三自由度并联机构的设计

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关键词：: 三自由度虚拟样机并联机构

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三自由度并联机构的设计

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摘要
并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。
本文并联机构的研究方向：
（1）并联机构组成原理的研究
研究并联机构自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。
（2）并联机构运动空间的研究
包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解（如数值求解法、球坐标搜索法等）、机构干涉计算及位置分析等。
（3）并联机构结构设计的研究
并联机构的结构设计包括很多内容，如机构的总体布局、安全机构设计。
由于本人水平有限，文中的错误和不足在所难免，恳请各位老师给予批评和指正。

关键词：三自由度；虚拟样机；并联机构

Abstract
Parallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.
The direction of the research of parallel mechanism:
(1) study on the principle of parallel mechanism.
The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.
(2) for parallel mechanism workspace
Including the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.
(3) for parallel mechanism structure design
Structure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.
Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.
Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;

目录
第1章前言 1
1.1 课题研究背景意义 1
1.2 国内外研究现状 2
第2章三自由度并联的结构及工作原理 5
2.1 并联运动机构概述 5
2.2 三自由度并联的结构及机械运动原理 5
2.3 控制系统结构及工作原理 6
2.4 并联机构工作空间的分析 7
第3章并联机构主要部件的设计 9
3.1 电动机选型 9
3.1.1电机的分类 9
3.1.2电机的选择 9
3.2 电动推杆选择 10
3.3机构力的计算 13
第4章并联机构机并联机构空间分析 19
4.1并联机构并联机构机的运动学约束 19
4.1.1 连杆杆长约束 19
4.1.2 运动副转角约束 19
4.1.3 连杆杆间干涉 20
4.2 确定并联机构空间的基本方法 20
第5章三自由度并联机构三维建模 21
5.1设计结果 21
5.1并联机构solidworks三维建模 21
第6章 Adαms建模过程 22
6.1 Adams软件介绍 22
6.1.1 Adams软件简介 22
6.1.2 ADAMS软件基本模块 24
6.2 Adams 建模过程 27
6.2.1 启动ADAMS 28
6.2.2 设置工作环境 28
6.2.3 创建旋转副、移动副、移动驱动、固定约束 29
6.3 仿真结果 32
结论 34
参考文献 35
致谢 36

第1章前言
1.1 课题研究背景意义
并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种6-TPS结构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件3维转动的活动范围一般只在60°上下，角度最大也达不到±90°。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。
并联机构实质上是机器人技术与机构结构技术结合的产物，与实现等同功能的传统五坐标数控机构相比，并联机构具有如下优点：
刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。
响应速度快：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，因而特别适于各种高速数控作业。
环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与并联机构等作业。
技术附加值高：并联机构具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。
目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机构非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。1994年在芝加哥国际机构博览会上，美国Ingersoll铣床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机构与加工中心，引起轰动。此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机构、并联机构机和加工中心。与之相呼应，由美国Sandia国家实验室和国家标准局倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与并联机构和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第47～49届CIRP年会、1998～1999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于2000年在美国密执安大学举行。1994～1999年期间，在历次大型国际机构博览会上均有这类新型机构参展，并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。
我国已将并联机构的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和863高技术发展计划，相关基础理论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构的研发纳入教育部211工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机构骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机构设计理论与关键技术研讨会，对并联机构的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。

结论
本文着重介绍了虚拟环境下三自由度并联并联机构机的运动建模和仿真。首先说明一下本文研究内容所涉及到的学术背景，并阐述了“虚拟样机”等名词的内涵；接下来详细讨论了三自由度并联并联机构机虚拟样机的几何模型，包括几何建模、形象建模和几何造型等过程，从而完成虚拟样机的几何模型设计；之后又继续研究三自由度并联并联机构机虚拟样机的运动模型.

