j l e im a c h i t 0 0 1 t h ed e g r e eo f 眈e d o mi sc a l c i i l 眦d 锄dv e r i f i e d n r o u g l l 也e 觚a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ， t h en d ：y a gl a s e r 锄do p t i c a lf i b c rt r 锄s m i 鳃i o na r ec h o s e nf o rt h el 蹴rs y s t e m t l h e nt h e o v e m up r o j e c tf o r t h em a c h i n e 胁li sd b t a i n e d s e c o n d l k l ( i n e m a t i cc o n s 咖i n t e q u a t i o n s a r ef 0 咖u l a t c d b ye s 劬l i s h i n g t h e c o o r d i n a t es y s t e m0 ft h ep 盯a l l e lm a c h i n et 0 0 1 a n dl 【i n e m a t i c sf 0 似a r d 锄di n v e 啪 l u t i o 腿a r ea l s 0f i g u r e do u t b y l v i l l gt l l ej a c o b i 锄m a t x ，t h es i i i g l l l a r i t yo ft h e m a c h i 鹏t o o l锄d v e l o c i t y c h a r a c t e r i s t i cc u r y ei sw o r k e do u t t l l l e g e o m e t r i c - p 猢e t e r - e 玎0 rm o d e li sa l s 0 tu p b yd i f f e r e n t i a t i n gt h ec o n s 仃a i n te q u a t i o n s 1 n h i r d j y ，t l l e 、0 r l 【s p a c ci s l v e db yt 、 r 0 m e t h o d s ：t h eg e o m e t r i cm e t h o d 锄d b o u n d a r y a r c hm e t l l o d t h el o c a lc 0 n d i t i o ni i l d e x ( l c i ) 柚d 哲o b a lc o n d i t i o ni i l d e x ( o c d a 他f i g u r e do u tb ys o l v i n gt l l ec o n d i t i o nn u m b e ro ft h ej a c o b i a nm a t r i x b a s e do nt l l e w r o r k s p a c ca n dg l o b a lc o n d i t i o ni n d e x ( g c i ) ，t h eo p t i i i l i z a t i o np a r 锄e t e r so ft h ep 缸a l l e l m a c h i t o o la r ea c q u i r e db yb pn e 咐o r ka 1 9 0 r i t l l i n s 柚dg e n e t i ca 1 9 0 r i t l l i i l s a n dt h e r e s u l tp r 0 v e st ob es a t i s f y i n g f i n a l l y ，m ed i 酉t a jp r o t o t y p eo ft l l ep a r a l l e lm a c h i n et o o l i se s t a b l i s h e da n dt h e m a c h i n et o o l sl 【i n e m a t 豳i sv e r i f i e dw i t ht l l es 0 脚a 他0 fa d 气m s b y 如a l y