李俊帅[1]2018年在《一种新型3UPS+1RPU混联机床的刚度与动态特性研究》文中研究说明混联机床同时具备串联、并联机床各自的优势,还可以解决单纯串联、并联机床所造成的局限性,因此是未来机床研究发展的一个重要方向。本文是以3UPS+1RPU并联机构作为混联机床的主体机构,然后将其串联到y轴方向的滑行导轨上,从而构建出一种新型的五自由度混联机床。首先,对各类型支链的特点和支链组成方式进行研究,并通过对几类支链组成方式比较,构造出一种新型3UPS+1RPU并联机构;运用螺旋理论分析讨论了该机构的自由度性质,然后运用修正的G-K公式求解得出自由度数目,在此基础上又选取了合理的主动输入副;最后构型出一种以3UPS+1RPU并联机构作为机床主体机构的五自由度混联机床。其次,运用旋转变换矩阵表达式表示出并联机构各个杆件坐标系之间的关系,从而求解得到位置反解;然后利用影响系数法来求解得出动平台中心点的速度、加速度表达式;并采用极限搜索法和基于MATLAB/SimMechanics的仿真法分别求解出该机构的可达工作空间;最后,采用雅可比代数法进行奇异性研究。然后,运用虚功原理法对3UPS+1RPU并联机构的动力学性能进行分析研究;通过ADAMS软件对该机构的运动学性能进行仿真研究,得知该机构具有较好的运动学性能;最后对该机构进行了动力学仿真研究,获得驱动电机各个参数随时间的变化曲线,为实际应用选取电机提供了理论参考。再次,对该混联机床进行刚度研究,首先构建该机床的有限元模型,通过仿真获得该混联机床在五种不同位姿下的变形云图与刚度值,通过对仿真结果进行分析得出了混联机床刚度随位姿变化的规律,并且找出了混联机床刚度的薄弱部位,这对于提高机床的加工精度具有重要的意义。最后,利用ANSYS软件进行模态分析,获得混联机床在不同位姿下的低阶固有频率与振型,并找到了机床易产生共振的部位;通过谐响应分析获得机床动平台的振动位移特性,并找出了该机床应避免的敏感频率范围。然后进行瞬态动力学分析,获得不同位姿下混联机床在冲击载荷作用下的变形量。最后得出结论:极限位姿下混联机床动态特性最差,所以在机床加工零件的过程当中,应尽量避免达到极限位置,从而使机床保持较好的动态特性。
郑魁敬[2]2004年在《新型五自由度并联机床机构学分析与控制系统开发》文中提出并联机床作为一种全新构型的机床,与传统数控机床形成很强的互补。随着并联机床技术的进一步发展,少自由度并联机床逐渐显示出应有的潜力。5-UPS/PRPU五自由度并联机床是基于本课题组发明的新型少自由度5-UPS-X系列并联机床机构(专利公开号为 1371786)研制的,本文对该并联机床的基础理论和关键技术进行研究,主要包括以下几方面:提出一种可以实现叁维移动和两维转动的新型 5-UPS/PRPU 五自由度并联机床机构。利用运动螺旋理论和 D-H 参数法,确定了 PRPU 分支在运动中将始终约束动平台绕自身法线的转动,并求解出该分支关节变量与动平台位姿参数之间简单的解析运算关系,提出利用中间分支实时检测动平台位姿的方案。分析了机床的位置反解和速度正反解,推导了位置反解公式和速度公式,建立了适用于该机床的 5× 5雅可比矩阵,验证了并联机床的关节空间和工作空间之间的速度映射为一对一映射。最后对机床的工作空间、奇异性和灵巧性等运动学性能进行了描述。分析了机床动平台在静态时的受力情况,建立了静力平衡方程,得到了静力传递矩阵,推导出作用在动平台上的 6 维外力负载与 5 个驱动力以及中间分支约束力偶矩的映射关系。研究了机床主要构件的运动情况,建立了各构件运动速度与机床驱动轴运动速度的映射关系,推导了各构件的外力及其所产生的等效驱动力,利用虚功原理建立了反映机床驱动力与运动参数之间关系的动力学解析方程。为并联机床开发了“嵌入式 NC”模式的双 CPU 数控系统,系统硬件采用开放式结构,由“工控 PC 机+运动控制卡 PMAC”构成。基于 Windows 平台开发的控制软件采用功能模块化设计方法,实现了机床的基本控制功能。研究了刀位轨迹粗插补、虚实映射变换、驱动轴速度控制及机床刀具位姿检测等机床运动控制算法。参与研制了新型五自由度并联机床样机,并对机床进行了调试和加工实验。机床在加工过程中运动平稳,可操作性好,噪音低,振动小,实验结果表明该机床可实现复杂曲面的加工,验证了理论分析的正确性,基本达到了设计要求。
