并聯(lián)機(jī)床專題講座并聯(lián)

1、關(guān)于并聯(lián)機(jī)床專題講座并聯(lián)第一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 并聯(lián)機(jī)床（PMT, Parallel Machine Tool）又稱并聯(lián)運動學(xué)機(jī)器（PKMs, Parallel Kinematics Machine）或虛（擬）軸機(jī)床(Virtual Axis Machine Tool)，是并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，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)）。它能夠提供機(jī)器人的靈活與柔性，又具有機(jī)床的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機(jī)電設(shè)備。 第二張，PPT共四

2、十五頁，創(chuàng)作于2022年6月與傳統(tǒng)機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床具有如下優(yōu)點： 剛度重量比大：傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力； 精度高：并聯(lián)機(jī)床刀具的運動由各獨立支鏈的進(jìn)給驅(qū)動共同提供，不存在串聯(lián)的誤差積累，理論上比串聯(lián)機(jī)床容易達(dá)到較高的精度； 響應(yīng)速度快：運動部件慣性的大幅度降低，有效的改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì)，允許動平臺獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適用于各種高速數(shù)控作業(yè)； 功能性強(qiáng)：并聯(lián)機(jī)床的主軸平臺可以具有3-6個自由度，能靈活地實現(xiàn)空間姿態(tài)，提供較強(qiáng)的加工、裝配、測量等能力； 結(jié)構(gòu)靈活、成本低：并聯(lián)機(jī)床構(gòu)型多樣、結(jié)構(gòu)簡單、部件少、重組性強(qiáng)，便

3、于模塊化設(shè)計。具有“硬件”簡單，“軟件”復(fù)雜的特點，因此制造成本較低。第三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)想可以追溯到1895年，但直到1948年才由Gough真正將并聯(lián)機(jī)構(gòu)運用于實踐，設(shè)計出一種輪胎操作機(jī)。1965年，Stewart首次提出一種6條腿連接靜平臺和動平臺的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，作為飛行模擬器，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)被稱之為平臺。并在1978年，由Hunt提出可以應(yīng)用Stewart平臺作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 進(jìn)入八十年代以后，隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的發(fā)展，機(jī)器人的研究逐漸成為熱點，工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)向著多樣化的方向發(fā)展。人們開始認(rèn)識到并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動結(jié)構(gòu)的重要性。在隨后

4、的十多年間，Hunt、Fichter、Gosselin等對并聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了不少研究成果。如由Clavel在1986年提出的DELTA機(jī)構(gòu)、由Pierrot在1991年提出的Hexa機(jī)構(gòu)、由Herve在1992年提出的Star機(jī)構(gòu)、由Tsai在1996年提出的Tsai機(jī)構(gòu)和由Hebsacker在1999年提出的Hexi-glide機(jī)構(gòu)等等第四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月目前，國際學(xué)術(shù)界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機(jī)床非常重視，九十年代中期，美國、英國、德國、俄羅斯、瑞士、瑞典、日本等國家的有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和機(jī)床廠家紛紛推出具有不同結(jié)構(gòu)形式和功能特性的并

5、聯(lián)機(jī)床。1994年，美國芝加哥國際機(jī)床博覽會上，美國Giddings& Lewis 公司和Ingersoll公司展出了最早的兩臺并聯(lián)機(jī)床，如圖所示。國內(nèi)從1995年由清華大學(xué)和天津大學(xué)共同開始研究并聯(lián)機(jī)床，并于1997年研制成功了VAMT1Y型桁架式六軸并聯(lián)機(jī)床原型樣機(jī)。東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等在其后分別推出了結(jié)構(gòu)各異的并聯(lián)機(jī)床。圖1.2 Ingersoll公司的Haxapod圖1.1 Giddings& Lewis 公司的VARIAX第五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的深入，并聯(lián)類構(gòu)型已不僅僅局限于并聯(lián)機(jī)床等加工類設(shè)備，而被廣泛

6、的應(yīng)用于人們生產(chǎn)和生活的各個方面，如航空航海領(lǐng)域、加工制造、裝配領(lǐng)域、輕工業(yè)領(lǐng)域和醫(yī)療器械領(lǐng)域、特種加工、微動機(jī)構(gòu)、測量作業(yè)、焊接、鉚接、土方挖掘、煤礦開采、娛樂設(shè)施、天文望遠(yuǎn)鏡、機(jī)器人手臂和靈巧眼等很多方面。第六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于醫(yī)療器械圖2.2 飛行模擬器第七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2.3 Delta并聯(lián)機(jī)器人用于食品包裝機(jī)圖2.4 24個自由度的機(jī)器人手臂第八張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2.6 游戲動感椅圖2.5 并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于電子行業(yè)第九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、并聯(lián)機(jī)床研究進(jìn)展1.