z i n gt h e m o d a l s0 ft h em a c h i n et o o l ，n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s 盯ew o r k e d0 u t t h e t t t 三平移激光加工并联机床的设计与研究 r e l a t i o n s h i pb e t i | e e nt h en a t u r a l 丘e q u e n c ya n dt h ep a r 锄e t e f so fm a c h i l l et o o lh 髂b e e n 6 9 u r e do u tb ys o l v i l l g2 7 伊o u p so fp a 姗e t e r s a no ft h e s ep r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r 恤d e s i 印锄d 叩t i i n 讫a t i o no f t h em a c h i mt 0 0 1 t 1 1 i sp a p e rl a y saf o u n d a t i 彻f o fm ed e s i 印卸dm o i o nc d n t r o l0 f 也e3 d o f 嘶s l a t i o n a lp a r a l l e ll a s e rp r o c e s s i n gm a c l l i 北t 0 0 1 a n dt h em e m o d sf o rm e c h a i l i s m c o n f i g u r a t i o ni i l t e 伊a t i o n ，p a r 锄e t e r 叩t i i i i 娩a t i o n 柚ds 岫u l a t i o na r ep r o v i d e d 剐】t h e c x p e r i e n o ec 卸b eu s e df o ro t h e rp 删l e lm e c h a i l i s m 1 1 l i sp a p e “s 鲫p p o n e db ys m a l l 柚dm e d i u ms i z e de n t e 叩r i s e s f u n d0 fm o s t 粕d t e c h n o l o g ye n t e 叩r i s e s f u n do fj i a n g s up r 0 v i n c c y w o r d s ：p a r a l l e lm a c l l i n et 0 0 l ；l a s e rp r o c e s s i n g ；p e 哟n i l 柚c ea n a l y s i s ；p a f 锄e t e 娼 0 p t i i i l 娩a t i o n ；l ( i n e m a t i c ss i n l u l a t i o n ；m o d a la n a l y s i s i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论帚一早瑁下匕 机床是现代机械系统的典型代表【1 3 】，机床机构是机床的骨架与执行器，是机床 设计的关键部分。若机床机构采用并联机构作为机床的运动主体，称之为并联机床 ( p a r a l l e lm a c h i n et o o l ，简称p m d 。美因g r i d d i n g & k w i s 公司于1 9 9 4 年在美国芝 力j j 哥国际机床博览会上首次展示了名为”v a r l a x ”的并联机床，并引起了极大的轰 动l4 1 。并联机床的出现，被称之为“机床行业的革命”。 并联机床与传统机床的比较，如图1 1 所示。并联机床以并联机构为运动主体1 5 l ， 通过改变杆长或移动杆件的支点位置，使加工头( 刀具等) 达到指定位置，从而达 到加工工件的目的。而传统的机床，多以串联结构形式为运动主体，一般以标准笛 卡尔坐标系下的x 、y 、z 轴为基准作直线或旋转运动，通过这些运动的叠加，使加 ：i = 头( 刀具等) 达到指定的位胃来加上工件。 