（机械制造及其自动化专业论文）平面并联机构与电主轴耦合系统动态性能分析.pdf

d y n a m i c p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fp l a n a rp a r a l l e l m e c h a n i s ma n dm o t o r i z e ds p i n d l ec o u p l i n gs y s t e m l i uh u i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f s o n gf a n g z h e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 4 ，2 0 1 0 60川874 ，ii-洲y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 到茧= e l 期：础! 堇：型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盏f 蓥导师签名 济南大学硕十学位论文 目录 摘要i 第一章绪论1 1 1 课题概述1 1 1 1 课题的研究背景1 1 1 2 选题目的及意义3 1 2 并联机床研究现状3 1 2 1 并联机床在国外的研究现状3 1 2 2 并联机床在国内的研究现状5 1 2 3 平面并联机床在国内外的研究现状7 1 3 平面并联机床动态性能的分析与评价8 1 4 课题研究的主要内容8 1 5 本章小结9 第二章平面并联机床分析的基本方法1 1 2 1 并联机床的误差分类1 1 2 2 并联机床的误差来源1 1 2 3 并联机床分析的基本方法1 2 2 3 1 有限单元法1 2 2 3 2 平面杆件结构的有限单元法1 3 2 3 3 空间杆件结构的有限单元法1 5 2 4 弹性力学基础1 5 2 4 1 弹性力学概述1 5 2 4 2 弹性力学问题的基本解法1 6 2 5 本章小结1 7 第三章平面并联机构与电主轴耦合系统动力学建模1 9 平面并联机构与电主轴耦介系统动态卞牛能分析 3 1 平面并联机构动力学模型的建立：1 9 3 2 电主轴动力学模型的建立2 6 3 3 平面并联机构与电主轴耦合系统动力学建模2 6 3 4 本章小结2 8 第四章平面并联机构与电主轴耦合系统的响应分析2 9 4 1 在正弦激励作用下耦合系统的稳态响应分析3 0 4 1 1 平面并联杆件结构结点处的稳态响应j 3 0 4 1 2 平面并联机床轴承座处的稳态响应3 2 4 1 3 平面并联机床主轴的稳态响应3 4 4 2 平面并联机床在各种激励作用下的瞬态响应分析3 6 4 2 1 平面并联机床在脉冲激励作用下的瞬态响应3 6 4 2 2 平面并联机床在阶跃信号激励作用下的瞬态响应3 7 4 2 3 平面并联机床在斜坡激励作用下的瞬态响应3 9 4 2 4 平面并联机床在简谐激励作用下的瞬态响应4 1 4 3 刚度对平面并联机构与电主轴耦合系统响应的影响4 3 4 3 1 平面并联杆件的刚度对耦合系统响应的影响4 3 4 3 2 主轴刚度对耦合系统响应的影响：4 4 4 4 阻尼对平面并联机构与电主轴耦合系统响应的影响4 5 4 4 1 平面并联杆件的阻尼对耦合系统响应的影响4 6 4 4 2 主轴阻尼对耦合系统响应的影响4 6 4 5 本章小结：4 7 第五章平面并联机构动态性能的试验研究4 9 5 1 幅频特性测试4 9 5 1 1 测试设备4 9 5 1 2 分析装置5 0 5 2 测试系统的标定5 0 5 2 1 加速度传感器的标定5 0 5 2 2 力传感器的标定5 1 5 3 试验结果及分析5 1 l i 济南大学硕十学位论文 5 4 本章小结，5 3 第六章结论、创新点与展望5 5 6 1 结论5 5 6 2 创新点5 6 6 3 展望5 6 参考文献5 7 致谢6 1 附录：攻读硕士学位期间的成果与奖励6 3 i i i 平面并联机构与电主轴耦合系统动态性能分析 i v 济南大学硕十学位论文 摘要 并联机床是一种新型的机床，又称为虚拟轴机床，近年来并联机床技术取得了 突破性的进展。并联机床的实质是机器人技术与机床结构技术结合的产物。并联机 床的加工精度是其性能优劣的主要指标之一，随着现代制造业的发展，人们对并联 机床的加工精度要求越来越高，加工精度问题已成为并联机床能否应用于实际加工 的关键。因此，研究影响并联机床加工精度的因素，分析并联机床的动态性能，提 高并联机床的加工精度对并联机床的商品化和产业化有着十分重要的意义。 在总结国内外并联机床研究现状的基础上，对平面并联机床的动态性能进行了 分析研究。首先，从运动学基本理论出发，深入研究了并联机床的运动学求解、误 差分析、误差建模等方面的问题；其次，从动力学理论出发，对平面并联杆件结构 和电主轴进行动力学建模，并采用扩阶方法得到了耦合系统的动力学模型，同时对 几种典型激励作用下耦合系统的振动响应进行了仿真分析；最后，对平面并联机构 与电主轴耦合系统的动态性能进行了系统的分析和评价。本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 分析了并联机床误差的基本分类和误差的主要来源，指出分析平面并联机 床动态性能的关键是要体现平面并联机构和主轴耦合的特点。因此通过应用有限单 元法和转子动力学理论分别建立了平面并联杆件结构和电主轴单元的动力学模型， 进而采用扩阶法得到耦合系统的动力学模型。 ( 2 ) 基于耦合系统的动力学模型，对简谐激励作用下耦合系统各关键点处的稳 态响应进行了仿真计算，得到相应的幅频特性，由此对平面并联机床的动态性能进 行初步评价。