参考文献
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内容简介：: 外文翻译资料机电一体化技术及其应用研究1 机电一体化技术发展机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。1.1 数字化微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。1.2 智能化即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 1.3 模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。1.4 网络化由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。1.5 人性化机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。1.6 微型化微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 1.7 集成化集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。1.8 带源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。1.9 绿色化技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。2 机电一体化技术在钢铁中应用在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面：2.1 智能化控制技术(IC)由于钢铁具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经等，智能控制技术广泛于钢铁的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢连铸轧钢综合调度系统、冷连轧等。2.2 分布式控制系统(CS)分布式控制系统采用一台中央机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。CS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。CS是监视集中控制分散，故障面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。 2.3 开放式控制系统(OCS)开放控制系统(Open Control System)是计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。2.4 计算机集成制造系统(CIMS)钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。2.5 现场总线技术(BT)现场总线技术(ie Bus Technology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如420mA，C直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致CS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(Programmable Logic Controller)和现场就地控制站等的发展。 2.6 交流传动技术传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。 4外文资料翻译 1 n is on of of of a of a of of as NC of as of a of it is to in NC / O of as of up a As of of a is a If is to of 文资料翻译 2 as in we As of of is of to AN a to a as of so in be of of be no 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3）并联机构结构设计的研究并联机构的结构设计包括很多内容，如机构的总体布局、安全机构设计。由于本人水平有限，文中的错误和不足在所难免，恳请各位老师给予批评和指正。关键词：三自由度；虚拟样机；并联机构 a of be as a be as in in of of (1) on of of of of (2) as , of (3) of as of of my in be to of 录第 1章前言 . 1 题研究背景意义 . 1 内外研究现状 . 2 第 2章三自由度并联的结构及工作原理 . 