（机械制造及其自动化专业论文）汽轮机叶片并联抛光机系统的研究.pdf

摘鬃 汽轮杌叶片并联抛光机系统的研究 摘要 本文研究开发一种采用并联运动机床实现叶片抛光的自动化抛 光方法。 首先，对汽轮枧叶片的抛光现状进行了调查研究，了解到匿前汽 轮机叶片的抛光加工仍采用手工抛光的方法。手工抛光方法重复性 高、耗时，对工人工作经验要求较高。抛光设备比较落后，工作环境 恶劣，产生的微小颗粒也危害工人的健康，抛光效率低，抛光效果往 往随抛光工人的熟练程度的不同而不同。同时本文对国外的先进抛光 技术进行了介绍，了解到国外抛光己采用了机器人抛光的自动化抛光 方法。针对这样的现状，本文提出了采用并联运动机床实现叶片抛光 的自动化抛光方法。 其次，本文对国内外并联运动机床的研究和应用进行了简单的介 绍，比较详细地分析和研究了冒前较为典型的并联机构的特点。最终 选用6 - s p s 并联运动机床来完成汽轮机叶片的抛光3 h i 仿真。接下来 介绍了6 - s p s 并联机构的组成和特点，计算了该机床机构的自由度， 并进行了位置反解求解。同时通过建立数学模型，推澧了该并联机构 的一阶影响系数矩阵和二级影响矩阵，推导出了速度和加速度正反解 方程，分析了运动雅克比矩阵和力雅克比矩阵之间的对偶性关系。 然后，在完成对6 - s p s 并联机构分析的基础上，本文对比了几种 比较常用的建模方法，最终选用功能强大的u g 软件完成该并联机构 t 摘要 和汽轮机叶片的实体建模。对叶片抛光方法进行分析，在u gc a m 模块中完成了叶片的仿真加工，生成叶片的刀具位置源文件( c l s f ) 。 通过对刀位源文件进行处理，获得杆长变化数据。再利用u g 的电 子表格驱动功能，实现基于u g 平台的该并联机床对叶片的抛光加 工仿真。通过抛光仿真加工不仅可以验证刀位数据的正确性，同时， 可检查刀具与工件之间是否存在干涉。为将来真正实现并联机构抛光 叶片提供了理论基础和实现方法。 最后，对刀位源文件的后处理和时片仿真加工的实现提出了改进 意见。 关键词：汽轮机叶片，抛光加工，并联运动机床，u g 实体建模，加 工仿真 i i 硕士学位论文 摘要 t h es t u d yo fp a r a l l e lp o l i s h i n gm a c h i n es y s t e m o nt h et u r b i n eb l a d e a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sa na u t o m a t i cp o l i s h i n gm e t h o d t op o l i s ht h et u r b i n eb l a d eb yt h eu s eo ft h ep a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n e t 0 0 1 f i r s t l y , t h et u r b i n eb l a d ei sf r e q u e n t l yp o l i s h e dm a n u a l l y , t h i sw a y i s r e p e t i t i v e ，t i m e c o n s u m i n ga n dr e q u i r e se x p e r i e n c e f u r t h e r m o r e ，t h e u s u a lp o l i s h i n ge q u i p m e n ti sr e l a t i v e l yo u t - o f - d a t e ，w o r k i n gc o n d i t i o n s a r ep o o ra n dh a r m f u lt ow o r k e r s h e a l t h m e a n w h i l e ，t h ep o l i s h i n g e f f i c i e n c yi sl o wa n dt h ep o l i s h i n ge f f e c ti sv a r i e dw i t ht h ed i f f e r e n t p r o f i c i e n c yo fw o r k e r s t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ef o r e i g na d v a n c e d p o l i s h i n gp r o c e s sw h i c hu s e sr o b o t st op o l i s h a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t s i t u a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h i sk i n do fa u t o m a t i cp o l i s h i n gm e t h o d s e c o n d l y , t h i sp a p e rs u m m a r i e st