鲁岩[3]2017年在《一种大摆角五轴联动混联机床的构型设计及性能分析》文中认为和传统的串联机床对比,并联机床有较高的刚度重量比、响应速度快、加工精度也比普通的机床要高、而且它的柔性较好,同时也具有机构工作空间狭小、灵活程度低、加工范围窄的缺点,因而在一定程度上阻碍了其在工程领域的应用和发展。混联机床兼有并、串联机床的优点,同时也避免了各自构型的劣势,已成为并联机床未来发展的一种趋势。考虑到并联机构与串联机构在构型方面有着对偶的关系,将二者进行合理的组合,提出一种由空间叁自由度并联机构和二自由度运动平台构成的混联机构新构型,并将该构型作为机床的本体构建了一种大摆角五轴联动混联机床,在此基础上,对其运动学、动力学以及误差精度等工作性能进行了深入的研究与分析,解决了现有并/混联机床在保证刚度前提下刀具摆角受限的问题,有效拓展了刀具的工作空间。主要研究内容如下:1、对大摆角五轴联动混联机床的构型设计进行了分析。针对传统并联机构在高刚度下摆角受限的缺点,提出一种由空间叁自由度混联机构和二自由度运动平台构成的五轴联动混联机床构型,运用螺旋理论对机构的运动原理及其自由度进行了分析,利用一种基于螺旋系线性相关性和约束反螺旋概念的判别法对各个驱动杆件的驱动合理性进行了判别。结果表明,本文提出的大摆角五轴联动混联机床的构型,可实现五自由度运动,且结构合理、并联模块属于少自由度的构型,各杆件运动驱动合理。2、对大摆角五轴联动混联机床的运动学性能进行了研究。首先运用闭环矢量法对并联模块进行运动学建模,对刀具位姿参数进行解耦性分析,获得了其位置逆解,在此基础上,分别运用数值法和神经网络法分析机床驱动角的位置正解,基于运动影响系数对速度和加速度进行运动学仿真分析,采用数值搜寻法,以位置逆解为条件来求得机床刀具加工的空间。通过mat lab数值算例,对以上结果进行了仿真分析验证。研究表明,该机床的加工稳定性良好,工作空间相对较大,摆角可达(7)-40~90(8)??范围,且加工过程中未发生奇异点现象。3、对大摆角五轴联动混联机床的动力学性能进行研究。以驱动分支运动和动平台运动之间的映射关系为基础,采用凯恩方法分别对各个驱动杆件和动平台进行动力学建模给出了机床并联模块的动力学方程,对凯恩方程进行求解分析。运用Adams、mat lab等仿真软件对机床进行动力学模拟仿真研究,分析机床各个驱动杆件以及动平台的受力情况,验证了理论分析的准确性。研究表明机床各个驱动杆受力合理,动平台工作性能良好。4、对大摆角五轴联动混联机床虚拟样机的操作误差进行研究与分析。将机床并联模块的各个驱动支链作为假定的单开支链,采用误差独立作用原理建立并联模块的误差模型,求出杆长误差、滑块上铰接点位置误差、动平台铰接点位置误差与机床动平台位置误差的映射关系。经过对模拟仿真算例的运算,分析误差影响因子对机床动平台运动精度的影响规律。结果表明,该机床的结构及其尺寸参数符合机械加工的精度需要,动平台的输出误差处于合理范围,该误差模型的创建为该机床的结构优化设计以及误差补偿提供了理论依据。
杨斌久[4]2005年在《少自由度并联机床约束链的若干问题研究》文中研究指明并联机床也称之为并联机器人机床，它是并联机器人技术在机床制造领域成功应用的范例。自1994年9月GINNINGS&LEWIS公司在美国芝加哥国际展览会上展出“VARIAS”样机以来，它从一出现就受到国内外众多学者的关注。在短短的10多年时间里，人们对并联机床的研究不断向纵深发展。并联机床技术已经从理论研究走向实际应用，而少自由度并联机床是近年来并联机床研究中的一个热点问题。国内外对少自由度并联机床的基础理论和应用研究，目前还很不充分。 