并聯(lián)機(jī)床專題講座并聯(lián)

關(guān)于并聯(lián)機(jī)床專題講座并聯(lián)第1頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

并聯(lián)機(jī)床（PMT,ParallelMachineTool）又稱并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器（PKMs,ParallelKinematicsMachine）或虛（擬）軸機(jī)床(VirtualAxisMachineTool)，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(shí)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2頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四與傳統(tǒng)機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床具有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴剛度重量比大：傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力；⑵精度高：并聯(lián)機(jī)床刀具的運(yùn)動(dòng)由各獨(dú)立支鏈的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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；⑶響應(yīng)速度快：運(yùn)動(dòng)部件慣性的大幅度降低，有效的改善了伺服控制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，允許動(dòng)平臺(tái)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)；⑷功能性強(qiáng)：并聯(lián)機(jī)床的主軸平臺(tái)可以具有3-6個(gè)自由度，能靈活地實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)，提供較強(qiáng)的加工、裝配、測(cè)量等能力；⑸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(jiǎn)單、部件少、重組性強(qiáng)，便于模塊化設(shè)計(jì)。具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，因此制造成本較低。第3頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、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(yùn)用于實(shí)踐，設(shè)計(jì)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(tái)和動(dòng)平臺(tái)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(tái)。并在1978年，由Hunt提出可以應(yīng)用Stewart平臺(tái)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(diǎn)，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(kāi)始認(rèn)識(shí)到并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要性。在隨后的十多年間，Hunt、Fichter、Gosselin等對(duì)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4頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究與開(kāi)發(fā)并聯(lián)機(jī)床非常重視，九十年代中期，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、瑞士、瑞典、日本等國(guó)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聯(lián)機(jī)床。1994年，美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上，美國(guó)Giddings&Lewis公司和Ingersoll公司展出了最早的兩臺(tái)并聯(lián)機(jī)床，如圖所示。

國(guó)內(nèi)從1995年由清華大學(xué)和天津大學(xué)共同開(kāi)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1.2Ingersoll公司的Haxapod圖1.1Giddings&Lewis公司的VARIAX

第5頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、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，而被廣泛的應(yīng)用于人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量作業(yè)、焊接、鉚接、土方挖掘、煤礦開(kāi)采、娛樂(lè)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6頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖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7頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖2.3Delta并聯(lián)機(jī)器人用于食品包裝機(jī)圖2.424個(gè)自由度的機(jī)器人手臂第8頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖2.6游戲動(dòng)感椅圖2.5并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于電子行業(yè)第9頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、并聯(lián)機(jī)床研究進(jìn)展1.并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)2.并聯(lián)機(jī)床精度與標(biāo)定3.并聯(lián)機(jī)床動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)6.并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程第10頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(jì)方法及新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新研究研究方向：Stewart平臺(tái)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(jì)的目的，為機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)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)用在工業(yè)機(jī)器人、微動(dòng)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(qǐng)多項(xiàng)發(fā)明專利，為開(kāi)發(fā)具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品提供保證。第11頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四兩維移動(dòng)一維轉(zhuǎn)動(dòng)三軸并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)

兩維移動(dòng)兩維轉(zhuǎn)動(dòng)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12頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(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(diǎn)決定其輸入和輸出運(yùn)動(dòng)之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、作業(yè)空間、誤差分析及運(yùn)動(dòng)控制中均涉及大量的非線性方程組求解?；诹餍卫碚摵蛿?shù)值連續(xù)算法,研究和開(kāi)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，可以直接搜索出一個(gè)非線性系統(tǒng)的解集邊界，計(jì)算速度快、效率高。已經(jīng)針對(duì)作業(yè)空間和機(jī)床運(yùn)動(dòng)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13頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Stewart平臺(tái)控制軸最短距離與刀具自轉(zhuǎn)角的關(guān)系第14頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(duì)XNZ2010進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)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(cè)量方法及其裝置開(kāi)發(fā)了適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)位置信息的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢量的標(biāo)定。研究了基于少自由度測(cè)量信息的標(biāo)定技術(shù)。第15頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鉸鏈間隙的誤差補(bǔ)償算法如果不考慮鉸鏈安裝誤差，補(bǔ)償率r=85.8%如果考慮鉸鏈安裝誤差的擾動(dòng)，補(bǔ)償率r=36.5%第16頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(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(shí)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(jì)提供了理論依據(jù)。3.并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)第17頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四VAMT1Y剛度分析（解析法）第18頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四位置O點(diǎn)A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)D點(diǎn)FEA結(jié)果0.05130.04850.05310.05670.0520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19頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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20頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四位置IIIIIIIVV理論結(jié)果91.29295.17080.02575.59386.5FEA結(jié)果87.93591.60077.36373.27183.188兩者比值1.0381.0391.0341.0321.040有限元模型XNZ63剛度有限元分析第21頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四用其他軟件進(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22頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖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23頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四XNZ63模態(tài)分析（有限元法）有限元模型一階頻率第24頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四表

位姿Ⅰ時(shí)機(jī)床低階頻率頻率(Hz)一階二階三階Ansys59.23959.23966.230結(jié)構(gòu)動(dòng)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25頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.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(dòng)力學(xué)模型。2.研究了并聯(lián)機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力解的非線性特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提出了相應(yīng)的最優(yōu)控制方法和策略。3.通過(guò)對(duì)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(jì)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(jì)。(4)非線性動(dòng)力學(xué)的研究第26頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)彈性動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)4.并聯(lián)機(jī)床切削性能與工藝第27頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(2)并聯(lián)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)加工性能影響規(guī)律的研究

研究?jī)?nèi)容：基于剛體動(dòng)力學(xué)建立并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型；采用數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真方法，研究并聯(lián)機(jī)床在運(yùn)行過(guò)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(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)模型；研究并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)不同加工過(guò)程的影響規(guī)律，以形成相應(yīng)的自動(dòng)推理模塊，保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性；研究并聯(lián)機(jī)床的振動(dòng)特性及其對(duì)加工精度的影響規(guī)律；建立并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)和分析,以驗(yàn)證理論研究的正確性，提出動(dòng)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(cè)量的實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理、分析，驗(yàn)證提高加工精度和穩(wěn)定性策略的正確性；通過(guò)對(duì)并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，從設(shè)計(jì)、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(jì)、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28頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四關(guān)鍵問(wèn)題：并聯(lián)機(jī)床動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律；并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性對(duì)加工精度、加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過(guò)動(dòng)力學(xué)特性的研究，給實(shí)際加工過(guò)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29頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5并聯(lián)裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)及快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)研究

并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)的主要目的是實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)床的快速設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，是一個(gè)為研究者提供并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)方法研究、工作性能分析等研究的平臺(tái)，也是為用戶提供并聯(lián)機(jī)床的作業(yè)效果、作業(yè)過(guò)程演示的平臺(tái)。

第30頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PMT-VPDS的基本框架

PMT-VPDS的基本框架第31頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四并聯(lián)機(jī)床數(shù)字化快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)啟動(dòng)界面第32頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第33頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四對(duì)話框3D模型性能概念設(shè)計(jì)第34頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、設(shè)計(jì)與仿真第35頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第36頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四正剛體動(dòng)力學(xué)第37頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四逆剛體動(dòng)力學(xué)第38頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彈性動(dòng)力學(xué)