[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計精品] 立式并聯(lián)機(jī)床的理論及應(yīng)用研究

1、<p>　　分類號 密級 </p><p>　　UDC </p><p>　　學(xué) 位 論 文</p><p>　　立式并聯(lián)機(jī)床的理論及應(yīng)用研究</p><p><b&g

2、t;　　2009 年6 月</b></p><p>　　立式并聯(lián)機(jī)床的理論及應(yīng)用研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　并聯(lián)機(jī)床PMT（Parallel Machine Tool）是上個世紀(jì)90年代中期問世的新型制造裝備，它是機(jī)構(gòu)學(xué)理論、機(jī)器人技術(shù)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)式機(jī)床來說，并聯(lián)

3、機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高精度以及重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以它是新一代機(jī)床結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向，在許多領(lǐng)域已得到了成功應(yīng)用，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。近幾年來，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為新的研究熱點(diǎn)，本文在總結(jié)前人對并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論研究的基礎(chǔ)上，對2-PRR型并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行了初步性研究，為該機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究增添了新的結(jié)構(gòu)形式。</p><p>

4、　　在運(yùn)動學(xué)分析中，通過建立運(yùn)動坐標(biāo)系，對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動分析。該2-PRR型并聯(lián)機(jī)床為平面兩自由度機(jī)構(gòu)，在平面內(nèi)移動，結(jié)構(gòu)簡單，組合能力強(qiáng)。建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度方程。機(jī)構(gòu)的性能分析中，本文通過計算雅可比矩陣來分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異位置；分析并聯(lián)機(jī)床的工作空間，并結(jié)合工作空間綜合設(shè)計并聯(lián)機(jī)構(gòu)；計算雅可比矩陣條件數(shù)，分析并聯(lián)機(jī)床的靈巧性。</p><p>　　動力學(xué)分析中，首先對機(jī)床進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析并聯(lián)

5、機(jī)床在靜止平衡狀態(tài)的受力情況。其次對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行動靜力學(xué)分析，分析并聯(lián)機(jī)床在動態(tài)平衡狀態(tài)的受力情況，其力學(xué)平衡方程加入慣性力及慣性力矩約束。最后對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行動力學(xué)分析，采用拉格朗日方程建立并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)方程。</p><p>　　仿真分析中，利用Matlab-Simulink模塊對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得出2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的速度，加速度和位移曲線；采用Matlab-SimMechanics模塊對并聯(lián)機(jī)床進(jìn)

6、行動力學(xué)逆解求解仿真，得出該2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動狀態(tài)和驅(qū)動力變化曲線。</p><p>　　關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)床；雅可比矩陣；性能分析；仿真</p><p>　　The theory and applied research of </p><p>　　vertical parallel Machine toll </p><p><

7、b>　　Abstract</b></p><p>　　Parallel Machine Tool (PMT) is a new kind of manufacture equipment came forth in the middle of 90s. It combines mechanics theory, robot technique and numerical technique. C

8、ompared with conventional series machine tool, PMT is high rigidity, high load-bearing ability, high precision, low weight, simple mechanism, low manufacturing cost, high standardization, and so on. So, it’s an important

9、 developing direction of new machine tool mechanism, and it has been used successfully in many fields, which</p><p>　　In the kinematic analysis. Through the establishment of coordinate system to analysis of

10、the parallel machine tool. The 2-PRR-type parallel machine tool with two degrees of freedom, in x-y plane movement, simple structure, a combination of good capacity . The establishment of the location ,velocity and accel

11、eration equations of parallel institutions.In the performance analysis of institutions, In this paper, by calculating the Jacobian matrix to analyze the singular position of the parallel mech</p><p>　　In the

12、 kinetic analysis, the first to carry out static analysis, Analysis of parallel machine tool in the static equilibrium of forces. Second to carry out dynamic and static mechanical analysis on parallel machine tool , Anal

13、ysis parallel machine tool in a state of dynamic equilibrium of forces, adding the inertial force and moment of inertia constraints in the mechanical force balance equation . Finally, dynamic analysis of parallel machine

14、 tool,the used of the Lagrange's equation to establish</p><p>　　In the simulation analysis, the use of Matlab-Simulink module to carry out kinematics simulation of the parallel machine tool ,derived out

15、the speed, acceleration and displacement curve of 2-PRR-type parallel machine tool. the use of Matlab-SimMechanics module to solve the inverse dynamics simulation of parallel machine tool,derived out the parallel machine

16、 tool motion station and the driving force curve.</p><p>　　Keywords: Parallel Machine Tool; Jacobian matrix; performance analysis; simulation</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p&

17、gt;<b>　　1.1并聯(lián)機(jī)床</b></p><p>　　在制造業(yè)，都使用著各種各樣的機(jī)器、機(jī)械、儀器和工具，它們的品種、數(shù)量和性能極大地影響著制造業(yè)的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益等。這些機(jī)器、機(jī)械、儀器和工具統(tǒng)稱為機(jī)械裝備。它們的大部分構(gòu)件都是一些具有一定形狀和尺寸的金屬零件。能夠生產(chǎn)這些零件并將其裝配成機(jī)械裝備的工業(yè)，統(tǒng)稱為機(jī)械制造工業(yè)。它在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)和

18、有力的支柱。機(jī)械制造業(yè)只有在技術(shù)上不斷超前發(fā)展才有可能滿足國民經(jīng)濟(jì)各部門的要求。</p><p>　　在機(jī)械制造系統(tǒng)的發(fā)展中，每一代設(shè)備的更新與革命，都給制造技術(shù)和生產(chǎn)帶來一次飛躍和進(jìn)步，使機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，生產(chǎn)成本降低和生產(chǎn)周期明顯地縮短。近年來，計算機(jī)技術(shù)，信息技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)的深度結(jié)合，使得機(jī)械制造業(yè)得到了飛速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床，加工中心，柔性制造系統(tǒng)，集成制造系統(tǒng)，綠色制造

19、等新的先進(jìn)制造技術(shù)和新的先進(jìn)制造模式，提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力和市場適應(yīng)性，改變著傳統(tǒng)制造業(yè)的面貌。</p><p>　　機(jī)械制造業(yè)的這種發(fā)展不僅要求加工機(jī)床向高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展，而且要求加工機(jī)床具有更加完備的功能和環(huán)境適應(yīng)能力。而傳統(tǒng)機(jī)床在結(jié)構(gòu)方面一般采用由床身、立柱、主軸箱和工作臺等部件串聯(lián)而成的非對稱“C”型布局。具有作業(yè)范圍大、靈活度好等優(yōu)點(diǎn)，但也有如下局限性:</p>&

20、lt;p>　　(1)由于零部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)床的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化程度受到嚴(yán)重限制。</p><p>　　(2)令機(jī)床結(jié)構(gòu)布局的非對稱性容易導(dǎo)致受力與熱變形不均勻。</p><p>　　(3)機(jī)床結(jié)構(gòu)件不但承受拉壓載荷，而且還承受彎扭載荷。因此，為了保證剛度，通常需要建造笨重的結(jié)構(gòu)支撐件和運(yùn)動部件。這需要消耗較多的材料和能源，而且也制約了進(jìn)給速度和加速度的大幅度提高。</p&g

21、t;<p>　　(4)由于采用串聯(lián)形式，存在軸與軸間的速度傳遞，制約了刀具的進(jìn)給速度和加速度。</p><p>　　為此，各國機(jī)床行業(yè)均在探索新型的制造裝備，以解決傳統(tǒng)機(jī)床所遇到的問題，克服傳統(tǒng)機(jī)床的局限性。90年代中期問世的并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tool )，又稱為虛(擬)軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tool)是一種對傳統(tǒng)機(jī)床的重大創(chuàng)新。虛擬軸機(jī)床實質(zhì)是