图1 1 传统机床与并联机床的比较【4 j f i g 1 1n ec o m p a r i s 0 nb c t 、e e nt h ei r a d i t i o n a lm a c h i n et o o la n dp a r a j l e lm a c l l i n et o o l 与传统机床相比，并联机床具有如下特点： ( 1 ) 刚度与承载力传统机床运动链较长，各运动部件串联相连，构成悬臂结 构，因此整体刚度低，承载能力弱；并联机床则是各支路通过并联方式连接固定平 台和运动平台，各支链共同分担了木端的承载，从而机床整体的刚度较高，承载能 力强。 ( 2 ) 工作空问传统机床由于各级自由度串联布置，动平台灵活性强，工作空 目j 较大；并联机床的各支路之间相互牵制，限制了动平台的灵活度与活动范围，因 三平移激光加工并联机床的设计与研究 此工作空间相对与传统机床要小。 ( 3 ) 精度传统机床按串联形式布置的，因此上一级的传动误差将不可避免地 带入到下一级中，误差在传递过程中逐渐积累，误差在下一级进一步放大，使得机 床的整体精度要低于各级的传动精度：并联机床的各支链通过并联方式连接固定平 台和运动平台，各支链共同直接作用于动平台，因此不会出现误差累积现象，机床 的整体精度高。 ( 4 ) 控制方式传统机床各级串联，运动方式简单，运动控制容易；并联机床 各支链并联连接，运动控制算法相对复杂。 ( 5 ) 制造成本传统机床组成部件复杂，成本较高，而并联机床则与之相反，具 有“硬件 简单，“软件 复杂的特点，成本相对低廉，属于技术附加值高的机电一体化 产品。 此外，并联机床还具有整体质量轻、结构紧凑、模块化程度高、易于重构等特点。 并联机床的上述特点，使其成为新一代机床的重要发展方向。目前并联机床的 加工方式主要有车削、铣削等常规加工方式，而结合激光加工这一加工方式，研制、 生产一种激光加工并联机床，逐渐成为一种新的发展趋势与研究方向。这既是并联机 床在应用范围的拓展，也符合激光加工技术与自动化机构相结合的趋势，因此具有较高 的实用意义与研究价值i q 。 1 2 并联机床国内外研究现状 1 2 1 并联机床的国外研究现状 并联机床源于并联机构的提出，g o u g h 在1 9 4 9 年设计了一种用于轮胎测试的装 置。s t e w a n 于1 9 6 5 年提出用并联机构用于航空模拟器，这一机构在后来被称为 s t e w a n 平刨碉。1 9 7 8 年h u n t 提出将六自由度并联机构应用于机器人结构，逐渐将 并联机构引入现代工业应用【9 1 。后来，c l a v e l 提出了d e u a 机构，并申请专利【埘， 这一机构在工业中作为机械手得到了广泛应用，并且机构结构得到了进一步改进 1 1 1 1 4 l 。1 9 9 4 年，美国g i d d i n 擎& l e 丽s 公司在美国芝加哥国际机床博览会( i m 髑9 4 ) 上首次展出了称为“变异型”m r i a x ) 的并联运动机床旧，如图1 2 。至此，并联机 构进入了机床工业领域。之后，美国i n g e 娼o l l m i l l i n gm a c h i n er o c 蜘r d 公司在对 v 撕强型机床结构进行了改进，推出了v o h l 0 0 0 型立式加工中心和h o h 6 0 0 型卧式 2 江苏大学硕士学位论文 加l ：中心，如图1 3 。1 9 9 7 年在德国汉诺威因际机床博览会和1 9 9 9 年巴黎囡际机床 博览会。i ：，展示了多种新的并联机床样机。并联机眯的结构得到了进步的优化和改善。 图1 2 删并联机床 图1 3 美国i n g e 啪u 公司h o h 6 0 0 机床 f i g 1 2 、一j 气r i a xp a m u e lm a c h i n et o o lf i g 1 3h o h 6 0 0p a r a l l e lm a c h i n et o o l ，i n g e r s o n 2 0 0 0 年之后并联机床在机构设计、运动学、动力学、控制技术等方面研究取得 了一定的成绩【1 6 】。国际一些研究机构与机床公司相继推出了各自的并联机床，而且 在结构卜进行了改进，使得并联机床得到了一定范围的实际应用【1 7 1 。 从结构形式上看，并联机床中采用的并联机构，自由度大多为3 _ 6 自由度，同时也 衍生了许多种新的结构形式，如立式和卧式结构、并联和串并联结构、变杆长和定杆长 结构等。 