5 联运动机构概述 . 5 自由度并联的结构及机械运动原理 . 5 制系统结构及工作原理 . 6 联机构工作空间的分析 . 7 第 3章并联机构主要部件的设计 . 9 动机选型 . 9 . 9 . 9 动推杆选择 . 10 的计算 . 13 第 4章并联机构机并联机构空间分析 . 19 . 19 杆杆长约束 . 19 动副转角约束 . 19 杆杆间干涉 . 20 定并联机构空间的基本方法 . 20 第 5章三自由度并联机构三维建模 . 21 . 21 . 21 第 6章模过程 . 22 . 22 件简介 . 22 件基本模块 . 24 模过程 . 27 动 . 28 置工作环境 . 28 建旋转副、移动副、移动驱动、固定约束 . 29 真结果 . 32 结论 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 36 1 第 1 章前言题研究背景意义并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种 6构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件 3 维转动的活动范围一般只在 60上下，角度最大也达不到 90。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6 根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。并联机构实质上是机器人技术与机构结构技术结合的产物，与实现等同功能的传统五坐标数控机构相比，并联机构具有如下优点：刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。响应速度快：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，因而特别适于各种高速数控作业。环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与并联机构等作业。技术附加值高：并联机构具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机构非常重视，并于 90 年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。 1994 年在芝加哥国际机构博览会上，美国司和司首次展出了称为“六足虫” (2 “变异型” (数控机构与加工中心，引起轰动。此后，英国司，俄罗斯司，挪威司，日本丰田、日立、三菱等公司 ,瑞士究所，瑞典司，丹麦司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机构、并联机构机和加工中心。与之相呼应，由美国家实验室和国家标准局倡议，已于 1996 年专门成立了户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与并联机构和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第 47 49 届会、 1998 1999 年会、 25 届机构学双年会、第 10 届美国国家科学基金会动议， 1998 年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于 2000 年在美国密执安大学举行。 1994 1999 年期间，在历次大型国际机构博览会上均有这类新型机构参展，并认为可望成为 21 世纪高速轻型数控加工的主力装备。我国已将并联机构的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和 863 高技术发展计划，相关基础理论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构的研发纳入教育部 211 工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机构骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于 1999 年 6 月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机构设计理论与关键技术研讨会，对并联机构的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。内外研究现状并联机构具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点 ,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用。 (1)串联结构中的横梁部件很容易受到弯曲扭矩的作用而产生扭曲变形，从而产生动态误差； (2)由于采用串联的方法，因而整个运动误差是每个坐标轴运动误差的累加； (3)由于运动部件质量较重，从而使的运动惯性增大，运动速度收到限制，因而直接影响了并联机构效率； (4)不满足并联机构的基本原理阿贝原理； (5)由于受 X， Y， Z 相互垂直导轨的约束，测头的空间位姿不够灵活。 3 图 1通笛卡尔式串联结构示意图从整个发展进程不难看出，并联机构技术是为满足日益进步的制造技术的需求而不断向前发展的，是为先进制造技术而服务的。近几年，随着精益生产、敏捷制造、虚拟制造、并行工程和逆向工程等各种先进制造思想和理论的不断提出，对并联机构机的并联机构精度、并联机构效率及灵活性等相应的技术指标又提出了更高的要求，而传统的具有笛卡儿坐标系结构的三并联机构机因其自身结构的限制已很难达到这一要求，于是，各种非笛卡儿式并联机构技术应运而生并迅速发展起来 13。图 1种非笛卡尔串联机构并联机构机结构示意图当今国际市场需求快速变化的特点和 21 世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展。并联并联机构机是近 30 年发展起来的一种高效率的新型精密并联机构仪器，克服了传统串联并联机构机结构布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高对生产环境的适应性，满足了快速多变的市场需求。与常用的串联并联机构机相比，它的优点是 : 4 (1)并联中的可动平台同时经由 3 根可沿各自轴向伸缩的连杆支撑，从而使整个系统的刚度较串联机构相比有较大程度的提高； (2)各并联杆件只承受沿轴向的线性调节力的作用 ,因而其运动误差小，不易变形； (3)并联机构中 ,各杆件间不存在误差累积和放大关系，容易实现高精度并联机构； (4)并联运动机构中运动部件的惯性质量小，刚度大，因而有望实现高速、高效率并联机构； (5)可以将并联机构点放置在测长装置的延长线上，从而减小阿贝误差对并联机构结果的影响； (6)并联并联机构机测头的空间位姿灵活，可从任何角度进入工作表面，因而对表面形状复杂 ,孔隙方位多的零件并联机构比较方便； (7)并联机构结果不易受空气波动、温度变化等因素的影响； (8)不需要复杂的跟踪机构、控制装置等； (9)并联机构具有“硬件”简单， “软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品 ,因而渴望获得高额的经济回报。由此可以看出，并联机构恰好能够对串联机构的应用局限进行恰当的补充，这无疑为新一代并联机构机的开发与研制带来了希望，从而为拓宽并联机构机的应用领域，促进产品的多样化，提高产品的市场竞争力奠定了坚实的理论基础。近年来，以并联机构学为理论依据的智能机器人技术及计算机数控加工技术的研究引起了各国学者的极大兴趣，现已成为新的研究热点，并认为是 21 世界极具发展前景的先进技术 14由于并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特特性，因而若将其应用于并联机构机中，将有可能使并联机构机的并联机构精度及并联机构效率等综合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并联运动机构理论及应用研究的兴起也为新型并联机构机的开发提供了机遇，所以，开展并联运动机构的研究工作是非常必要的。 5 第 2 章三自由度并联的结构及工作原理联运动机构概述从并联机构的结构特点不难看出，并联机构并联机构机属于一种新型非笛卡儿式并联机构系统。传统的笛卡儿式并联机构系统对空间位置坐标的并联机构是直接通过三个相互垂直的长度基准来实现的，也就是说，这种并联机构机的并联机构模型是直接建立在直角坐标系基础之上的，因而该并联机构机具有并联机构建模容易，并联机构结果直观、数据处理简单、符合大多数工件并联机构的需要等优点。而对于由并联闭环机构所组成的并联并联机构机来说，其测头处的空间位置坐标是有若干个并联调节器的长度基准和连接上下平台的球形副（或转动副）的角度基准来表述的，由于这些变量参数之间的关系是非线性，所以与普通直角型并联机构机相比并联机构并联机构机的并联机构建模问题就变得十分复杂。并联运动机构是指上、下平台用 2 个或 2 个以上分支相连，机构具有 2 个或 2 个以上自由度，且以并联方式驱动的空间闭环运动机构。由于并联运动机构具有刚度重量比大，运行速度高、末端执行器位姿灵活、误差不叠加、结构简单、易于模块化设计等优点，因而在许多领域都已得到广泛的应用。例如：德国汉诺威、斯图加特大学及不伦瑞克大学等已先后将并联运动机构应用于激光加工、机构、普通装配及医学等领域中。国内一些知名大学，如清华大学、天津大学、东北大学、燕山大学和哈尔滨工业大学等等，也正在开展并联机构方面的研究工作。实际上，并联机构并联机构机的并联机构建模问题就是并联机构的正运动求解问题。