（机械制造及其自动化专业论文）新型四自由度并联工作台的研究.pdf

一种新型并联丁作台的研究 摘要 并联机床是并联机构与现代机床技术相结合的产物，通常情况下，它通过若 干根杆将上下平台连接而形成。这些杆可以是定长的也可以是可伸缩的，但他们 都是通过其两端的球铰或者虎克铰与上下平台相连接。这样上平台可以实现三至 六个自由度的运动。四自由度并联工作台是并联机床的一种，它与传统的数控机 床相比具有结构简单、刚度大、质量轻、响应快，特别是很容易实现四杆联动等 一些优点，而且它便于加工一些复杂的三维曲面，且其加工精度和加工粗糙度都 直接由控制程序来保证，因此它的硬件成本很低，同时具有较高附加值。 为了避免六自由度并联机构存在的制造成本高、工作空间与外形尺寸比不合 理等缺点，根据当前国内外并联机构的结构形式及它们的优缺点本文提出了一种 新型工作台。并对这种新型四自由并联工作台的结构形式、工作空间、运动学分 析和刚度等问题进行分析。 首先，对工作台的工作空间及运动学进行研究。对工作台进行运动建模，并 在模型上建立坐标系，然后利用旋转矩阵找出工作台的动平台和机架之间的关系。 从而推导出动平台四个铰链相对于机架的坐标，根据这些坐标和杆长的关系写出 工作台工作空间的运动学方程，最终可以得到并联工作台的运动空间正解。 其次，对工作台的刚度进行分析。少自由度并联机构承载能力、动力学、奇 异位形等方面的研究和并联机构的刚度都有很大的联系，对于机构的刚度研究都 具有重要意义。本文将通过建立刚度矩阵的矩阵方程来分析工作台的刚度以及工 作台的结构参数对其刚度的影响。 最后，对工作台进行实体仿真。并联工作台的运动是一种空间运动，其运动 学计算复杂且工作空间很难想象。因此，有必要建立适当的模型并进行仿真，使 机构的运动可视化。通过仿真我们可以在工作台实际制造出来之前在计算机上看 到仿真模拟出的机构的模型特征和运动特征，看到机构运动是否有干涉。这样在 设计过程中的错误可以被检查出来，从而降低开发研制费用。本课题中将采用 p r o e 建立机床的部件模型并在a d a m s 中对机构进行装配和定义约束条件，并 通过对工作台进行运动分析时得到的数据对机构进行驱动，进而完成工作台的运 动仿真过程。 关键词：并联工作台；工作空间；运动学分析：实体仿真 i v a b s t r a c t v i r t u a la x i sm a c h i n et o o l i st h ec o m b i n a t i v er e s u l to ft h e p a r a l l e lr o b o t t e c h n o l o g y , m o d e r nm a c h i n et o o ld e s i g na n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g y u s u a l l y ，i t c o n t a i n st w o p l a t f o r m s ，w h i c hc o n n e c t e d b y c e r t a i n p o l e s t h e s ep o l e sa r e f i x e d - l e n g t ho re x p a n d a b l e ，a n dt h e r ea r es p h e r i c a lj o i n ta n dh o o kj o i n ti nt h e i rt w o e x t r e m i t i e s t h e s ej o i n t sa r eu s e dt oc o n n e c tt h ep l a t f o r m s t h e nt h ep a r a l l e lp l a t f o r m c o u l da c h i e v eam o v e m e n to ft h r e et os i xd e g r e e sf r e e d o m t h ef o u rd e g r e e s f r e e d o m p a r a l l e lp l a t f o r mi so n ek i n do 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 b ec o m p a r e dt ot h e n o r m a ln u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l ，i th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c h a s ：s i m p l e s t r u c t u r e 、l i g h t e rq u a l i t y 、t h es p e e do fr e s p o n s ei sq u i c k 、l e s si n v e s t m e n to fh a r d w a r e