并联机床的设计理论与关键技术
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并联运动机床概述并联运动机床是指多个工作台或刀架可以同时进行运动的一种机床。
它通过使用多个独立的工作台或刀架,使得机床在同一台机床上可以同时进行多个加工操作。
这种机床一般由主轴、驱动装置、工作台和控制系统组成。
并联运动机床在工业生产中具有广泛的应用,可以提高工作效率,节约生产成本,对于批量生产和多种类型产品的加工都具有较大的优势。
首先,从加工效率上来看,由于并联运动机床可以同时进行多个工艺操作,可以大大缩短加工时间。
例如,在铣床和镗床的组合机床中,通过同时进行铣削和镗削操作,可以使得零件的加工时间减少一半以上。
这对于生产效率提高有着明显的作用。
其次,从生产成本上来看,由于并联运动机床可以在同一台机床上完成多个工艺操作,减少了物料的输送和处理环节,降低了生产线的长度和设备数量,节约了生产空间。
同时,只需要一个操作工人,减少人工成本。
另外,并联运动机床的能耗也较低,不仅节能环保,还能降低生产成本。
此外,并联运动机床还有以下几个优点:一是具有高精度和高稳定性,可以保证产品的质量和稳定性。
二是具有较强的适应性,可以根据不同的加工要求进行调整和改装。
三是具有较好的安全性,由于多个工作台或刀架可以同时进行运动,避免了工件的迎剪和碰撞现象,减少了事故的发生。
不过,并联运动机床也存在一些不足之处。
首先,由于机床结构复杂,维护和保养难度较大。
其次,并联运动机床的控制系统需要进行复杂的编程和调试,需要专业的技术人员进行操作和维护。
另外,并联运动机床的投资成本较高,对于一些小企业来说可能承担不起。
综上所述,并联运动机床具有较高的加工效率和生产效果,对于提高企业的生产能力和竞争力有着积极的作用。
随着制造业的发展,越来越多的企业开始采用并联运动机床。
未来,随着科技的不断进步和机床制造技术的提高,相信并联运动机床会在产业生产中发挥越来越重要的作用。
1.1 本课题研究的目的和意义 并联机床又称为虚拟机床或是并联运动学机器,它是机器人技术和现代数控技术的结合产物,它有机器人的灵活又有机床的刚度精度,是多功能系于一体的新型机电设备.由于它属于高速加工且属于高精度加工,对机床的振动要求就会很高.我们对刘杆并联机床进行振动测试目的就是找到机床的主要振动位置,并进行改善从而提高机床的实用性.我们都知道振动是影响机床精加工的主要故障之一。
它会带来很多危害,比如它会降低零件精度和表面粗糙度,构件的磨损和因疲劳造成的疲劳破坏。
振动如果超过一定范围就会造成很严重的后果,如内部构件的损坏或是机器的正常运行。
其次振动本身会产生噪音,对人的身体也带来一定的伤害。
对于并联机床而言,它具有传统机床无法比拟的优点,像质量轻,刚度重量比大,响应快,误差小,能快速进给,模块化高等,它更需要保证机床的振动范围,再加上并联机床是未来机床的发展趋势,因此对六杆并联机床的振动测试研究是很有意义的。
1.2机床的振动简述机床在加工过程中会产生振动,其振动按性质不一样可以分为自由振动,自激振动和受迫振动。
所谓的自由振动是系统在平衡状态时收到一个初始的激励而产生的振动,这样的振动是靠系统自身弹性恢复力维持的,因为有阻尼的存在会使振动很快就消失。
单自由度无阻尼线性系统运动方程为:0..=+kx x m通过求解可以得到固有频率: mk w n = 物体不是一受到激励都可发生振动,实际的振动体在运动过程中总会受到某种阻尼的作用,只有阻尼小于临界值时才能激发振动,临界阻尼是振动体的一种固有属性用e c 表示 km C e 2=当1〈ξ时,是一种振幅按指数衰减的振动,振动频率与初始振动无关.振动频率w 率略小于固有频率n w (n w w 21ξ-=);当1≥ξ时,物体就不会振动.自激振动是在没有初始激励和没有外界激振力的情况下产生得振动,这种有被叫做颤振.设备产生自激振动时很小的能量就能产生剧烈振动,由于系统的非线性,振幅被限制在一定范围内.所谓受迫振动是系统受到外界持续激振力的作用下被迫产生的振动受迫振动又包含机内振源和机外振源的影响产生得振动.机内振源一般包括电机的振动,机床回转零件的不平衡,运动传递过程中引起的振动,往复部件运动的惯性力.机外振源:外在条件引起的振动.力学模型如下运动方程为:wt F kx x c x m sin 0...=++这个常系数线性非齐次微分方程,其解由通解和特解组成:()()()φϕξξ+++-=-wt B t w Ae t x n t w n sin 1sin 2前部分是通解为衰减自由振动;后面一部分为特解,稳态强迫振动.振动的特点是,前面部分衰减随时间的推移迅速消失,强迫振动不受阻尼的影响,是一种和激振力同频率的振动,所以强迫振动不仅和激振力的频率及振幅有关,还与物体自身固有属性有关.由于自激振动是由切削力突然变化或一些外力冲击引起的,可迅速衰减消失,其影响很小,完全可以忽略不计,所以我所要研究的振动就是受迫振动。
毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目:并联六杆机床看红字两套方案可以选择威1信:422378124姓名:专业:机械设计制造及其自动化指导教师:xxx 老师系主任:xxx 教授一、主要内容及基本要求本设计的主要内容是设计一个六杆并联机床其工作原理是:由电动机带动,将动力传到,再传到伸缩杆上,通过伸缩杆将转动变为直线传动,到杆的伸长,同时电动机带动刀具的运动进而切割工具。
六杆并联机床的作用及功能是:利用刀具的运动切割与伸缩杆的伸缩进而将工件切割。
为满足六杆并联机床装置的各种性能提出的设计要求有:1)保证六杆机床的平稳性。
2)具有好的切割效率。
3)保证切割的精度。
4)保证切割的大范围。
5)噪音要尽量小 6)结构紧凑。
8)传动间的各种力和力矩,在满足零部件质量要小的同时,还要保证有足够的强度和寿命。
六杆机床关键部件的设计:(1)杆件的配置;(2)驱动装置的设计;(3)机床框架或床身的设计;(4)杆件和铰链的设计。
六杆机床的动力传动本次设计的是由6根伸缩杆连接固定平台(机床的框架)和动平台(主轴部件),机床的6边形框架是固定平台,6根伸缩杆通过铰链成60度角分布在框架上,杆件的支撑点是固定的,而杆件的长度是可变的,即可伸缩的。
6根伸缩杆的另一端,则通过铰链与装有主轴部件的动平台相连接,从而实现刀具的6个自由度运动。
待加工零件固定在机床的工作台上,在整个加工过程中不作任何运动。
二、重点研究的问题六杆机床的各个关键零部件的设计,熟练使用CAD或其他制图软件,设计二维模型,得到六杆机床结构设计部分装配图和关键零件的设计图。
三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1 查阅相关资料第一周2 确定并联系统第二周3 确定各部分的结构第三周4 零部件的设计第四—六周5 画零件图第七—十周6 画装配图第十一周7 撰写毕业设计说明书第十二—十三周8 答辩第十四周四、应收集的资料及主要参考文献[1]濮良贵、纪名刚编.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2008[2]吴宗泽编.机械设计课程设计手册(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2007[3]孙桓、陈作模、葛文杰编.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.5[4]赵家奇编.机械制造工艺学课程设计指导书(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2000.10[5]李云主编.机械制造及设备指导手册[M].北京:机械工业出版社,1997.8[6]周良德、朱泗芳、杨世平编.现在工程图学[M].湖南:科学技术出版社,2008.2[7]甘永立. 几何量公差与检测[M]. 上海:上海科学技术出版社,2005.[8] 冯辛安.机械制造装备设计[M](第二版)北京:机械工业出版社 2005[9] 叶邦彦,陈统坚. Mechanical Engineering English 北京: 机械工业出版社[10]孙靖民,哈尔滨.机械优化设计[M]:机械工业出版社,2005.。
《基于并联机构的3D打印关键技术研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展,3D打印技术已成为制造业和设计领域的重要工具。
其中,并联机构在3D打印技术中扮演着关键角色。
本文将探讨基于并联机构的3D打印关键技术的研究,包括其原理、应用、挑战及未来发展方向。
二、并联机构3D打印技术原理并联机构3D打印技术是一种新型的打印方式,其核心在于利用并联机器人技术实现打印头的精确运动。
该技术通过多个驱动器同时驱动打印头进行三维空间的运动,从而实现复杂三维实体的打印。
并联机构具有高精度、高速度和高刚度的特点,使得3D打印过程更加稳定和高效。
三、关键技术研究1. 运动控制技术运动控制技术是并联机构3D打印技术的核心。
该技术通过精确控制打印头的运动轨迹,实现高质量的打印效果。
其中,包括高精度的运动控制算法、传感器技术和反馈控制技术等。
这些技术的运用,使得打印头能够准确地在三维空间中运动,从而实现复杂三维实体的精确打印。
2. 材料技术材料是3D打印的关键因素之一。
针对并联机构3D打印技术,需要研发适用于高精度打印的新型材料。
这些材料应具有良好的可塑性和稳定性,同时还要具备较高的强度和耐久性。
此外,还需要研究材料的加工工艺和性能评价方法,以提高材料的利用率和打印效率。
3. 工艺优化技术工艺优化技术是提高并联机构3D打印效率和质量的重要手段。
该技术包括打印参数的优化、打印路径的规划、支撑结构的设计等。
通过优化这些工艺参数,可以提高打印速度、降低材料浪费、提高打印精度和表面质量。
此外,还需要研究新型的工艺方法,以适应不同类型和复杂度的三维实体打印需求。
四、应用领域及挑战并联机构3D打印技术在制造业、医疗、建筑等领域具有广泛的应用前景。
在制造业中,该技术可用于制造复杂零部件和模具;在医疗领域,可用于制作定制化的医疗器材和生物材料;在建筑领域,可用于制作建筑模型和结构构件等。