结果表明，在2 0 h z 以上的频率范围，并联杆件系统发生了较明显的 振动变形，导致主轴发生较为强烈的振动，从而使平面并联机床的动态性能大幅降 低。 ( 3 ) 分别在平面并联机床为刚性和弹性两种情况下，对脉冲、阶跃、斜坡、简 谐激励等作用下主轴的瞬态响应进行了仿真分析，对平面并联机构与电主轴耦合系 统的动态性能进行了系统的评价。结果表明，在上述几种激励作用下，并联杆件产 生的弹性变形导致主轴的振幅显著增大，主轴的运动范围也远大于刚性平面并联杆 件时的情况。 ( 4 ) 分别研究了平面并联机构和电主轴的刚度、阻尼参数变化对平面并联机构 平面并联机构与电t 轴耦合系统动态性能分析 与电主轴耦合系统振动响应的影响。结果表明，耦合系统的振动响应主要受平面并 联杆件刚度和阻尼的影响，并联杆件的截面尺寸( 决定杆件刚度的重要因素) 和阻尼 越大，平面并联机床的) r o t _ 精度就越高；相比较而言，主轴的刚度和阻尼的变化对 平面并联机床的加工精度的影响非常小。 ( 5 ) 对平面并联机构的时域响应进行了测试，通过实验数据的分析处理得到了 并联杆件系统的幅频特性。与仿真结果作对比，验证了理论建模和仿真分析的正确 性。 本文的创新点在于：首先，提出了将并联杆件结构和主轴作为动力耦合系统进 行研究的构想；其次，采用扩阶技术建立了平面并联杆件结构与电主轴耦合系统的 动力学模型。 关键词：并联机床；平面并联机构；电主轴；耦合系统；动力学性能 i i 济南大学硕_ 上学位论文 a b s t r a c t p a r a l l e lm a c h i n et o o lw h i c hi sa l s oc a l l e dv i r t u a la x i sm a c h i n et o o l ，i san e wk i n do f m a c h i n et 0 0 1 p a r a l l e lm a c h i n et o o lg e t sb r e a k t h r o u g hd e v e l o p m e n ti nm a c h i n et o o l s t r u c t u r ea n dt e c h n i q u ei nr e s e n ty e a r s t h es u b s t a n c eo fp a r a l l e lm a c h i n et o o l si st h e c o m b i n a t i o no fr o b o tt e c h n o l o g ya n dm a c h i n et o o ls t r u c t u r et e c h n o l o g y t h em a c h i n i n g p r e c i s i o ni so n eo ft h em a i ni n d i c e so fp a r a l l e lm a c h i n et o o lp e r f o r m a n c e s ，p e o p l eh a v e h i g h e rd e m a n dt o t h em a c h i n i n gp r e c i s i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r n m a n u f a c t o r y , a n dm a c h i n i n gp r e c i s i o nh a sb e c o m et h ek e yf a c t o rt h a tp a r a l l e lm a c h i n et o o l c a nb ea p p l i e dt oa c t u a lp r o c e s s t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h ea f f e c t i n gf a c t o r so nt h ep a r a l l e l m a c h i n et o o lm a c h i n i n gp r e c i s i o n , a n a l y z i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ep a r a l l e l m a c h i n et o o la r eo fg r e a ti m p o r t a n c et ot h ei m p r o v e m e n to fp a r a l l e lm a c h i n et o o l m a c h i n i n gp r e c i s i o n a f t e ras u m m a r yo nt h er e s e a r c ha c t u a l i t i e so ft h ep a r a l l e lm a c h i n et o o lb o t ha th o m e a n da b o a r d ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ep l a n a rp a r a l l e lm a c h i n et o o la r es t u d i e d f i r s t ， p r o b l e m ss u c ha sk i n e m a t i c ss o l u t i o n , m a c h i n