所谓正运动求解，就是在已知并联机构中各运动副的位置参数及各并联调节器杆长变化量的情况下，来计算末端执行器（如测头）出的空间位置坐标。由空间机构学理论可知并联闭环机构的位置反解比较容易，但其位置正解却相当复杂，到目前为止，也只能给出其数值解，且明显存在多解现象。我们通过对并联机构并联机构机的布局结构进行优化，即将连接上下活动平台的运动副以等边三角形的方式进行排列，从而使个运动副之间的相互关系简洁化，然后充分利用机构的运动约束和集合约束关系，建立由对应机构组成的并联并联机构机的并联机构模型。自由度并联的结构及机械运动原理本文所研究的三自由度并联机构的结构见图 26。由图以看出，该主要由上下 2 个等边三角平台和 3 个中间连杆组成。每个连杆包括 3 个运动副，其中转动6 副与上三角平台的顶点相连，球面副则与下三角平台的顶点相连，中间的移动副可在杆长的约束范围内做轴向伸缩运动，的测头则安装在下三角平台的几何中心点位置。根据 7公式，可计算出上述三自由度并联机构的空间自由度 F 为： gi )1(6 式中 n 机构中总的构件数； g 机构中所包含的所有物体之间的运动副数目；第 i 个运动副的相对自由度数。可计算出该运动机构的空间自由度为 3。分别为沿 Z 向的 1 个移动自由度和 2 个独立的转动自由度。从机构的连接方式不难看出，三个中间连杆的运动是相互关联和制约的，而不是相互分立的，因此，这种机构属于并联运动机构。三自由度并联机构的工作原理十分简单，它是通过移动副的调节器来控制移动副的伸缩，使连杆长度发生变化，从而使测头移动至测点位置，然后再由安装在移动副内的长度并联机构装置测出杆长的变化量，并以此为依据，计算出测点处的空间坐标。图 2联机构结构简图制系统结构及工作原理三自由度并联机构并联机构机的控制与并联机构系统结构示意图如图 2示：由图可以看出来，该并联机构并联机构机的控制与并联机构系统主要由三个基本单元组成，它们是：理器单元，伺服电机控制单元和并联机构数据采集与存储单元。理单元主要完成数据处理、数据显示、几何尺寸计算和三维形体的重建等，同时还负责向其他两个单元发送控制指令，以便协调整个系统的工作。伺服电机控制单元则主要是依据算机所发送的控制指令对三个伺服电机的运行状态进行控制，从而确保他们按实际要求正常运转。并联机构数据采集与存储单元主要用于完成对三个线性刻度尺（例如光栅尺、激光干涉仪等）输出的脉冲信号进行记数，并将计数结7 果存储到对应的三个存储器中，以便于算机进行读取。图 2制与并联机构系统框图上述控制与并联机构系统的工作原理可简述如下：当操作人员通过计算机键盘（或其他键控开关）向计算机发出控制命令后，理器则通过 I/O 控制器接口向三个交流伺服电机分别发出相应的运行控制指令。当三个伺服电机接受到正确的指令信息后，即驱动各自的滚珠丝杠进行旋转，从而带动相应的移动副按实际要求进行伸缩，使测头向目标点移动；同时，随着移动副的伸缩，与之相连的线性长度记录仪（如光栅尺等）开始输出计数脉冲，并由三个 32 位的计数器分别进行计数。若测头移动过程中，连杆或运动副出现干涉现象，则驱动系统将立即向计算机反馈信息，以便通知计算机及时调整三个伺服电机的运行状态，及时修正测头的运行轨迹，从而确保测头安全、柔性地到达并联机构点位置。当测头与被测目标点接触的一刹那，测头的微动开关将产生一触发脉冲，并将其反馈给算机作为采样触发信号。算机接收到该采样指令后，则向 32 位计数器发出读数指令，随后便将计数器中的三个脉冲计数值读入处理器，经相应处理软件计算后，得到该并联机构点处的实际空间坐标值，从而完成一次坐标采样过程。联机构工作空间的分析工作空间（设给定参考点 C 是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。 8 完全工作空间（动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。定向工作空间（动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。最大工作空间（动平台执行器端点可到达的点的最大集合，并考虑其具体位姿。完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集 . 另外，工作空间是并联机构的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个：杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为 D 的圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离为 D。 9 第 3 章并联机构主要部件的设计动机选型机的分类 1按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 4按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为电动机和伺服电动机等。 