7、并聯(lián)機(jī)床運動學(xué)2. 并聯(lián)機(jī)床精度與標(biāo)定3. 并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)4. 并聯(lián)機(jī)床切削性能與工藝5. 并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化快速開發(fā)平臺6. 并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程第十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 并聯(lián)機(jī)床運動學(xué)一種空間三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu) (1) 基于空間模型理論的并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法及新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新研究研究方向：Stewart平臺等6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向少自由度和串并混聯(lián)的機(jī)構(gòu)。研究少自由度機(jī)構(gòu)尺寸和性能之間的關(guān)系，進(jìn)一步研究機(jī)器人的性能隨尺寸變化的一般規(guī)律，從而達(dá)到依據(jù)性能圖譜進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計的目的，為機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計這一難題提供了一條有效途徑。 提出了多種有重要應(yīng)用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這些并聯(lián)機(jī)構(gòu)可廣泛地應(yīng)用在

8、工業(yè)機(jī)器人、微動機(jī)器人、少自由度飛行模擬器和并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域，已經(jīng)申請多項發(fā)明專利，為開發(fā)具有中國知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品提供保證。第十一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月兩維移動一維轉(zhuǎn)動三軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu) 兩維移動兩維轉(zhuǎn)動四軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu) 一種四自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu) 第十二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 非線性方程組解集邊界求解算法 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點決定其輸入和輸出運動之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此在機(jī)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)、作業(yè)空間、誤差分析及運動控制中均涉及大量的非線性方程組求解。 基于流形理論和數(shù)值連續(xù)算法,研究和開發(fā)了一種含參數(shù)的非線性方程組的解集邊界求解算法，可以直接搜索出

9、一個非線性系統(tǒng)的解集邊界，計算速度快、效率高。已經(jīng)針對作業(yè)空間和機(jī)床運動精度建立了數(shù)學(xué)模型。XNZ2010 作業(yè)空間的邊界 l1=l2=1150l1=l2=1200l1=l2=1250第十三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Stewart平臺控制軸最短距離與刀具自轉(zhuǎn)角的關(guān)系第十四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月對XNZ2010進(jìn)行標(biāo)定試驗2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度和標(biāo)定技術(shù)的研究一種用于空間全位置和姿態(tài)的測量方法及其裝置開發(fā)了適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的并聯(lián)機(jī)構(gòu)預(yù)標(biāo)定算法；利用單自由度的相對位置信息的測量，實現(xiàn)了基礎(chǔ)平臺鉸鏈點位置矢量的標(biāo)定。研究了基于少自由度測量信息的標(biāo)定技術(shù)。第十五張，PP

10、T共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月鉸鏈間隙的誤差補償算法如果不考慮鉸鏈安裝誤差，補償率 r = 85.8 %如果考慮鉸鏈安裝誤差的擾動，補償率r = 36.5% 第十六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(1) 并聯(lián)機(jī)床剛度分析利用解析法和有限元法，研究了并聯(lián)機(jī)床的剛度特性及其分布規(guī)律，兩種結(jié)果的誤差小于15，證實了剛度模型的可靠性和準(zhǔn)確性，為基于剛度的并聯(lián)機(jī)床設(shè)計提供了理論依據(jù)。3. 并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)第十七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月VAMT1Y 剛度分析（ 解析法）第十八張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月位置O點A點B點C點D點FEA結(jié)果0.05130.04850

11、.05310.05670.0520理論結(jié)果0.05050.04760.05260.05620.0513兩者比值0.9840.9810.9910.9910.987有限元模型VAMT1Y 剛度有限元分析第十九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月XNZ63剛度理論分析（a） 沿x方向的剛度 （b） 沿y方向的剛度（c） 沿z方向的剛度圖 機(jī)架變形占總變形的比值x方向的剛度 Y方向的剛度 Z方向的剛度 機(jī)架變形占總變形的比值 第二十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月位置IIIIIIIVV理論結(jié)果91.29295.17080.02575.59386.5FEA結(jié)果87.93591.60077

12、.36373.27183.188兩者比值1.0381.0391.0341.0321.040有限元模型XNZ63 剛度有限元分析第二十一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月用其他軟件進(jìn)行剛度分析 基于Admas軟件的剛度分析 基于ideas軟件的有限元分析 第二十二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2-5XNZ63線框模型圖XNZ63的模態(tài)分析模型（解析法） 機(jī)床1、2、3階頻率分布(2)并聯(lián)機(jī)床模態(tài)分析第二十三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月XNZ63模態(tài)分析（有限元法）有限元模型一階頻率第二十四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月表 位姿時機(jī)床低階頻率頻率(H