22、機(jī)床技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。</p><p>　　傳統(tǒng)的機(jī)器人也稱串聯(lián)機(jī)器人，一般是由機(jī)座、腰部(或肩部)、大臂、小臂、腕部和手部構(gòu)成，之間通過串聯(lián)連接。</p><p>　　所謂并聯(lián)機(jī)器人，它是由具有n個自由度的動平臺、定平臺和至少兩個連接兩平臺的獨(dú)立支鏈構(gòu)成，并通過n個電機(jī)實現(xiàn)驅(qū)動。特點(diǎn)是:第一，動平臺由至少兩個支鏈支撐，每個支鏈至少有一個電機(jī)；第二，電機(jī)的數(shù)目與動平臺自由度相同

23、；第三，當(dāng)所有的電機(jī)鎖定時，動平臺的自由度為零。</p><p>　　并聯(lián)機(jī)床都是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺原理開發(fā)的，如圖1.1所示，</p><p>　　圖1.1 Stewart平臺機(jī)構(gòu)</p><p>　　Fig. 1.1 Stewart platform mechanisms</p><p>　　是一種知識密集型機(jī)構(gòu)，是近年才

24、出現(xiàn)的一種新概念機(jī)床。它是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。它克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、刀具作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動性不夠等固有缺陷，可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)控加工、裝配和測量等多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工?？梢哉f，并聯(lián)機(jī)床被認(rèn)為是本世紀(jì)最具革命性的機(jī)床設(shè)計的突破，它代表了21世紀(jì)機(jī)床發(fā)展的方向。</p>

25、<p>　　并聯(lián)機(jī)床也稱之為并聯(lián)機(jī)器人機(jī)床，它是并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)在機(jī)床制造領(lǐng)域成功應(yīng)用的范例。并聯(lián)機(jī)床實質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)和機(jī)床技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是并聯(lián)機(jī)器人在制造業(yè)的一個特別突出的重要應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)床是以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計算機(jī)技術(shù)的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機(jī)械傳動，使將近兩個世紀(jì)以來以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)原理發(fā)生了根本變化。</p><p>

26、　　并聯(lián)機(jī)器人在機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用—即為虛擬軸機(jī)床。它同時兼顧了機(jī)床和機(jī)器人的諸多特性，既可以看作是機(jī)器人化的機(jī)床，可以完成機(jī)床的切削任務(wù)；又可以看作是機(jī)床化的機(jī)器人，可以完成許多精密的機(jī)器人作業(yè)，是集多種功能于一體的新型機(jī)電設(shè)備。由于虛擬軸機(jī)床采用閉環(huán)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)床相比，具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)剛度高。虛擬軸機(jī)床的傳動構(gòu)件在理論上僅受拉壓載荷，而拉壓剛度遠(yuǎn)高于彎曲剛度，同時還可通過

27、對傳動件施加軸向預(yù)載進(jìn)一步提高承載能力。</p><p>　　(2)功能多元化。具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，順應(yīng)了制造業(yè)可重組和模塊化的發(fā)展趨勢。</p><p>　　(3)制造成本低。機(jī)械元件數(shù)量少且標(biāo)準(zhǔn)化程度高，具有“硬件”簡單、“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，在批量生產(chǎn)時成本將大幅度下降。</p><p>　　(4)末端精度更多地依靠軟件算法來保證，降低了機(jī)床裝配要求，因此精

28、度控制策略更加靈活。</p><p>　　(5)響應(yīng)速度快。運(yùn)動部件質(zhì)量小以及特殊的運(yùn)動傳遞方式允許機(jī)床可以達(dá)到很高的速度和加速度。</p><p>　　(6)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng):便于可重組和模塊化設(shè)計，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動平臺上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械手腕、高能束源或CCD射像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測量等作

29、業(yè)； </p><p>　　(7)技術(shù)附加值高:并聯(lián)機(jī)床具有硬件簡單，軟件復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報。</p><p>　　這種新型機(jī)床完全打破了傳統(tǒng)機(jī)床機(jī)構(gòu)的概念，拋棄了固定導(dǎo)軌的刀具導(dǎo)向方式，采用了多桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動，大大提高了機(jī)床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量更容易實現(xiàn)。由于這種機(jī)床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機(jī)械

30、機(jī)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用?？梢哉f，并聯(lián)機(jī)床被認(rèn)為是本世紀(jì)最具有革命性的機(jī)床設(shè)計突破，代表了21世紀(jì)機(jī)床發(fā)展的方向。作為高速高效高柔性加工設(shè)備的一個新的發(fā)展方向，并聯(lián)機(jī)床的研究、開發(fā)和應(yīng)用不僅對機(jī)床本身的發(fā)展具有重要的理論與實際意義，而且對制造及相關(guān)學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。可以預(yù)計，并聯(lián)機(jī)床的這種新的技術(shù)優(yōu)勢不但使人們的觀念得以更新，而且將對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式產(chǎn)生重大沖擊，乃至產(chǎn)生新的變革。</

31、p><p>　　1.2國內(nèi)外并聯(lián)機(jī)床的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　1.2.1國內(nèi)外并聯(lián)機(jī)床研究現(xiàn)狀</p><p>　　近年來，國際學(xué)術(shù)界和工程界對研究與開發(fā)虛擬軸機(jī)床非常重視，均投入較多的人力和物力來開發(fā)，并于九十年代初相繼推出幾種結(jié)構(gòu)相似而名稱各異的商業(yè)樣機(jī)。在1994年芝加哥國際機(jī)床博覽會上，美國Giddings & Lewis( HEXEL)

32、公司和英國Geodetic公司首次展出了稱為“變異型”( VARIAX)和“六足蟲”(Hexapods)的數(shù)控機(jī)床和加工中心并引起人們的極大興趣，被多家媒體稱譽(yù)為“機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大革命”，“21世紀(jì)的新一代數(shù)控加工設(shè)備”(見圖1.2和圖1.3)。自此之后的數(shù)年中，虛擬軸機(jī)床的研究和開發(fā)熱潮席卷整個世界。美國、俄羅斯、德國、挪威、日本、瑞士、丹麥和中國等許多國家的多個研究機(jī)構(gòu)和機(jī)床廠商己經(jīng)開發(fā)出形狀各異的并聯(lián)機(jī)床。</p>&

33、lt;p>　　在我國，黃真教授和梁崇高教授在20世紀(jì)80年代率先進(jìn)行了有關(guān)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)床的基礎(chǔ)性研究。目前，我國己將虛擬軸機(jī)床的研究與開發(fā)列入“九五”科技攻關(guān)及“863”高科枝發(fā)展規(guī)劃，在相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)理論研究方面也得到國家自然科學(xué)基金、國家攀登計劃和“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項目資助。部分高校也將并聯(lián)機(jī)床的研究納入“211”工程項目，并得到政府部門和企業(yè)界的有力支持。從事這方面研究的高校和科研單位有中科院沈陽自動化所、北京航空航天大學(xué)

34、、哈爾濱丁業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、燕山大學(xué)、東北大學(xué)、北京理丁大學(xué)和北京郵電大學(xué)等。清華大學(xué)和天津大學(xué)合作，于1997年研制出了我國第一臺基于Stewart平臺的大型鏜銑類并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)VAMTIY，填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白(見圖1.4)隨著并聯(lián)機(jī)床研究的深入，各級政府和機(jī)床制造廠商也對并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)生了濃厚的興趣，紛紛通過校企合作等方式參加并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)。例如昆明機(jī)床廠、江東機(jī)床廠、大連機(jī)床廠、齊二機(jī)床廠就與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了四臺