h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fp k m b o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n da n a l y z e sc h a r a c t e r i s t i co fs o m et y p i c a l p k mi nd e t a i l f i n a l l yt h i sp a p e ra d o p t s6 - s p sp m tt op o l i s ht h et u r b i n e b l a d e c o n s t i t u t e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e6 一s p sp k ma r ei n t r o d u c e d ， t h en u m b e ro fi t sd e g r e ef r e e d o mi sc a l c u l a t e d ，a n dt h ei n v e r s es o l u t i o no f t h ep o s i t i o ni sa n a l y z e d t h ef i r s ta n ds e c o n do r d e rk i n e m a t i ci n f l u e n c e c o e f f i c i e n t so ft h ep m ta r ed e d u c e d ，a n dt h ef o r w a r da n di n v e r s e i i i e q u a t i o n o ft h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o na r ed e d u c e d t h ed u a l i t y b e t w e e nk i n e m a t i cj a c o b i a na n dd y n a m i c si sa n a l y z e d t h e n ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f6 - s p sp a r a l l e lm e c h a n i s m ，a n d c o m p a r i n gw i t hs e v e r a lm o d e l i n gm e t h o d s ，f i n a l l yt h i sp a p e rs e l e c t e du g s o f t w a r et oe s t a b l i s ht h es o l i dm o d e l i n go ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s ma n dt h e t u r b i n eb l a d e a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ep o l i s h i n gp r o c e s so ft h et u r b i n e b l a d e ，t h es i m u l a t i o nm a c h i n i n go ft h et u r b i n eb l a d ei s r e a l i z e di nu g c a me n v i r o n m e n ta n dt h ec u t t e rl o c a t i o ns o u r c ef i l e ( c l s f ) i sc r e a t e d a c c o r d i n gt ot h ep o s tp r o c e s s i n go ft h ec l s f , t h ev a l u e so ft h er o d l e n g t ho ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s mc a nb ef i g u r e do u t t h es i m u l a t i o n m a c h i n i n go ft h et u r b i n eb l a d ei sr e a l i z e di n6 - s p sp a r a l l e lm e c h a n i s mb y s p r e a d s h e e td r i v i n gf u n c t i o ni nu gt h r o u g h s i m u l a t i o nm a c h i n i n g ，i ti s p r o v e dt h a tt h et o o lp o s i t i o ni s c o r r e c ta n da n yi n t e r f e r e n c ea m o n gt h e r o d sc a nb ed e t e c t e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i st op