入自由度机床有： 一德国m i k r o m a t 公司研制的6 xh e x a 立式加工中心，如图1 4 ，采用双层s t e w a n 平台，即上下平台均为2 层，2 层上平台固定在3 根立柱的侧面，2 层下平台共同支 承主轴部件，6 根杆的伸缩，实现动平台6 个自由度的空问运动。 一 图1 46 x h e x a 立式加工中心图1 5 l a p i k 公司的1 m 测量机 f i g 1 46 xh 懿av e n i c a lm a c h i i l i n gc c n i r ef i g 1 5t mm e 勰u r i n gm a c i l i n eo fl 丑p i k 俄罗斯l a p i k 公司将s t e w a n 平台并联机构用于t m 系列多维坐标测量机，如 图1 5 ，通过6 根激光干涉测量尺，测得s t e w a r t6 根伸缩杆的位移，再经过反馈，从 而得到被测j i ：件的相关尺寸。由于具有空i i j ji 个旋转 1 山度，因而可测量斜孔的a 径。 瑞士苏黎世理工学院制造与机床研究所研制的h e x a g i i d e 并联机床1 1 8 】，如图 1 6 ，由六根固定杆、滑块，动平台等组成并联机构，通过6 个对称滑块在三平行导 三平移激光加工并联机床的设计与研究 轨的滑动，经由铰链带动固定杆，进而改变刀具点运动位置，具有六个空间自由度。 图1 6h e x a g l i d e 并联机床 f i g 1 6 h e x a g l i d cp a r a l l e lm a c l l i n ei o o l 韩国首尔国立大学机器人研究所j o n g w o nl 【i m 【1 9 ，加j 等人研究了一种具有9 0 度的 倾斜角的e c l i p s c 并联机床，如图1 7 ，具有五面加工能力。一种e c l i p s ei i 系列并联 机构，如图1 7 ( d ) ，具有连续3 6 0 度左右任意轴旋转的能力，可作为一种娱乐和飞行 训练心用运动模拟器开发【2 1 1 ，说明机构的设计与应用是相互补充的。 ( a )( b )( c )( d ) 图1 7 e c l i p s e 并联机床：( a ) 结构图( b ) 外形图( c ) 加工图( d ) e c l i p 结构图 f i g 1 7e c l i p s ep a r a u c lm a c h i n et o o l ：( a ) s t r u c t u r a jd i a 伊锄( b ) o u u i n ed i a 伊锄 ( c ) p r o c e s s i n g ( d ) t h e e c l j p s ci is t 八l c t u r e 其他6 自由度并联机床还有日本大隈公司的p m 6 0 0 铣床、美国h e x e l 公司的 p 2 0 0 0 型数控铣床等。 3 5 自由度机床有： 一法国r e n a u l ta u t o m a t i o n 公司推出u r a n es x 【2 2 幢 式加工中心，如图1 8 ，采用 直线电机、电主轴、高速镗铣削等新技术，结构采用了类d e l t a 结构，可实现动平台 3 坐标平移，具有较高的动态特性，快速移动可达速度为1 0 0 州m i n 。 一p 量u t r i c e p tsl 【2 3 j 公司成立于2 0 0 4 年，继承了瑞典n e o sr o b o t i c s a b 公司的技 术与产品，相继推出了确c e p tt 6 0 5 厂r 6 0 6 厂r 8 0 5 厂r 9 0 0 0 等用于高精度加工的机床。比 如删型机床，如图1 9 ，具有5 运动自由度，其控制系统采用西门子8 4 0 d 数控 系统控制，采用d m s 系统光学编码器，该机床具有高刚度、高精度的特点。目前相 关机型已在波音公司、宅马汽车公司、r b u s & c a s a a e r o s p a c e 等公司得到了 广泛应用。国内天津大学黄田等人根据秭c e p t 机器人的特点，进行了跟踪及机型研 4 江苏大学硕士学位论文 究，并对其机型进行了结构的改型研究，并申请了专利1 2 4 ，2 5 1 。 