然而,该技术仍面临一些挑战,如高成本、材料限制、精度和速度的权衡等。
《基于并联机构的3D打印关键技术研究》篇一一、引言3D打印技术近年来发展迅速,在工业制造、生物医疗、建筑和艺术设计等多个领域都有广泛的应用。
随着技术的发展,对3D 打印的精度、速度和效率的要求也在不断提高。
并联机构作为一种新型的机械结构,具有高精度、高速度和高刚度等优点,因此在3D打印领域的应用越来越广泛。
本文旨在研究基于并联机构的3D打印关键技术,以提高3D打印的效率和精度。
二、并联机构的基本原理并联机构是一种新型的机械结构,其基本原理是通过多个运动副的协同作用,实现机构的运动。
与传统的串联机构相比,并联机构具有更高的精度、速度和刚度。
在3D打印中,并联机构主要用于实现打印头的精确运动,从而保证打印的精度和效率。
三、基于并联机构的3D打印技术基于并联机构的3D打印技术主要包括打印头的运动控制、材料供给和打印工艺等方面。
其中,打印头的运动控制是关键技术之一。
通过高精度的并联机构,可以实现打印头的快速、精确运动,从而提高打印速度和精度。
此外,材料供给和打印工艺也是影响打印效果的重要因素。
四、关键技术研究1. 打印头运动控制技术打印头运动控制技术是3D打印的关键技术之一。
在基于并联机构的3D打印中,需要研究如何通过控制算法实现打印头的精确运动。
这包括运动规划、速度控制、加速度控制等方面。
同时,还需要考虑如何通过传感器实现打印头的实时监测和调整。
2. 材料供给技术材料供给技术是影响3D打印效果的重要因素之一。
在基于并联机构的3D打印中,需要研究如何实现材料的均匀供给和精确控制。
这包括材料输送、熔融、挤出等方面的技术。
同时,还需要考虑如何通过传感器实现材料的实时监测和调整。
3. 打印工艺研究打印工艺是影响3D打印效果的关键因素之一。
在基于并联机构的3D打印中,需要研究合适的打印策略和参数设置,以获得最佳的打印效果。
这包括层厚、填充率、打印速度等方面的研究。
同时,还需要考虑如何通过后处理技术提高打印件的表面质量和性能。
并联操作机器人系统设计与实现随着机器人技术的发展,越来越多的机器人应用到了生产制造等领域中。
其中,机器人系统的灵活性及高效性是影响其应用领域的重要因素。
而并联操作机器人系统则凭借其具有的高精度、高稳定性、高效率的特点,被广泛应用于航空航天、汽车、数控加工等领域。
并联操作机器人系统的原理是将多台机器人连接在同一机构下,实现多自由度的运动控制,提高其臂长和载荷等性能指标。
这种机器人系统通常由机械结构、控制系统、传感器和功能模块等多个部分组成。
下文将详细介绍并联操作机器人系统设计与实现的流程和技术要点。
机械结构设计机械结构是并联操作机器人系统的核心部分,直接影响并联操作机器人的运动性能。
机械结构设计的要点包括选择合适的机器人模型、设计连接机构、考虑工作空间、选用适合的臂长及载荷等。
机器人模型选择:目前市面上常见的并联操作机器人有平行机器人、串联机器人和混联机器人等。
平行机器人结构简单,具有高刚性和稳定性;串联机器人理论上具有无限多自由度,能够进行更加复杂的运动;混联机器人则兼具两者优点,但设计难度较大。
根据不同的工作要求和实际情况选择合适的机器人模型。
连接机构设计:连接机构是并联操作机器人系统的核心,主要包括主机架、机械臂、执行器等。
根据机器人模型设计对应的连接机构,注意要选用高刚性、高精度和耐久性好的材料制作。
并联操作机器人的基座通常只需要固定住即可,而机械臂的设计主要包括链接臂、驱动臂和动平台等,并采用合适的轴承和副件设计传动机构,以提高运动的稳定性和精度。
工作空间设计:并联操作机器人具有复杂的工作空间,设计时应根据具体应用场景确定其工作空间大小及形状等,以保证机器人能够完成所有任务。
臂长及载荷设计:并联操作机器人的臂长和载荷是其性能的重要指标,选用合适的臂长和合理的载荷可以提高机器人的灵活性和效率,减少故障率。
应根据实际工作要求结合材料特性、驱动能力等综合考虑设计并联操作机器人的臂长和载荷。
控制系统设计控制系统是并联操作机器人系统中的“大脑”,是实现整个机器人系统稳定性和精度的关键。
《基于并联机构的3D打印关键技术研究》篇一一、引言3D打印技术以其独特的制造优势和广泛的行业应用逐渐受到越来越多的关注。
随着科技的发展,基于并联机构的3D打印技术逐渐成为研究热点。
并联机构具有高精度、高效率、高负载等优点,为3D打印提供了新的可能性。
本文旨在探讨基于并联机构的3D打印关键技术,分析其工作原理和优缺点,提出技术优化和改进策略。
二、并联机构在3D打印中的应用并联机构作为一种新型的机器人机构,被广泛应用于工业自动化和精密制造领域。
在3D打印中,并联机构主要用于控制打印头进行空间运动,完成材料的精确铺设和连接。
并联机构通过精确控制多个作动器的协调运动,实现了打印过程中复杂运动的实现,有效提高了打印的精度和效率。
三、关键技术研究1. 打印头设计与优化在基于并联机构的3D打印中,打印头的设计至关重要。
为满足不同材料的打印需求,我们提出了一种新型的打印头设计方案。
该方案结合了加热元件、传感器、材料喷嘴等多个组件,并采用了特殊的设计优化手段,以适应高精度的运动需求。