o l i s h t h et u r b i n eb l a d eb yu s eo ft h ep a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et 0 0 1 f i n a l l y , s o m es u g g e s t i o n a n de x p e c t a t i o nf o ri m p r o v i n gt h ep o s t p r o c e s s i n go ft h ec l s fa n dt h ep o l i s h i n gs i m u l a t i o nm a c h i n i n go f t h e b l a d ea r ep u tu pf o r w a r d k e yw o r d s ：t u r b i n eb l a d e ，p o l i s h i n g ，p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n e 6 k m ) ，u gs o l i dm o d e l i n g ，s i m u l a t i o nm a c h i n i n g i v 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 玎节征 日期：2 翻订年3 月s 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密日。 学位论文作者签名： 佩彰组 日期：潮年3 月g 日 指导教师签名：鳓、 ，1 日期：乡l 叫年乡月扫 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究背景和研究意义 1 1 1 本课题研究背景 叶片是汽轮机的重要部件之一，如图1 1 所示。叶片汽道部分为变截面扭曲 的空间复杂曲面，精度要求高，加工难度大。同时汽轮机叶片长期工作在高温、 高压、巨大的离心力、蒸汽力、腐蚀和振动以及水滴冲蚀的恶劣环境下i l j ，为 了提高汽轮机的发电效率、降低能耗，从而对叶片的精度要求较高，进而对设 备及工艺技术水平要求也很高。任何设计和制造中的缺陷都可能导致工作效率 的降低，甚至整个机组的损坏，带来重大经济损失。而对于汽轮机叶片的抛光 加工，目前仍采用人工抛光的方法，如图1 2 所示。抛光加工过程是一种复杂的 作业过程，有许多因素影响抛光加工效果。从图中我们可以看出，叶片抛光设 备还比较落后，工作环境恶劣，产生的微小颗粒也危害工人的健康；同时人工 抛光效率低，对工人的依赖程度较大，抛光效果往往随抛光工人的熟练程度不 同而不同，具有一定的差异；抛光过程中抛光操作者通过触觉、力觉和视觉实 时人为的感知抛光程度，容易产生人为误差。诸如上述因素都迫切要求采用自 动化的抛光技术，从而提高叶片抛光的效率和表面质量。 而国外大都采用自动化抛光技术，针对这样的现状，本文研究开发一种采 用并联运动机床实现叶片抛光的自动化抛光方法。随着并联运动机床的迅速发 展和完善，其自身的优点也逐渐被我们认同。并联运动机床系统运动部件质量 小，运动惯性小；运动部件惯性的大幅度降低有效地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，因而特别适合于各种高效数 控作业；并联运动机床的环境适应性强，易于重构和模块化设计，可构成形式 多样的布局和自由度组合。2 0 0 0 年前后，并联运动机床在运动学原理、机床设 计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和工业应用方面都先后取得了重 大的突破。世界著名的机床公司都相继推出新产品，我国许多高校也都进行了 理论研究，同时也开发研制了并联运动机床的原型机，发展了许多经过改进的 机构原理和结构，使并联运动机床进入了实用阶段。 碰学位论文第一章绪论 为此，基于汽轮机叶片抛光现状和并联运动机床的发展，本文研究开发一种 自动抛光的方亍去即采用并联运动机床实现叶片的抛光。 圈l l 汽轮机转于和叶片蚓l 一2 叶片人工抛光现场 1 1 2 本课题研究的实际意义 本课题就是运用并联运动机床( p a r a l l e l k i n e m a t i c s m a c h i n e t 0 0 1 ) 实现汽轮 机叶片抛光仿真。目前，汽轮机叶片的抛光大都采用手工抛光，其缺点是： ( 1 ) 对抛光工人依赖程度较火，要求抛光工人具有丰富的经验，抛光效果往 往随抛光工人的熟练程度不同而不同： ( 2 ) 抛光工作单调、环境恶劣，存抛光过程中会产生一些微小的颗粒，危害 抛光工人的健康； ( 3 ) 劳动强度较大，效率低。过高的劳动强度容易使工人疲劳，影响抛光质 量。 ( 4 ) 人工抛光容易产生人为误差。 采用并联机构进行叶片抛光，相比之下有很多优点： ( 1 ) 效率高，可以节约更多生产时1 4 ，从而降低成本， ( 2 ) 零件能够达到更加均匀的表面质量，避免产生过抛区域； ( 3 ) 并联机构运动灵活，可以根据被加工曲面的轮廓和形状来定位、定向， 非常适合用于自动化抛光； ( 4 ) 自动化程度高，加工环境好，有利于抛光工人健康。 