ee r r o r , a n de r r o rm o d e la r ed i s c u s s e db a s e d o nt h ek i n e m a t i c sf u n d a m e n t a lt h e o r y s e c o n d ，t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ec o u p l i n gs y s t e m i so b t a i n e dt h r o u g hb u i l d i n gt h ed y n a m i cm o d e lo ft h ep l a n a rp a r a l l e lm e c h a n i s ma n dt h e m o t o r i z e ds p i n d l eu n i tb ym e a n so fe x t e n d e do r d e rm e t h o d m e a n t i m e , t h ev i b r a t i o n r e s p o n s e so ft h ec o u p l i n gs y s t e mu n d e rt h ea c t i o no fs e v e r a lt y p i c a le x c i t a t i o n sa r e a n a l y z e d f i n a l l y , t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ep l a n a rp a r a l l e l m e c h a n i s ma n d m o t o r i z e ds p i n d l ec o u p l i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d t h em a i nw o r ka n dt h e r e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cc l a s s i f i c a t i o na n dt h em a i ns o u r c eo ft h ep a r a l l e lm a c h i n et o o le r r o ra r e a n a l y z e d i ti sp o i n t e do u tt h a tt h ek e yo fd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h ep l a n a r p a r a l l e lm a c h i n et o o l si st or e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o t ht h ev i b r a t i o no fp l a n a rp a r a l l e l m e c h a n i s ma n dm o t o r i z e ds p i n d l eu n i t t h e r e f o r e ，t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ep l a n a r p a r a l l e lm e c h a n i s ma n dt h em o t o r i z e ds p i n d l eu n i ti sb u i l tb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dr o t o rd y n a m i c st h e o r yr e s p e c t i v e l y , a n dt h e nt h ed y n a m i cm o d e lo ft h e c o u p l i n gs y s t e mi so b t a i n e db ym e a n so fe x t e n d e do r d e r m e t h o d i i i s y s t e m ，a n dt h em a g n i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa r eo b t a i n e d t h e n ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e so ft h ep l a n a rp a r a l l e lm a c h i n et o o l a r ep r e l i m i n a r yd e s c r i b e df r o mt h e s i m u l a t i o nd a t a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p a r a l l e lm e c h a n i s mb e c o m e sd e f o r m e d o b v i o u s l yu n d e r t h ea c t i o no fe x c i t a t i o na tf r e q u e n c i e sg r e a t e rt h a n2 0 h z ，w h i c hc a u s e st h e m o t o r i z e ds