新型少自由度并联工作台的研究

新型少自由度并联工作台的研究蔡善乐1,秦磊1,李怀印21兰州理工大学;2金川集团公司精炼厂摘要:介绍了并联机床的概念和特点。

提出了一种新型少自由度工作台,并进行了工作空间的分析。

为进行深入研究做铺垫。

关键词:并联机床;并联工作台;空间分析中图分类号:TG65文献标志码:AResearch on a New kind of Few DOF Parallel PlatformCai Shanle,Qin LeiAbstract:Introduced the concep t and features of the parallel machine tools.Raised a new kind of few degrees of freedom platform and an analysis was carr ied out on it.The foundation for future study was laid.Keywords:parallel machine tool;parallel platform;analysis of workspaces1引言机床(machine tool)是完成特定金属加工过程(切削,锻压,激光加工等)的机器,也称为工作母机或工具机。

并联运动机床(parallel kinematics ma-chine)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。

我国在并联运动机床领域的研究起步较晚。

并联运动机床的研究与开发已列入国家/九五0攻关计划和863高科技技术发展计划。

许多高校,如:清华大学,东北大学,天津大学和哈尔滨工业大学等高等院校都相继进行理论研究,开发研制并联运动机床的原型机。

2001年在北京举行的国际机床展览会(CIMT.01)上就展出了4台国产的并联运动机床。

目前,国内外推出的各种并联机床大都是单纯利用并联机构(尤其是其中的Ste wart平台机构)来构造机床。

也有一些在并联机构的动平台上再串接一两个转动关节,以增加机构的工作空间。

根据相应的并联机构的自由度可分为6自由度以及3自由度两类;按照各分支链的驱动方式可分为两种形式:一种为各分支链的一端通过滑块(或丝杆螺母副)沿固定平台导轨移动(腿滑动)来改变动平台的位置与姿态(见图1);另一种形式为通过各分支杆长的伸缩(腿伸缩)来改变动平台的位置和姿态(见图2)。

并联运动机床与传统机床相比有以下优点:系统的刚度质量大。

容易通过预加载荷,提高机床部件的刚度;变换坐标系方便。

机床坐标系与工件坐标系的转换全部靠软件完成,非常方便;响应速度快。

高运动速度和高加速度,适合高速加工;主要部件具有重复性,通用程度高;通过控制系统可以实现运动精度的补偿。

图1/腿滑动0的并联机床图2/腿伸缩0的并联机床2少自由度工作台的提出并联机构最早用于轮胎的检测。

1965年D. Ste wart将这种机构用于飞行模拟器,对飞行员进行模拟训练。

随后并联机构被广泛应用于并联机器人的研制。

1994年开始被用来设计研发并联数控机床。

当前的并联机床种类中六自由度和三自由度的较多。

六自由度的并联机床存在制造成本和控制技术高,工作空间与外形尺寸比不合理、精度低等缺点,近几年使用不多。

少自由度并联机构具有无运动耦合、工作空间大、结构简单等优点,已成为并联752010年第44卷l2收稿日期:2009年6月机床的发展主流。

三自由度并联机构容易构造,研究开发也较多。

四五自由度的并联机构少,在工业中的应用广泛,值得深入研究。

本文提出了一种新型四自由度的并联工作台(见图3)。

该工作台具有以下优点:图3 四自由度工作台具备少自由度并联机构的坐标变换方便、响应速度快、环境适应性强等特性,且结构简单便于控制计算;区别于其他并联机床在动平台上固定刀具,本实用新型将动平台用来固定工件。