5按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、频调速电动机和开关磁阻调速电动机。机的选择由于电机具有控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化的优。根据设计要求及实际情况我们选择电机，选择参数为 :额定电压、输出扭矩和电机转速等。拟采用的 57系列两相混和式电机使用 24系统提供的 24出扭矩与支撑板的摩擦力有关，主要由物料的重量和摩擦系数来确定，10 此外，还与滑动摩擦力的作用有关，但由于滑动摩擦系数很小。电机的频矩特性曲线如图 4 则由曲线可得 :当 n=30r/f=100 根据计算结果我们选择电机型号为： 57动推杆选择电液推杆是一种集机、电、液为一体的液压驱动机械手。它适用于需要往复推、拉直线（或往复旋转一定角度）运动也可用于需上升、下降或夹紧工作物的场所，并可进行远距离高空及危险区的集中或程序控制。已广泛应用于冶金、矿山、煤炭、电力、机械、粮食、水泥、化工、水利、运输、起重运输及港口机械中的阀门、闸门、换向、倾斜、摆动等的驱动和控制，是通用的动力源。电液推杆是以液压缸为主体，电动机、油箱、油泵、滤油器、液压控制阀组合的总成。电动机、油泵、液压控制阀和液压缸可装在同一轴线上，也可按需要装置在不同轴上，中间有油箱和安装支座，只需接通电动机的控制电源，即可使活塞杆位移往复运动。活塞杆的伸缩由电动机的正反向旋转控制。液压控制阀组合是：溢流阀、伺服阀、液控单向阀等组成；电液推杆可以根据不同的工况要求设计不同油路形式的组合阀满足其工作要求。 11 电液推杆分为单推、单拉和推拉三种形式，调速形式有推拉调速型，推调速型，拉调速型，推拉均不调速型。锁定形式有推拉锁定型、推锁定型、拉锁定型，推拉均不锁定型。电液推杆具有如下优点：结构紧凑，安装方便，占据空间小，维护简单；回路中设有双向液压锁，可停在规定行程范围内的任意位置并自锁，且保持输出力不变；可带负荷起动，具有过载保护装置；拉力、速度无级可调，驱动力范围极广；因故断电，推杆自锁避免发生事故。但电液推杆工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等），长距离传动时更是如此；它对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很容易受到温度影响，因此不宜在很高或很低的温度条件工作；它造价昂贵，而且对工作介质的污染比较敏感；同时他出现故障时也不易找出。这些都对电液推杆的传动质量和使用范围造成一定影响。不符合本设计的设计要求。使用电动推杆可以较好得解决以上问题。动推杆电动推杆是一种动力驱动装置，其安装不受地形、气候、距离限制，并以其结构紧凑、使用可靠、节约能源、安装方便、维修简单等优点，而广泛用于电力、机械、化工、冶金、矿山、轻工、交通、船舶等部门。可完成各种物体的升降、推拉、平移、旋转、锁定、门阀的开关等作业。同时，电动推杆可通过微机控制，便捷实现自动化。现已被越来越多的部门用它来代替机构手、液坟阀、减速传动机构的自动装置中。电动推杆由电动机、减速齿轮、丝杆、铜螺母、导向管、活塞杆、轴承座、弹簧、缸筒座、联结叉及限位开关（选用）等部件所组成。推杆以电机为动力源，通过一对（或两对）齿轮传动变速，带动一对丝杆螺母传动副组合，把电动机的旋转运动转化为直线往复运动，利用电动机正反转完成推拉动作。推力和拉力相等。如通过各种杠杆，摇杆或连杆等机构可完成转动、摇动等复杂动作。通过改变杠杆力臂长度可以增长行程。电动推杆内过载自动保护装置，当推杆行程到极限位置或负载超过额定推力一定数值时，推杆将自动切断电源，起保护作用，使电动机及其它构件不致损坏，但不得以此作为正常运行时的限位开关使用。因此要在推杆上另行配置外行程限位开关装置，以控制推杆正常起停。 12 电动推杆按电机安装形式分两种基本形式，同一种形式又分若干个电机机座号。在此基础上增加了和防爆型，、的主要技术参数及外形安装尺寸与相同。在的居套外加装了行程调节装置，使推杆行程从 0至最大行程范围内可调节，的中间传动端加装手轮，以实现现场操作。电动推杆的螺旋传动机构又可分为滑动丝杆副螺旋传动和滚珠丝杆副螺旋传动两种。采用滚动丝杆副螺旋机构进行传动，它的摩擦系数小 ,摩擦损失减少 ,传动效率高 ,低速时不产生爬行现象 ;同时滚珠丝杆副不存在轴向间隙 ,这样就提高了它的传动质量和精度 , 滚珠丝杆副螺旋传动还具有寿命长、精度高、轴向刚度高、运动平稳等特点，但其结构复杂，制造较难；运动具有可逆性，需要设置防止逆转机构。采用滑动丝杆副螺旋进行传动与滚珠丝杆副螺旋传动相比它具有结构简单、制造容易、减速传动比大、具有自锁性、传动平稳等优点。在本电动推杆设计中，由于对丝杆自锁性要求较高，传动速度适中，且要求结构简单，安装容易。所以选择滑动丝杆副进行传动比较合适。列 D 型电动推杆该系列电动推杆结构简单，噪声较低。主要应用于推拉力较小的工业设备的机械运动的执行机构。