（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟样机的虚拟轴机床设计研究.pdf

瓢2 s 6 6 3 摘要 t 虚拟轴机床被称为“2 l 世纪的机床”，研究它的设计方法能够为虚拟轴机 床的广泛应用奠定基础，由于虚拟样机技术无须建造实物样机，从而使得它在 虚拟轴机床的设计上具有很好的应用前景。一本文首先针对虚拟轴机床的结构特 点，提出了虚拟轴机床的模块化设计思想，对虚拟轴机床的模块划分和整合进 行了研究，并提出了一个模块选择算法。然后在虚拟轴机床机构分析的基础 上，对虚拟样机技术在虚拟轴机床中的应用进行了探讨，建立了基于虚拟样机 技术的虚拟轴机床设计方法，详细讨论了机床的尺度优化算法。最后，论文建 立了软件实现体系框架，并设计了一个定杆长犁式的虚拟轴机床原型。本文把 虚拟样机技术引入到虚拟轴机床的设计中，从向为这种新型机床的广泛应用提 供了一种新的技术平台。 关键词：虚拟轴机床，模块化设计，一i _ 作空间，虚拟样机，虚拟装配 南京理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a la x e sm a c h i n et o o l s f v a m t ) ，w h i c h i s c a l l e d “t h e2 l “c e n t u w m a c h i n et o o l s ”、h a st h ed i s t i n c ta d v a n t a g e so v e rt h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n e st o o l s b e c a u s ev i r t u a l p r o t o t y p i n g ( v p ) a v o i d sb u i l d i n g t h e p h y s i c a lp r o t o t y p e ，i t s a p p l i c a t i o nt ov a m t c a ni m p r o v et h ec o m p e t i t i o no f v a m t f i r s t l y ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h em o d u l a rd e s i g no fv a m t ，i n c l u d i n gt h e d i v i s i o na n dc o m b i n a t i o no fm o d u l ea na l g o r i t h mo fm o d u l e sc h o i c ei sa l s op u t f o r w a r d s e c o n d l y o nt h e b a s eo fm e c h a n i s ma n a l y s i so fv a m t e s t a b l i s ht h e d e s i g nm e t h o db a s e do nv p e x p a t i a t eo n t h ek i n e m a t i c a ld e s i g nu s i n go p t i m i z a t i o n m e t h o df i n a l l y t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei se s t a b l i s h e d a n dap r o t o t y p eo f v a m ti s c o n s t r u c t e du s i n gv pt h i sp a p e ri n t r o d u c e sv p t e c h n o l o g yt ot h ed e s i g no fv a m t s op r o v i d e sat e c h n o l o g yp l a t f o r mf o rw i d e l yu s eo fv a m t k e y w o r d s ：v i r t u a la x e sm a c h i n et o o l s ( v a m t ) ，m o d u l a rd e i g n ，w o r k s p a c e v i r t u a lp r o t o t y p i n g ( v p ) ，v i r t u a la s s e m b l y l l 1 绪论 1 1 虚拟轴机床的研究概况 l l 1 虚拟轴机床的产生与特点 1 9 7 8 年，澳大利亚著名机构学教授h u n t 指出，可以应用6r i 席的 s t e w a r t 平台作为机器人机构。到上世纪8 0 午代l _ 1 期及9 0 年代，并联t4 jl 人 已经成为研究热点，许多大型学术会议设有专题进行讨论。由于并联机构具宵 许多传统串联机构无法比拟的优势( 如高刚度等) 【2 1 ，使得这种新型机构获得了 广泛的研究和应用。