同时,为确保材料能够顺利、均匀地被铺设在模型上,我们对打印头的加热速度和冷却速率进行了详细研究和优化。
2. 并联机构的控制策略对于基于并联机构的3D打印过程,我们采用先进的控制系统以实现对运动精度的控制。
具体来说,通过使用高效的控制器、精准的传感器和适当的算法优化策略,使得每个作动器在特定位置都能准确输出预定力度。
这样能够提高机器的整体精度,使模型的生成更加精确。
此外,我们还对控制系统的稳定性进行了深入研究,以应对不同材料和复杂模型带来的挑战。
3. 材料选择与处理在3D打印过程中,材料的选择和处理对最终产品的性能和质量具有重要影响。
我们研究了多种不同材料的特性,如熔点、粘度、固化速度等,并对其在并联机构下的可打印性进行了评估。
同时,针对特定材料的特点,我们提出了一套材料处理方案,包括预处理、加工过程和后处理等环节,以提高材料的利用率和打印效果。
并联机床研究现状与展望杨建新,郁鼎文,王立平,汪劲松(清华大学精密仪器与机械学系,北京 100084)摘要:并联机床作为机床技术和机器人技术相结合的产物,与传统结构机床相比具有很多的优点。
简要介绍了目前国内外并联机床的发展现状和未来趋势,以及关键技术的研究进展,提出了发展并联机床需要解决的若干理论与技术问题,以及解决这些问题的可行途径。
关键词:并联机床;机构设计;运动学;数控技术;动力学中图分类号:TH112 文献标识码:A 文章编号:1007-9483(2002)03-00010-03Progress in the R esearch of Parallel Machine ToolYAN G Jian-xin,YU Ding-wen,Wang Li-ping,Wang Jin-song(Tsinghua University,Beijing,100084,China)Abstract:As the result of synthesizing machine tools with robot technology,parallel machine tools have many advantages compared as the classical ones.This paper briefly introduces the future prospective of parallel machine tools,points out some key issues that should be tackled for design and manufacture.K ey w ords:Parallel Machine Tools;Mechanism Design;K inematics;NC Technology;Dynamics 并联机床自20世纪90年代中期问世以来,不过数年时间,便以迅猛的速度向前发展[1]。
并联机床的基本原理
并联机床是一种多轴联动的机床系统,它由多个独立运动的机床组成,并通过控制系统实现协同工作。
其基本原理包括以下几点:
1. 独立运动:并联机床中的每个单独的机床可以独立运动,并根据加工任务的不同进行相应的动作。
2. 协同工作:通过控制系统对各个机床进行协同控制,使其在同一时刻进行协同动作,完成复杂的加工任务。
3. 分工协作:并联机床中的每个机床可以承担不同的加工任务,通过合理的分工协作,提高加工效率。
4. 并联机构:并联机床中的每个机床通过并联机构与其他机床连接,实现相对的运动关系。
常见的并联机构有平行机构、串联机构等。
5. 控制系统:通过控制系统对各个机床的运动进行协调和控制,实现多轴联动,保证加工精度和工件质量。
总的来说,通过独立运动、协同工作和分工协作,利用并联机构和控制系统的协同控制,实现多个机床的协同加工,提高加工效率和精度。
并联机床的设计理论与关键技术Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998详解并联机床的设计理论与关键技术1 概述为了提高对生产环境的适应性,满足快速多变的市场需求,近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统,其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tool),又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool) 或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)。
并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物,其原型是并联机器人操作机。
与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比,并联机床具有如下优点: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、特种加工与测量等作业。