35、不同構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)床。(見圖1.4圖1.5圖1.6，1.7)。</p><p>　　圖1.4 VAMTIY 圖1.5 XNZ63數(shù)控并聯(lián)機(jī)床</p><p>　　Fig.1.4 VAMTITY Fig.1.5 XNZ63 NC parallel machine tool</p><p>　　并

36、聯(lián)機(jī)構(gòu)除了在金屬加工中應(yīng)用以外，還廣泛應(yīng)用到其它領(lǐng)域。如射電望遠(yuǎn)鏡、激光加工、搬運(yùn)、裝配、焊接、醫(yī)學(xué)外科手術(shù)、探測機(jī)器人、娛樂、軍事訓(xùn)練模擬等。因此對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的進(jìn)行深入的研究，既有學(xué)術(shù)價值也有工程意義。它為我們跟蹤世界先進(jìn)水平，提高我國機(jī)床行業(yè)在國際上的地位和競爭力，提供了難得的機(jī)遇。</p><p>　　目前，國內(nèi)外有許多公司和研究單位在研究并聯(lián)機(jī)床。我國的并聯(lián)機(jī)床研究起步較晚，但成果顯著。</p>

37、<p>　　清華大學(xué)是國內(nèi)最早開始進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床研究的單位之一，對并聯(lián)機(jī)床以及多個相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，并于1997年12月25日與天津大學(xué)合作，共同開發(fā)出我國第一臺大型鏜銑類并聯(lián)機(jī)床原型樣機(jī)-VAMT1Y。在虛擬軸機(jī)床設(shè)計理論與樣機(jī)建造等關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，其中部分理論成果屬國際首創(chuàng)。目前正在進(jìn)行并聯(lián)機(jī)床系列化、實用化的研究，與多家機(jī)床骨干廠家進(jìn)行了新型并聯(lián)機(jī)床商品化樣機(jī)的研制工作，以期實現(xiàn)虛擬軸機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化

38、。其中與昆明機(jī)床股份有限公司、江東機(jī)床廠和大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的三種不同構(gòu)型的機(jī)床已經(jīng)問世，并與2001年在CIMT上展出，有望在近期實現(xiàn)商品化。與昆明機(jī)床股份有限公司共同研制的XNZ63虛擬軸機(jī)床，可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，其綜合指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。與江東機(jī)床廠聯(lián)合開發(fā)的一臺龍門式虛擬軸機(jī)床，結(jié)構(gòu)采用雙柱龍門工作臺移動式，可完成4坐標(biāo)聯(lián)動。與大連機(jī)床廠聯(lián)合研制的DCB-510五軸聯(lián)動串

39、并聯(lián)機(jī)床，能夠通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)X、Y和Z方向的移動，采用傳統(tǒng)的串聯(lián)方式實現(xiàn)主軸頭的A和C方向的轉(zhuǎn)動。另外由天津大學(xué)設(shè)計并與天津市第一機(jī)床廠聯(lián)合研制</p><p>　　哈工大與齊齊哈爾第二機(jī)床企業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制的BJ-1并聯(lián)機(jī)床，現(xiàn)有機(jī)型技術(shù)參數(shù)為：①加工范圍：f400×250；②主軸轉(zhuǎn)速：0～8000 r/min；③電主軸功率：9kW；④桿系伺服電機(jī)功率：0.75kW；⑤重復(fù)性精度：0.002

40、mm(靜態(tài))；⑥定位精度：0.015mm；⑦體積：1800×1500×2300；⑧數(shù)控系統(tǒng)：研華工控機(jī)六軸聯(lián)動卡。</p><p>　　東北大學(xué)最新研制的DSX5-70型三桿虛擬軸機(jī)床是由三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)混聯(lián)組成的五自由度虛擬軸機(jī)床。其中，兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)置于運(yùn)動平臺上，整個機(jī)構(gòu)通過三桿的伸縮和兩驅(qū)動軸可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，用以完成多種作業(yè)任務(wù)。</p><

41、p>　　由國防科技大學(xué)和香港科技大學(xué)聯(lián)合研制的銀河－2000虛擬軸機(jī)床是一種并聯(lián)式六自由度機(jī)床，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來的，在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如高剛度，高精度和高的運(yùn)動速度外，用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運(yùn)動范圍。</p><p>　　自1987年Hunt提出并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型以來，并聯(lián)機(jī)器人的研究受到許多學(xué)者的關(guān)注。美國、日本先后有Roney、Ficher 、Duffy 、Sugimoto等一批學(xué)者從

42、事研究，英國、德國、俄羅斯等一些歐洲國家也在研究。</p><p>　　瑞典Neos Robotics公司由于采用了并聯(lián)加串聯(lián)的方案，從低層次應(yīng)用做起，逐步積累經(jīng)驗和財力，向高層次應(yīng)用發(fā)展，以及采用了三桿中央的中心管等正確的措施，其并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品早已進(jìn)入實用，至今已創(chuàng)200余臺的驚世銷售業(yè)績。該公司展出的Tricept845加工中心，其體積定位精度達(dá)到±50µm，重復(fù)定位精度達(dá)

43、7;10µm，這兩個指標(biāo)距離傳統(tǒng)機(jī)床雖還有較大的差距，但對并聯(lián)機(jī)床已屬重大的突破，具有實用價值。其進(jìn)給速度已達(dá)90m/min，加速度已達(dá)2g，主軸功率為30～45kW，24,000～30,000r/min，采用瑞士IBAG公司電主軸、Siemens840D數(shù)控系統(tǒng)和Heidenhain的測量系統(tǒng)。該加工中心采用模塊化結(jié)構(gòu)。三桿結(jié)構(gòu)組件有0°、45°、90°三種布局可任選(即分別組成臥式、傾斜45&

44、#176;和立式加工中心)。</p><p>　　德國Index的美國分公司將并聯(lián)機(jī)床用于車床，生產(chǎn)出了V100型三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的“倒立車”(即主軸和工件在上作X、Z軸運(yùn)動，而刀具在下不動，可回轉(zhuǎn)換刀，但不作任何直線運(yùn)動的立式車床，我國習(xí)稱為“倒立車”)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：①外形緊湊。車床不像加工中心，工件相對刀具的移動范圍較小，克服了并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間有效利用率低的弱點(diǎn)。②車床一般只需兩個自由度(X和Z軸)，現(xiàn)用三桿幾何

45、機(jī)構(gòu)，可以獲得X、Y、Z三個自由度，冗余的一個自由度可用作自由上下料用。另外，為了增加剛度，Index采用兩根桿起一根桿作用的雙桿機(jī)構(gòu)，與我國天津第一機(jī)床總廠結(jié)構(gòu)類似。V100安裝5英寸卡盤，其主要技術(shù)參數(shù)為：電主軸轉(zhuǎn)速為8000r/min，功率為26.48kW。X、Y、Z行程分別為1450mm、150mm、175mm，可自動上下料。</p><p>　　美國Hexel公司將6桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)做成獨(dú)立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床

46、。這可將低價的普通銑床升級為5軸聯(lián)動銑床。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺直徑710mm，X、Y行程范圍為直徑305mm 的圓，Z軸178mm，A軸±25µm，最大進(jìn)給速度為5.1m/min，重91kg。 　 瑞士技術(shù)院(ETH)、機(jī)床與制造技術(shù)院(IWF)和機(jī)器人院(IFR)也聯(lián)合研制出了名為IWF的Hexaglide虛擬軸機(jī)床。</p><p>　　1.2.2并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展趨