a l lo ft h e s es h o wi t sh i g ha d d i t i o n a lt e c h n i c a lv a l v e i no r d e rt oa v o i ds o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hm a n u f a c t u r i n g c o s t s ，t h er a t i o o ft h ew o r k i n gs p a c ea n dt h ed i m e n s i o na r eu n r e a s o n a b l ee t c ，t h e nr a i s e dan e w k i n d o ff o u rd e g r e e sp a r a l l e lp l a t f o r m a n dt h e r ec i r r yo na n a n a l y s i so fs o m eq u e s t i o n s a b o u ti t ss t r u c t u r a l 、w o r k s p a c e 、k i n e m a t i c s a n a l y s i s 、r i g i d i t ye c t f i r s to fa l l ，c a r r yo nar e s e a r c ho nt h ew o r k i n gs p a c ea n dt h ek i n e m a t i c s a m o t i o nm o d e l i n gw a sc a r r i e do nt h ep a r a l l e lp l a t f o r m ，a n de s t a b l i s h e sac o o r d i n a t e s y s t e mi nt h em o d e l t h e nt h er o t a t i o nm a t r i xw a su s e dt oi d e n t i f yt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep l a t f o r ma n dt h er o c k s ot h ec o o r d i n a t e so ff o u rp l a t f o r m sh i n g e sw h i c h r e l a t i v et ot h er a c ka r ed e d u c e d b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s ec o o r d i n a t e s a n dt h el e n g t ho fb a r s ，w ec a ng e ts o m ek i n e m a t i c s e q u a t i o n so ft h ew o r k p l a c e e v e n t u a l l yt h ed i r e c tk i n e m a t i c ss o l u t i o n so ft h ep a r a l l e lp l a t f o r mc a nb eo b t a i n e d s e c o n d l y , c a r r yo nar e s e a r c ho nt h er i g i d i t yo ft h ep l a t f o r m r e s e a r c ha b o u tt h e l o a dc a p a c i t y 、k i n e t i c s 、s t r a n g ec o n f i g u r a t i o no ft h ef e wd e g r e e so ff r e e d o m p a r a l l e l m a c h i n eh a sab i gr e l a t i o nw i t hr i g i d i t yo ft h ep l a t f o r m a n di t h a sav i t a ls i g n i f i c a n c e t or e s e a r c ht h em a c h i n e r yr i g i d i t y t h i sp a p e rw i l l e s t a b l i s ham a t r i xe q u a t i o no f p l a t f o r m sr i g i d i t y , w h i c hc o u l da n a l y z et h e r i g i d i t y o ft h e p l a t f o r m a n dt h e c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r si n f l u e n