优质、高效、环保是抛光不断追求的目标，轻松、宜人、自动化是发展方向。 为此，采用并联运动机床实现汽轮机叶片的抛光，具有重要的理论意义和现实意 义。 鸱罄蕊鬣曝瞵 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国外先进的抛光技术的研究和应用 1 2 1 国外基于机器人的模具曲面抛光技术的研究 日本、美国、德国、法国等早在8 0 年代就已开始进行模具抛光自动化系统 的研究，并相继推出了模具自动化专用加工机床。目前日本在机器人用于模具自 动化加工方面居世界领先地位，美国、西班牙、德国、韩国、新加坡等国家和我 国台湾、香港等国家和地区也在这方面开展了持续的研究。 早期的研究主要集中在模仿手工抛光轨迹，随后又引入了c a d c a m 自动 进行轨迹规划。上世纪8 0 年代日本学者s a i t om i y o s h ij e o n g 在手工抛光的基础 上，展开了机器人抛光工艺的研究，如切削深度、进给量、材料去除率、作用力、 抛光轨迹等对抛光质量的影响。随着传感技术、微电子技术、智能技术，尤其是 网络技术的迅速发展，机器人抛光系统正向智能化、网络化过渡。如韩国釜山国 力大学开发了基于网络的机器人自动抛光系统；新加坡开发了智能机器人抛光系 统；香港大学对机器人抛光刀具进行了研究，对硬质刀具和软质刀具效率、质量、 工艺进行了对比分析，开发了一套基于自由曲面扫描数据轨迹规划系统；日本学 者k u n e i d a 和n a g a w a 开发了磁性压力执行器。国外基于机器人的模具曲面抛光 技术的研究为机器人在实际生产中的应用奠定了基础。 1 2 2 机器人抛光在模具制造和复杂曲面加工中的应用 传统的模具抛光大都采用人工抛光。抛光加工重复性很大，又非常耗时间， 同时要求抛光工人有丰富的经验。抛光自动化能减少抛光时间，提高效率，从而 降低了成本。大多数的模具生产商，都是用c a d c a m 系统设计他们的零件同 时通过c n c 程序完成零件的制造。这些c a d 数据同样作为机器人抛光零件进 行编程的数据。 关于在抛光过程实现自动化领域的研究在国外很早就开展了。自动化机器人 抛光系统结合抛光参数演化的理论模型和机器人抛光单元的控制系统实现自动 化抛光，同时应用于复杂几何零件的加工。如图1 3 所示，此实验设备是6 轴机 器人，它位于工作台的前方。其负载能力高达3 0 千克，配有电动的刀具，旋转 速度为0 - 3 0 0 0 r p m 。模具固定在工作台上。此单元由a s e aa b b i r b - 3 0 0 0 机器 人，s 3 控制系统和个人电脑组成。监视系统，阶段规划和控制系统在个人电脑 上执行。正在运行的c a d 系统在一个分离的工作区。图1 4 和1 5 分别为应用 砸学位论文第一章绪论 此设备进行抛光加工的动作过程和加工结果。图1 - 6 为加拿大r y e r s o a 大学研制 的自动抛光系统阳。该机器人由五根轴组成，其中包括一个三角架机构( 三根轴) 和一个构台( 两轴) 。 图i 一5 机器人抛光加工的结果 图16 加拿大r y e r s o n 大学研制的自动抛光机器人 ，簿峙 廷膨蝥 硕士学位论文第一章绪论 1 。2 3 桃器人抛光模具的大体步骤 模具抛光实现步骤如下【3 】： l 。规划= 几何形状+ 技术要素 定义基准面 定义刀具轨迹= 点( x ，y ，z ) + 表面的法矢量 选择重叠模型 选择刀具 选择颗粒尺寸 选择技术参数( 进给速度，切削速度等) 2 。仿真- - - 零件模型+ 刀具运动 3 检验= 返回并且纠正错误继续 4 制造= 生成中间文件( 包括刀具轨迹，重叠类型，技术参数等+ 后处理程序+ 获得的机器人制造文件) 1 。3 算联运动机床在国内外的研究和发展 1 3 1 并联运动机床与传统机床比较 并联运动机床是采用具有两个帮两个以上运动链的并联机构，以实现工具或 工件所需运动的机床。过去的几年中，曾使用过许多不规范的术语，如6 条腿机 床、虚拟辘机床、并联机床等。冒前，著联运动机床已经得到国际学术界静一致 认剐4 1 。 并联运动机床是以空闻并联机构荛基础，充分利用计算机数字控制的潜力， 以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世 纪以来以笛卡尔坐标直线缱移为基础的机床机构和运动学原理发生根本变纯。并 联机床与传统机床的比较如图1 7 所示。 放图中可见，并联棍床与传统枕床酶区别主要裹现在：传统机床布局蠡每基本 特点是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台的滑板沿支承部 件上酶直线导轨移动，按照x 、y 、z 坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀 头点的加工表面轨迹。并联运动机床布局的基本特点是，以机床框架为固定平台 的若干杆件组成空闻并联机构，主辙部俘安装在并联机构的动平台上，改变杆件 的长度或移动杆件支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。 