如各种风道的蝶阀、舞台设备等。外形结构：电机与推杆同轴。 13 内部结构：梯形丝杠副。行程控制：采用外部行程控制装置或编码器实现。过载保护：采用弹簧与继电器组合结构实现。主要技术参数 1. 驱动电机：三相异步电机 2. 最大推力： 500. 最快速度： 94mm/s 4. 最大行程： 800. 机械连接：双侧耳轴连接构力的计算 1. 上平台加载中间位置上升 150 ，平衡机抵消 70的载荷。假设平横状态下杆 l 1m，上、下平台 (圆盘 )的半径 :竖直方向的夹角为 15 度， D=3 m=750 3 B=C=3 m=350 3 D=80。由几何关系知， 00/2 ( 7 5 0 3 3 5 0 3 ) / 2 1 3 3 8 . 57 5 7 5E D A B S C O S 14 =G 为地面的距离 ) 取 125=50= ,所以 0 = 9800= 1 11254101125 1 8 3 1 . 43 7 . 9 H m S i n 所以 X=X 6 2 0 2 . 5 8 . 8 7 /6 1 1 6 . 6 N m m 6 2 0 2 . 5 1 0 . 6 /5 1 1 6 . 6 N m m2. 上平台加载中间位置下降 150 ，平衡机抵消 100的载荷。 15 AG= 0() 7 0 9 5 1 . 72E D A B t g m m = = = 1125 1 4 7 2 . 9Q M m X= =4000=2 F 0 ) 3= 1 0 7 6 9 . 2 7 . 4 2 /6 2 4 1 . 9 N m m1 0 7 6 9 . 2 8 . 9 /5 2 4 1 . 9 N m m3. 平衡机上平台处于中间位置加载端上仰 20，抵消 85的载荷。 16 14000 85 %=11900N 11900= +MNP = MNP 因为 1，所以 9 取 =40， MNP=60，代入上面两个式子得： 7 MO= 011251 2 9 2 . 9 2 0 1 1 0 0 . 52 S i n m m（ M到底平面的距离） M5，所以 MQ=01 1 0 0 . 5 1 9 1 8 . 735 i n 1 2 9 2 . 9 1 7 1 3 . 141 o s 所以 6 6 0 4 0 . 6 4 . 8 /6 2 0 6 . 6 N m mNP= 01125 1 9 6 1 . 455 o s N以 5 6 0 4 0 . 6 4 . 8 55 2 4 9 . 3 4. 平衡机上平台处于中间位置加载端向上倾侧 20，抵消 80的载荷。 18 1 4 0 0 0 8 0 % 1 1 2 0 0 N 算法同上述第三种情况，计算得： 686N， 756N 1 5686 9 4 7 . 766F N， 2 8756 1 7 5 1 . 255F N6 =10 所以 F=7 X ，又因为 X=01 7 1 3 . 1 1 7 1 3 . 1 2 6 . 410 o s 所以 1 6 0 . 4 6 . 0 8 /2 6 . 4 N m m； 5 =10 所以 8 X , 又因为 X=01 7 1 3 . 1 1 7 1 3 . 1 2 6 . 410 o s 3 5 5 . 6 1 3 . 5 /2 6 . 4 N m m19 第 4 章并联机构机并联机构空间分析并联机构机的并联机构空间，实质上就是测头的工作空间。该空间是指在满足机构的运动约束和几何约束的条件下，并联机构机测头所能达到的空间点的所有点集。这些点集可构成一个体积，该体积的边界曲面就是测头工作空间的边界。联机构并联机构机的运动学约束基本上，并联的物理约束有三个，他们是：连杆杆长约束，运动副转角约束和连杆杆间干涉。不同于通过限制转动副来限制有效自由度，本节讨论的运动学约束主要是限制运动范围。杆杆长约束连杆在运动过程中，其杆长必须满足条件： 00ll (i=1,2,3) 在上式中动副转角约束同样，在并联工作过程中，必须满足条件： 0 i i=1,2,3) 在上式中表球面副的最大圆锥摆角， i 为基座平面的法向量 m 与第 i 条连杆杆长向量间的夹角 (图 4可以表示成： i=20 图 4动副转角约束上式中， i) (i=1,2,3), m= ) (). 杆杆间干涉由于 3 个并联连杆与基座之间的连接关节为转动副，三个连杆只能在各自的约束平面内运动，因而不会产生干涉现象。定并联机构空间的基本方法为了描述并联机构机测头的工作空间，可取若干个适当的平行平面作为工作空间的剖面。这些平面与工作空间的交即是工作空间在这些剖面上的边界曲线。若取一系列这样的剖面，就可得到一系列的边界曲线。这些边界曲线的集合就可构成一个完整的工作空间边界例如，取一平行于平面为工作空间的剖面 (如图 4示 )，该平面距坐标原点距离 ( 然后，在该平面上取一极角 i，作一极线那么极线与边界曲线的交点 i 即为测头在该极线上所能达到的最远点。

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