本文是在国家“八六叁”高新技术计划资助项目(863-512-30-07)——钢坯修磨机器人技术开发、国家自然科学基金(59875012)——叁杆五自由度机器人化机床理论及样机研究等项目研究工作的基础上，针对少自由度并联机床的特点，就少自由度并联机床的构型设计、自由度配置、运动轨迹规划及仿真、动力学特性及动态仿真、静力分析及仿真、静刚度分析及仿真等方面进行了系统深入的研究。 (1) 综述了少自由度并联机床国内外研究发展现状，以及关键技术的研究进展，指出少自由度并联机器人理论及应用领域有待深入开展的研究方向。阐明了本课题研究的目的及意义。 (2) 研究了少自由度并联机床的构型设计方法及其约束链配置，论述了并联机床各分支链的运动约束对运动平台自由度的影响，提出了主动链和约束链的概念。在此基础上讨论了如何根据并联机床的自由度要求，确定约束链机构形式和各主动链运动副型式的问题。 (3) 讨论了各支链的自由度同关节自由度的关系，以及确定约束链机构和各主动链分支杆的关节型式等问题，提出了少自由度并联机床的自由度配置方法。 (4) 对东北大学研制的3-TPT并联机床，分析了其约束链对机床运动及动力学特性的影响，并在ADAMS机械动力学仿真软件上建立了仿真运动模型。获得了有关运动学及动力学特性曲线，为机器人机构设计和动力性能分析开辟了一条新路，解决了运动
田小静[5]2003年在《新型五自由度并联机床的运动学设计及工作空间分析》文中研究指明本文详细分析了有关并联机床研究技术的国内外发展状况，对新型五自由度(5-UPS/PRPU)并联数控机床的结构、运动学、机构参数设计等一系列问题进行了比较深入和系统的分析。基于并联机构学理论讨论了这种并联机构型式的结构新颖性，通过定性分析为并联机床的样机进行了结构定型。同时分别以动平台中心点及刀尖点为参考点对该并联机床进行了运动学反解分析，使以刀尖点为参考点进行工作空间的搜索成为可能，使反解分析对于实际的并联机床更具有意义。通过分析得出本机床五个独立参数表示的五个自由度，并用螺旋理论进行了验证。几何约束是影响并联机床工作空间的主要因素，本文考虑了杆长约束、球铰最大摆角约束及构件之间的干涉约束。主要对干涉约束进行了详细的分析与计算，提出了一种计算电主轴与驱动杆之间干涉的方法。定义了灵活刀具倾斜角，基于此定义对工作空间进行了降维描述，实现了以刀尖点为参考点的灵活工作空间的二维、叁维描述，应用数值方法求解了工作空间分布图。研究了并联机床主要机构参数对工作空间的影响。本文的研究结果为并联机床主要机构参数的确定提供了有力的依据。
冯帅旗[6]2016年在《一种新型5-DOF并联机床的设计》文中研究表明并联机床作为一种全新的机床构型,与传统的数控机床形成了很强的互补。伴随着并联机床的不断发展,本文提出了一种新型5-DOF并联机床,并对其进行了性能分析和方案设计。介绍并联机床的结构布局特点,并计算该机构的自由度。推导出该并联机床的位置正反解方程,并给出数值算例,验证所推导公式的准确性。基于位置反解及其结构约束,绘制这种并联机床的姿态和位置工作空间,分析各结构参数对工作空间大小的影响情况。基于位置反解推导出该新型5-DOF并联机床速度雅克比矩阵和力雅克比矩阵,并分别定义该并联机床的各项运动传递性能评价指标,绘制各运动传递性能评价指标在工作空间内的分布规律。为这种新型5-DOF并联机床的设计、控制及应用提供了理论基础。定义该并联机床的全域运动学综合传递性能指标、全域静力学综合传递性能指标,对该并联机床进行了参数设计。最后根据参数设计,给出该并联机床一组合理的结构设计方案。本文所研究的这种新型5-DOF并联机床的结构形式,具有结构简单,装配工艺性好,运动解耦,易于加工安装等优点,解决了以往并联机床结构和装配工艺性差的问题,为并联机床提供了一种新的构型。
