并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床概述.doc

來(lái)自/jxzb/part3/part3-chapter2-101.html并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床概述 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的潛力，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(dòng)，使將近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)以笛卡兒坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理發(fā)生了根本變化。 1994年，美國(guó) Giddings & Lewis 公司展出第一臺(tái)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床：Variax 加工中心，該機(jī)床現(xiàn)在英國(guó) Nottingham 大學(xué)工學(xué)院；1996年，美國(guó) Ingersoll 公司推出VOH1000型立式加工中心和HOH600型臥式加工中心，現(xiàn)分別在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)機(jī)床實(shí)驗(yàn)室。 Variax 型加工中心HOH 600型臥式加工中心通過(guò)早期并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的試驗(yàn)研究表明，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床比較，具有以下特點(diǎn)： 1) 運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)慣性??； 2) 高運(yùn)動(dòng)速度和高加速度，適合高速加工； 3) 主要部件具有重復(fù)性，通用程度高； 4) 容易通過(guò)預(yù)加載荷，提高機(jī)床部件的剛度； 5) 通過(guò)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度的補(bǔ)償。并聯(lián)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel mechanism）是由2個(gè)和2個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器（作動(dòng)器）通過(guò)桿系同時(shí)作用于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是，所有的分支機(jī)構(gòu)可同時(shí)接受驅(qū)動(dòng)器的輸入，而最終共同給出輸出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)學(xué)上是多路閉環(huán)機(jī)構(gòu)。 在工業(yè)中，3桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Tripod）和6桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Hexapod）應(yīng)用最為廣泛，如Delta 機(jī)器人和 Tricept 機(jī)器人是典型的3桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，而Stewart 平臺(tái)是典型的 6桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其機(jī)構(gòu)如下圖所示：6自由度的Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：1） 機(jī)構(gòu)綜合。根據(jù)加工要求，選定并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的自由度，建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。2） 空間位置分析及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的空間位置分析比較復(fù)雜，位置分析法分為正解法和逆解法。正解法的難度比較大，一般采用逆解法。3） 工作空間和約束條件。合理工作空間的設(shè)計(jì)是概念設(shè)計(jì)的核心，工作空間會(huì)受到構(gòu)件長(zhǎng)度、鉸鏈的偏轉(zhuǎn)角以及構(gòu)件之間的干涉的約束。4） 實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，動(dòng)平臺(tái)位置及其姿態(tài)僅憑計(jì)算很難判斷其正確性，加上并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的各種幾何約束，能否現(xiàn)實(shí)給定刀頭點(diǎn)的軌跡，最終都需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)解決。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)在，并聯(lián)機(jī)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用：一. 運(yùn)動(dòng)模擬器 二. 工業(yè)機(jī)器人 三. 醫(yī)用機(jī)器人 四. 微定位機(jī)器人五. 天文望遠(yuǎn)鏡 六. 繩索機(jī)器人吊車飛毯 七. 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)模擬器包裝餅干的Delta工業(yè)機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人KNM-750 型測(cè)量機(jī)天文望遠(yuǎn)鏡6X Hexa 型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的設(shè)計(jì)一并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床設(shè)計(jì)的特點(diǎn)1） 非線形。動(dòng)平臺(tái)或主軸部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（速度、加速度）的變化是非線性的。2） 奇異性。動(dòng)平臺(tái)或主軸部件在不同位置時(shí)，機(jī)床的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能有較大的差異，甚至刀頭點(diǎn)的位置都存在一定程度的不可預(yù)測(cè)性。3） 多樣性。實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)往往具有多種組合的可能性。二并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床設(shè)計(jì)的內(nèi)容1） 原始參數(shù)的確定。根據(jù)機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域和加工對(duì)象確定機(jī)床設(shè)計(jì)的原始參數(shù)。例如：被加工材料、零件尺寸范圍、加工工藝、主軸功率和切削力等等。2） 概念設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)綜合。首先要確定采用采用并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)還是并聯(lián)與串聯(lián)混合的機(jī)構(gòu)，三桿機(jī)構(gòu)還是六桿機(jī)構(gòu)，固定桿長(zhǎng)還是可變桿長(zhǎng)。然后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的綜合分析，確定是否需要冗余部件。此外，概念設(shè)計(jì)還包括確定機(jī)構(gòu)的幾何尺寸，計(jì)算動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)和工作空間，校驗(yàn)構(gòu)件是否在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉以及進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真。3） 機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。部件的設(shè)計(jì)和選用，包括主軸部件、桿件、鉸鏈以及支承部件的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要借助有限元分析和仿真反復(fù)優(yōu)化，以獲得滿意的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和熱性能。4） 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和標(biāo)定。將加工零件所需要的笛卡兒坐標(biāo)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的控制數(shù)據(jù)，是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要解決控制算法和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換等技術(shù)問(wèn)題。5） 樣機(jī)試制。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的樣機(jī)試制、標(biāo)定、補(bǔ)償和修正將與機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程本身聯(lián)系在一起，是機(jī)床性能優(yōu)化不可缺少的環(huán)節(jié)。主要部件的設(shè)計(jì)和選用一、主軸系統(tǒng)主軸是直接體現(xiàn)機(jī)床性能的關(guān)鍵部件。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床大多數(shù)采用內(nèi)裝變頻電動(dòng)機(jī)的主軸部件。它是一種機(jī)電一體化的功能部件，起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸是一體的，無(wú)需任何機(jī)械連接。改變供電的頻率，就可實(shí)現(xiàn)主軸調(diào)速，這種模塊化、系統(tǒng)化的功能部件稱為電主軸。Z3主軸部件二、桿件和鉸鏈1.桿件的分類：按桿件的長(zhǎng)度，可分為可變桿長(zhǎng)和固定桿長(zhǎng)。2.桿件的驅(qū)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和直線驅(qū)動(dòng)鉸鏈?zhǔn)沁B接桿件和動(dòng)平臺(tái)的構(gòu)件，起功能是提供繞某一運(yùn)動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)以及傳遞實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)所需的力，它可分為球鉸鏈和萬(wàn)向鉸鏈。桿件和萬(wàn)向鉸鏈三、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 桿件的位移是并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的