c et or i g i d i t y f i n a l l y , t h i sp a p e rw i l lm a k eas i m u l a t i o no ft h ee n t i t yt ot h ep l a t f o r m t h e m o v e m e n to ft h ep a r a l l e l p l a t f o r mi s as p a c em o t i o n c a l c u l a t ei t sk i n e m a t i c si s c o m p l i c a t e da n di t sw o r k s p a c ei sd i f f i c u l tt oi m a g i n e s o ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ha s u i t a b l em o d e lt os i m u l a t i o n t h a tc a nm a k et h em a c h i n e r y sm o v e m e n tv i s u a l i z e d t h r o u g h t h es i m u l a t i o nw ec a ns e et h em o d e l c h a r a c t e r i s t i ca n dm o v e m e n t v 一种新型并联j t ：作台的研究 c h a r a c t e r i s t i co ft h em a c h i n e r yo rw h e t h e rt h e r ei si n t e r f e r e n c ea b o u tt h em a c h i n e r y b e f o r et h ep l a t f o r mw a sm a d e t h e nt h ee r r o rc o u l db ec h e c k e di nt h ed e s i g n e d ，t h i s c a nc u td o w nt h ec o s to fr e s e a r c ha n dp r o d u c e t h i sp a p e rw i l lt h r o u g hp r o e e s t a b l i s ht h ep a r tm o d e lo fp l a t f o r m ，a n da s s e m b l et h em a c h i n e r ya n dd e f i n i t i o nt h e r e s t r i c t i o nc o n d i t i o ni na d a m s t h e nu s et h ed a t aw h i c ha c h i e v e df o r mk i n e m a t i c s a n a l y z e st od r i v et h em a c h i n e r y a n dt h e nc o m p l e t et h es i m u l a t i o no ft h ep l a t f o r m k e yw o r d s ：p a r a l l e lp l a t f o r m ；w o r k s p a c e ； k i n e m a t i c sa n a l y z es m u l a t i o n v i 硕十学位论文 插图索引 图1 1v a r i a x 型加工中心3 图1 2t r i c e p t 机床。3 图1 3h o h 6 0 0 卧式加工中心3 图1 4 天津大学研制的并联机床图4 图1 5v a m t i y 样机示意图。5 图1 6 清华大学与江东机床厂研制的x n z 2 0 1 0 5 图1 7s t e w a r t 平台工作原理图8 图2 1 新型四自由度并联工作台。1 4 图2 2 并联机构中常用运动副1 4 图2 3 并联工作台结构1 6 图2 4 连杆干涉的三种情况1 8 图2 5 运动副转角的限制1 9 图2 6 虎克铰原理图1 9 图2 7 工作空间搜索方向2 0 图2 8 工作空间截面2 1 图3 1 坐标旋转2 3 图3 2 坐标平移2 4 图3 3 复合变换2 5 图3 4 工作台布局2 5 图3 5 工作台的驱动输入2 9 图3 6 绕x 轴速度与加速度曲线3 4 图3 7 绕x 轴速度与加速度曲线3 4 图3 8 沿z 轴移动时的速度与加速度曲线。3 5 图3 9 沿x 轴移动时的速度与加速度曲线3 5 图4 1 并联机构的力分析3 7 图5 1 工作台的动平台4 5 图5 2 工作台的杆4 5 图5 3 工作台的滑块。4 5 图5 4 工作台的三维建模4 6 图5 5 三维建模的导入4 8 图5 6 导入a d a m s 后的三维图形4 8 图5 7 属性设置4 9 l 一种新型并联t 作台的研究 图5 8 约束的添加5 0 图5 9 绕y 轴旋转。