硕士学位论文第一章绪论 由于并联运动机床结构以桁架杆系取代传统机床结构的悬臂梁和两支点梁 来承载切削力和部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主轴、滚 珠丝杆、直线电动机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态性能好、机 床的模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点，是新一代机床结构的重 要发展方向【4 1 。 图1 7 并联机床和传统机床的比较 1 3 2 并联机床在国外的研究和发展 1 9 6 5 年，德国s t e w a r t 发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器，在地 面训练飞行驾驶员。因而每小时的训练费用降低很多，效益显著，很快获得推广。 现在，各国主要航空公司的飞行员培训中心都采用飞行模拟器进行培训。1 9 7 8 年，澳大利亚著名机构学教授h u n t 提出将并联机构用于机器人手臂，但是并没 有得到业界的足够重视。1 9 8 6 年，f i c h t e r 发表了关于并联机器人理论和实际结 构的研究成果后，才引起机构学和机器人学研究者的普遍兴趣。 目前，国际学术界和工程界对研究和开发并联机床非常重视，对这种新型数 控装备的工程应用前景和市场潜力极为乐观，纷纷投入大量人力和物力竞相开 发，并从2 0 世纪9 0 年代初以来相继推出多种结构相似而名称各异的产品化样 机【5 1 【6 】【7 】【8 】。 1 9 9 4 年，在美国芝加哥国际机床展览会( i m t s 9 4 ) 上，美国g i d d i n g s & l e w i s 公司首次推出了v a r i a x 型并联运动机床( 图1 8 ) ，引起各国机床研究单位和生 产厂家的重视。它是一台以s t e w a r t 平台为基础的5 坐标立式加工中心，标志着 机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。 碗学位论文 第一章绪论 1 9 9 7 年，在德国汉诺威国际机床博览会( e m 0 9 7 ) 和巴黎国际机床博览会 ( e m 0 9 9 ) 上，有很多并联运动机脒参展。其中自德国m i k t o m a t 机床公司生产 的6 xh e x a 讧式加_ t 中心是欧洲第一台商品化的并联运动机床( 图1 9 ) ；瑞典 n c o sr o b o t i c s 公司开发和生产的t r i c e p t 系列并联机器人8 4 5 和6 0 0 型并联运 动机床( 图l 一1 0 ) ：瑞士联邦技术学院研制的h e x a g l i d e 并联机床( 图1 - 1 1 ) ； 美国h e x e l 公司生产的h e x a b o t 并联机床f 图1 - 1 2 ) 等等。 其中，瑞典n e o s r o b o t i c s 公司生产的t r i c e p t6 0 0 和8 0 5 型并联机床己售出 l o o 多台。波音、沃尔沃、大众、通用、英国航空航天公司，以及美国别克公司 ( 中国) 均购置了这种机床，用于航空航天铝结构件，汽车大型模具制作等，已 经取得显著的经济效益。并联运动机床困其诸多优点很可能成为能够适应2 1 世 纪灵活多变环境的新一代高速、高柔性、高经济性的数控加工设备，具有广泛的 市场前景。为此，1 9 9 6 年，德、意、法、英、瑞士、瑞典和西班牙七国在欧共 体资助下，启动了称之为“m a n u f a c t u r i n g ”，“r o b o t o o l ”和“航空工业制造 反应系统”三个大型跨国联合研发项目。近年来，在美国政府和企业的支持下， 美国六大著名的国家级研究开发基地开始从事并联机床的开发。它们是：h e x e l 公司、m i t 、n i s t 、o r n l 、s n l n m 、s n l c a 。 震盛 ( 曲t r i c e p t8 4 5 ( b ) t r i c e p t6 0 0 图1 - 1 0 n e o s r o b o t i c s 公司的并联运动机床 越l l l 露盏 硕i 学位论文 镕一章绪论 e 图l 。1 1 瑞士联邦技术学院研制的并联运动机床 瓷磷。 133 并联机床在国内的研究和发展状况 我国在并联运动机床领域的研究起步也比较早，最早从事并联机器人基础性 理硷研究的是黄真教授”】和梁崇高教授。燕l j j 大学于1 9 9 1 年研制出我国 第一台并联机器人样机( 图1 1 3 ) ，并在此基础上作了很多理论研究。哈力；滨工 业大学早在1 9 9 4 年底就开始对并联运动机床的基本理论、基本结构形式和加工 过程的计算机仿真进行研究。1 9 9 7 年清华大学和天津大学合作研制的大型镗床 类并联样机v a m t l y ( 图1 1 4 ) 。东北大学于1 9 9 8 年成功研制了五轴联动三 杆并联机床d s x 5 7 0 ( 图1 1 5 ) ，天津大学和天津第一机床总厂合作于1 9 9 9 年 研制成功了三坐标并联机床商品化样机l i n a p o d ( 图1 - 1 6 ) ，哈尔滨工业大学 也成功地研制了一台样机。 鉴于并联机床可能对制造业的影响，并联机床在相关基础理论方面得到国家 自然科学基金的连续资助。