技术附加值高:并联机床具有“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床非常重视,并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。
1994年在芝加哥国际机床博览会上,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)的数控机床与加工中心,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Neos Robotics 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床、坐标测量机和加工中心。
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,与并联机床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,在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展,并认为可望成为21世纪高速轻型数控加工的主力装备。
我国已将并联机床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床的研发纳入教育部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床骨干企业的参与。
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床设计理论与关键技术研讨会,对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。
并联机床设计理论与关键技术概念设计概念设计是并联机床设计的首要环节,其目的是在给定所需自由度条件下,寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。
按照支链中所含伺服作动器数目不同,并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。
前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器,以直接生成3~6个自由度;而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。
按照作动器在支链中的位置不同,并联机床可采用内副和外副驱动,且一般多采用线性驱动单元,如伺服电机—滚珠丝杠螺母副或直线电机等。
机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性,但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。
因此,在制定总体布局方案时,应采用概念设计与运动学设计交互方式,并根据特定要求做出决策。
通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。
然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响,致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷,难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。
目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。
这种配置不但可使平动与转动控制解耦,而且具有工作空间大和可重组性强等优点。
特别是由于位置正解存在解析解答,故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。
应该强调,传统机床的发展已有数百年历史,任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。
运动学设计并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述,以及工作空间分析与综合两大内容。
合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。
与传统机床不同,并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集,一般是由多张空间曲面片围成的闭包。
为了适合多坐标数控作业的需要,通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。
对于纯6自由度并联机床,动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的,即随着姿态的增加,工作空间逐渐缩小。
因此,为了实现动平台实现位姿能力的可视化,往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。