47、勢</p><p>　　并聯(lián)機(jī)床之所以受到社會廣泛關(guān)注并吸引了眾多學(xué)者從各個角度進(jìn)行研究，一個重要的原因就是并聯(lián)機(jī)床以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的控制技術(shù)成為機(jī)床發(fā)展史上一個具有重要意義的突破。當(dāng)制造業(yè)面臨全球市場競爭，必須以快速響應(yīng)求生存、求發(fā)展的時候，并聯(lián)機(jī)床的一些優(yōu)點(diǎn)具有明顯的市場潛力和良好的發(fā)展前景，其未來發(fā)展趨勢突出表現(xiàn)在以下幾個方面:</p><p>　　(1)商業(yè)化步伐加快。在國際上

48、，并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展是以企業(yè)為主進(jìn)行的，盈利為目的必將加快并聯(lián)機(jī)床商業(yè)化的步伐。在國內(nèi)，雖然并聯(lián)機(jī)床早期的研究和開發(fā)主要集中在高等院校和科研院所，近來不少企業(yè)紛紛介入，必將有力推動國產(chǎn)化并聯(lián)機(jī)床商業(yè)化的進(jìn)程。</p><p>　　(2)向高速高效的方向發(fā)展。由于并聯(lián)機(jī)床的主軸部件一般為電主軸單元，重量輕、體積小，再加上驅(qū)動主軸運(yùn)動的并聯(lián)進(jìn)給機(jī)構(gòu)所具有的高剛度，將非常有利于使刀具運(yùn)動獲得高速和高加速度：另一方面，并聯(lián)機(jī)

49、床加工時，笨重的工件、夾具、工作臺等都固定不動，而僅是主軸(刀具)相對于工件作高速多自由度運(yùn)動，因此發(fā)揮好這一重要優(yōu)勢將使并聯(lián)機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床更適合高速加工，從而有力推動新一代并聯(lián)高速和超高速機(jī)床的發(fā)展。</p><p>　　(3)向復(fù)合結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。高剛度并聯(lián)結(jié)構(gòu)加高靈活性旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合所構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)多坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床，可有效的克服純并聯(lián)機(jī)床旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動范圍小、工作空間小等不足，使并聯(lián)機(jī)床與常規(guī)無坐標(biāo)機(jī)床有相同

50、的加工能力。因此，復(fù)合結(jié)構(gòu)必將成為并聯(lián)機(jī)床的重要發(fā)展方向。</p><p>　　(4)向集成化發(fā)展。例如，將并聯(lián)機(jī)床加工中心與立車集成構(gòu)成的萬能加工中心，可實現(xiàn)一次裝夾完成全部加工工序，從而大幅度提高加工效率。</p><p>　　(5)向重型裝備發(fā)展。利用多套并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動多個主軸頭同時運(yùn)動，在多通道數(shù)控系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)對大型和重型工件的并行加工，可構(gòu)成高效、高柔性的新型重型機(jī)床。<

51、;/p><p>　　(6)向系統(tǒng)化方向發(fā)展。將并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行組合構(gòu)成并聯(lián)制造系統(tǒng)，也將成為并聯(lián)機(jī)床的一個新的發(fā)展方向。</p><p>　　1.2.3少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)</p><p>　　隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，很多實際操作任務(wù)不需要空間全部6個自由度，這種情況下如果再使用一般的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，勢必增加不必要的成本。因此空間少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究得到了空前的重視?？?/p>

52、間少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為 2、3、4或者5，由于自由度數(shù)的減少，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副數(shù)和桿件數(shù)相應(yīng)減少。所以與傳統(tǒng)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，少自由度并聯(lián)機(jī)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計、制造和控制成本都相對較低的特點(diǎn)。特別是具有完全相同的分支鏈，保持結(jié)構(gòu)對稱、具有各向同性的對稱少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)更是目前國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿。少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的類型既不像簡單的單自由度機(jī)構(gòu)那樣運(yùn)動的確定性是肯定的，也不像6自由度機(jī)構(gòu)那樣運(yùn)動可以完全任意給定

53、，它具有多自由度又非完全自由度。到目前為止，對該類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副類型、支鏈類型、支鏈的運(yùn)動特性分析及運(yùn)動解耦特性等方面的研究還比較淺顯，還沒有系統(tǒng)的設(shè)計理論和方法。一種少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)新機(jī)型的提出，不僅具有理論上的創(chuàng)新和突破，而且可獲得獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)，進(jìn)而獨(dú)享新機(jī)型背后可能蘊(yùn)藏的巨大的應(yīng)用潛力和商業(yè)價值。所以，只有從少自由度并聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)的本質(zhì)特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行高層次的原理性創(chuàng)新</p><p>　　1.3并聯(lián)機(jī)床理論與

54、關(guān)鍵技術(shù)</p><p><b>　　(1)概念設(shè)計</b></p><p>　　概念設(shè)計是并聯(lián)機(jī)床/機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，同時也是并聯(lián)機(jī)床設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，涉及分析和歸納并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)特征，探討可能的構(gòu)型及相應(yīng)的演化規(guī)律，以此為合理選型提供理論依據(jù)。Hunt基于構(gòu)件數(shù)目和選擇不同類型鉸鏈基礎(chǔ)上，提出了23種比較實用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，并指出構(gòu)型的差異主要源于驅(qū)

55、動方式和鉸鏈配置的各種可能組合。按照驅(qū)動器在支鏈中的位置不同，并聯(lián)機(jī)床可采用內(nèi)副和外副驅(qū)動，且一般多采用線性驅(qū)動單元，如伺服電機(jī)滾珠絲杠螺母副或直線電機(jī)等。機(jī)架結(jié)構(gòu)的變化可使得并聯(lián)機(jī)床的總體布局具有多樣性，但同時也使工作空間的大小、形狀以及運(yùn)動靈活度產(chǎn)生很大差異。</p><p><b>　　(2)運(yùn)動學(xué)分析</b></p><p>　　運(yùn)動學(xué)分析是機(jī)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)綜合

56、、機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模以及機(jī)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置分析(反解、正解)、速度分析和加速度分析。</p><p>　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解是由動平臺的位置和姿態(tài)求解各個驅(qū)動器的關(guān)節(jié)變量；位置正解是由各驅(qū)動關(guān)節(jié)變量求解動平臺的位置和姿態(tài)；速度和加速度分析則是尋找機(jī)構(gòu)中主動構(gòu)件與從動構(gòu)件之間的速度和加速度關(guān)系。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解、速度分析和加速度分析相對簡單。Fitcher（1986)系統(tǒng)闡述了Stewart

57、平臺位置反解的矢量方法，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了速度和加速度分析。</p><p>　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解相對復(fù)雜，鑒于其在工作空間分析、機(jī)器標(biāo)定、誤差分析以及閉環(huán)位置控制等方面都有重要意義，因此有不少人對該問題進(jìn)行了研究。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解本質(zhì)上是求解一個非線性方程組，目前有數(shù)值法和解析法兩種。數(shù)值法的優(yōu)點(diǎn)是建立計算模型相對容易，但計算量較大，且不能解出所有解，其最終結(jié)果及求解時間都和初值的選取有關(guān)。在用數(shù)值法求解正解問

58、題時，可以對原非線性方程組作一些變形，以減少未知數(shù)的個數(shù)，提高求解速度。顯然隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不同，最后化簡得到的方程組的元數(shù)也不同，因此求解方法也不同，這就要求我們在用數(shù)值法進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置正解時，必須針對具體問題具體對待。</p><p><b>　　(3)動力學(xué)分析</b></p><p>　　并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)研究包括機(jī)構(gòu)的力分析、動力學(xué)模型的建立、計算機(jī)動態(tài)仿真、