彭斌彬[7]2002年在《新型五自由度五轴数控并联卧式机床运动学设计方法研究》文中认为本文对一种新型五自由度五轴并联卧式数控机床进行了系统地分析。 由于五轴并联机床的运动的特殊性，本文提出一种双平行四边形机构用于理解其运动。通过分析并联机床的可操作性，发现了并联机床具有两个特性：一致性和对称性，并从并联机床的结构特点解释了产生这两特性的原因，这两个特性极大地方便了我们对新型五自由度五轴并联卧式数控机床的分析。 基于对机器人运动的工作空间的重新定义，本论文提出了一套并联机床的设计方法，并用该方法确定了并联机床的一些结构参数。同时利用机床的一致性特性和重新定义的机器人工作空间的概念，采用一种新的方法描述了并联机床的工作空间，得到了很多具有实用价值的工作空间分布图。 通过分析并联机床的奇异位形，发现其奇异位形也具有一定的特性，利用这些特性，可以大大减少对并联机床奇异位形分析的工作量。 由于铰链约束的存在，论文中讨论了几种铰链的安装方式，同时还提出一些新型铰链结构用于改善传统的铰链结构。最后建立了一个支链间干涉模型，对并联机床的支链干涉情况进行了分析。
秦磊[8]2010年在《新型四自由度并联工作台的研究》文中研究指明并联机床是并联机构与现代机床技术相结合的产物,通常情况下,它通过若干根杆将上下平台连接而形成。这些杆可以是定长的也可以是可伸缩的,但他们都是通过其两端的球铰或者虎克铰与上下平台相连接。这样上平台可以实现叁至六个自由度的运动。四自由度并联工作台是并联机床的一种,它与传统的数控机床相比具有结构简单、刚度大、质量轻、响应快,特别是很容易实现四杆联动等一些优点,而且它便于加工一些复杂的叁维曲面,且其加工精度和加工粗糙度都直接由控制程序来保证,因此它的硬件成本很低,同时具有较高附加值。为了避免六自由度并联机构存在的制造成本高、工作空间与外形尺寸比不合理等缺点,根据当前国内外并联机构的结构形式及它们的优缺点本文提出了一种新型工作台。并对这种新型四自由并联工作台的结构形式、工作空间、运动学分析和刚度等问题进行分析。首先,对工作台的工作空间及运动学进行研究。对工作台进行运动建模,并在模型上建立坐标系,然后利用旋转矩阵找出工作台的动平台和机架之间的关系。从而推导出动平台四个铰链相对于机架的坐标,根据这些坐标和杆长的关系写出工作台工作空间的运动学方程,最终可以得到并联工作台的运动空间正解。其次,对工作台的刚度进行分析。少自由度并联机构承载能力、动力学、奇异位形等方面的研究和并联机构的刚度都有很大的联系,对于机构的刚度研究都具有重要意义。本文将通过建立刚度矩阵的矩阵方程来分析工作台的刚度以及工作台的结构参数对其刚度的影响。最后,对工作台进行实体仿真。并联工作台的运动是一种空间运动,其运动学计算复杂且工作空间很难想象。因此,有必要建立适当的模型并进行仿真,使机构的运动可视化。通过仿真我们可以在工作台实际制造出来之前在计算机上看到仿真模拟出的机构的模型特征和运动特征,看到机构运动是否有干涉。这样在设计过程中的错误可以被检查出来,从而降低开发研制费用。本课题中将采用PRO/E建立机床的部件模型并在ADAMS中对机构进行装配和定义约束条件,并通过对工作台进行运动分析时得到的数据对机构进行驱动,进而完成工作台的运动仿真过程。
高建设[9]2006年在《新型五自由度并联机床驱动输入选择与运动学标定研究》文中认为并联机构驱动输入选择问题是机构学基本而重要的问题。驱动输入选择的合理与否对并联机构的运动性能有非常重要的影响,如果选择不当将可能导致十分严重的后果。并联机床的加工精度问题是目前限制并联机床商业化、产业化主要瓶颈。而运动学标定是提高并联机床加工精度的最经济而有效的手段。本文对5-UPS/PRPU 5自由度并联机床的驱动输入及运动学标定进行了深入研究,主要研究内容如下:基于约束螺旋的相关性,对5-UPS/PRPU并联机床进行了驱动输入选择研究。在5-UPS/PRPU并联机床中共有6个P副可以方便做主动副,由于该机床只有5个自由度,所以对于该机床来说共有6种驱动输入组合。分别假设将各输入组合中对应的运动副刚化后,重新确定分支约束螺旋,再把各分支约束螺旋组成约束螺旋系。如果约束螺旋系的秩为6,则采用该种驱动输入组合合理,否则不合理。选择结果表明在5-UPS/PRPU并联机床中存在5种合理驱动输入组合。将约束力/力矩矩阵的最小奇异值与最大奇异值之比定义为约束力/力矩各向同性度,并以此为指标对各驱动输入组合的优劣性进行评价。然后,让动平台做叁种典型运动并利用数学计算软件分别计算各种情况下各种驱动输入组合的优劣性,最后用动力学仿真软件分别对采用各种合理驱动输入组合时机床对外部驱动力的需求情况进行研究。