13、z)一階二階三階Ansys59.23959.23966.230結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程66.39766.39771.128相差12.1%12.1%7.4%解析法和有限元法結(jié)果比較第二十五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 采用牛頓-歐拉法構(gòu)造出了多種并聯(lián)機(jī)床的非線性動力學(xué)模型。2. 研究了并聯(lián)機(jī)床在運行過程中驅(qū)動力解的非線性特性和運動規(guī)律，并提出了相應(yīng)的最優(yōu)控制方法和策略。3. 通過對并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的理論研究，從并聯(lián)機(jī)床設(shè)計方面提出了合理化改進(jìn)或指導(dǎo)方案，并已成功應(yīng)用于新型大型龍門式五坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床商品化樣機(jī)設(shè)計。(4)非線性動力學(xué)的研究第二十六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(1

14、)彈性動力學(xué)響應(yīng)（XNZ63）給定規(guī)律的切削力下機(jī)床系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)4. 并聯(lián)機(jī)床切削性能與工藝第二十七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)并聯(lián)機(jī)床動態(tài)特性及其對加工性能影響規(guī)律的研究 研究內(nèi)容：基于剛體動力學(xué)建立并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)模型；采用數(shù)值計算和計算機(jī)仿真方法，研究并聯(lián)機(jī)床在運行過程中刀具處于不同位置、姿態(tài)以及承受不同載荷情況下剛度的非線性特性和變化規(guī)律；研究并聯(lián)機(jī)床剛度特性對加工精度的影響規(guī)律；考慮到并聯(lián)機(jī)床的分布參數(shù)效應(yīng)、系統(tǒng)的內(nèi)阻尼、鉸鏈、軸的彎扭耦合效應(yīng)、不平衡、剛度不對稱以及其它非線性因素的影響，構(gòu)造并聯(lián)機(jī)床彈性體系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型；研究并聯(lián)機(jī)床的動力學(xué)特性對不同加工

15、過程的影響規(guī)律，以形成相應(yīng)的自動推理模塊，保證加工過程的穩(wěn)定性；研究并聯(lián)機(jī)床的振動特性及其對加工精度的影響規(guī)律；建立并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)特性實驗和監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行動力學(xué)特性的實驗監(jiān)測和分析,以驗證理論研究的正確性，提出動力學(xué)模型的修正方案；建立并聯(lián)機(jī)床切削力和精度測量的實驗和監(jiān)測系統(tǒng)，測取相關(guān)實驗數(shù)據(jù)并處理、分析，驗證提高加工精度和穩(wěn)定性策略的正確性；通過對并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的理論與實驗研究，從設(shè)計、控制策略等方面提出合理化改進(jìn)或指導(dǎo)方案，以利于提高機(jī)床的精度、剛度和穩(wěn)定性等性能和指標(biāo)，為新型并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計、制造、推廣以及提高加工精度和可靠性等方面的研究提供理論基礎(chǔ)和相關(guān)的模塊化軟件系統(tǒng)。第二十八張，P

16、PT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月關(guān)鍵問題：并聯(lián)機(jī)床動力學(xué)模型的建立；高效算法的研究；并聯(lián)機(jī)構(gòu)的非線性特性和運動規(guī)律；并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性對加工精度、加工過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過動力學(xué)特性的研究，給實際加工過程提出相應(yīng)的控制策略和相關(guān)的模塊化軟件系統(tǒng)。 第二十九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5 并聯(lián)裝備數(shù)字化設(shè)計技術(shù)及快速開發(fā)平臺研究 并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化快速開發(fā)平臺的主要目的是實現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床的快速設(shè)計和開發(fā)，是一個為研究者提供并聯(lián)機(jī)床設(shè)計方法研究、工作性能分析等研究的平臺，也是為用戶提供并聯(lián)機(jī)床的作業(yè)效果、作業(yè)過程演示的平臺。 第三十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月PMT-VPDS的基本框架 PMT-VPDS的基本框架第三十一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化快速開發(fā)平臺啟動界面第三十二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月對話框3D模型性能概念設(shè)計第三十四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月運動學(xué)分析、設(shè)計與仿真第三十五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計第三十六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月正剛體動力學(xué)第三十七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月逆剛體動力學(xué)第三十八張，PPT共四