59、動態(tài)參數(shù)識別等內(nèi)容，其中動力學(xué)模型的建立是一個極其重要的方面。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型是一個多自由度、多變量的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。</p><p>　　現(xiàn)有文獻(xiàn)中建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的方法主要有牛頓－歐拉法、拉格朗日法、高斯原理、虛功原理和凱恩法等。在建立動力學(xué)模型之前，無論采用什么方法都必須先對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度和加速度分析。該過程可以采用傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)分析中的雅可比矩陣和二階導(dǎo)數(shù)矩陣來描述構(gòu)件的速度和加速度，也可以采用影

60、響系數(shù)矩陣來描述，還可以用剛體力學(xué)中的常規(guī)方法來實現(xiàn)。一般來說，這三種分析法可以和拉格朗日法、虛功原理法及凱恩法形成不同的搭配，而第三種分析法通常和牛頓－歐拉法合用。從理論上來說，目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛體動力學(xué)建模方法已經(jīng)完備，但各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用牛頓－歐拉方程得到遞推形式的動力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值計算，來解決動力學(xué)的正解是比較有效的，但要消去約束反力建立閉式動力學(xué)方程比較困難，對于不需要求解運(yùn)動副反力的場合，該法顯得繁瑣。虛功原理法和凱恩法建

61、立動力學(xué)模型時，推導(dǎo)過程相對簡單，并總能得到形式比較簡潔的動力學(xué)方程，但一般難以考慮鉸鏈的摩擦力，而且模型中的各個矩陣中往往含有多個0元素，矩陣運(yùn)算中它們與其它元素的乘積和加減運(yùn)算是無謂的浪費(fèi)，對實時控制不利。用拉格朗日法建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，概念清楚，推導(dǎo)簡單，容易得到封閉形式的動力</p><p><b>　　(4)誤差分析</b></p><p>　　并聯(lián)機(jī)

62、床的自身誤差可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差，處理這兩類誤差的方法和技術(shù)是不同的。前者主要包括由零部件制造與裝配、鉸鏈間隙、伺服控制、穩(wěn)態(tài)切削載荷、熱變形等引起的誤差；后者主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的動特性與切削過程藕合所引起的振動產(chǎn)生的誤差。目前還沒有有效的手段檢測動平臺位姿信息，因而在無法完全閉環(huán)控制條件下，通過精度設(shè)計和運(yùn)動學(xué)標(biāo)定來改并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精度就顯得格外重要。</p><p>　　精度設(shè)計是機(jī)床誤差避免技術(shù)的重要內(nèi)容

63、，可概括為精度預(yù)估與精度綜合兩類互逆問題。精度預(yù)估的主要任務(wù)是，按照某一精度等級設(shè)定零部件的制造公差，根據(jù)閉鏈約束建立誤差模型，并在統(tǒng)計意義下預(yù)估刀具在整個工作空間的位姿誤差范圍，最后通過靈敏度分析修改相關(guān)工藝參數(shù)，直至達(dá)到預(yù)期的精度指標(biāo)。工程設(shè)計中，更具意義的工作是精度綜合，即精度設(shè)計的逆問題。精度綜合是指預(yù)先給定刀具在工作空間中的最大位姿允差(或體積誤差)，反求應(yīng)分配給零部件的制造公差，并使它們達(dá)到某種意義下的均衡。精度綜合一般可歸

64、結(jié)為一類以零部件的制造公差為設(shè)計變量，以其關(guān)于誤差靈敏度矩陣的加權(quán)歐氏范數(shù)最大為目標(biāo)，以及以公差在同一精度等級下達(dá)到均衡為約束的有約束二次線性規(guī)劃問題。</p><p>　　運(yùn)動學(xué)標(biāo)定，又稱為精度補(bǔ)償或基于信息的精度創(chuàng)成，是提高并聯(lián)機(jī)床精度的重要手段。運(yùn)動學(xué)標(biāo)定的基本原理是，利用閉鏈約束和誤差可觀性，構(gòu)造實測信息與模型輸出間的誤差泛函，并用線性或非線性最小二乘技術(shù)識別系統(tǒng)運(yùn)動參數(shù)、控制參數(shù)，再用識別結(jié)果修正控制器

65、中的反解模型參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到精度補(bǔ)償?shù)哪康摹?lt;/p><p><b>　　(5)運(yùn)動仿真</b></p><p>　　對于并聯(lián)運(yùn)動來說,運(yùn)動仿真是比較重要的,因為并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動平臺的空間運(yùn)動是很難想象的,其工作空間又是十分的復(fù)雜,所以有必要建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⑦M(jìn)行仿真,使機(jī)床的運(yùn)動可視化. 利用運(yùn)動學(xué)仿真可以進(jìn)行該機(jī)床的運(yùn)動學(xué)模擬,驗證位置正逆解是否正確,檢驗構(gòu)件和鉸鏈的干

66、涉情況等等,可以節(jié)省設(shè)計時間與經(jīng)費(fèi),為原型樣機(jī)的設(shè)計打下基礎(chǔ).</p><p>　　運(yùn)用Pro/E對機(jī)床進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，對其中的零部件進(jìn)行分析，并分別建立模型，最后以一定的裝配關(guān)系和約束條件來完成對串并聯(lián)機(jī)床的建模，并應(yīng)用Animation功能實現(xiàn)了運(yùn)動平臺的仿真。使用Pro/E軟件能方便地實現(xiàn)運(yùn)動平臺的運(yùn)動仿真，為以后機(jī)床的設(shè)計和制造、運(yùn)動校驗以及誤差分析等提供了基礎(chǔ)和方法。</p><p&

67、gt;　　1.4本課題研究背景、意義和主要任務(wù)</p><p>　　1.4.1本課題研究的背景</p><p>　　從國內(nèi)外有關(guān)并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展來看，盡管國內(nèi)外有許多著名機(jī)床制造商和學(xué)校研制了多種并聯(lián)機(jī)床，然而值得指出的是，隨著對并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究工作的不斷深入，多自由度純并聯(lián)機(jī)床的某些難以逾越的不足和弱點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來。以stewart平臺型并聯(lián)機(jī)床為例，這些問題主要表現(xiàn)為：</p>

68、<p>　　(1)運(yùn)動學(xué)正解求解困難。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)逆解相對簡單，而運(yùn)動學(xué)正解的研究具有相當(dāng)難度、不存在唯一解，很難得到顯式的位置正解。且位姿的檢測需要昂貴的檢測儀器，這使得對其運(yùn)動進(jìn)行閉環(huán)控制變得異常困難，同時對計算機(jī)的運(yùn)算速度提出了更高的要求。</p><p>　　(2)位置空間與姿態(tài)空間是強(qiáng)耦合的。即隨著姿態(tài)能力的增大，位置空間不斷縮減，且操作性能逐漸減弱。</p><p

69、>　　(3)動力學(xué)問題解決困難。正向動力學(xué)問題同樣包含運(yùn)動學(xué)正解所存在的問題，運(yùn)動學(xué)正解問題的解決使得包括反饋在內(nèi)的先進(jìn)的控制策略難以實施。</p><p>　　(4)工作空間小、實現(xiàn)姿態(tài)能力差是六自由度純并聯(lián)機(jī)構(gòu)難以逾越的缺陷。由于受鉸約束和奇異位形的影響，動平臺實現(xiàn)姿態(tài)能力一般不宜超過300。例如，英國Geodetic公司開發(fā)研制的EvolutionG系列并聯(lián)機(jī)床，為了增加刀具實現(xiàn)姿態(tài)的能力，便不得不在