在机床行业，虽然传统的机床也获得了长足的发展，但就 其结构配置而言，并没有本质的变化。并联机器人的巨大成功为机床的结构创 新提供了很有意义的参考价值，将并联机构引入到机床中，摆脱原来的串联式 结构配置成为许多大公司和科研机构共同关心的问题。1 9 9 4 年，在美h 。! ， i m t s 9 4 博览会上，g i d d i n g s & l e w i s 公州推出了基于并联机构的川帜一l v a r i a x 机床，引起学术界广泛关注，被称为“奉世纪机床首次革命性改型” 和“2 l 世纪的机床”1 3 1 ，并在国内外成为一个广泛研究的热点。 与传统机床相比，虚拟轴机床没有固定方向的x 、y 、z 、a 、b 及c 坐标 轴，笛卡儿坐标系只是虚拟地存在于控制系统之中。加工时，没有像传统机床 那样的固定主轴，只是依靠并联的杆件来控制刀具轴线，这正是称这种新型机 床为“虚拟轴”的原因。 传统机床的运动轴串联地设置在笛卡儿坐标系中，刀具与工件之m 机 座、x 、y 和z 轴及其他旋转轴组成封闭的运动链。这种模式配置会使运动轴 受到相当大的力流，因而要求轴具有高刚性，随着机床尺寸增大、质量增大， 机床的动态性能会迅速恶化【4 j 。与之相比，并联机构用来传递全部力的封闭运 动链是由多个杆件构成通过“并联”方式组成的，其中每根杆确定一个自由 度，并且仅仅传递杆所在位置方向的拉力或压力，这里所说的自由度是狮学意 义上的，既由一根杆所确定的自由度是表达，力平台位置的一个参数，i m 小址m 、儿 皇枷；轴意义上的自由度。表11 是这两类机床的基本性能的比较”i ，j i r i t l u s t y 则从静态刚度、加速能力、驱动性能和静态精度四个方面，系统的比较 了并联式机床和串联式机床这两类机床p 】。 虚拟轴机床作为一种新型加工设备，具有刚度高、响应速度快、适应性 好、运动精度高等诸多优点，使得虚拟轴机床在金属切削中具有广泛的应用前 景1 6 ，7 】，而且由于结构简单，虚拟轴机床更易实现模块化。 1 南京理工大学硕士学位论文 表1l 串联机构和并联机构的性能对比 串联机构并联机构 高；刚性相互叠加；轴内只 刚性低；弹性相互叠加：轴受到弯矩 有压力和拉力 误差传递各个轴的误差相互叠加 各个轴的误差形成平均值 大；一个轴使跟随的轴加速；工小：只有主轴和腿运动；工 运动质量 件、工作台大部分都运动件和工作台不动 即使大型机床，也能达到很 动态性能随着机床尺寸的加大而变化 好的动态性能 轴之间的联系只有很少联系相互联系和非线性 复杂：必须对整个系统进行 调节简单，各个轴可以单独调节 调节 校准简单，许多工作是共同的复杂：至今还没有很多实验 前进运动简单；直到3 轴不需要后退运动简单：需要坐标变 运动学 坐标变换换 1l2 虚拟轴机床的发展 虚拟轴机床作为一种新型机床已经成为各国学术界和工程界研究开发的热 点。自从1 9 9 4 年芝加哥国际机床博览会( i m t s 9 4 ) 上，g & l 公司和英国g e o d e t i c 公司首次展出v a r i a x 和h e x a p o d s 数控机床l i d n 工中一i 5 以来，美国i n g e r s o l l 公司、俄罗斯l a p i k 公司、挪威m u l t i c r a f f 公司、三菱电机、大阪机丁 等公司以及东北、筑波、京都等大学、瑞士苏黎世联邦工业大学( e t z h 州。与 工艺研究所和瑞典n e o s 机器人技术公司、丹麦b r a u n s c h w e i g 公删等纷纷斥巨 资研制出这种类型的数控机床、坐标测量机和镗铣类加工中心的原型样机。到 1 9 9 7 年欧洲国际机床展览会( e m o 9 7 ) 上，由美、英、德、俄等国展出的这类机 床多达1 0 余台( 种) ，国外甚至已出现与虚拟轴机床相配套的某些专用功能件 ( 如球铰) 的专业生产厂家。表l2 是德国一些大学关于虚拟轴机床( 并联机 构) 的研究情况p j 。 清华大学于1 9 9 7 年底研制出我国第一台虚拟轴机床，并于1 9 9 8 年4 月在 第四届中国机床工具商品展览交易会( c m t f 9 8 ) j r 展出。目前国内有近1 0 个高 校和研究单位在研究或研制虚拟轴机床。我国已将虚拟轴机床的研究与开发列 入国家“九五”攻关计划和8 6 3 高科技发展计划，相关基础理论的研究连续得 到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。中科院沈阳自动化所、北京航空 航天大学、哈尔滨工业大学、东北大学、天津大学和清华大学等也正在迸行相 一2 一 南京理工大学顷上学位论文 关研究。一些高校还将虚拟轴机床的研发纳入教育部2j 】工程重点建设项目， 并得到地方政府部门的支持并吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基 金委员会的支持下，中国从事这方面研究的骨干力量，于1 9 9 9 年6 月在清华 大学召开了我国第届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对 并联机床即虚拟轴机床的发展现状、未来趋势以及要解决的问题进行了研究。 