工作空间分析与综合是并联机床运动学设计的核心内容。
广义地,工作空间分析涉及在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下,评价动平台实现位姿的能力;尺度综合则是以在编程空间内实现预先给定的位姿能力并使得操作性能最优为目标,确定主动关节变量的变化范围和尺度参数。
工作空间分析可借助数值法或解析法。
前者的核心算法为,根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质,利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。
后者的基本思路是,将并联机构拆解成若干单开链,利用曲面包络论求解各单开链子空间边界,再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。
尺度综合是实现并联机床运动学设计的最终目标,原则上需要兼顾动平台实现位姿的能力、运动灵活度、支链干涉等多种因素。
针对6自由度并联机床,目前可以利用的尺度综合方法可以分为:基于各向同性条件的尺度综合,兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合,以及基于总体灵活度指标的加权综合3种方法。
第1种方法因仅依赖满足各向同性条件时的尺度参数关系,故存在无穷多组解答。
第2种方法针对动平台在给定工作空间中实现预定姿态能力的需要,通过施加适当约束,可有效地解决多解问题。
第3种方法较为通用,通常以雅可比矩阵条件数关于工作空间的一次矩最小为目标,将尺度综合问题归结为一类泛函极值问题。
值得指出,第2种方法仅适用某些并联机构(如Ste wart平台);而第3种方法除计算效率低外,还不能兼顾动平台实现姿态的能力。
因此,针对不同类型的并联机床,研究兼顾多种性能指标的高效尺度综合方法将是一项极有意义的工作。
动力学问题刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数整定的理论基础。
这类问题可归结为已知动平台的运动规律,求解铰内力和驱动力。
相应的建模方法可采用几乎所有可以利用的力学原理,如牛顿-尤拉法、拉格朗日方程、虚功原理、凯恩方程等。
由于极易由雅可比和海赛矩阵建立操作空间与关节空间速度和加速度的映射关系,并据此构造各运动构件的广义速度和广义惯性力,因此有理由认为,虚功(率)原理是首选的建模方法。
动态性能是影响并联机床加工效率和加工精度的重要指标。
并联机器人的动力性能评价完全可以沿用串联机器人的相应成果,即可用动态条件数、动态最小奇异值和动态可操作性椭球半轴长几何均值作为指标。
与机器人不同,金属切削机床动态特性的优劣主要是基于对结构抗振性和切削稳定性的考虑。
动态设计目标一般可归结为,提高整机单位重量的静刚度;通过质量和刚度合理匹配使得低阶主导模态的振动能量均衡;以及有效地降低刀具与工件间相对动柔度的最大负实部,以期改善抵抗切削颤振的能力。
由此可见,机器人与机床二者间动态性能评价指标是存在一定差异的。
事实上,前者没有计及对结构支撑子系统动态特性的影响,以及对工作性能的特殊要求;而后者未考虑运动部件惯性及刚度随位形变化的时变性和非线性。
因此,深入探讨并联机床这类机构与结构耦合的、具有非定长和非线性特征的复杂机械系统动力学建模和整机动态设计方法,将是一项极富挑战性的工作。
这项工作对于指导控制器参数整定,改善系统的动态品质也是极为重要的。
精度设计与运动学标定精度问题是并联机床能否投入工业运行的关键。
并联机床的自身误差可分为准静态误差和动态误差。
前者主要包括由零部件制造与装配、铰链间隙、伺服控制、稳态切削载荷、热变形等引起的误差;后者主要表现为结构与系统的动特性与切削过程耦合所引起的振动产生的误差。
机械误差是并联机床准静态误差的主要来源,包括零部件的制造与装配误差。
目前,由于尚无有效的手段检测动平台位姿信息,因而无法实现全闭环控制条件下,通过精度设计与运动学标定改善机床的精度就显得格外重要。
精度设计是机床误差避免技术的重要内容,可概括为精度预估与精度综合两类互逆问题。
精度预估的主要任务是,按照某一精度等级设定零部件的制造公差,根据闭链约束建立误差模型,并在统计意义下预估刀具在整个工作空间的位姿方差,最后通过灵敏度分析修改相关工艺参数,直至达到预期的精度指标。
工程设计中,更具意义的工作是精度综合,即精度设计的逆问题。
精度综合是指预先给定刀具在工作空间中的最大位姿允差(或体积误差),反求应分配给零部件的制造公差,并使它们达到某种意义下的均衡。
精度综合一般可归结为一类以零部件的制造公差为设计变量,以其关于误差灵敏度矩阵的加权欧氏范数最大为目标,以及以公差在同一精度等级下达到均衡为约束的有约束二次线性规划问题。
运动学标定,又称为精度补偿或基于信息的精度创成,是提高并联机床精度的重要手段。
运动学标定的基本原理是,利用闭链约束和误差可观性,构造实测信息与模型输出间的误差泛函,并用非线性最小二乘技术识别模型参数,再用识别结果修正控制器中的逆解模型参数,进而达到精度补偿的目的。