嚎 图1 8u r a n e s x 卧式加工中心 图1 9 t r i c 印t t 9 0 0 型加工机床 f i g 1 8u r a n e s xh o r i z o n t a lm a c h i n j n gc e n i e r s f i g 1 9 “c c p t 眄0 0n l a c h i n et o o l - 德国h e r k e r t 机床公司的s k m4 0 0 型卧式加工中心，如图1 1 0 ，该型机床结构 采用：杆并联机构的并联机床【4 1 。由中空转子伺服电机的滚珠丝杠驱动三根伸缩杆， 三杆术端其同支撑主轴部件，实现三个自由度平动。另外在主轴部件的下方，配置 具有2 个自由度曲柄机构，是一个被动机构，这一机构有利于提高工作空间和运动 的灵活性。 黛 图1 1 0s l 例4 0 0 型卧式加工中心 f i g 1 1 0s k m 4 0 0h o r 沱o n t a jm a c h i n i n gc e n t e r s 其他3 自由度并联机床还有德国d st e c l l i l o l o g i e 机床公司的e c o s p e e d 型卧式加 j i ：中心，h 本1 i 田公司的h e x a m 立式加工中心等。 1 2 2 并联机床的国内研究现状 国内早在8 0 年代初，燕山大学在黄真教授的带领下就开始对并联机构进行系统 地研究【捌。1 9 9 8 年，清华大学和天津大学合作研制成功我国的第一台基于s t e w a n 平 台机构的大型镗铣类并联机床原型样机v 蝴t i y ，如图1 1 1 。东北大学于1 9 9 8 年建 成我国首台五轴联动三杆并联机床d s 糙7 0 ，如图1 1 2 。天津大学与天津第一机床 总厂合作于1 9 9 9 年研制成功：| 平移并联机床l i n a p o d l 2 7 j 。哈尔滨工业大学与哈尔滨 量具刃具厂合作开发的b u 1 型并联机床，并在2 0 0 1 年的中国国际机床展览会上展 出，该机床用于汽轮机叶片的加工，加工精度可以达到1 0 微米【绷。后来进一步得到 改进型b x k 6 1 2 7 并联机床和加工中心，如图1 1 3 。在此次机床展览会卜，还有清 5 三平移激光加工并联机床的设计与研究 华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的6 自由度并联机床呵z 6 3 、大连机床厂 与清华大学合作研制的一种五轴联动串并联机床d c b - 5 1 0 、清华大学与江东机床厂 联合开发的龙门式并联机床烈z 2 0 1 0 等其他三台国产并联机床。 图1 1 3b ( _ 6 1 2 7 并联机床图1 1 4l 玳k s - e x e 7 0 0 并联机床 f i g 1 1 3b ( - 6 1 2 7p a r a l i e im a c h i n et o o lf 垮1 1 4l 玳k s e 7 0 0p a r a j l e lm a c h i n et o o l 另外，中科院沈阳自动化研究所、燕山人学、北京理工大学、北京航空航天大 学、西安交通大学等院校和科研院所等尊位在并联机床的设计研究、关键技术、样 机制造等方面取得了一系列成果。 1 2 3 并联机床国内外主要研究内容 并联机床的研究目前主要集中在以下儿方面： ( 1 ) 机构理论研究 并联机床机构的研究，是对并联机构本身的研究，即并联机构设计j 创新 【2 6 ，2 9 3 2 j 其中包括运动副组成、驱动副选择与布置、复合支链【3 3 1 单支链结构【3 4 1 、 自由度分析【3 5 1 、并联机构构型综合与比较1 3 2 】等。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 并联机床运动学分析 运动学设计包括运动学位置分析、正逆解分析、速度加速度分析、奇异位形与灵 巧度分析【4 3 删、工作空间分析【4 9 - 5 、精度与误差分析【5 2 5 5 】等。运动学分析是其他分 析的基础，通过正反解可以估计运动范围及位姿状态。速度加速度分析可以了解机 构的运动学性能，通过雅克比矩阵分析可以得到机构的奇异位形与条件数。工作空 间是机床的重要特性，是机床性能的重要指标。而几何误差分析可以分析当存在零 件尺寸误差( 比如杆长误差) 时，对于动平台运动学位置的影响，这样就可以根据 需要，设定合理的零件制造精度。 ( 3 ) 并联机床动力学与动态特性分析 目前动力学研究主要是在给定末端执行器位置、运动参数来求解输入驱动电机的 驱动力，即刚体逆动力学。