表12 德国些院校开发的并联机构对照表 加工类 普通装 配 医学小型装配 激光加工机床 h e x a d i 名称s c a r a p a r o sh e x a o d e 开发单 汉诺戚斯圈加特不怆瑞克斯图加特 不伦瑞不伦不伦不伦 位克瑞克瑞克瑞克 自由度 36663 机构整 o5 05 10 05 x05 05 体尺寸 07 10 05 05 05 ( m 3 ) l00 0o 00 5 工作空6 0 0 x 6 0 0 4 0 0 4 0 0 x2 5 0 2 5 0 4 0 0 x5 0 x5 0 x 4 0 0 5 0 x5 0 间r m m 14 0 0 6 0 04 0 0 4 0 0o5 0 目前关于虚拟轴机床的研究集中在两个主要领域：一足机械结构方面，包 括机构分析、误差建模等。同时机械结构的简单性也保证了虚拟轴机床的广泛 适应性，可重组的结构设计也是机械结构方面的研究内容；另主要方面就是 控制系统和软件的研究，包括路径规划，数控编程等。从这两个方面出发，虚 拟轴机床的研究主要在以下几个方面： ( 1 1 基础理论研究机构分析与综合；误差建模及补偿；作业空间及干涉 分析等。 ( 2 1 控制技术研究虚拟轴机床最重要的是控制技术，动平台的位置探测 和控制是开发和应用虚拟轴机床的技术难点和关键所在，其主要任务是为虚拟 轴机床的正解问题找到一个简便快捷的解法以及如何解决多装配构型问题。 ( 3 1 无余隙球铰连接技术研究这是减少定位误差和加工误差的关键，因 此需要提高球型轴承的加工精度和装配精度，并通过预加载办法来消除余隙。 f 4 ) 直线运动电机技术研究直线运动电机技术有了长足的进步，直线运 动电机能直接把电磁力转变成直线运动，不采用滚珠丝杠这种把旋转运动转变 为直线运动的传统办法。这样传动系上没有余隙，能够高速进行加速和减速运 动，非常适合高速和高精度机械加工用途。 ( 5 ) 热变形控制技术研究驱动杆运动的任何热输入都会引起热膨胀问 题，当用这种杆来进行定位长度测量时，常常造成误差。对这一问题需从两个 一1 一 南京理工大学硕士学位论文 方面入手来解决，一个是通过强制对流冷却来减少热变形，另一个是建立随时 间变化的热输入模型，通过这些模型进行补偿来消除误差。 l 1 3 虚拟轴机床的研究方向 l 1 31 虚拟轴机床整机设计方法学的研究 目前虚拟轴机床的研究基本上都是基于机床某个单项指标的求解，而在机 床整体设计与制造方面鲜有论述。整机的设计方法涉及许多领域，是一项具有 挑战性的工作。 关于虚拟轴机床的机构性能分析，基本上已经成熟，这为虚拟轴机床的设 计打下了良好的基础。虚拟轴机床的整机设计目标就是要能够适应快速多变的 市场需求，以提高机床产品的市场竞争力。在这些方面，模块化技术、虚拟现 实技术均是很好的可用技术。 l l32 虚拟轴机床在敏捷制造系统的应用研究 近半个世纪以来，工业生产的国际间竞争曰趋激烈，为了大幅度地提高生 产效率，新的生产方式不断出现。继6 0 年代日本丰田汽车公司提出精益生产 方式之后，美国通用公司和里海大学于1 9 8 8 年提出了敏捷制造和虚拟企业的 概念。1 9 9 1 年，美国国防部委托里海大学组织l o o 多家企业在联合研究的基础 上提出了6 2 1 世纪制造企业的战略报告，在报告中明确提出要在2 0 0 6 年前 通过敏捷制造夺回美国制造业在世界上的领先地位。 为了企业快速响应市场变化，敏捷制造的敏捷性应体现在快速适应不同产 品生产的需要，这就需要敏捷制造系统必须是可重用的、可重构的和可扩充 的。这一原则不仅应体现在企业层、车问层、单元层，更要体现在设备层。设 备层的重组不应仅仅是整台设备在加工单元中的重新配置，而是进一步的分 解，形成利用模块化部件可重组的新型设备，这是一项十分有意义的工作，然 而当前却未引起足够的重视。 在敏捷制造中实现设备重组的关键技术就是实现设备的可重组设计。可重 组设备设计是2 1 世纪的制造系统可重组制造系统( r m s ) 的基础支撑部 分。为实现机床等加工设备的可重组，必须解决以下三个问题【9 l ：基于广义 相似性的模块划分和整合集成；基于模块接口性能测试和分析的接触物理与 几何物理性能分析与预测；整机物理、几何和误差性能的系统测试、预测 和控制。同时还应开展机床设备可移动性研究。 可重组设计是制造业的未来发展趋势，这是设计方法学的又一次革命，它 除了能增强产品竞争力，还能减少企业浪费，实现企业的可持续发展。 一4 虚拟轴机床的结构简单性可以保证它具有更高的可重组能力，目前对机床 的可重组设计的研究基本上处于起步阶段。为了使虚拟轴机床能够更好的融入 敏捷制造中，就必须在虚拟轴机床设计方法研究的基础上，对虚拟轴机床可重 组性、敏捷性进行评价和研究，建立起虚拟轴机床的可重组设计理念和方法。 此外，虚拟轴机床的控制策略、精度设计与综合是和机床机械加工密切相 关的两个问题，对于他们的研究具有很强的实用价值。 1 2 虚拟样机技术 l2l 虚拟现实与c a d 系统 虚拟现实( v rv i r t u a lr e a l i t y ) 是利用计算机技术，模拟现实中的各种环境 而进行体验的方法。例如用各种各样的传感器监测人的动作，接触还没有制造 出来的产品，以达到身临其境的感觉。投) ( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i o n l 和 假想( i m a g i n a t i o n ) 是虚拟现实的三个主要特征l ”i 。投入是指参与者的种能 力，他必须确信在虚拟环境中他是存在的，而且仿真过程中他自始自终地发挥 作用；交互性是指参与者与虚拟环境中所遇到各种对象的相互作用的能力：假 想是指参与者可以随意地虚拟出现实世界中不存的环境。 虚拟现实系统与其它计算机系统一样，是由硬件和软件共同构成的f 图 l 1 ) 。硬件包括计算机和输入输出设备，计算机可以是由通用计算机加上某些 图形构造和专用信号处理器的附加电路板构成，以提高虚拟现实系统的速度， 改善它的图形和声音质量。虚拟现实系统的输入设备一般比较专门化，如手持 式操纵杆( w a n d ) 、数据手套、立体显示头盔、音频输出设备等。这些输入设备 是虚拟现实系统为接受参与者发出的信息而使用的工具，可以引导整个仿真过 程，并操纵仿真境界中所存在的物体。一个称为六自由度( 6 d o f ) 的性能指标描 述了一个输入设备参与仿真时的控制能力，一些专用的六自由度输入设备可以 用来控制和改变参与者的位置和方向的有关移动。 虚拟现实系统的软件系统主要是由一个被称为境界构造软件的子系统组 成。境界构造软件可以生成各种虚拟现实应用，这类应用统称为虚拟境界。境 界构造包括建模和绘制对象、给这些对象制定行为、提供交互性和编程。物体 建模和绘制对象可以通过c a d 系统来实现，或利用c a d 的技术和理论单独开 发程序来完成，这就形成了基于v r 的c a d 设计系统。 v r 在c a d 系统中应用主要有两大类：一类是增强的显示系统，一类是 v r c a d 设计系统。 南京理工大学硕士学位论文 图11 一个基本的虚拟现实系统组成 增强的显示系统饵n h a n c e dv i s u a l i z a t i o n ) ：在这种类型中，物体模型由现 有的c a d 系统生成，通过适当的变化处理，把物体模型输入到v r 环境中， 然后通过三维交互设备对物体模型进行检查和操作。增强显示系统通常用3 d 导航设备如s p a c e b a l l 、三维鼠标及带有特殊眼睛的立体显示器以增强显示， 如v e n u s 计划l 和c l e m s o n 大学【1 2 】的研究工作。 v r c a d 系统：这一类系统可以使设计人员在v r 环境下进行设计活 动，其优点是使设计者在进行3 d 设计时突破2 d 设计界面。这类系统使用各 种输入设备为用户提供3 d 设计与交互界面：此外，还可用声音和于势进行交 互输入，如s t a n f o r d 大学i “】研制的v r c a d 系统可在网络环境下用声音利手 势进行外形设计和装配。3 - d r a ws y s t e m l l 3 1 可在三维空间下绘图，j d c a d i ”i 系 统可用3 d 菜单进行零件设计，a t & t 【l 副开发的系统采用了数据手套跟踪手的 位置和一个简单的语音识别系统来生成c a d 显示环境。 在c a d 系统中使用v r 技术，可以大大提升现有c a d 系统的效率。从概 念设计开始，经过详细设计，到最后的产品原型建造，都可以引入v r 技术， 并由此形成了一项崭新的技术虚拟样机技术。 l2 2 虚拟样机的概念与特点 传统的产品开发过程般分为功能设计、结构设计、样机研制与试验等几 个阶段。其中样机建造与试验是传统产品开发过程中一个不可缺少的环节，尤 其在机床制造业更是如此。虽然样机建造与试验可以解决许多在设计中没有考 虑的问题，如结构缺陷、运动干涉等问题，但这也带来一个负面影响，它增加 产品成本和延长了设计周期。随着计算机科学技术的发展和广泛应用，虚拟样 机技术的出现有效地解决了这一问题。 所谓虚拟样机就是通过构造一个数字化的模型来完成物理样机的功能，虚 拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 的定义可这样描述f “1 ：一个基于计算机仿真和虚拟 6 南京理上大学硕士学位论文 现实技术的原型系统或原型子系统，比较物理样机，在一定程度上达到功能的 真实。根据这个定义，虚拟样机主要包括以下要点： 对于指定需要虚拟的物理样机的功能应当明确定义并被逼真仿真。 如果人的行为被包含于物理样机的指定功能中，那么它应当被逼真的仿 真，或者被包含于仿真回路中，即要求实现实时的人在回路中的仿真。 如果样机的指定功能不要求人的行为参与，那么离线仿真即非实时仿真 是可行的。 它是部分的仿真，不能要求对期望系统的全部功能进行仿真； 使用虚拟样机的仿真缺乏物理水平的真实功能。 虚拟样机就是在设计的现阶段，根据已有的细节，通过仿真期望系统的响 应作出必要判断的过程。同物理样机相比，虚拟样机的一个本质的不同点就是 能够在设训的最初阶段就构筑起来，远远先于设计的定型。 通过定义可以看出，虚拟样机并1 i 是一台真实的物理结构样机，它借助虚 拟现实技术和计算机仿真技术将物理结构样机映射到计算机模型上。虚拟样机 虽然不是物理样机，但它远比物理样机更加具有价值。