70、動平臺上又添加一2自由度回轉(zhuǎn)頭，這無疑也就增加了制造成本。</p><p>　　美國MIChigan大學(xué)的Koren教授曾經(jīng)指出，解決上述問題的可行途徑是采用串一并聯(lián)構(gòu)型，即采用2個少自由度機(jī)構(gòu)通過串接或并接方式構(gòu)成多自由度系統(tǒng)。在這種布局中，可將能夠?qū)崿F(xiàn)平動自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為主進(jìn)給機(jī)構(gòu)，而將可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)自由度的并聯(lián)或串聯(lián)機(jī)構(gòu)作為輔助機(jī)構(gòu)。其中輔助機(jī)構(gòu)可與平動自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺連接，構(gòu)成并一串一串(并)聯(lián)構(gòu)型

71、，亦可直接將輔助機(jī)構(gòu)安裝在工作臺上構(gòu)成并一并一串(并)構(gòu)型，進(jìn)而實現(xiàn)刀具相對工件的多維運(yùn)動。這種基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的串、并聯(lián)布局具有如下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　(l)可有效地克服6自由度純并聯(lián)機(jī)構(gòu)動平臺實現(xiàn)姿態(tài)能力差的缺點(diǎn)，進(jìn)而獲得較大的工作空間與機(jī)床體積比。</p><p>　　(2)運(yùn)動學(xué)正解存在封閉解，因而可以極大簡化運(yùn)動學(xué)標(biāo)定的工作量。</p><p>

72、;　　因此，目前有不少人開始研究少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床的開發(fā)設(shè)計中，而且少自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，正、反解容易的特點(diǎn)，所以基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)床具有很廣泛的應(yīng)用前景。本論文提出了一種新型的2-PRR型平面兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其具有運(yùn)動建模簡單、正反解計算容易、作業(yè)空間大、結(jié)構(gòu)簡單和易于控制等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)可用于開發(fā)玻璃切割、磨削材料，銑削零件等平面加工設(shè)備，也可作為多自由度混聯(lián)機(jī)床的平動機(jī)構(gòu)，因而能夠充分

73、發(fā)揮并聯(lián)機(jī)構(gòu)可重組性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，用主輔機(jī)構(gòu)的不同組合搭建出滿足用戶個性化需求的可重構(gòu)制造單元，應(yīng)更加復(fù)雜的零件加工和高速加工。</p><p>　　1.4.2本課題研究的意義</p><p>　　并聯(lián)機(jī)床的研制與開發(fā)已成為目前機(jī)器人技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)、計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)、振動控制技術(shù)、激光測量術(shù)和多坐標(biāo)數(shù)控編程技術(shù)等多學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)床的研究內(nèi)容相當(dāng)廣泛，涉及構(gòu)型綜合、位置正反解、

74、奇異性、工作空間、剛度和精度、動力學(xué)、誤差分析、設(shè)計方法、控制算法、數(shù)控編程、測量標(biāo)定、制造工藝、以及工程應(yīng)用等諸多方面。</p><p>　　(l)本文以2-PRR型并聯(lián)機(jī)構(gòu)為對象，系統(tǒng)地進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、機(jī)床運(yùn)動及動力仿真分析;進(jìn)而對2-PRR型并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計和性能分析;最后對2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的實際應(yīng)用及發(fā)展做了展望。所以本文對2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的正確設(shè)計提供了理論依據(jù)。</p&

75、gt;<p>　　(2)本文為我國發(fā)展新型少自由度的并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)和豐富并聯(lián)機(jī)床的理論，有一定參考價值和科學(xué)意義。以上的對并聯(lián)機(jī)床關(guān)于運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析和仿真分析有助于研究人員更好地了解并聯(lián)機(jī)床的性能，揭示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動方案，組合出多功能的模塊化機(jī)床，從而解決少自由度并聯(lián)機(jī)床設(shè)計、制造以及實際加工運(yùn)行過程中的問題，將為并聯(lián)機(jī)床的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。</p><p>　　1.4.3本課題主要

76、研究內(nèi)容</p><p>　　本課題研究的是一種新型的平面二自由度2-PRR型并聯(lián)機(jī)床，主要針對以下幾個內(nèi)容研究:(1)機(jī)床的運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　運(yùn)動學(xué)分析主要研究2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的空間模型、尺寸型、自由度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、位置分析、速度及加速度分析，其中的主要參數(shù)是位置、位移、速度、加速度。與串聯(lián)機(jī)器人相反，并聯(lián)機(jī)器人位置逆解比較容易，而正解非常復(fù)雜。本文采用解析法求解2-PR

77、R型并聯(lián)機(jī)床的位置方程、速度、及加速度方程。 </p><p>　　(2)機(jī)床的動力學(xué)分析</p><p>　　動力學(xué)是研究物體的運(yùn)動和作用力之間的關(guān)系，并聯(lián)機(jī)床是一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)，存在著嚴(yán)重的非線性。由多個關(guān)節(jié)和多個連桿組成，具有多個輸入和輸出，他們之間存在著錯綜復(fù)雜的耦合關(guān)系。本文首先分析2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的靜力學(xué)；其次分析并聯(lián)機(jī)床的動靜力學(xué)；最后分析并聯(lián)機(jī)床的動力學(xué)，建立運(yùn)動微

78、分方程，求解廣義力和廣義矩陣，實現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床的動力學(xué)逆解求解。</p><p><b>　　(3)機(jī)床性能分析</b></p><p>　　并聯(lián)機(jī)床的性能分析包括奇異性分析、工作空間分析及靈巧度分析。分析并聯(lián)機(jī)床的奇異性，首先分析并聯(lián)機(jī)床的雅可比矩陣，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣是描述運(yùn)動學(xué)特征的重要參量。它是求解奇異位置、速度、加速度、位置方程得基礎(chǔ)。工作空間分析是設(shè)計并聯(lián)結(jié)

79、構(gòu)操作器的重要環(huán)節(jié)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間是機(jī)器人操作器的工作區(qū)域，是衡量并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。衡量并聯(lián)機(jī)床各向同性和靈巧性方面，采用靈巧度來分析，它是并聯(lián)機(jī)床速度傳遞和運(yùn)動失真得一個重要指標(biāo)。</p><p><b>　　(4)機(jī)床仿真分析</b></p><p>　　對于并聯(lián)運(yùn)動來說,仿真分析是比較重要的,因為并聯(lián)機(jī)床的工作空間十分的復(fù)雜運(yùn)動平臺，空間運(yùn)動很難想象，

80、而且機(jī)床速度、加速度、約束力和驅(qū)動力變化情況都是我們所要關(guān)心的。所以有必要建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⑦M(jìn)行仿真,使機(jī)床的運(yùn)動可視化。利用仿真分析可以進(jìn)行該機(jī)床的運(yùn)動模擬,驗證位置正逆解是否正確,檢驗構(gòu)件、鉸鏈的干涉情況、求解出機(jī)床在運(yùn)動中速度、加速度、驅(qū)動力的變化曲線等等,可以節(jié)省設(shè)計時間與經(jīng)費(fèi),為原型樣機(jī)的設(shè)計打下基礎(chǔ).</p><p>　　運(yùn)用Matlab軟件的Simulink和SimMechanics模塊分別對機(jī)床進(jìn)行