一般采用拉格朗日方程、牛顿欧拉方法、虚功原理、凯 恩方程等数学方法。刚体动力学在理论方面的研究已经较为成熟，但并联机床的弹 性动力学方面还需要进一步研究与优化。同时由于没有考虑机构的变形及模型简化 等原因，刚体动力学分析得到的结果往往与实际相差较大。 机床的动态特性【姗】是机床结构的合理性的表征，也是弹性动力学的一个方面。 目前，机床的动态特性一般包括模态分析、静刚度分析等。采用的方法有：有限单 元法、实验模态分析、建立数学解析模型等。 ( 4 ) 并联机床参数优化 参数优化l 罅7 2 】是机床机构设计过程中对机构参数的优化。依据提出的机床机构指 标评价指标比如工作空间、条件数、刚度等对机床参数进行分析优化。在获得相关 参数和结果后，在数学上则表现为一种工程数学分析问题，是在设定目标函数与参 数范围后进行的一种数学演算过程。 ( 5 ) 并联机床的控制系统设计与分析 目前并联机床的控制系统一般采用兼容性好的开放式数控系统，其中包括商用开 放式数控系统( 如s i e m e n s8 4 0 d 等) 和基于通用p c 的系统结构( 如p c + p 地蛇卡) ， 其中需要研究的关键技术包括轨迹控制技术、运动学标定技术、伺服控制器参数整 定技术等【7 3 ，7 4 1 。 三平移激光加工并联机床的设计与研究 1 3 激光加工设备的研究现状 激光是指窄幅频率的光辐射线，通过原子中的粒子受激辐射放大后，再经必要 的反馈共振，产生具有准直、单色、相干特性的光束。激光被誉为“万能加工工 具，【7 5 7 6 】。目前，发达国家都对激光应用技术与装备，十分重视。比如在北美，美国 在上世纪7 0 年代就开始建立激光加工站，在2 0 0 0 年左右已经达到了2 0 0 0 台左右的 规模，同时在1 9 9 8 年该国制定了哈里森光学计划【明，该计划强调激光技术的应用应 扩大到制造业与加工领域，不但获得了较大的经济收益，同时也保持了其在激光应 用技术领域在全球的领跑地位。在欧洲，德国分别制定了“尤里卡计划 、“激光 2 0 0 0 ”、“光学促进计划”等发展规划促进了激光设备制造与应用技术的提高。由于德 国的机械制造与装备处于较高的发展水平，因此该国的激光加工设备在高尖端领域 基本处于领先地位。在亚洲，日本于2 0 0 1 年制定了光科学与工程的发展规划。在我 国，激光技术与装备也受到了高度重视，在制定的“8 6 3 ”计划、“2 0 0 6 2 0 2 0 年国家科 技中长期发展规划”等均对激光应用技术明确提出重点支持。 激光加工设备的研制与生产这一领域，处于激光应用技术的产业链的上游，其 产品属于高附加值机电一体化产品。目前，世界主要激光加工设备制造商，主要分 布在发达国家，比如美国的光谱物理公司，德国的r o f i n s i l l 扯公司、日本的胁u c 公司。虽然，我国的现代激光制造技术的研究取得了很大发展与进步【侮7 9 】，但是国 内激光加工设备的研制、生产水平与国际相比差距较大。我国是制造业大国，如何 将激光加工技术更好地应用到制造领域，高精密激光加工设备的研制与量产是目前 迫切需要解决的问题。 国内很多学者对激光加工设备进行了设计与研究。比如华中科技大学周祖德等 人i 踟对“高功率激光切割、焊接及切焊组合加工技术与设备 进行了设计与研究。 哈尔滨焊接研究所1 8 1 】建成了我国第一个大功率固体a g ) 激光焊接与切割多功能加 工中心基地。中科院力学研究所虞钢【7 6 】等人设计并建造了一套柔性激光加工系统。 吉林大学郑棋峰僻l 等对用于发动机连杆裂解槽的激光加工设备和激光加工工艺进行 了研究，太原理工大学刘旭【8 3 l 等对y a g 激光加工设备及切割工艺进行了研究。江苏 大学钱振华【驯等对激光珩磨设备进行了机构与控制方面的设计并进行了加工试验。 近年来，由于并联机床具有结构紧凑、动态特性好、刚度大等优点，逐渐有部 分学者提出将激光加工与并联机床技术结合，研制并联激光加工设备。例如中科院 8 江苏大学硕士学位论文 沈阳自动化研究所赵明扬【盼嘲等对五自由度并联激光焊接机器人进行了研究。河北 工业大学赵建波【8 7 】等对三自由度激光微细加工并联平台进行了设计与研究。江苏大 学王霄【鼹】等设计分析了适用于激光切割加工的三自由度平动并联机床，并申报了相 关专利【8 9 1 。 