它可以快速地制作，有 效地降低成本，可以模拟加工环境；它还可以提供连机性能数据，用来论证工 程分析的有效性；另外，虚拟样机提供了非常好的内部状态的可观察性，它允 许用户从不同角度观察内部结构，并可以快速修改。虚拟样机技术将建模和仿 真扩展到产品研制开发的全过程，将对产品的传统设计方法产生，变革，并可 以提高产品质量，缩短新产品开发周期，减少成本，从而提高产品的竞争力。 不仅如此，分布式虚拟技术为虚拟样机技术提供了更为广阔的发展空间。 它可以为多个用户和设计人员提供一个共享的虚拟空间，使分散在不同地点的 参加同一设计的综合生产小组人员联系到一起。通过直接与虚拟的复杂产品进 行交互作用，不仅可以进行虚拟合作，使设计思想得以综合，而且还可以实时 地对整个虚拟原型过程进行检查和评估，实时解决设计中的决策问题，从而达 到并行协同设计的能力。 123 虚拟样机技术的应用状况 虚拟样机技术的产生与发展与计算机仿真和虚拟现实技术的发展有密切的 关系，也是后者发展到一定程度的产物。虚拟样机技术，也被称做虚拟原型技 术( 在不影响理解的前提下，本文将交叉使用这两个术语) ，是各种先进计算 技术、系统仿真技术、产品设计技术等综合的结果。过去几年里，许多研究人 员和公司都在虚拟装配和虚拟原型领域做了大量的研究。美国s c a t t c 波音高级 技术中心开发的虚拟空间实验( v s x ) 飞行器相当于一个飞行器的虚拟样机：英 7 一 南京理上大学硕士学位论文 国t c c n o m a t i x 技术有限公司开发的计算机辅助生产工程( c a p e ) 产品涉及到了 设计、优化、制造可行性评价等技术；华盛顿州立大学开发的虚拟装配设计环 境w a d e ) 允许对系统进行计划、评估和改变，并将c a d 系统与沉浸式的虚拟环 境紧密结合在一起；美国波音公司采用虚拟原型技术设计的包含3 0 0 万个零件 的波音7 7 7 飞机的虚拟样机，使设计师、工程师们能穿行于这个虚拟飞机中， 可以随意调出其中的一个零件，审视并修改飞机的各项设计。波音7 7 7 飞机的 虚拟样机获得了无图纸设计和生产的巨大成功，这是近年来引起科技界、企业 界瞩目的一次重大突破，也为我们研制开发新武器系统提供了思路：即利用虚 拟原型技术对武器系统进行全寿命、全周期、全系统的管理，以提高武器系统 研制能力的经济效益。 在我国，西飞公司研制的数字化产品设计制造系统能完成产品零件的三维 模型设计、数字化预装配、空问检查等功能；西南交通大学机械工程研究所对 基于虚拟现实技术的原型设计机理进行研究，把虚拟现实技术与c a d 设计环 境结合起来；上海交通大学建立了分布式虚拟制造系统的框架体系( d v m s ) ； 等等。 1 7 1 13 本文研究内容与意义 近一个世纪来，机床设计领域发牛一次又+ 次的变化，主要有i l ： 4 0 年代末诞生的数控机床； 5 0 年代中推出加工中心； 8 0 年代初推出快速成形机床： 9 0 年代前期推出虚拟轴机床； 9 0 年代后期启动r 虚拟机床技术开发： 虚拟机床是虚拟样机技术在机床中的应用结果，它的应用大大提升了机床 企业的竞争力，虚拟机床由于避开了物理原型的建造，所以具有广泛的适应性 和发展潜力。虚拟轴机床作为近年来出现的一种新型机床，无论从理论上，还 是机械结构研究上均不够成熟，目前虽然有不少的机床原型出现，但这些机床 原型的建造并没有带来期望的效应。将虚拟样机技术引入到虚拟轴机床的课题 研究，不仪可以描述真实样机所能表示的结构特征，而且探索了可以加速产品 创新、降低研制成本、缩短研制时间的一种新的设计方法。 本文研究的课题来源于国防预研项目“面向敏捷制造的虚拟轴机床模块化 新技术研究”，在研究过程中，我们避开样机原型的建造，而是采用虚拟机床 的设计理念和方法，对虚拟轴机床的设计方法学进行探讨。主要的研究内容包 括以下几个方面： 南京理工大学硕士学位论文 探讨了虚拟轴机床的模块化设计方法，对模块的划分与整合，以及模块 的选择作了详细的研究。 对虚拟轴机床的机构性能进行了分析，着重研究了采用优化技术进行工 作空间的计算。 探讨了虚拟机床设计的一般原理与方法，并对这项技术在虚拟轴机床设 计中的应用进行了研究。 介绍了如何用软件实现虚拟机床设计的方法及所用的技术，并设计了一 个机床实例。 整个论文分为7 章，各章节的组织结构如图l2 所示。 j! 竺笙 皇 i 磊五i 面玩葆覆夏i 磊某 【4 虚拟机床设计原理与方法 3 虚拟轴机床的机构分析 l 5 基于虚拟机床技术的虚拟轴机床设i 1 。方_ = 土 _ i 6 系统实现及设计实例 i 7 结论与展望j 图l2 论文体系结构 9 南京理工大学硕士学位论文 2 虚拟轴机床的模块化设计 机床的设计制造实现模块化可有效的降低产品的制造成本。虚拟轴机床作 为一种机械加工设备，同样需要进行模块化处理。更进步的讲，虚拟轴机床 的模块化设计是可重组设计的关键使能技术，它需要解决以下几个问题| 1 9 i ： 支持可重组机床( r t y r r ) 的设计：开发机床模块功能的统一描述方法， 编辑机床模块库，利用各种先进技术进行模块整合研究。 界面接口：精确的装配机床各模块以达到规定的精度要求，这是相当困 难的。