p i n d l ev i b r a t ee x c e s s i v e l y , a n dl o w e r st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ep l a n a r p a r a l l e lm a c h i n et o o lo b v i o u s l y ( 3 ) t h et r a n s i e n tr e s p o n s e so ft h em o t o r i z e ds p i n d l eu n d e rt h ea c t i o no ft h ei m p u l s e ， s t e p ，p i t c ha n ds i m p l eh a r m o n i ce x c i t a t i o na r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e di nt w oc a s e so ft h e p l a n a rp a r a l l e lm a c h i n et o o li sr i g i da n de l a s t i c ，a n dt h es y s t e m a t i ce v a l u a t i o no ft h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ec o u p l i n gs y s t e mi sm a d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee l a s t i c d e f o r m a t i o no ft h ep l a n a rp a r a l l e lm a c h i n et o o ll e a d st or e m a r k a b l ei n c r e a s eo ft h e m o t o r i z e ds p i n d l ea m p l i t u d e , a n dt h ev i b r a t i o nr a n g eo ft h em o t o r i z e ds p i n d l ei sm u c h g r e a t e rt h a nt h a tt h ep a r a l l e lm e c h a n i s mi sr i g i d ( 4 ) t h ei n f l u e n c e so fp l a n a rp a r a l l e lm e c h a n i s ma n dm o t o r i z e ds p i n d l ed y n a m i c p a r a m e t e r so nt h ep l a n a rp a r a l l e lm a c h i n et o o la n dm o t o r i z e ds p i n d l ec o u p l i n gs y s t e ma r e s t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev i b r a t i o nr e s p o n s e so ft h ec o u p l i n gs y s t e m a r em a i n l ya f f e c t e db yt h es t i f f n e s sa n dd a m p i n go ft h ep l a n a rp a r a l l e lm e c h a n i s m ，t h e l a r g e rt h es t i f f n e s sa n dd a m p i n go ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s m sa r e ，t h eh i g h e rt h em a c h i n i n g p r e c i s i o no ft h ep l a n a rp a r a l l e lm a c h i n et o o li s i nc o n t r a s t ，t h ei n f l u e n c e so fm o t o r i z e d s p i n d l es t i f f n e s sa n dd a m p i n go nt h em a c h i n i n gp r e c i s i o na r en o to b v i o u s ( 5 ) t h et i m e d o m a i nr e s p o n s e so ft h ep l a n a rp a r a l l e lm e c h a n i s ma r em e a s u r e d ，a n d t h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e p a r a l l e lm e c h a n i s ma r eo b t a i n e db y a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gt h ee x p e r i m e n td a t a t h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o na n