5 0 图5 1 0 绕x 轴旋转5 1 图5 1 1 沿z 轴平移5 1 图5 1 2 沿x 轴移动5 2 图5 1 3 工件加工示意图5 2 图5 1 4 实体加工仿真5 3 v i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：豪磊日期：2 d 厶年月日 学位论文版权使用授权书 本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，即： 学校有权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 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名：隶磊 新虢缸至 日期：2 。o 年月日 日期：2 0 o 年- 彭月i e l 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 在机械制造系统的发展中每一代设备的更新与革命都给制造技术和生产带来 一次飞跃和进步。尤其是机械制造设备的不断发展有力的推动着机械制造业的发 展。机床是制造产品的机器，或称之为工作母机，是装备制造业的核心设备。自 1 8 世纪英国工业革命以来，机床经历了天轴集中传动、交流电动机驱动、机床的 数字控制和信息化三个阶段。但是在结构技术上，新一代机床几乎全部是对老一 代机床的承袭和沿革。传统机床布局的基本特点一般都是以床身、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的直线导轨移动，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。尽管这种 布局具有作业范围大等优点，但也存在一些固有缺陷： ( 1 ) 机床结构布局的非对称性可能导致受力与热变形不均匀。 ( 2 ) 机床结构件不但承受拉、压载荷，而且还承受弯、扭载荷。因此为了保 证刚度，通常需要建造粗笨的结构支撑件和运动部件。这不但需要耗费较多的材 料和能源，而且也制约了进给速度和加速度的大幅度提高 ( 3 ) 刀具和工件仅能沿固定导轨作进给运动，设备的灵活性和机动性低。 ( 4 ) 刀具与工件之间的相对运动误差通常为各运动坐标误差的线性累加。 ( 5 ) 部件繁多、结构复杂，因而直接影响设备的可靠性。 为了克服传统机床结构布局的固有缺陷，有效降低重量和提高对生产环节的 适应性，以适应复杂多变的全球化市场环境，并联机床n 1 便应运而生。尤其近1 0 年来，并联运动机床得到了迅速的发展。并联运动机床( p a r a l l e lk i n e m a t i c s m a c h i n e ) 是采用具有两个和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。并联机床实质是机器人和机床技术相结合的产物。 与传统机床相比，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、滚珠丝杠、直线电动机电机一体化部件组成，因而具有刚度高、动态性 能好、机床的模块化程度高、易于重构以及机械机构简单等优点，是新一代机床 结构的重要发展方向。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外并联机床的发展状况 科学技术的不断发展，对制造业也提出了更高的要求，具有复杂曲面的零件 一种新型并联t 作台的研究 所占的比例也越来越大，对加工精度和效率的要求也越来越高，这些都对机床的 技术指标提出更高的要求。并联机床是随着并联机构的理论研究和计算机软硬件 技术不断发展而产生的，是机构学理论、机器人技术和数控技术相结合的产物。 并联机床具有模块化程度高、刚度质量比大、响应速度快、适应性强、容易实现 多轴联动等优点，非常适用于复杂曲面的加工。 并联机床自出现到现在也就十年左右时间，但获得了巨大的发展。并联运动 机床的发展大致可分为两个阶段：一是1 9 9 4 年至1 9 9 9 年这段时间对原型样机的 研制和探索。这一时期的并联机床由于占用空间与其工作空间之比较大，机床的 精度以及价格和性能比等方面的原因，很多并联机床的机型没能继续保留下来。 现在的机型都是对原有的机型进行了改进，使之趋于更合理；二是2 0 0 0 年至今的 这段时间里并联机床开始进入初步应用阶段。这一时期并联床在运动学原理、设 计方法、制造工艺、控制技术、动态性能研究和关于应用都取得了很大的进展。 另外由于一些著名的公司都相继加入了对并联机床的开发和研究行列中，并推出 了不少新产品，使并联机床进入了实用阶段。 d s t e w a r t 在1 9 6 5 年提出了一种新型的、6 自由度的空间并联机构并在1 9 6 6 年发表了论文ap l a t f o r mw i t hs i xd e g r e e so ff r e e d o m ，奠定了其在并联机构 研究领域的鼻祖地位，也由此开创了在虚拟轴并联运动机床研究方面的领域。