因而模块的界面接口必须实现标准化并被精密的制造出来，同时还要研 究模块的快速测量和自适应校准方法，以及怎样减少模块界面问的接触误差。 模块独立：模块不应依赖于其他模块，它应能够独立工作。 21 虚拟轴机床模块划分 模块划分是对虚拟轴机床进行模块化处理的第一步，在进行模块划分时 首先应确定模块的划分原则。传统机床的模块划分原则主要有以下几点： 标准化 功能独立 低成本 制造维护方便 这些原则在处理传统机床模块化时具有很好的指导意义。同时，我们也应 该注意到，传统的机床( 包括专用机床、数控机床、加工中心) 是在固定生产线 ( 包括专用生产线和柔性生产线) 上使用的，不具备可重构的能力。并联机床作 为一种新型机床，其主要的优势在于其结构的简单性保证了它的可重构能力。 考虑到并联机床可重构的能力及在将来在可重组制造系中的应用，在进行并联 机床模块划分时，还应该考虑到以下几个原则： 技术稳定性和功能可升级性 寿命长 质量易得到保证 修理方便，更换容易 根据这几点原则，分析现有的机床( 或机床原型) ，虚拟轴机床的基本模 块可以划分成以下5 个： 驱动模块 控制模块 一1 ( 1 一 南京理工大学硕士学位论文 动平台模块 静平台模块 机架模块 这些模块构成了并联机床的基本模块或单元，它们实现虚拟轴机床的最基 本功能，是可以反复使用的基础模块，通过这些模块的不同组合和连接，就能 构成不同类型的并联机床。 2l1 驱动模块 驱动模块是通过控制系统的指令驱动动平台运动典型机构。驱动模块的不 同配置方式及数量决定了并联机床的基本结构形式( o h 图21 1 。 图2 1 驱动方式 通过调查现有机构的驱动模式，经过分析可以发现，为r 实现动平台的定 位，可以通过以下三种驱动方式： f 1 1 改变杆的长度。 f 2 1 移动并联杆的基点位置。 ( 3 1 绕杆件基点进行旋转。 这样将驱动模块分为两大类：一类是定杆长型式，通过移动连杆的基点位 置和绕基点的旋转来实现动平台的定位。它与动平台用球铰连接，而与机架可 用移动副来连接( 如直线驱动、滚珠丝杠螺母等) ；另一类就是变杆长型 式，通过连杆长度的变化来实现动平台的定位，而它与动平台也用球铰连接， 与机架可用球铰或虎克铰连接。 2l2 动平台模块 动平台模块是夹持不同的末段执行器以实现不同功能的执行机构。如可以 夹持刀具进行切削加工，也可以夹持激光进行特种加工，还可以夹持测最装嚣 进行测量机工作，甚至可以夹持工件进行装配_ i = 作。 动平台模块比较简单，一般有三角平台、六角平台等，与驱动模块的连接 般用球铰，丽与执行器连接口可以是t a p e 结构、销接等。 一1 1 南京理【大学硕士学位论文 动平台的核心参数是其外接网半径r 。 2l3 静平台模块( 工作台) 静平台模块是用于固定各种被加工、被测量或被装配工件的工作台，可以 是固定工作台的组合，也可以是为了满足持特殊需要能够实现平移、升降或旋 转的工作台。 静平台模块对外有两个接口，与工件的接口和与机座的接口，其主参数是 工作台台面尺寸。 214 机架模块 机架是机床的支撑部分，一般通过杆单元或梁单元不同组合，形成不同形 式的框架结构。根据用户不同的需求，以及其他模块的配置要求，机架的结构 型式可以是多种多样的。从总体结构型式上来看，机架可分为立式和卧式两 种。驱动模块、静平台模块均要与它相连，故而机架模块无论在强度、刚度上 均有较高的要求。机架的接口形式多样，有导轨滑块结构、焊接结构等。 215 控制模块 一般认为，虚拟轴机床的结构简单性是以控制系统的复杂性为代价的。因 此，控制软件模块是虚拟轴机床模块组成中一个不可缺少的部分。控制模块的 主要功能是通过控制软件对虚拟轴机床动平台进行轨迹控制、误差补偿，还可 以对刀具或工件进行控制( 如换刀、更换装卸需件等) 。在设计控制软件时，应 采用面向的对象法，隐蔽具体的实现细节，对外提供统一的调用接口。 在设计控制模块时，应符合o s i 规范，使其具有开放性。这样，根据实际 需要，可增加、修改、删除、更换不同的模块。简单的讲，控制模块应具有可 移植性、可重构能力及可扩展性。 虚拟轴机床控制模块的设计目标是实现即插即用，当虚拟轴机床的机械结 构形式发生变化后，其控制模块应能随之发生变化以适应结构特点的变化。在 具体编码实现时，可以将控制模块划分为若干功能独立的系列子模块。 由于控制模块的控制软件相当复杂，在本篇论文中，我们没有更为详尽的 设计实现说明，而是将重点放在虚拟轴机床模块化结构形式上。 以上介绍的只是虚拟轴机床的基本模块，在实际运用中还可以根据需要添 加一些辅助模块，如刀具更换装置、冷却系统等等。总之，在台实际的可用 于机械加工的虚拟轴机床中，以卜介绍的5 种模块是必不可少的。 1 2 南京理工大学硕士学位论文 2 2 模块管理系统 模块管理系统负责对虚拟轴机床的模块进行维护，包括模块的添加、删 除、查询及修改等基本功能，模块管理系统的核心是模块库，里面存储了大量 的各个模块的相关信息如结构型式、模块编码等。模块编码是模块的唯一识别 标志，它的唯一性能够大大提高模块管理系统的效率。 221 模块编码 编码的目的在于用简单的文字表达复杂的概念，一个好的模块编码系统， 只需通过编码就可以获得该模块的各种属性。通常，模块的编码应包括几何信 息、制造信息等。