81、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真。首先建立仿真模型，設(shè)置運(yùn)動初始值，得出速度、加速度、驅(qū)動力的運(yùn)動曲線，從而反饋給機(jī)床性能分析，為并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)。</p><p>　　(5)最后對全文進(jìn)行總結(jié)，并給后續(xù)的研究者提出了一些建議。</p><p>　　第二章 2-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　2.1并聯(lián)機(jī)器人的分類及基本機(jī)構(gòu)</p><

82、;p>　　并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以定義為：末端執(zhí)行器（動平臺）通過至少兩個獨(dú)立的運(yùn)動支鏈和基座（固定平臺）相連的閉環(huán)機(jī)構(gòu)。與之相近的概念是并聯(lián)機(jī)構(gòu)、并聯(lián)操作機(jī)、Stewart 平臺、閉環(huán)機(jī)構(gòu)、并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)等。在本論文的后面部分，我們將把并聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)作為相同的概念。完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Fully-parallel mechanism）是指具有n（n<=6）個獨(dú)立運(yùn)動自由度的動平臺通過 n 個獨(dú)立的運(yùn)動支鏈與固定平臺相連的并聯(lián)機(jī)

83、構(gòu)，并且每個獨(dú)立的運(yùn)動支鏈有且只有一個主動副。當(dāng)完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)中n個獨(dú)立的運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)和主動副的位置完全相同，則稱為完全對稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)。混合并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Hybrid parallel mechanism）是指具有n個自由度的動平臺通過少于n個的運(yùn)動支鏈與固定平臺相連的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每個獨(dú)立的運(yùn)動支鏈有一個或多于一個的驅(qū)動器。</p><p>　　從自由度的數(shù)量觀點(diǎn)來看，并聯(lián)機(jī)器人動平臺可以具有 1~6 個自由度。從運(yùn)動形式

84、來分類，并聯(lián)機(jī)器人可分為平面并聯(lián)機(jī)器人和空間并聯(lián)機(jī)器人；通過不同的自由度組合來分，又可以分為平面移動并聯(lián)機(jī)器人、平面移動轉(zhuǎn)動并聯(lián)機(jī)器人、空間純移動并聯(lián)機(jī)器人、空間純轉(zhuǎn)動并聯(lián)機(jī)器人和空間混合運(yùn)動并聯(lián)機(jī)器人。從是否存在自由度冗余，又可分為冗余并聯(lián)機(jī)器人和非冗余并聯(lián)機(jī)器人，對于冗余并聯(lián)機(jī)器人，又可分為驅(qū)動冗余和運(yùn)動學(xué)冗余等類型，需要說明的是，目前對冗余的分類還沒有一個明確和完整的定義。</p><p>　　并聯(lián)機(jī)器人機(jī)

85、構(gòu)的命名規(guī)則一般采用數(shù)字表示運(yùn)動支鏈的數(shù)目，用運(yùn)動副的大寫字母表示運(yùn)動支鏈的結(jié)構(gòu)形式，按運(yùn)動支鏈的關(guān)節(jié)順序書寫，第一個字母表示與固定平臺相連的運(yùn)動副，最后一個字母表示與動平臺相連的運(yùn)動副，其中驅(qū)動關(guān)節(jié)用下劃線標(biāo)出，數(shù)字與字母之間或不同運(yùn)動支鏈之間用-隔開。</p><p>　　并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是由動平臺和靜平臺通過運(yùn)動支鏈連接而成的。表2.1給出了并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的組成要素及其種類。由此可見，由于組成元素的多樣性，并

86、聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人類型極為多樣。</p><p>　　表 2.1 并聯(lián)機(jī)器人組成元素</p><p>　　Table 2.1 The elements of parallel robot</p><p>　　機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動副連接構(gòu)成的，運(yùn)動副是設(shè)計并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基本元素，運(yùn)動副的自由度、運(yùn)動范圍、零部件間的間隙和制造難易程度對并聯(lián)機(jī)器人的性能有很大的

87、影響。組成并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動副可分為簡單運(yùn)動副和復(fù)合運(yùn)動副兩大類，簡單運(yùn)動副有：移動副 P（Prismatic）、轉(zhuǎn)動副 R（Revolute）、螺旋副 H（Helix）、圓柱副 C（Cylinder）、平面副 G、球面副 S(Spherical)。而常用的虎克鉸 U（Universal）是復(fù)合運(yùn)動副，由兩個軸線相交并垂直的轉(zhuǎn)動副復(fù)合而成。另外，也可以把具有確定相對運(yùn)動的閉合回路看成是一種虛擬的復(fù)合運(yùn)動副，如 Delta 機(jī)器人中用四個球

88、面副S組成的平行四邊形結(jié)構(gòu)。由于多自由度運(yùn)動副如 C、G和S可以用多個轉(zhuǎn)動副R和移動副P串聯(lián)連接代替，所以可以把R和P看作基本運(yùn)動副。以下分別討論常用運(yùn)動副的自由度特點(diǎn)及其符號表示。</p><p>　?、俎D(zhuǎn)動副：轉(zhuǎn)動副也稱回轉(zhuǎn)副，用符號R Ai表示，i表示轉(zhuǎn)動軸線的方向，A表示軸線所經(jīng)過的點(diǎn)。轉(zhuǎn)動副允許兩構(gòu)件繞公共的軸線作相對轉(zhuǎn)動，具有一個相對運(yùn)動自由度，為I類副。</p><p>　　

89、②移動副：允許兩構(gòu)件沿軸線作相對移動，用符號Pi表示，i表示移動的方向。具有一個相對運(yùn)動自由度，為I類副。</p><p>　　③螺旋副：允許相對運(yùn)動的兩構(gòu)件繞軸線轉(zhuǎn)動的同時沿軸線作與轉(zhuǎn)動相關(guān)的相對移動，用符號HAi表示,i表示轉(zhuǎn)動軸線的方向,A表示軸線所經(jīng)過的點(diǎn)。由于其移動距離和轉(zhuǎn)動角度以節(jié)距構(gòu)成比例關(guān)系，所以螺旋副只具有一個相對運(yùn)動自由度，為I類副，可以看成移動副，也可以看成是轉(zhuǎn)動副。</p>

90、<p>　?、軋A柱副：允許兩構(gòu)件作繞軸線的獨(dú)立相對轉(zhuǎn)動和沿軸線的獨(dú)立相對移動，用符號CA i表示,i表示轉(zhuǎn)動軸線的方向,A表示軸線所經(jīng)過的點(diǎn)。具有兩個相對運(yùn)動自由度為II類副。圓柱副的運(yùn)動等效于共軸的轉(zhuǎn)動副和移動副（CAi=PiRAi）。</p><p>　?、萸蛎娓保涸试S兩構(gòu)件間具有3個獨(dú)立的相對轉(zhuǎn)動，用符號SA表示，A 表示轉(zhuǎn)動的公共中心，具有3個相對運(yùn)動自由度，為III類副。球面副等效于3個獨(dú)立的

91、匯交于一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動副（SA=RAiRAjRAk）。</p><p>　　⑥虎克鉸：也稱萬向鉸，允許兩構(gòu)件有兩個相對轉(zhuǎn)動運(yùn)動，用字母UAij表示，i、j表示兩個垂直的轉(zhuǎn)動軸線的方向，A 表示兩轉(zhuǎn)動軸線的交點(diǎn)。具有2個相對運(yùn)動自由度，為 II 類副?；⒖算q相當(dāng)于軸線相交并垂直的兩個轉(zhuǎn)動副。</p><p>　　在并聯(lián)機(jī)器人中，常用移動副和轉(zhuǎn)動副作為驅(qū)動關(guān)節(jié)，產(chǎn)生整個并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。移動關(guān)節(jié)的實現(xiàn)

