并联机构的发展及应用领域的概述

精品文档 1欢迎下载 并联机构的发展及应用领域的概述 摘 要 详细介绍并联机构的发展概况 介绍国内和 国外不同时期并联机构的发展进程 并且分别介绍了从六 自由度并联机器人及少自由度并联机器人的应用领域 介 绍了不同并联机器人的性能 关键词 六自由度并联机构 少自由度并联机构 应 用领域 中图分类号 S22 文献标识码 A DOI 10 11974 nyyjs 20160431024 1 引言 并联机构不仅具有刚度大 并且并联机构还具有适应 性强 精度高等优点 所以并联机构引起学者们的高度关 注和深入研究 因此被应用于各个行业的不同领域 例如 航空航天 船舶 汽车等领域 是当今极具有广阔应用前 景的一类科研项目 本文主要对国内外不同阶段不同类型并联机构的发展 进程和应用领域以及其结构的优缺点进行了概述 并联机 精品文档 2欢迎下载 构有很多不同的分类方法 这里按自由度数目的不同 可 将并联机构分为 2 类 六自由度的并联机构 少自由度的 并联机构 自 1965 年著名的 Stewart 平台问世以来并联机 构在各个行业的各个领域开始了迅猛的发展 2 国内外并联机构的发展 并联机构与串联机构相比具有较高的刚度 承载能力 定位精度和良好的动态性能 并且结构相对紧凑 而串联 机构相对于并联机构则具有各条支链独立调节 控制相对 容易等优点 2 类机构具有各自的优缺点 相辅相成 在工 业 农业以及各个领域中都起着至关重要的作用 并联机构演化发展进程是从一杆到多杆 从平面运动 到空间运动 逐渐改变的过程 1947 年 Gough 发表文章 提出了六自由度的并联机构 引起了国内外的工程领域的 极大反响 著名的 Stewart 平台最初是模拟飞行器的模型 应用于航空航天领域 由于 Stewart 平台具有 6 个自由度 所以可以使动平台上模拟航天飞船的驾驶舱获得任意所需 要的位置和姿态 如图 1 1978 年 著名的澳大利亚机构学家 Hunt 教授用螺旋理 论对其空间的自由度进行了分析 并对其结构特性 机构 性能进行了总体的研究分析 提出了许多新的结构方案 此后 并联机构广泛的应用于机器人领域 但是在随后并 精品文档 3欢迎下载 联机器人发展进入了瓶颈期 直到 20 世纪 90 年代初期 并联机器人才再次进入人们的视野中 又一次获得了广泛 的关注 成为了国内外研究的热门课题 尤其在美国 德 国 日本 中国 法国等都自主研发了基于 Stewart 平台 的并联机床 从而同时促使了各类基于 Stewart 类型机床 的各种专用部件的迅猛发展 此后 挪威 Muticraft 英 国 Geodetic Technology 德国 Mikromat 和日本三菱等 公司和研究机构 都自主研发出了基于不同机构不同类型 的数控加工中心 激光或水射流等并联制造设备 六自由 度并联机构除了在工程中有较为典型的机床应用外 还包 括坐标测量机和医疗设备等方面的创新应用 国内 燕山大学的黄真教授是研究并联机构的开拓者 之一 并于 20 世纪 90 年代设计制造出六自由度并联机构 例如南昌的江东机床厂联合清华大学研制了 XNZ2010 龙门 式虚拟轴并联机床 以上提出的虚拟轴机床已经完全进入 了实用化的阶段 如图 2 并已经进入商业化生产应用阶段 东北大学研发了能实现五轴联动的并联机床 DSX5 70 哈尔 滨量具集团联合哈尔滨工业大学研发的国内首创并联数控 机床 6 SPS 能够加工进行复杂曲面的加工 天津大学与清 华大学联合研发的大型并联机床样机 VAMTIY 如图 3 是能 够实现镗 洗加工的大型数控机床 精品文档 4欢迎下载 并联机构能够实现空间中的多种自由度的运动 不同 自由度具有不同条数和不同类型的各个支链 六自由度并 联机构的类型主要有 6R 3R3P 4RC SPS SRT STR SPC PSS 等等 其中 各参数的意义如下 由于一些应用场合并不一定需要 6 个自由度 且六自 由度并联机构存在作业空间相对较小 支链干涉大 运动 耦合性大 控制相对复杂等缺点 所以近几年来的研究趋 向于少自由度的并联机构 最具有代表性的少自由度并联 机构是 1985 年 Clavel 博士提出的 是以 Delta 机构为基 础结构的机械手 动力源采用的是外转动副驱副驱动以及 平行四边形的支链机构 实现了末端执行器的三维高速运 动 混联机构设备也是最近几年来又一热点课题 其机构 特性的优点在于不仅能弥补纯并联机构支链干涉 运动工 作空间小等缺点 还提出了一种创新型的模块 即 即插 即用 型模块 可以构建各种形式 不同用途的系统及制 造设备 此类混联型机构代表性的的设备如 Tricept 机械 手 是于 1985 年由 Neumann 博士提出的 并且在 1987 年 获得了专利其总体性能良好 工作空间相对纯并联机构较 大 动静态性能良好 并具有可重构的特点 我国研制了并联三坐标动力头 A3 动力头 而后提 精品文档 5欢迎下载 出的 3 PRS 并联机构为 A3 头的拓扑构型并联机构 主要研 究方向有机构设计 运动学 动力学 精度分析 刚度分 析 虚拟样机 性能评估等等 如图 4 3 并联机构的应用 并联机构的应用在不同的领域 如航空航天领域的飞 行运动模拟器 并联机器人操作器 新型虚拟轴机床 体 感模拟机 医疗设备 航天器交会对接等等方面都有广泛 的应用 3 1 运动模拟器 该类机构用于飞行模拟训练 既经济 节能 安全又 不受客观条件限制 由于它的诸多安全经济等优点 现已 发展成飞行员日常训练的必备设备 3 2 航天飞行器对接器 3 5 其他应用 由于并联机构的诸多的高性能优点 还应用天文望远 镜 加工装配 测量 焊接 挖掘 航海 娱乐设施等众 多应用领域 并联机构还在大型天文望远镜的姿态调整中 的应用 还出现了基于并联机构的灵巧手 参考文献 精品文档 6欢迎下载 1 彭忠琦 并联机构的发展及应用 J 光机电信息 2011 28 12 45 50 2 徐亮 3 PRS 并联机构精度分析与综合 D 天津大 学 硕士论文 2