目前，从事此方面研究的国内高校和科研单位还有中 科院沈阳自动化所、清华大学、天滓大学、东北大学、哈尔滨工业大学、北京航 空航天大学、河北工业大学和燕山大学等。此外，1 9 9 9 年6 月在清华大学召开 了我国第一届并联机器人与并联运动机床设计理论与关键技术研讨会，对并联运 动机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。2 0 0 1 年的北京 国际机床展览会( c i m t 2 0 0 1 ) 上，同时展出了4 台并联机床，它们分别是由 清华大学与昆明机床厂、大连机床厂、江东机床厂联合研制的3 台和哈尔滨工、i k 大学与哈尔滨量具刃具厂联合研制的1 台。 对并联运动机床的理论及应用等方面的研究与实践成果不仅可以促进机构 学理论、数控技术、测量反馈技术等多学科的发展，进一步拓宽并联机构在工程 实际中的应用，同时也必将推动我国数控机床工业的发展，并将更好地促进整个 碰学位论文 第一章绪论 机械工业的现代化。可以预见，并联机床不仅仅将占据传统机床的部分应用领域 同时必将为整个机床行业扩展出更广阔的应用领域。 图1 13 燕山大学研制的井联运动机床样机图图1 1 4 清华大学研制商品化并联运动机床 磐 图l 一15 东北太学研制的并联机床 图1 1 6 天津大学研制的机床 14 并联运动机床关键技术 141 概念设计 概念设计是并联机构设计的首要环节，其目的就是在给定所需自由度条件 下，寻求含一个主刚体( 动平台) 的并联机构杠副配置、驱动方式和总体布局的 各种可能组合 1 6 】。概念设计主要是设计和选定能够满足机床加工要求的并联运 动机构。事实上，由于众多因素是相互制约的，甚至是相互抵触的。设计过程实 质上就是在这些因素之间谋求折衷，以满足加工过程的要求。并联运动机床概念 设计的主要内容包括：机构综台、空间位置分析及坐标转换、工作空间和约束条 件、实时运动仿真。 142 运动学问题 并联运动机床运动学方面的研究主要涉及到机构的位置分析、工作空间分 析、速度和加速度分析等l ”j 。 ( 1 ) 位置分析。有位置反解和位置正解。已知平台空间位置和姿念，求输 入叫位冒反解。并联机构的反解比较容易求解，且便于宴时控制。已知输入求输 习甄穗盖一幽函 硕士学位论文 第一章绪论 出( 动平台的空间位姿) ，譬鸯位置正解。与串联机构相反，并联祝构的正解菲常 困难，是一个世界性的难题，到现在还没有得到完全解决，般说来，6 - 6 的并 联机构芷解最多可达4 0 个不同的位姿，较简单的3 - - 3 并联机构最多也可达1 6 个不同的位姿。分析正解问题其中一种方法是采用数值分析的方法。较为成功的 方法有詹重禧法、区间分析法、不动点原瑷法( 牛顿迭代法的改进) 。数值方法 虽然对机构的位置正解分析起了一定的作用，但是还不能求出机构位置的全部正 解，而且算法不稳定，求解速度慢。此外，还有延裕法和g r o e b n e r 基法。虽然 可以求出机构位置的正解，但计算量大、实时性比较差。消元法能够获得理想的 运算速度和稳定性，对并联机构的应用有十分重要的意义。 ( 2 ) 工作空间分析。工作空间是并联机构的重要特性。并联机构的工作空 间是指动平台上的参考点所能够到达的所有位姿的总和。按其自身性质，可将王 作空间分为最大工作空间( m a x i m a lw o r k s p a c e ) ，定向工作空间( c o n s t a n t o r i e n t a t i o nw o r k s p a c e ) 和完全工作空间( c o m p l e t ew o r k s p a c e ) 。合理的定义工作 空间是并联机构运动学设计的首要环节。并联机构的正作空间是多个支链工作子 空间的交集，一般是有多张空间曲面片围成，比较复杂。相对串联机构来说，并 联机构的工作空间较小，因此，开发并联机构的工作空间是非常有意义的。并联 机构的正作空间逆向问题是指根据给定工作空间来确定机构的结构尺寸和约束 条件。互作空间的正向闻题和逆向问题同样重要，这样将二者结合起来，才能将 并联机构设计得更好。工作空间的求解有数值法和解析法。数值法核心算法是， 利用位置逆解和k - t 条件搜索边界点集。解析法的基本思路是，将弗联机构拆 解成若干单开链，利用曲面包络论求解各单开链子空间边解，再利用曲面交技术 得到整个工作空闻的边界。 ( 3 ) 速度和加速度分析。对予并联机构的速度和加速度分析有速度正、反 解和加速度正、反解分析。速度正解是指已知输入的关节速度求输出的速度，速 度反解是已知输出的速度求解输入的速度；加速度正解是已知输入的关节变量的 加速度求输出的翔速度，加速度反解是指已知输出的加速度求各关节变量的加速 度。影响系数是一个抽象的机构学概念，它的高度抽象深刻地反映了机构的运动 学本质，求出影响系数蜃速度加速度可以很方便的求得。影响系数的求解方法主 要有支链逆解法，求导法，环路方程法和虚设机构法等。 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 3 动力学问题 机构的动力学问题包括机构惯性力计算、受力分析、振动分析、动力平衡、 动力学建模、计算机动态仿真、动态参数识别、弹性动力分析等方面【1 羽。而动 力学逆问题是并联机构动力分析、整体动态设计和控制器参数整定的理论基础。 