a l y s i si sv e r i f i e db yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h es i m u l a t i o no n e s t h ec r e a t i v ep o i n t sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t ，t h ec o n c e i v et ot a k et h ep l a n a rp a r a l l e l m e c h a n i s ma n dm o t o r i z e ds p i n d l ea sad y n a m i cc o u p l i n gs y s t e mi sr a i s e di nt h es t u d yo f m a c h i n et o o ld y n a m i cp e r f o r m a n c e s s e c o n d ，t h ed y n a m i cm o d e lo fp l a n a rp a r a l l e l m e c h a n i s ma n dm o t o r i z e ds p i n d l ec o u p l i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e db ym e a n so fe x t e n d e d o r d e rm e t h o d 济南大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：p a r a l l e lm a c h i n et o o l ；p l a n a rp a r a l l e lm e c h a n i s m ；m o t o r i z e ds p i n d l e ； c o u p l i n gs y s t e m ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e s v 平面并联机构与电主轴耦含系统动态性能分析 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 随着制造业的飞速发展，人们对机床在加速度、作业自由度和设备成本等方面提 出了更高的要求，给传统的机床产业带来了新的挑战。为了克服传统机床所带来的局 限性，世界各国的机床制造业都在积极探索和研制新型的制造设备与系统。其中，2 0 世纪9 0 年代问世的并联机床，又称虚拟轴机床或并联运动学机器在结构技术上取得 了突破性的进展【1 】。并联机床是器人技术与机床结构技术结合的产物，它的原型是并 联机器人操作机。 国内外许多研究者都在致力于并联机器人的研究，并且己在许多方面取得了重大 突破，如在结构设计、运动学正反解、工作台的速度和加速度分析、工作空间分析、 动力学分析等方面。但是大部分研究者都将并联机器人作为刚性体进行研究，在做动 力学分析时均假定并联杆件结构不发生弹性变形。这对于并联机床的动态性能分析和 评价是非常不利的。因此，从弹性动力学角度出发，综合考虑并联机构和电主轴的振 动情况，对并联机床的动态性能进行分析和评价，对并联机床的发展有重要的指导意 义。 1 1 课题概述 1 1 1 课题的研究背景 制造业是推动社会发展和技术进步的基础产业，机床被誉为机械制造业的工作母 机。近年来尽管数控机床在不断地取代老式普通机床，但是在结构上却一直没有大的 改进，基本上都采用由床身、立柱、主轴箱和工作台等部件串联而成的“c 型布局， 运动轴串联地设置在笛卡儿坐标系中，称为串联式结构。串式结构机床由于其柔性相 互叠加，刚度比较低；各个轴的误差相互叠加使得误差传递增大；工件、工作台大部 分都运动，故运动质量较大。因此，这种传统的串式机床的动态性能较差。随着制造 业的飞速发展，人们对机床在加速度、作业自由度、进给速度、设备成本、动态性能 等方面提出了更高的要求，并联机床在此背景下应运而生。并联机床又称虚拟轴机床 或并联运动学机器，它实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，既可以看成 机器人化的机床，可以完成机床的切削加工任务，又可以看成机床化的机器人，可以 完成许多精密的机器人操作作业，是集多种功能于一体的新型数控加工装备【2 弓】。图 1 1 为最早出现的s t e w a r t 平台结构的简图【4 】： 平面并联机构与电主轴耦含系统动态件能分析 图1 1s t e w a r t 平台结构示意图 新型并联机床的出现颠覆了传统机床结构的概念，改变了固定导轨的刀具导向方 式，采用了多杆件并联机构驱动的方式，这不仅使并联机床加工的自由度增加，而且 可以使其加工更为复杂的零件。与传统机床相比，并联机床具有以下优点f 5 - 7 1 ： ( 1 ) 刚度重量比大：并联机床采用并联闭环杆系结构，在准静态情况下，传动构 件在理论上仅受拉压载荷，故传动机构的单位重量承载能力较高； ( 2 ) 响应速度快：由于动平台质量相对较小，其惯性也小，这有效地改善了伺服 控制器的动态品质，允许动平台获得较高的进给速度和加速度，适于各种高速加工的 场合； ( 3 ) 技术附加值高：并联机床“硬件 简单，“软件”复杂，故技术附加值较高， 可望获得高额的经济回报； ( 4 ) 寿命长：由于没有导轨，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，故使用寿命长，有利于减少成本。 