1 9 9 3 年美国德州大学附属自动化与机器人研究院( a u t o m a t i o n & r o b o t i c sr e s e a r c h i n s t i t u t e ，t h eu n i v e r s i t yo ft e x a sa ta r l i n g t o n ) 成功的研制出可完成铣、磨、钻、 镗、抛光和高能束加工的多功能并联加工机械手，形成了现代并联机床的雏形， 标志着机床的发展到了一个崭新的阶段。1 9 9 4 年，在m t 9 4 ( 1 9 9 4 年美国芝加哥 国际机床博览会) 上，美国g i d d i n g s & l e w i s 公司推出了v a r i a x 虚拟轴机床( 图 1 1 ) 。本次展出样机引起了各国机床研究单位和生产厂家的重视。它们标志着机 床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。 从此，世界各国的研究机构和企业开始大量投入s t e w a r t 平台的研究与开发。 9 4 年9 月h e x e l 公司在美国成立，专业从事各种类型的s t e w a r t 机床功能部件研 究、开发、生产与销售，标志着虚拟轴并联运动机床商品化时代的开始。随后在 政府和企业的支持下，美国成立了五个国家级基地专业从事s t e w a r t 机床的研究 开发。1 9 9 6 年1 0 月，日本本田公司在丰田技术展览会上展出了日本第一台s t e w a r t 机床，用于铸锻模具的高速加工。1 9 9 7 年e m 0 9 7 e m 0 9 7 ( 德国汉诺威国际机床 博览会) 上展出了1 0 余件s t e w a r t 机床样品，并首次进行金属工件铣削，s t e w a r t 机床又向商品化迈进了一步，例如瑞士n e o sr o b o t i c s 公司展出了t r i c e p t 8 4 5 和 6 0 0 型并联机床。( 图1 2 ) ，美国i n g e r s o l l 公司生产的h o h 6 0 0 型卧式并联加工 中心( 图1 3 ) 。在此次展览会上，在概念上第一次将传统机床与新兴的s t e w a r t 机床从结构上划分为串联机床与并联机床，突破了人类对机床结构认识的传统概 2 念。 厨i1v a r i a x 型加工中心 图1 , 2 t r i c e p t 机床 圈13h o h 6 0 0 卧式加工中心 一种新型并联_ i = 作台的研究 到了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突破。世界著名的机床 公司都相继推出新产品，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。 我国在并联运动机床领域的研究起步不晚，2 0 0 1 年在北京举行的国际机床展 览会( c i m t 0 1 ) 上就展出了4 台国产的并联运动机床。现已将并联运动机床的 研究与开发列入国家“九五”攻关计划和8 6 3 高科技技术发展计划。许多高校， 如：清华大学，东北大学，天津大学、燕山大学和哈尔滨工业大学等高等院校也 在积极从事并联机床领域的研究工作并与相关企业合作研制了数台结构各异的样 机。但是这些样机多数以3 自由度和6 自由度为主。如图1 4 所示为天津大学联 合研制的3 自由度并联机床。图1 5 为清华大学和天津大学联合研制的v a m t l y ( v i s u a la x i sm a c h i n et o o l1 y ) 。它也是我国第一台大型镗铣类并联机床原型样 机。该机床采用了八面体的框架式结构，可以实现6 自由度。 除了以上几种典型结构的并联机床以外还有一些较为独特的设计。例如在 c 1 m t 2 0 0 1 上展出的清华大学与江东机床厂联舍开发的数控龙门式虚拟轴机床 x n z 2 0 1 0 ( 图1 6 ) ，该机床由一个平面3 自由度并联机构，龙门架以及可移动的 工作台构成。3 自由度并联机构实现刀具的两维平动与一维摆动，再加上工作台 的一个方向的移动，从而实行刀具与工件之间4 个坐标的进给运动。 | 舅 71 w 基曩曼曼墨曩 图1 5v a m t i y 样机示恿圈 总之，自从1 9 6 5 年s t e w a r t 提出著名的s t e w a r t 平台机构，从此开始了基于 s t e w a r t 并联机构的虚拟机床研究。但开始时人们还只是对这种机构停留在理论分 析上。目前国内外关于并联机床的研究主要集中在阻下几个方面”卜。1 ： 并联机 床组成原理研究和结构设计。并联机床的工作空间和工位奇异性研究。并联 机床特性( 刚度、精度、灵巧度) 的研究，并联机床动力与控制策略的研究等- 但 是其中部分方面还不够成熟，有待于进一步对其进行深入研究。 图16 清华大学与江东机床厂研制的x n z 2 0 1 0 一种新型并联。