这类问题可归结为已知动平台的运动规律，求解铰内力和驱动力。相应的建模方 法可以采用几乎所有的力学原理，如牛顿尤拉法、拉格朗日方程、虚功原理和 凯恩方程等。由于操作空间和关节空间速度加速度映射关系很容易通过雅可比和 海赛矩阵建立，并据此构造各运动构件的广义速度和广义惯性力，因此虚功原理 是可选的建模方法。动态性能是影响精度的重要指标。并联运动机床的动态性能 评估完全可以沿用串联机器人的相应成果，即可以用动态条件数、动态最小奇异 值和动态可操作性椭球半轴长几何均值作为指标。 1 5 本文完成的主要研究工作 本文具体研究工作包括以下几个方面： 第l 章首先介绍了叶片抛光现状及国外先进的抛光技术的研究和应用，同 时介绍了并联机床的特点、在国内外的研究和发展现状，讨论了并联机床的关键 技术，详细阐述了课题研究的背景和意义。 第2 章对并联机构的基本概念进行了阐述，讨论了并联机构自由度的计算， 对5 - u p s p r p u 型并联机构、新型6 - p t s 并联机构和6 - s p s 并联机构进行比较， 最终选出适合汽轮机叶片加工的简单可行的机构6 - s p s 并联机构，并且对其进行 了位置分析，建立了6 - s p s 并联机构的位置反解方程。 第3 章讨论了并联机构运动分析影响系数求解方法，根据6 - s p s 并联机构 的特点，以矢量法讨论其影响系数矩阵的建立和运用影响系数进行运动分析，建 立并联机构的速度和加速度正反解方程，求解出了动平台和各杆的速度、加速度、 角速度的表达式。同时分析了6 - s p s 运动j a c o b i a n 和力j a c o b i a n 之间具有对偶性 关系。 第4 章对几种常用建模方法进行比较，最终选择u g 软件作为建模环境。 对u g 软件的实体建模、装配、运动分析过程进行了简单的介绍，并在对6 - s p s 抛光机构简化的基础上完成了该机构的实体建模和装配，为进行仿真加工打下了 基础。 硕士学位论文第一章绪论 第5 章简攀介绍了抛光加工仿真的意义，在u g 环境中建立了汽轮枫叶片 的实体模型，对叶片抛光加工工艺方法进行了分析，对叶片抛光加工的几种走刀 方式进行对眈，并在u gc a m 模块中完成了该叶片的仿真加工，生成刃吴位置 源文件( c l s f ) 。对生成刀具位置源文件( c l s f ) 进行后处理，获得杆长变化 数据，稃利用u g 的电子表格驱动功能，实现基于u g 平台的该并联机床对叶 片的抛光加工仿真。 第6 章总结研究的成果，对刀具位置源文件的后处理和叶片抛光加工仿真 实现提出改进意见和期望。 硕士学位论文第二章并联抛光机构的选型和位置分析 第二章并联抛光机构的选型和位置分析 2 1 空间并联机构理论基础 2 1 1 空间并联机构的基本概念 机构( m e c h a n i s m ) 是由若干构件和运动副组成的装置，在一定的约束条件 和驱动力作用下，能够实现运动的输入和输出，以及运动形式和参数的转换【4 】。 空间机构是由三维空间连杆( 构件) 和运动副组成的。空间连杆是由空间运 动副和连接运动副的刚性杆件所组成的。空间连杆的运动学功能是在于保持其两 端的运动副轴线具有固定的空间几何关系。 运动链( k i n e m a t i cc h a i n ) 是由运动副连接两个以上构件组成的组件。当两 个空间构件相连接时，就需要引入描述两构件相对位置和姿态的参数，即运动链 上任一点的空间位置坐标和角度方向。 空间机构可由运动链串联或并联组成。可分为串联机构( s e r i e sm e c h a n i s m ) 、 并联机构( p a r a l l e lm e c h a n i s m ) 、混合并联机构( h y b r i dp a r a l l e lm e c h a n i s m ) 。串 联机构是一组运动链串联而成。它的特点是第一个运动链接受驱动器输入，运动 一级级传递，最终由运动链n 给出串联机构的输出。串联机构通常是开环机构。 并联机构由两个或两个以上的分支机构并联而成。它的特点是，所有分支机构可 同时接受驱动器输入，而最终共同给出输出，并联机构是多路闭环机构。混合并 联机构是与固定平台连接的独立运动链少于末端执行器自由度的并联机构。因 此，需要串联机构来加以补充而混合组成。运动副是确定两构件的相互运动关系 的可动连接。如表2 1 为组成并联机构的常见运动副。 有两个或者两个以上的运动链连接固定平台和动平台( 带有执行器的工作平 台) 就可以构成各种并联机构。对于并联机构的命令，在机构学分类中目前采用 的方法是，以数字和字母描述组成并联机构的运动链数和运动副类型。这种方法 是以数字n 和若干大写字母j j j j 组成，数字和字母以短线隔开。数字表示运动链 的数目，字母表示运动副的类型，而最后一个字母表示连接动平台的运动副类型。 如果需要表示驱动运动副，n - - i 对相关字母加下划线【9 】。例如，6 - s p s ，表示6 个运动链并联，每个运动链由两个球面副和一个移动副组成，通过球面副和固定 磺士学位论文第二章并联挞光撬梅鲢选登鞫彼置分析 平台和动平台连接，机构由移动副驱动。 