本文所用编码系统的编码仅仅表达了其几何信息，而将其它 信息放在了数据库中，这样做的目的是为了更好的处理模块的机械结构特点。 模块编码应具有唯一胜，这样能够使数据库满足3 n f ，大大提高数据库的运行 效率。 模块编码的开头必须使用表2l 中的种类代码，作为模块的类别区分标 志，其后紧跟模块的尺寸参数。如有一定杆长形式的驱动模块，其两个主参数 分别为1 0 m m 和1 7 m m ，则其编码为d i l l l o l 7 。 表21 虚拟轴机床模块定义表 种类代码模块名称 功能说明 d r i定朽长驱动模块驱动动平台的执行机构 d r l l变杆长驱动模块驱动动平台的执i j 机构 m动平台模块终端执行器的夹持装置 t静平台模块夹持工件的工作台 f机架模块机床的支撑装冒 222 模块数据库及其管理系统 为了更好的管理虚拟轴机床的各个模块，有必要对模块进行统一管理，这 样就形成了模块数据库。在数据库中，模块的各种信息都应保留下来，如模块 的工程属性、制造信息、联接界面等，以被各种应用系统使用。 模块数据库采用a c c e s s 建立，其记录格式为： m o d u l e c o d e ：文本格式数据( 模块代码) m o d u l e n a m e ：文本格式数据( 模块名称) m a i n v a l u e l 数字格式数据( 模块主参数1 ) m a i n v a l u e 2 ：数字格式数据( 模块主参数2 ) s t m t v p e ：文本格式数据( 模块结构型式) 一1 3 南京珲工夫学硕士学位论文 l m a g e f i l e ：文本格式数据( 模块图形的文件名) ； 建立模块数据库后，还需要建立 管理系统，对用户提供统一的界面接 u 。这些接口包括模块的创建、删 除、检索和修改。如图2 2 所示，模 块管理系统负责对模块的集中管理， 通过用户接口，调用系统提供的各种 命令，将最终结果呈现给用户。 图2 2 模块管理系统框架 23 模块选择算法 模块选择是指从模块库中选择一个模块，该模块能够最佳的满足用户给定 的要求，如果模块库中没有可用的模块，则给出相应的参考信息。 23l 基本概念 模块的定性属性：模块属性中非数值的、只能用文字表述的参数( 如模块 的结构型式) 。 模块的定量属性：模块属性中可以用数值描述的参数( 如导轨行程) 。 臼标模块：一个假想模块，它和用户的设计要求完令一致。 可刚模块：定性属性完全相同，定量属性均位于用户许可区间的模块。可 用f 式判断： fs c = s c 、 瓯巍1 ：l ，占】 ( 21 ) 式中，s 巩。s d o , 被选模块与目标模块的定量属性。 。n 被选模块与目标模块的定性属性。 艿是一个不小于1 的实数，它表征了两模块的对应定量属性的差异程度。 这样，模块选择问题的数学描述为： 设模块库中某种模块的集合为m = m 。，m 2 。，m 。) ，目标模块为m o ，m 。的 属性i 集合为s ，其中定性集合为& - s c l ，s c 2 ，、， ，定量集合为岛 5 碣， s d 2 ，s 4 ，则s = s c + s d 。要求在m 中寻找模块m j ，使得m i 与m o 最相 沂。 1 4 232 模块选择算法 该算法的流程图如k 冬l ( 23 ) 所示，它分两部分：一是定性检索阶段，是定 量匹配阶段。利用式( 21 ) ，首先检索定性属性，只有定性属性相同，模块才有 可能成为可用模块；然后进行定量匹配，得到若干个可用模块。为了在h j 用模 块中选择出最佳模块，采用r 最优模块检索算法。当模块库中无法找到合适的 模块时，则给出相应的信息，通过模块管理系统创建撕的模块。 囤23 模块选铎算法流程圈 233 最优模块检索算法 经过定性属性匹配后、如果这时得到由x 个模块组成的定性属性相同但定 量属性不同的模块集合a 。a - ：= a l ，a 2 ，a x ，若模块的定量属性集合为s d ， 相应的值为5 仃( a ) ，则可以得到下列属性值表。 表22 属性值表 f 块 a l a ， a 、m l 属性 h is d ：s d i ( a 0 s d t ( a 2 )s d , ( a 、)s d i ( m o ) 5 2 i 2 s d z ( a i ) s 谚( a ：) s d 2 ( a x )，2 ，m o ) s 4 s 4 ( a t )s 4 ( a 2 )s 4 ( a 、1s 4 ( m o ) 1 5 一 南京理工大学硕士学位论文 定义d o , = l x c r x 山x o 表示目标模块的的某一属性值，置则表示被选模块的相 对应的属性值，d o ，也即是常说的海明距离。为了表示模块i 与模块k 的差异程 度，定义差异值 ，) 铲煮( 2 2 ) 的值越大，表明模块i 比模块k 更接近目标模块m 。 这样，算出模块a 1 ，a 2 ，a 。关于属性s d l 的两两之间的差异值，得到差 异值矩阵 r s d l = r , e ( s d l ) ，i ，k = l ，2 ，x( 23 ) 用和值表示模块a 。与目标模块m o 关于属性s d l 的接近程度度量 d ( s d l ) = ( ( 蹦) ) ，f = 1 2 ，r ( 24 ) k = l 同样，我们可以算出模块a i 与目标模块m o 关于属性s d 的接近程度度量 4 ( 蹴) 。