尽管从理论上讲，并联机床有着比传统机床更明显的优势，但是与有着上百年发 展历史的传统机床相比，并联机床的出现才不过几十年的时间，它只是机床家族中的 一个新成员，还存在许多基础理论和技术方面的问题，具体包括以下几个方面【8 - l o l ： ( 1 ) 在工作空间内，各点的特性不一致。另外，工作空间内奇异点处力和运动都 不可控，使工作空间本身及其内部诸点的特性变得更加复杂。 ( 2 ) 关键基础件的研究。关键基础件主要包括高速电主轴、高速高性能电机、精 密丝杠导轨副以及高精度、高刚度的铰链等。 ( 3 ) 在具体的控制算法中，除了传统的p i d 控制方法，还需要进一步发展其他先 进的控制方法，例如自适应控制、鲁棒控制、滑模变结构控制等，进一步提高并联机 构的性能。 2 济南大学硕上学位论文 ( 4 ) 并联机床的性能分析，包括刚度、精度等问题，需要建立统一的几何度量， 这个度量应该独立于任何坐标系，它由机构本身的结构所决定，对它的分析需要建立 一套有效的一般性方法。因此，并联机床与传统机床并不是替代关系而是互补关系， 作为对传统机床的有益补充，并联机床有其特殊的应用领域。 1 1 2 选题目的及意义 正是由于并联机床存在诸多的优点，使得其在许多领域得到了成功的应用，成为 新一代机床结构的重要发展方向。但是如上节中所述，随着对并联机构研究工作的进 一步深入，并联机床在某些方面的不足和弱点也逐渐地显现出来。其中精度问题是并 联机床能否投入工业运行的关键，而动态性能是并联机床精度的重要指标，因此对并 联机床进行动态性能分析对实现并联机床的商品化、产业化具有非常重要的意义。并 联机床主要由并联机构和主轴两大部分组成，仅仅研究并联机构的弹性动力学对加工 精度和动态性能的影响不足以说明并联机床整体的加工精度和动力学性能。故本文以 平面并联机床为研究对象，通过分析平面并联机构与电主轴耦合系统的动态性能来评 价平面并联机床的加工精度和动态性能，旨在探索一种提高并联机床加工精度的有效 途径。 1 2 并联机床研究现状 1 2 1 并联机床在国外的研究现状 国际学术界和工程界对并联机床的开发和研究非常重视，并于2 0 世纪9 0 年代中期 相继推出许多在结构上相似但名称各异的产品化样机 1 l - 2 0 】。 并联机床首次出现在1 9 9 4 年9 月的芝加哥i m t s 9 4 国际展览会上，美国的i n g e r s o l l 公司、h e x e l 公司及g i d d i n g s & l e w i s 公司展出的v a r i a x 并联数控机床引起世界轰动， 被称为“2 1 世纪的机床 ( 图1 2 ) 。并联机床的出现全面带动了并联机床世界性的开发 热潮，成为机床发展史上的里程碑。随后，又有很多新型的并联机床在1 9 9 7 年的德国 汉诺威国际机床博览会和1 9 9 9 年的巴黎国际机床博览会上参展。其中包括德国 m i k r o m a t 公司研制的6 x 型并联机床( 图1 3 ) ，瑞典n e o sr o b o t i c s 公司生产的 t r i c e p t 8 4 5 ( 图1 4 ) 和6 0 0 型并联机床，俄罗斯l a p i k 公司生产的t m 7 5 0 型s t e w a r t 数控机 床，美国i n g e r s o l l 公司生产的h o h 6 0 0 型卧式并联机床，英国g e o d e t i c 公司生产的 e v o l u t i o ng 5 0 0 和g 1 0 0 0 并联机床，瑞士联邦技术学院开发的h e x a g l i d e 并联机床( 图 1 5 ) ，日本t o y o d a 公司推出的基于铣削加工线的六条腿机床，美国h e x e l 公司生产的 3 平面并联机构与电主轴耦含系统动态性能分析 h e x a b o t 并联机床等。 图1 2g & l 公司的并联机床图1 3m i k r o m a t 公司的并联机床 图1 4n e o s r o b o t i c s 公司的t r i c e p t8 4 5 图1 5 瑞士联邦技术学院开发的h e x a g l i d e 后来，波音、通用、大众、沃尔沃、o p e l 、a i c o a 、英国航空航天公司，美国别 克公司( 中国) 均购置了瑞典n e o sr 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，主 要用于航空航天铝结构件、汽车大型模具的制作，复合材料的高速铣削，激光切割和 离子束表面改性等场合，并已获得了显著的经济效益。1 9 9 6 年，德、意、英、法、瑞 士、瑞典和西班牙七国在欧共体的资助下，启动了三个名称分别为“r o b o t o o l ， “m a n u f a c t u r i n g 和“航空工业制造反应系统 的大型跨国联合研发项目。在美国政 府和企业的大力支持下，美国六大著名的国家级研究开发基地开始着手并联机床的开 发与研制。这六大基地分别是：m i t 、o r n l 、n i s t 、h e x e l 、s n l n m 和s n l c a 公司。 2 0 0 0 年以后，并联机床的研究开始由理论研究和实验室试验逐渐向实用化和商品 化过渡，各种结构形式的并联机床相继出现，并被应用于各种领域2 1 。2 5 】。2 0 0 1 年在德 国汉诺威欧洲机床展览会( e m o2 0 0 1 ) 上，展出的并联机床主要有德国斯图加特大学 制造技术中心的五面加工并联机床p a r a l i x ，汉诺威大学生产工程及机床研究所的混联 机床d u m b o ，法国r a 公司的三杆并联卧式机床u r a n es x ，西班牙f a t r o n i k 技术 4 殇锈钐哆。