名称 符号 图形 简图符号 约束条件数自由度( f ) 转动戮 绒 _ 夕 5f = - lr ( r e v o l u t e ) 移动副 岛 丁匹b 5f = - lp ( p r i s m a t i c ) 球面剥 一 魄 3f = - 3s ( s p h e r i c a l ) 匮柱副 。m ；辩 压 4f 宅c l ( c y l i n d r i c a l ) 弋刨 螺旋副 一心p o 弧1f = - lh _ _ f ( h e l i x ) l 耀。当建立一个坐标系对，我们能够用某个3 1 位置矢量来确定空闻内任一点 的位置。对于直角坐标系 a ) ，空间任一点p 的位置可用3 1 的列矢量a p 表示。 恤目 协， 其中，n ，p ，见是点p 在坐标系 a ) 中的三个坐标分量。a p 的商标a 代 表参考坐标系 a ) ，称a p 为位置矢量见图2 1 。 硕士学位论文第二章并联抛光机构的选型和位置分析 为了规定空间某刚体b 的方位，设置一直角坐标系 b ) 与此刚体固接。用坐标系 b ) 的三个单位主矢量，蜘，g b 相对于参考坐标系 a ) 的方向余弦组成的3 ：r 一一儿爿 = h 眨：眨r 1 3 。i ( 2 - 2 ) i l ，i 2 l l 吩l 吩2 巧3 j 来表示刚体b 相对于坐标系 a ) 的方位。：r 称为旋转矩阵。式中，上标a 代表 参考坐标系 a ) ，下标b 代表被描述的坐标系 b ) 。：r 共有9 个元素，但3 个是 独立的。由于：r 的三个矢量爿，一y b 和月都是单位矢量，且双双互相垂直， _ _ = _ 儿一儿= 一z b 爿= 1 ( 2 - 3 ) 一彳y 口= 一y 占_ 毛= 4 z b 月= 0 ( 2 4 ) 可见，旋转矩阵：r 是正交的，并且满足条件 ：r 一1 = = 。a r7 ；l ：r i = 1 ( 2 5 ) 对应于轴x ，y 或z 作转角为0 的旋转变换，其旋转矩阵分别为 r c x ，秒，= 叠；0 吕二三0 量 c 2 6 ， 硕士学位论文第二章并联抛光机构的选烈和位置分析 fc 0 0 s e t r ( ) = l o 1o l ( 2 - 7 ) | 一s o 0c 0 | 聊，：c 0 - 硒s o 。0 协8 ) l0 0 1 j 我们用位置矢量描述点的位量，用旋转矩阵描述物体豹方位。现在我们要完 全描述刚体b 在空间的位姿( 位置和姿态) ，通常将物体b 与某一坐标系相对参 考系 b ) 相霎接。 b 的坐标原点一般选在物体b 的特征点上，如质心等。相对 参考系坐标系 a ) ，坐标系( b ) 的原点位置和坐标系的方位分别由位置矢量爿 和旋转矩阵：r 描述。这样冈l 体b 的位姿可由坐标系 b 来描述，酃有 b = ：r 月 ( 2 9 ) 当表示位置时，式( 2 - 9 ) 中的旋转矩阵：r = i ( 单位矩阵) ；当表示方位 时，式( 2 - 9 ) 中的位置矢量蔗气一o 。 2 。1 。3 空闫并联机构自由度的计算 机构自由度是确定机构各构件相对机架的位置或运动时，需要给定的独立参 量( 位置或运动量) 的数嗣f 1 9 1 。机构中按照绘定的运动规律两独立运动的构件， 称为机构的原动件。而通常机构的原动件都是和机架相连的，对于这样的原动件， 一般只能给定一个独立的运动参数。所以，在这种情况下，为了使机构具有确定 的运动，则机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。 空阀机构是凼一系列构件用运动副连接薅成的，分为开环机构和闭环机构。 闭环机构又可分为单闭环和多闭环机构，以及既有开环又有闭环的混合式机构。 多翊环机构还可分为并联机构和任意闭环橇构。开环机构的自由度计算比较简 单，这里仅讨论般形式闭链机构及多环并联空间机构的自内度计算问题。 设在三维空闻中有1 1 个完全不受约束的物体，任选其中一个作为固定参照 物，由于每个物体相对参照物都有6 个自由度，则系统中n 个物体相对选定的参 照物共有6 ( n - - 1 ) 个运动自由度。若所有物体之闻都用运动副连接起来，设第 f 个运动副的约束数为巩，由于运动副的类型不同，此约束可以是1 和5 之间任 硕士学位论文 第二章并联抛光机构的选型和位置分析 意数，如果运动副数旨为g ，刘这时机构的宙由度f 就是所有运动构件总的自由 度减去所有约束数的总和【4 1 ，即 f = 6 ( n - 1 ) - 酶 ( 2 一l o ) 在一般情况下，式( 2 1 0 ) 中的毽可以用( 6 - f , ) 替代，z 为第i 个运动副 的相对自由度数。这就是k u t z b a c h ，g r u b l e r 公式 g f = 6 一g 1 ) + z ( 2 - 1 1 ) f = 1 对于多环空阂机誊每，式( 2 11 ) 还可以写成更加方便的形式 f ：兰z 一酲 ( 2 1 2 ) i - - - i 上述公式只使用于公共约束为零，即不具有公共约束的情况。对于更为普遍 的情形，机构可能具有从零到6 之阉任何数西的公共约束，机构的自由度可以表 示为更加一般的形式 窑 f = d ( n - g - 1 ) + z ( 2 - 1 3 ) i e i 式中，d 为机构的阶数，若用名表示公共约束的数目，刘 d = 6 一旯( 2 1 4 ) ，对予平面机构有 f ：3 一g 1 ) + 窆z ( 2 - 1 5 ) l - - ! 可以看到，仅仅用了最简单的算术