i ：作台的研究 1 2 2 国内外并联机床结构参数设计发展状况 目前国内外在对并联机床的结构参数设计过程中存在以下一些问题h 卜嫡1 ：并 联机床在设计过程中，结构参数较多，结构参数变化的范围较大，这就面临如何 优化出较好结构参数问题；影响机床工作空间的约束条件也很多，这在一定程度 上影响着机床的工作空间；机床的很多部件都是非标件，无法用精确的数学模型 表达出它的运动轨迹，这给计算工作空间带来一定的困难；并联机床的刚度存在 不稳定特性，因此应该尽可能提高机床刚度，比如增加驱动杆的有效直径，改进 机床的结构等，这样又会导致机床的整体尺寸增大，从而进一步缩小机床的工作 空间。针对上述问题许多国际上的公司、企业和科研院所纷纷投入大量的精力进 行研究。加拿大的研究人员z h a n g d 提出了综合虚拟环境系统设计并联机床的概 念，在机床整体设计的过程中，融入运动学和动力学分析，c a d 模块，f e m 模 块，c a m 模块，优化模块，加工过程中可视化仿真和冲突检测模块，利用这个系 统他们设计了三自由度并联机床，通过运动学和动力学分析了解机床的运动特性 从而找到结构参数的优势区域，利用c a d 模块进行机床的设计，f e m 模块了解 机床的刚度特性，优化模块和加工过程中可视化仿真和冲突检测模块来检查机床 结构参数设计的是否合理，通过这些计算数据最终设计出并联机床。这在一定程 度上解决了上述提到的一些问题。美国的o r l a n d e an 提出使用平面包络算法和 a d a m s 软件设计并联机床。他是通过在a d a m s 软件中对并联机床建模，确定 刀具的不同位置并模拟仿真加工和切削。从而了解并联机床的受力特性，获得数 据后进行并联机床的结构设计。这种思想主要是解决并联机床的刚度特性问题。 目前并联机构已经应用到，航天、机械加工、虚拟现实等许多方面，对于这些领 域的不同应用方面，对并联机构的性能要求也是不同的，因此应该根据不同的应 用方面来设计不同的并联机构，这也说明了并联机构的结构设计是一个很复杂的 问题。在美国的j iz 和l e um c 的文章中也提到了关于并联机床设计的问题。他 们提出顶点空间的概念，从而把复杂的工作空间问题分解成简单问题来处理，通 过顶点空间来确定机床的关键设计参数：为了有效和方便的重新配置机床的机构 形式，主要是驱动杆的安装位置，他们提出了脚位置空间( e p s ) 的概念，即可 以通过驱动杆的不同安装位置获得不同的机床结构形式。 在并联机床结构参数设计及误差分析补偿等方面，国内也纷纷进行研究。清 华大学提出了概念设计，概念设计是并联机床设计的首要环节，目的是在给定所 需自由度条件下，寻求含一个主缸体( 动平台) 的并联机构驱动杆和运动副配置、 驱动和总体布局的各种可能组合，研究出具有实际加工能力的新型并联机床，他 们将并联机床的机构分为三类：按连接形式分为纯并联型和混联型；按自由度分 为六自由度和少自由度；按照驱动方式分为外副驱动、内副驱动和内外副混合驱 6 硕十学位论文 动。然而针对明确的并联机床设计要求进行结构设计。在结构的设计过程中首先 确定主进给机构和工作平台的运动要求，实际上就是工作空间的求取过程；然后 进行主进给机构和工作平台的运动要求，实际上就是工作空间的求取过程；然后 进行主进给机构结构设计；最后进行工件平台结构设计。在结构设计的方法上， 他们采用3 种设计方法1 ：型数综合法、构型衍生法和运动约束法。型数综合法 就是通过数综合与型综合，确定并联机构驱动杆和运动服配置、驱动方式和总体 布局，产生满足要求的结构。数综合是根据空间并联机构的自由度计算公式，在 确定了机构自由度数和公共约束的条件下，可以得到支链数、各支链基本运动副 数、驱动器数的各种配置方案；型综合是在数综合的基础上，根据设计要求，结 合铰链运动能力分析确定各支链可能的运动副配置、驱动器配置、动静平台的结 构和布局、支链配置等。型综合是型数综合中较为复杂和核心的工作。构型衍生 法就是在成熟并联结构的基础上，通过对结构中的驱动杆和运动副配置、驱动方 式和总体布局的某中改变，产生新结构的设计方法。 随着对并联机构研究的深入，已经产生了大量的并联结构，因此寻找一种全 新的结构较为困难。但是，采用构型衍生法可以设计出一些变异性的结构，产生 相当的工程应用价值。运用约束法是指对于六自由度并联机构叫引，当减少其中 的一些驱动器后，会使机构动平台的位姿不确定，此时在所余支链中或另外增加 新支链，对动平台进行特定运动方向的约束，在保证动平台的运动自由度数恰好 等于驱动器的个数时，即可产生新的并联结构，这种设计方法主要适用于进行少 自由度并联机构的设计。从上面的论述看出对并联机床的设计只是局限于机床的 结构尺寸分析并没有考虑系统的精度、刚度等方面的影响。 北京理工大学提出了并联机床虚拟设计的理论方法，以多体系统运动学理论 为基础，提出了简洁的并联机床运动模型的程式化建模方法，首先推导出并联机 床工作空间、运动控制参量及结构参数间的相互关系的解析表达方程。当成功建 立起并联机床的概念机模型之后，采用拓扑几何学的描述方法，勾画出概念机模 型的基本结构，并按多体系统运动学理论的要求对其中各部件进行编号，建立起 并联机床概念机模型的低序体阵列，为并联机床概念机模型的运动分析与综合做 好必要的准备工作。