1 4 课题来源与主要研究内容 1 4 1 课题来源与研究意义 本课题来源于科技部科技型中小企业技术创新基金项目“数控激光并联机床” ( 0 9 c 2 6 2 1 3 2 0 3 8 3 5 ) 江苏省科技型企业创新资金项目“数控激光并联机床研发与制 造”( b c 2 0 0 9 2 6 2 ) 。 并联机构与激光加工技术都是近年来的研究热点，而结合并联机构与激光加工 技术的特点，设计与研究一种结构刚度好、运动速度快、加工精度高、生产成本低 的三平移激光加工并联机床既有研究价值也有实用意义。 并联机床机构是激光加工运动的载体，加工质量的好坏与机床机构的选型、机 床运动的平稳性、机床的刚度有关，这些均需要进行深入的研究。这些研究为机床 的设计、制造与加工，提供了必须的机床几何参数，也为机床加工时的运动控制提 供了理论基础。 1 4 2 课题的研究内容 三平移激光加工并联机床的设计与研究应包括并联机床、激光系统、控制部分。 本文作者主要参与与负责研究并联机床部分，因此本文对激光系统、控制系统作简 单的介绍，不作具体研究。 本文研究的思路是基于并联机构与激光加工技术结合，获得一种可用于激光加 工的三平移并联加工机床，其步骤如下：首先，通过并联机构的选型获得合理并联 机床机构构型；其次，对并联机床进行运动学及其性能进行分析，以此作为评优指 标对机床的结构参数进行优化。最后，运用a d a m s 仿真软件对机床的运动学性能 进行验证，应用a n s y s 软件对并联机床进行模态分析，从而获得机床的动态性能。 本文的主要研究内容，如图1 1 5 。 9 三平移激光加工并联机床的设计与研究 图1 1 5 论文主要研究内容 f i g 1 1 5t h ed i 伊锄o f t 1 1 ep a p e f sm a i n n t e n t 根据上述研究内容，本文各章节的具体内容如下： 第一章绪论。首先对并联机床与传统机床进行了对比分析，介绍了并联机床 的特点。接着，介绍了并联机床的国内外发展现状与其在行业中的广泛应用，同时 对激光加工设备进行了介绍。 第二章激光加工并联机床的机构选型与整体方案说明。首先对并联机构基 础理论进行了简要回顾，分析了运动副与支链组成，通过直线驱动副的位置矢量分 布，得到了一系列并联机构构型，选择其中一种结构对称、安装方便的构型作为机 床机构，并分析了其自由度输出；同时对激光系统进行了分析比较，选择了n d ：y a g 激光器与光纤传输等相结合的激光系统；最后将三平移激光加工并联机床的整体方 案进行了说明。 第三章激光加工并联机床运动学分析。首先简要介绍了坐标变换理论，接着 对并联机床的约束方程进行了求解，接着求解了并联机床的正解、反解；其次，通 过求解并联机床的雅克比矩阵，进而分析了并联机床的奇异位形，以雅克比矩阵为 基础，分析了机床各滑块的速度特性曲线：最后，分析并联机床机构的几何参数误 差，建立了机床的几何误差模型。 第四章机床机构工作空间与条件数分析及参数优化。首先，对工作空间分别 通过几何法和边界搜索法进行了求解，并对机床机构几何参数对机床工作空间的影 响进行了分析；其次，依据机床机构的雅克比矩阵计算了条件数，并获得了灵活度 的评价指标局部条件指标( l c i ) 与全局条件指标( g c i ) ：最后通过遗传算法， 基于工作空间与g c i 对机床机构结构参数( 机床支架半径r 与杆长l ) 进行了优化， 1 0 江苏大学硕士学位论文 并获得了满意的效果。 第五章并联机床的运动学仿真与动态性能分析。首先，介绍了虚拟样机技术， 通过a d a m s 软件建立虚拟样机，在激光加工头位置添加运动激励函数，对并联机 床进行了运动学仿真，验证了并联机床在两种加工轨迹下的运动可行性与平稳性； 之后，通过建立并联机床的a n s y s 有限元模型分析了机床在两种位姿下的固有频率 与振型。通过三个变量( 机床支架半径r 、杆长l 、杆径d ) 组合，得到2 7 组不同 几何参数下的机床，并对其进行模态分析，获得了机床固有频率与机床参数的关系。 通过上述分析，可以充分了解机床动态性能，为进一步优化分析提供了基础。 第六章总结与展望。回顾了本文的各章研究内容与研究方法，并阐述了研究目 的与意义，并对下一步的研究进行了描述。 三平移激光加工并联机床的设计与研究 第二章激光加工并联机床的机构选型与整体方案 2 1 概述 激光加工并联机床的设计与研究应包括以下三个部分，包括并联机床、激光系 统、控制系统，其中控制系统包括机床零部件运动控制部分、激光系统控制部分。 