这样就避免了传统机床多方位加工工件时需要多次拆卸、固定工件的繁琐过程,也减小了反复装夹工件时造成的加工误差;并联工作台布局灵活,便于重组、维修,经济性能良好。

可以与铣、刨、磨等不同类型机床组合,在不用拆卸工件的前提下满足工件不同方位、不同角度的加工要求。

3 工作台的布局四自由度并联工作台如图4所示,该机构由动平台、固定平台、四个滑块和四个连杆组成。

四滑块分布在十字导轨上。

四连杆的一端与动平台通过球铰相联,其中连杆l 2、l 4的另一端通过回转副与机架上平面滑轨的滑块H 2、H 4相联。

连杆l 1、l 3的另一端通过虎克铰与机架上平面滑轨的滑块H 1、H 3相联。

四滑块作为驱动单元。

由自由度公式有F =6(n -g -1)+E gi =1f i =4(1)式中,n 是构件总数,g 是运动副总数,f i 是第i 个运动副的相对自由度数。

该工作台具有四个自由度:绕X 轴和Y 轴转动两个旋转自由度以及在X 方向和Z 方向的平动。

4 并联机床工作空间分析4.1 旋转矩阵在并联机床设计中,工作空间是重要指标,决定着机床整体尺寸。

它是并联机床运动学设计的重要内容,能够帮助理解工作空间的大小、形状和位置。

进行工作空间分析时需要分别在动平台和机架上建立坐标系,然后通过旋转矩阵进行相互间的转换。

图4 并联工作台布局如图4所示,在机架上建立坐标系O -xyz ,是正交的右手坐标系,其原点位于基座的质心,记为坐标系{B}。

然后在动平台上建立坐标系o c -x c y c z c ,原点在运动平台的质心上,记为坐标系{A}。

动坐标系{A}中的任一向量T 可以通过坐标变换方法变换到坐标系{B}中的坐标T c ,即T c =R T +P 。

其中P 为动坐标系的原点在固定坐标系中的位置矢量。

R 为旋转矩阵,可表示为R =100cos A -sin A 0sin A cos A cos B 0s in B 01-sin B0cos B cos C -s in C 0sin Ccos C 001=cos C cos B-sin C cos Bsin Bsin A sin B cos C +cos A sin C -si n A sin B sin C +cos A cos C -sin A sin B -sin B cos A cos C +s in A sin Csi n B cos A sin C +si n A cos Ccos A cos B(2)4.2 约束分析(1)滑块行程限制通过运动学逆解可以得到动平台的滑块位置H 。

滑块的最长行程和最短行程分别用H max i 和H m i n i 表示(i =1-4)。

则滑块的约束条件为H min i [H i [H ma x i 。

行程H 越大,机构的工作空间越大。

(2)运动副转角的限制在Stewart 运动平台中,上下平台与各连杆间的连接要用到虎克铰和球面副。

这两种铰链的转角范围实际上是有限制的。

如图5所示,n pi 和n Bi 分别表示上下铰链的基座的安装法线向量。

则运动副的转角的约束可表示为H pi =cos -1H (l i (Rn pi )/|l i |)F H p max (3)H Bi =cos -1H (l i n Bi /|l i |)F H B max(4)(3)上平台尺寸限制适当减小上平台尺寸可以增大工作台的工作空间。

76工具技术5 结语并联机床是现代机器人技术和现代数控技术结合的产物,是数控机构进化的一个重要方面。

目前针对并联机床的理论体系还不完善。

本文简述了并联机床的概念及其特点,针对少自由度并联机构的优点和巨大发展潜力提出了一种新型四自由度并联工作台。

分析了影响并联机床工作空间的主要因素,为本工作台进行工作空间设计和进一步的深入研究提供了理论依据。

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采用先进的立方氮化硼(CB N)磨条(油石),具有硬度高,锋利性好、耐磨等优点。

使用情况表明,锭杆轴承档加工表面粗糙度降低为R a 0.01L m,生产效率提高了15倍。

关键词:锭子锭杆;锭杆轴承档;超精密磨削;立方氮化硼(CBN)磨条中图分类号:TG580.61+2,TS103.811 文献标志码:ADesign of Grinding to Machine the Shafting Bearing ClassC ui Jianghong,Hu MinAbstract:An idea was presented to adopt super -precision grinding to machine the shafting bearing class.The super -precision grinder was desi gned.The grinding system runs good,the allocation of the jig is convenient.It has compacting structure and beau -tiful ing CB N slipstone to grind,i t has higher hardness and sharpness and wear -resis ting.practising shows that sur -face roughness reduce to R a 0.01L m,the producti on efficiency increases 15mul tiple.Keywords:spinning and spindle blade;shafting bearing class;super -accurate grinding;CBN;slips tone1 引言锭子是环锭细纱机加捻卷绕的重要部件。