从上面的分析看出，对并联机床的设计只是进行理论上的建 模，而没有考虑机床实际结构尺寸对工作空间的影响因素。 1 3 本课题研究的目的与意义 随着科学技术的高速发展，机械制造业正经历着前所未有的变化。无论是对 制造模式的宏观研究还是具体到工艺技术的微观研究都在不断的推陈出新。1 9 9 4 年9 月g i n n i n g s & l e w i s 公司在美国芝加哥国际展览会上展出了称为“六足虫” ( h e x a p o d ) 和“变异型”( v a r i a x ) 的数控机床与加工中心。它们的出现受到国内 7 一种新型并聩工作台的研究 外众多学者的关注，被称为“本世纪机床首次革命性改型”和“二十一世纪的机 床- o 自此在短短的1 0 多年时间里，人们对并联机床的研究不断向纵深发展。 并联机床技术已经从理论研究走向实际应用”1 。 最早的并联机构用于轮胎的检测，1 9 6 5 年d s t e w a r t 提出了一种新型的、6 自由度的空间并联机构，它由上下两个平台和6 个并联的、可独立自由伸缩的杆 件组成，伸缩杆和平台之间分别通过球铰链a 、b 、c 、d 、e 、f 和a 、b ，c 、d 、 e 、f 连接，称为s t e w a r t 平台( 图17 ) ，成功的将这种机构应用于飞行模拟器中 对飞行员进行模拟训练，并展开相应的理论研究。 衢，验 图l7s t e w a r t 平台工作原理围 随后，并联机构被广泛应用于并联机器人的研制，1 9 9 4 年开始并联机构被用 来设计研发并联数控机床。目前在工业生产加工中应用的机床绝大多数是传统的 串联机床，这类机床存在着刚度低、移动部件质量大、工艺可能性单一、动力学 性能差以及制造复杂成本高昂等缺点。并联运动机床以空间并联机构为基础，充 分利用计算机数字的潜能力，以软件取代部分硬件，以电气装置或电子器件取代 部分机械传动。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突破。世界著 名的机床公司都相继推出新产品，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。它的出现为工业界提供了更多的选择随着各种关 键技术的解决，并联机床会在一些领域发挥出巨大作用，成为串联机床的一个有 益补充。 并联运动机床布局特点是，以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联 机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上改变杆件的长度或移动杆件的支点， 按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。打破了传统机床一直沿用的笛 卡尔( c a r t e s i a n ) 坐标( 直角坐标) 形式，即采用床身、立柱、主轴箱等部件串 联而成的非对称“c ”型布局。与传统机床相比并联机床具各以下优点“”叫“1 ： 硕j f = 学位论文 ( 1 ) 系统结构刚度重量比大现代机床在向高精度方向发展，而机床刚度是 保证机床获得高精度的前提，传统机床是通过增加机身重量来保证机床刚度的， 而并联机床的基本结构是框架型结构，它的刚度重量比要大大高于传统机床。同 时在保证了相同刚度的前提下并联机床还大大减轻了机身的重量。此外，对于并 联机构来讲还比较容易通过预加载荷，提高机床部件的刚度。 ( 2 ) 变换坐标系方便并联机构一般分别在动平台上和固定平台上分别建立 坐标系，两坐标系间可以通过旋转矩阵进行转换，非常方便。 ( 3 ) 响应速度快由于运动部件的惯性大幅度降低，因此可有效的改善了控 制器的频响特性，进而允许刀具获得很高的进给速度和加速度，适合各种高速数 控加工。 ( 4 ) 精度高并联杆系机床由并联机构组成，各杆长度都单独对刀具的位置 和姿态起作用，一个腿长误差只能导致更小的端点误差，因而在通过控制腿长变 化实现旋转的过程中完全避免了角度控制带来的困难和误差。因而它不存在常规 机床中串联机构的误差积累问题却有误差平均的特点。此外，还可以通过控制系 统实现运动精度的补偿。 ( 5 ) 功能多、灵活性强由于它的质量轻、结构简单、控制方便、容易根据 不同的加工对象很方便的组成合适的机床，从而实现对工件的铣削、镗削、磨削 等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成多坐标测量机，以实现多种机床功 能。 ( 6 ) 技术附加值较高并联机床具有硬件简单、软件复杂的特点，可以构成 形式多样的布局和自由度组合。可适应不同的加工场合。其加工精度和加工粗糙 度都直接由控制程序来保证。因此具有较高的技术附加值。 ( 7 ) 成本低、环境适应性强由于并联机床结构简单，部件少，且具有极强 的可重组性，故便于模块化设计和系列派生，因此生产周期和制造成本仅相当于 实现同等功能的传统五坐标数控机床的二分之一或者更少。