本章主要涉及并联机床的设计、选型及整体方案介绍。 一方面，并联机床的设计与选型，本质上是并联机构的设计与选型，需要解决四个 问题： ( 1 ) 机构执行需要的自由度数；( 2 ) 采用何种驱动方式； ( 3 ) 单支链结构形式，各支链是否相同；( 4 ) 各支链装配方式。 目前，工件的加工，需要的自由度一般为3 - 5 个自由度。因此，目前对并联机床 的设计与分析中集中在少自由度的设计与研究中。根据加工需要，本文所述的并联 机床将采用三自由度平移，即激光加工头具有三平动自由度。 另一方面，根据加工需要选择不同的激光加工系统，包括激光器、导光系统、聚 焦系统或匀光系统、冷却系统。选取时，主要参考激光器功率、激光器所占空间、 激光输出类型( 脉冲输出、连续输出) 、激光传输介质。 本章首先，对并联机床的结构选型进行了详细描述，包括运动副组成、驱动方 式、单支链组成、基于平移副的构型综合；其次，对机床机构的自由度进行了分析； 最后，对激光系统组成部分进行了简要描述，并对激光加工机床的总体设计方案进 行了说明。本章结构流程图，如图2 1 。 1 2 驱动方式il 单支链i 基于p 副位置 选择jj 组成jj 矢量构型综合 厂菇素i 厂 ；西翮厂再确系f l 鼍二! 兰望兰型兰于一 i f 激光加工并联机床整体方案说明1 图2 l 第二章结构流程图 f 嘻2 1m n o wd i a 舯mo f t h cs 嘲n dc h a p t e rs 咖他 江苏大学硕士学位论文 2 2 并联机构理论基础 解决机构构型问题，需要掌握常用的并联机构型综合理论及方法，目前主要有 以下四种【1 ，2 6 删5 ，3 6 l 。根据在机构综合过程中采用的表达方式不同以及数学工具不 同，可分为基于g r n b l e r - k u t z b a c h 自由度计算公式的方法、基于旋量( 螺旋) 理论的 约束综合的方法、基于单开链单元的方法、基于位移群理论的方法。 1 基于g 哺b i e r - k u t z b a c h 自由度计算公式方法 该方法基于传统的空间并联机构自由度计算公式，澳大利亚h u n t 教授是该流派 的最早代表人物【3 0 1 。其综合的思路是：当给定机构所需的自由度数后，考虑每个分 支运动链的运动副数、支链组成，用这些分支组成最终的并联机构，并达到预想的 自由度。 该方法计算部分并联机构时，得到的结果与实际不符，比如当并联机构存在复 合铰链时，会出现错误，m e r l e t 在2 0 0 2 年a s m e 年会也指出了这一点【1 捌。 2 基于螺旋理论的约束综合方法 基于旋量理论的方法又称为约束综合法，这一方法基于经典的旋量理论，黄真 教授【猢、k o n g 和g o s 辩l i n 【4 1 l 等学者进行了深入的研究。 一 其综合思路是：以支链为对象，建立运动副的旋量坐标，进而得到支链的运动 副旋量系；然后以此得到支链的反旋量系，最后通过所有支链的反旋量系求“并”得 到机构的公共约束空间。因自由刚体运动的自由度空间为受其约束后的自由度空间 与上述公共约束空问的直和，从而得到动平台的自由度及其运动类型。 该方法给出的并联机构自由度，都是基于瞬时运动与瞬时约束，因此只有在确 定连续运动的几何条件下，才能确定为满足要求的机构。 3 基于单开链单元的方法 杨廷力等人提出这一方法，其核心思想是：以各支链末端满足特定约束的运 动输出矩阵求交集，得到并联机构运动输出矩阵。 该方法以运动副的约束类型包括重合、平行、共点、共面、垂直及其组合作为 描述机构拓扑结构的主要手段，建立机构的运动输出特征矩阵，以表示需要综合的 并联机构的运动输出特征。以机构的单开链或者混合单开链【3 1 l 单元为设计目标，从 而获得机构的新构型。 三平移激光加工并联机床的设计与研究 4 基于位移群理论的方法 这一方法由法国h e e 教授嗍等提出，采用位移子链研究并联机构的结构分析 与综合问题。起初是用于综合3 自由度并联机构。目前已有其他学者采用该方法综 合其它类型的并联机构。 该方法的基本思路：将支链末端刚体位移的集合抽象成位移子群，而将支链中 各运动副所生成的末端刚体位移的集合抽象成其子群。然后通过对这些子群( 集合) 的求并运算得到支链末端位移的集合。最后所有支链末端位移子群求交集得到动平 台的自由度及其类型。 上述所罗列的几种机构构型综合方法，机构学者都有不同程度的认同，