( ( 甄) ) ，i = 1 2 ，”= 1 , 2 j ( 25 ) = 1 采用加权平均的方法，得到模块a 与目标模块m o 相接近程度的综合度量 4 = ( w 。z ( s 破) ) ， = 1 , 2 ，i = 1 , 2 ，x ( 26 ) 一j 上式中w k 是属性s d k 的权重，且w 。= l ，w 。 0 。 女一1 最优模块m 就是该模块的综合度量4 是模块集合a 中最大的个。 m ，= m 。lm 。凡d k 一( ，= 1 2 ，)( 27 ) 模块化设计、制造是机床制造业的基本生产组织方式，虚拟轴机床作为 种新型加工设备，同样离不开模块化技术的支持和应用。本章对虚拟轴机床的 模块划分与管理进行了研究，建立了虚拟轴机床的模块管理系统；同时，提出 了种模块选择算法，该算法允许设计人员从模块库中选择个最佳接近设计 要求的模块，或者通过模块管理系统创建一个新的模块。 一1 6 南京理1 大学硕士学位论文 3 虚拟轴机床的机构分析 3 1 位置分析和运动分析 3l 1 位置分析 位置分析的任务是确定机构的输入与输出之间的关系。已知机构的主动件 输入位置，求输出件的位置和姿态，这是位置分析的正解问题；相反，若已知 机构输出件的位置和姿态，求输入件的位置则是位置分析的反解问题。虚拟轴 机床的位置分析也同样包括正解和反解两个内容。用数学语言来描述，设虚拟 轴机床的输入向量为g ，输出向量为x ，则正解问题就是确定函数o ，使得舴 o ( d 。而反解则是确定函数，使q = q j ( x ) 。方程贝xg ) = o 是更为一般的表达方 式，称为机构方程。归纳起来，有： 醐聪炉蜥： 篙燃纂篙霪 n ， | g = y l j ，及肝l 叫谜 从数学角度讲，位置分析的实质就是代数方程组的求解。这样，利用代数 方程组理论，产生了许多纯数学的求解方法如w u 方法口“、数值方法等。 虚拟轴机床的机构是并联机构，其位置分析同样有正逆之分。并联机构的 位置反解易求，但正解相当难以获得。简单的说，并联机构的位置正解就是由 并联着的6 条腿确定末端平台的位姿，这是并联机构的应用基础口2 j ：如何用最 小的机构尺寸获得必须的工作空问，如何避开机构运动的奇异位置，如何校对 机构的零位置，如何分析机构的输出误差等都依赖于位置正解的结果。 从机构学角度讲，位置正解有两种研究方法：数值分析法和解析法。数值 方法便于计算机实现，但它们不能求出机构位置的全部解，或者算法不稳定， 求解速度慢，更深层次上来讲，数值方法都是通过迭代来实现的。目前比较成 熟的数值方法有：同伦迭代法2 ，优化算法1 2 ”，连续算法【2 4 i 等。 解析方法则是通过消元来实现，通过特种消元获得只含一个未知变量的高 次方程能提供比其他方法更快的算法，但般情形下很难获得。值得一提的 是，文福安、梁崇高两位学者在1 9 9 2 年完成了“d i s p l a c e m e n ta n a l y s i so f s t e w a r tp l a t f o r mm e c h a n i s m s ”1 2 5j 一文，使采用解析法求出并联机构的所有构型 成为可能。 其他位置正解的求解方法还有：几何法 2 6 - 2 8 i ，等效机构法1 2 9 1 等。 不失般性，我们以常见6 - s p s 机构来讲述位置分析的一般方法。6 - s p s 机构是一种典型的并联机构，也即是常见的s t e w a r t 平台，许多虚拟轴机床都 南京理上大学硕士学位论文 是以此为原型而建的，它的结构如图31 所示，上、下平台用6 根可以伸缩的 支撑杆连接起来，下平台固定不动，利用6 根杆长度的变化控制上平台的位置 和姿态。 您 图316 - s p s 并联机构 6 - s p s 机构的输入向量叮= ，l ，f 2 一，1 6 t 其中为，- 1 6 为6 根杆的长度，输出 向量为) 仁 耳，易，弓，0 ，0 ”o z 昂，乙为上平台参考点p 在绝对坐标x y z 的坐标值，口。口。口：为上平台动坐标系相对于静坐标坐标轴的3 个独立转 角，则方向余弦矩阵r 为p i ： t - t ( 自。，0 o ：) 1 c o = c o yc o z s o y s o ，一s o ，c 或c o ：s o v c o x + s os o 。j = js o = s o 。s o z s o ，5 以+ c o = c o ，s o ：s b c 晚一c o ：s 以i ( 32 ) 一s o , c p ，s 或c o 。c o 式中c0 = c o s ( 0 ) ，s0 = s i n ( 目) 。 令b ，b ，分别为第z 杆与上、下平台的连接中心在绝对坐标系o x y z 下的 绝对坐标值，b ：为上平台的铰链中心在上平台动坐标系x y z 下的相对坐标 值，易得机构方程为： 2 慨一甜，f 1 ) 2 ，6( 33 ) = t - b ：+ p 当已知，i 1 2 ，6 时，需要求出r 和p ，即耳，昂，乙，口。0 。0 ：，这是正解 问题：而当r 和p 已知时，需要求出屯，2 ，6 ，是反解问题。 从这里可以看出，6 - s p s 机构的反解