此外，在动平台上安 装不同刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异性刀具刃磨等加工。装备机 械手腕、高能束源或c c d 摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工 与测量等作业。 目前已经提出的并联机构超过1 0 0 种，但是主要以6 自由度和3 自由度的结 构居多。研究人员曾提出利用6 自由度并联机构来完成4 自由度或5 自由度的工 业应用。但是用六自由度并联机构作为并联运动机床的结构，浪费了一个自由度， 运动学正解很难获得，增加了制造成本和控制难度，其工作空间与机床的外形尺 寸比不合理，另外缺乏高精度的能动态测量并联运动机床动平台的位姿的设备使 得不能较好地对机床进行标定将导致机床的精度降低。由于六自由度并联机构最 早应用于机床并引起大家的广泛关注，所以六自由度的并联运动机床较多，但大 9 一种新型并联下作台的研究 多精度不高，所研制的样机大多属于早期的探索机型，近几年来基于六自由度并 联机构作为并联运动机床的结构的样机比较少。由于4 自由和5 自由度的工业应 用非常普遍，然而目前4 自由度和5 自由度的并联机构并不多。因此我们有必要 对少自由并联机床的机构优化、工作空间、位置分析等方面进行系统的研究。本 课题突破传统并联机床将刀具主轴放置在动平台上的结构思维，创新性的提出了 一种新型的4 自由度并联机床工作台，将工件固定夹紧在动平台上，从而为工件 的多角度加工提供了方便。课题对该工作台的可行性通过计算分析和仿真等方法 进行研究，对于优化并联机构的结构、提高并联机构的工作效率、以及少自由度 并联机构的发展有着重要的意义。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究一种新型四自由并联工作台的结构形式、工作空间、运动学分析和 刚度分析，该工作台是一种较为特殊的并联机床。首先，根据当前国内外并联机 构的结构形式及它们的优缺点来提出一种新型工作台。该工作台具备并联机构的 一般特点同时也具备自身独特的优点；其次，针对工作台的工作空间、运动学分 析和刚度等问题进行了研究；最后，通过对工作台进行实体仿真来检验机构是否 存在干涉情况。具体内容如下： ( 1 ) 并联工作台的机构研究 对工作台进行研究时首先要考虑其结构类型及总体设计方案。该工作台与一 般并联机床的主要区别是：过将工件安装在动平台上从而实现对工件进行多方位 加工，同时其结构简单，便于与多种类机床组合使用。这种少自由度并联工作台 避免了6 自由度并联机构制造成本和控制难度大、工作空间与机床外形尺寸比不 合理以及精度低等缺点。 ( 2 ) 工作空间分析n 2 1 及运动学研究 在并联工作台的研究中，工作空间是重要指标，它决定着机床整体尺寸。同 时它也能够帮助我们清晰的了解工作空间的大小、形状和位置。根据机器工作的 位姿特点，工作空间又分为可达空间和灵活空间。可达空间指操作器上某一点可 以到达的所有点的集合，这种工作空间不考虑操作器的姿势。灵活工作空间是指 操作器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合。灵活空间是可达空间的一 部分。工作空间分析涉及在己知机构的尺度和关节变量变化范围条件下，评价末 端执行器实现位姿的能力。 工作台的运动学研究主要通过动平台与机架间坐标的相互转换来进行。首先 要分别在动平台和机架上建立坐标系。然后求出两者间转换的旋转矩阵，利用旋 转矩阵建立工作台的运动学方程。然后分析机构的位置正解、逆解。 1 0 硕十学t c 7 ：论文 ( 3 ) 工作台的刚度分析 少自由度并联机构承载能力、动力学、奇异位形等方面的研究和并联机构的 刚度都有很大的联系，对于机构的刚度研究都具有重要意义。本文将通过建立刚 度矩阵的矩阵方程来分析工作台的刚度以及工作台的结构参数对其刚度的影响。 ( 4 ) 工作台的实体仿真 并联机构运动是一种空间运动，其运动学计算复杂且工作空间很难想象。因 此，有必要建立适当的模型并进行仿真，使机构的运动可视化。通过仿真我们可 以在工作台实际制造出来之前在计算机上看到仿真模拟出的机构的模型特征和运 动特征，看到机构运动是否有干涉。这样在设计过程中的错误可以被检查出来， 从而降低开发研制费用。本课题中将采用p r o e 建立机床的部件模型并在 a d a m s 中对机构进行装配和定义约束条件，并通过对工作台进行运动分析时得 到的数据对机构进行驱动，进而完成工作台的运动仿真过程。 一种新型并联下作台的研究 第2 章新型四自由度并联工作台的构型 2 1 新四自由度并联工作台的提出 2 1 1 概念设计 概念设计是并联机床设计的首要环节，其目的是给定所需自由度条件下，寻 求并联机构杆副位置，驱动方式和总体布局的各种可能组合。并联机床大致可分 为并联、串并联和混联3 种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的动 作器，以直接生成3 至6