92、有多種形式，有由液壓缸驅(qū)動的圓柱副、直線電機(jī)驅(qū)動的移動副、旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動的螺旋副。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的實現(xiàn)主要是轉(zhuǎn)動副，目前也開始研究和開發(fā)球面電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。</p><p>　　驅(qū)動關(guān)節(jié)的設(shè)計和制造要有利于減少整個系統(tǒng)的慣量和易于實現(xiàn)控制。一般來說，驅(qū)動關(guān)節(jié)都應(yīng)該布置在固定平臺上或盡可能的靠近固定平臺。根據(jù)主動副的驅(qū)動方式可將并聯(lián)機(jī)器人的類型劃分為三大類：(1)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動型，如使用轉(zhuǎn)動副驅(qū)動；(2)運(yùn)動支鏈桿長可變型，

93、如使用直線電機(jī)、液壓缸和螺旋副驅(qū)動，又稱為內(nèi)副驅(qū)動型；(3)固定導(dǎo)向驅(qū)動型，此種驅(qū)動方式一般采用立柱式或橫梁式平臺，使用立柱或橫梁作為滑軌軌道。由于驅(qū)動副為支鏈的外接副，故又稱為外副驅(qū)動型。</p><p>　　2.2 2-PRR并聯(lián)機(jī)床的機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　2-PRR型并聯(lián)機(jī)床如下圖2.1a)所示，該機(jī)床采用平面連桿結(jié)構(gòu)，整個并聯(lián)機(jī)構(gòu)在兩電機(jī)帶動下作平面運(yùn)動，各個連桿在平面內(nèi)運(yùn)

94、動，實現(xiàn)刀尖在平面內(nèi)的運(yùn)動。這種2-PRR型并聯(lián)結(jié)構(gòu)引入了虛約束，增加了機(jī)構(gòu)的剛度。</p><p>　　圖2.1a)2-PRR型并聯(lián)機(jī)床</p><p>　　Fig 2.1 a) 2-PRR-Type PMT</p><p>　　機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如下圖2.1b)所示，分別表示機(jī)構(gòu)中的各鉸鏈的位置，分別表示滑塊鉸鏈在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo);表示末端執(zhí)行器的位置;設(shè)分別表示各

95、桿的實際長度，且.設(shè)分別表示第桿與軸正向夾角，且，表示刀尖點(diǎn)到的距離。</p><p>　　圖2.1 b) 2-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖</p><p>　　Fig 2.1 b) 2-PRR-Type parallel kinematic diagram </p><p><b>　　2.3自由度分析</b></p><p&g

96、t;　　機(jī)構(gòu)的自由度是指機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目，亦即為了使機(jī)構(gòu)的位置得以確定，必須給定的獨(dú)立的廣義坐標(biāo)的數(shù)目。機(jī)構(gòu)的自由度必須大于或等于1。</p><p>　　機(jī)構(gòu)是由許多構(gòu)件組合而成的，在機(jī)構(gòu)中，每個構(gòu)件都以一定的方式與其它構(gòu)件相互聯(lián)接。相互聯(lián)接的兩構(gòu)件既保持直接接觸又能產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動。我們把兩構(gòu)件直接接觸形成的可動聯(lián)接稱為運(yùn)動副，按照接觸的特性，通常把運(yùn)動副分為低副和高副。面接

97、觸的運(yùn)動副稱為低副;點(diǎn)接觸或線接觸的運(yùn)動副稱為高副。在平面運(yùn)動副中，具有兩個約束的運(yùn)動副(轉(zhuǎn)動副和移動副)都是面接觸;具有一個約束的運(yùn)動副都是點(diǎn)或線接觸。因此可以說，在平面機(jī)構(gòu)中，平面低副具有兩個約束，平面高副具有一個約束。</p><p>　　兩個以上構(gòu)件以運(yùn)動副連接而成的系統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈。如果組成運(yùn)動鏈的每個構(gòu)件至少包含兩個運(yùn)動副元素，則構(gòu)件形成封閉系統(tǒng)，這種運(yùn)動鏈稱為閉鏈;反之，如果運(yùn)動鏈中有的構(gòu)件只包含一個

98、運(yùn)動副元素，便稱為開鏈。對于閉鏈，動其一桿(或少數(shù)桿)即可牽動其余各桿，便于傳遞運(yùn)動，故廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械。開鏈主要應(yīng)用于機(jī)械手、挖掘機(jī)等多自由度的機(jī)構(gòu)之中。</p><p>　　機(jī)構(gòu)中按照給定的運(yùn)動規(guī)律而獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件，稱為機(jī)構(gòu)的原動件。而通常機(jī)構(gòu)的原動件都是和機(jī)架相連的，對于這樣的原動件，一般只能給定一個獨(dú)立的運(yùn)動參數(shù)。所以，在這種情況下，為了使機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動，則機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。原

99、動件數(shù)目大于自由度數(shù)將使機(jī)構(gòu)遭到破壞;原動件數(shù)目小于自由度數(shù)目構(gòu)件將無規(guī)則地亂動;當(dāng)原動件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目時，構(gòu)件間才能獲得確定的相對運(yùn)動，才能稱其為機(jī)構(gòu)。換句話說，運(yùn)動鏈相對自由度大于零，且原動件數(shù)與機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目相等時運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的必要條件。</p><p>　　如設(shè)平面機(jī)構(gòu)共有n個活動構(gòu)件，則當(dāng)設(shè)各構(gòu)件尚未通過運(yùn)動副而相聯(lián)接時，它們共有3n個自由度。而當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動副之后，它們的運(yùn)動就受到約束，其

100、自由度將減少。在平面機(jī)構(gòu)中，低副具有2個約束，高副具有1個約束，因此在該機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件間共構(gòu)成個低副和凡個高副，那么它們共引入個約束，于是該機(jī)構(gòu)的自由度應(yīng)為:</p><p><b>　　(2.1) </b></p><p>　　這就是計算平面機(jī)構(gòu)自由度的公式。</p><p>　　考慮到機(jī)構(gòu)中存在的局部自由度和虛約束對自由度計算的影響，具有

101、局部白由度和虛約束的機(jī)構(gòu)，在計算自由度時可先畫出除去虛約束和局部自由度的機(jī)構(gòu)簡圖，然后按式(2.1)計算。</p><p>　　2-PRR 型并聯(lián)機(jī)構(gòu)在除去虛約束后的運(yùn)動簡圖如下圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 2-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡化后的示意圖</p><p>　　Fig 2.2 The 2-PRR-Type parallel mechanism dia

102、gram</p><p>　　其中共有6個活動構(gòu)件，有8個低副(含2個移動副和6個轉(zhuǎn)動副)沒有高副，也沒有局部約束，即。帶入式(2.1)，則該機(jī)構(gòu)的自由度為：</p><p><b>　　。</b></p><p>　　該機(jī)構(gòu)由兩個電動機(jī)驅(qū)動，帶動絲杠轉(zhuǎn)動從而帶動滑塊移動。兩個獨(dú)立的滑塊機(jī)構(gòu)作為輸入，刀尖點(diǎn)作為輸出，符合條件，該主運(yùn)動模塊為兩自

103、由度機(jī)構(gòu)。</p><p>　　2.4 2-PRR型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2.4.1 2-PRR型并聯(lián)機(jī)床的模塊化設(shè)計</p><p>　　并聯(lián)機(jī)床由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高剛度、高承載能力、高動態(tài)特性、高速度、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，而倍受機(jī)械制造業(yè)的青睞，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為運(yùn)動機(jī)構(gòu)的機(jī)床研究己成為國際上研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。但如何根據(jù)加工需要，方便快捷地設(shè)計所需的機(jī)床，