碍缁馏q；豸勺，黛。臻蔫罐甍嗡碍缮。髫 济南大学硕士学位论文 中心的三杆卧式加工中，i 二, u l y s e s ，德国d e c k e lm a h o 公司的三杆加工中, 1 ) , t d c e n t e r 等。自此，并联机床进入实用化阶段。 1 2 2 并联机床在国内的研究现状 自从并联机床于1 9 9 4 年首次在国际机床博览会上展出之后，国内各高校和科研单 位也纷纷投入人力物力对并联机床进行研究。最早从事于并联机器人基础理论研究的 是黄真教授【2 6 2 9 1 和梁崇高教授【3 0 。3 1 】。1 9 9 1 年，燕山大学研制出我国第一台并联机器人 样机( 图1 6 ) 。黄真教授以此为基础，对少自由度并联机器人的基础理论进行了深入的 研究，开发了多个少自由度并联机器人机构的新机型9 1 。清华大学和天津大学合作， 于1 9 9 7 年研制出大型镗床类并联样机v a m t l y ( 羽1 7 ) 。次年，东北大学成功研制出五 轴联动三杆并联机床d s x 5 7 0 。天津大学和天津第一机床总厂合作，于19 9 9 年成功研 制了三坐标的并联机床产品化样机l i n a p o d ( 图1 8 ) ，哈尔滨工业大学也成功地研制 了并联机床样机b j 3 0 ( 图1 9 1 。 图1 6 然山人学矽f 制的并联样机图1 7 清华人学和天津大学研制的并联样机 此外，我国还将并联机床的研究和开发列入国家“九五 攻关计划和8 6 3 高技术 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， 部分高校还将并联机床的研究开发纳入教育部“2 1 1 工程重点建设项目1 3 2 - 3 5 1 。从事 并联机床开发和研究的国内高校和科研单位还有燕山大学、国防科大、河北工大、北 航和中科院沈阳自动化所等。1 9 9 9 年6 月我国首届并联机器人与并联机床设计理论与 关键技术研讨会在清华大学召开，会上对并联机床的发展现状、未来趋势以及研究中 亟待解决的问题进行了研讨。 5 平面并联机构与电丰轴耦合系统动态性能分析 图1 8 天津大学和天津第一机床总厂的并联机床 图1 9 哈工大的b j 3 0 并联机床 纵观并联机床的国内外研究现状，对并联机床的研究主要集中在表1 1 所示的几 个方面【3 “9 】： 表1 1 并联机床研究的主要方面 研究方面研究进展 运动学求解 动力学建模 c h e o k 、m e r l e t 和p e t r o v i c 等运用附加传感器的方法计算了并联机床运动学 的封闭解，使运动学求解大幅简化。瑞典n e o s 开发的t r i c e p t 机床使用了 角度和位置传感器使运动学正解求解过程简化，提高了并联机床的加工 精度。 方跃法建立了一种六自由度并联机器人的弹性动力学模型，f a t t a h 把机构 的刚体运动和弹性位移作为广义坐标，利用自然正交补的方法构造约束 方程，提出了一种三自由度并联操作机的有限元模型。李兵采用有限元 法建立了六自由度并联机床的动力学模型。 g o s s e l i n 提出了全条件数性能指标，高峰把该指标用在并联平面二自由度 机器人的结构尺寸参数设计上。黄田求出了并联机床局部雅可比矩阵奇 工作空间及灵活性 异值的解析式，构造了三种灵活度的评价指标。饶青提出了位置可操作 度和姿态可操作度的定义，建立了6 - 6 型s t e w a r t 并联机构的位置，姿态和 综合可操作度的公式。 精度问题 控制技术研究 并联机床的运动精度是衡量其工作质量优劣的重要指标之一。w a n g 建立 了实际s t e w a r t 平台机构的运动学模型，用数值分析的方法研究了机构的 制造误差对动平台精度的影响；p a t e l 和e h m a n n 建立了s t e w a r t 平台机构的 微分误差模型。段宝岩对s t e w a r t 平台的运动精度进行了分析，考虑了杆 长误差与平台的铰链位置误差对动平台的位置误差的影响。 j o 提出了几何法，g o s s e l i n 对该方法做了进一步研究。m e r l e t 在几何法基 础上弓i 入了铰链约束。j i 定义了动平台的顶点空间，将动平台的工作空间 转化为动平台上三点顶点空间的交集。黄田定义了章动角工作空间，提 出了单参数曲面族包络面法。江洪道继承了该方法，并采用数值法检验 球铰链是否满足约束条件，提出了有效包络面法。 6 济南大学硕士学位论文 1 2 3 平面并联机床在国内外的研究现状 平面并联机床继承了并联机床的优点，并且由于其机构的支链运动副为单铰连 接，易于制造；其次，结构相对简单，价格便宜，控制相对容易；第三，由于其运动 学和动力学模型具有广义坐标少的特点，使得计算规模相对较小。近年来，平面并联 机构已广泛应用于并联机器人、串联机械手等领域，以实现高速、高稳定性的运动输 出或完成更复杂的运动规律。国内外对平面并联机床的研究主要集中在表1 2 所示的 几个方面【5 0 - 5 7 1 。 表1 2 平面并联机床研究的主要方面 研究方面研究进展 运动学分析 动力学分析 精度问题 弹性动力学 杨春辉应用闭环矢量原理建立三自由度平面并联微动机器人运动学模 型；赵建国等对三自由度平面并联机构的运动学进行了研究，利用极坐 标搜索法得到了机构的定姿态工作空间；王冰等人对平面并联机器人的 运动学进行了分析并进行了仿真，提出了一种机构尺寸设计的新方法； 张广立提出了一种新型平面三自由度冗余度并联机器人机构，研究得到 了运动学正解的封闭形式。 d a s