最终结果表明以5个UPS分支中的P副为主动副的驱动输入组合是最优组合。对影响并联机床精度的误差来源及提高精度的措施进行分析,结合5-UPS/PRPU并联机床的PRPU分支能够对动平台的位姿进行检测这一特点,提出了两种标定算法。第一种是两步法,首先对PRPU分支进行运动学标定,然后利用该分支对动平台的位姿进行准确测量,再利用UPS分支的运动学反解为约束条件,建立运动学标定模型。第二种是总体标定法,直接控制动平台变换8个位姿,利用PRPU分支的正解和UPS分支的反解建立包括PRPU分支和5个UPS分支全部运动学参数的标定模型。并将遗传算法应用于实际并联机床标定模型的参数辨识,避免了常用辨识方法所必需的复杂的偏导计算,简化了标定算法。设计了一种适合5-UPS/PRPU并联机床用的非接触式回零开关,提出了两步回零法实现该并联机床的回零功能。该方法先控制各驱动杆运动到校准位置,然后以校准杆长刷新当前杆长;再控制各杆运动到零点杆长,从而使并联机床回到零位。实验证明该回零方法可靠、便捷。开发了5-UPS/PRPU并联机床标定控制系统,并利用此系统完成了对该机床的运动学标定实验,检测了标定前后机床的定位精度,结果表明标定后机床的定位精度得到了显着提高,证明了论文所提出的标定算法的有效性。
尹红梅[10]2013年在《3-RPS并联机床运动学分析》文中进行了进一步梳理随着数控机床技术的发展,并联机床作为一种新型机床已经应用于许多重要领域。鉴于实际应用的需要,少自由度并联机床一度成为研究热点。3-RPS并联机床具有结构刚度高,响应速度快,叁杆并联驱动,利于实时控制等优点,在少自由度并联机床中具有代表意义。运动学分析是机构分析的重要组成部分,是机构动力学分析、控制分析、误差分析等环节的重要基础。本课题针对先进制造与自动化研究所自主研制的3-RPS并联机床进行运动学分析,提供前期的运动性能评估,并为后续控制提供依据。首先建立了3-RPS并联机床的运动学模型,分析机构的自由度与独立位姿参数；采用两种方法分析运动学逆解,并在第二种逆解分析法的基础上分析位置正解；在逆解模型的基础上借助MATLAB编程搜索得到工作空间,并编程得到工作空间的体积,进一步得到该机构的应用范围。其次详细分析了3-RPS并联机床雅可比矩阵的求解方法,并指出用现有雅可比矩阵分析方法分析并联机床的运动性能的局限性。在前人的基础上,对矢量构造法加以改进,得到的雅可比矩阵能较为科学地进行灵巧度与奇异性评价。然后借助雅可比矩阵,针对工作空间的特点进行灵巧度与奇异性分析,并且结合机床的工作空间特点与灵巧度指标分析了机构的运动性能,为更科学地评价该机构的运动性能提供依据。最后借助SimMechanics对3-RPS并联机床进行叁维实体仿真,实时观察机构的响应速度,验证对工作空间和灵巧度分析的正确性,为后续轨迹规划与结构优化提供依据。
参考文献：
[1]. 一种新型3UPS+1RPU混联机床的刚度与动态特性研究[D]. 李俊帅. 中北大学. 2018
[2]. 新型五自由度并联机床机构学分析与控制系统开发[D]. 郑魁敬. 燕山大学. 2004
[3]. 一种大摆角五轴联动混联机床的构型设计及性能分析[D]. 鲁岩. 中北大学. 2017
[4]. 少自由度并联机床约束链的若干问题研究[D]. 杨斌久. 东北大学. 2005
[5]. 新型五自由度并联机床的运动学设计及工作空间分析[D]. 田小静. 燕山大学. 2003
[6]. 一种新型5-DOF并联机床的设计[D]. 冯帅旗. 浙江工业大学. 2016
[7]. 新型五自由度五轴数控并联卧式机床运动学设计方法研究[D]. 彭斌彬. 燕山大学. 2002
[8]. 新型四自由度并联工作台的研究[D]. 秦磊. 兰州理工大学. 2010
[9]. 新型五自由度并联机床驱动输入选择与运动学标定研究[D]. 高建设. 燕山大学. 2006
[10]. 3-RPS并联机床运动学分析[D]. 尹红梅. 东北大学. 2013
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