并联机床专题讲座并联精选PPT.ppt

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1、关于并联机床专题讲座并联第1页，讲稿共45张，创作于星期日 并联机床（PMT,Parallel Machine Tool）又称并联运动学机器（PKMs,Parallel Kinematics Machine）或虚（拟）轴机床(Virtual Axis Machine Tool)，是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床（可以完成机床的切削任务），又可以看作是机床化的机器人（可以完成许多精密的机器人作业）。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的新型机电设备。第2页，讲稿共45张，创作于星期日与

2、传统机床相比，并联机床具有如下优点：刚刚度度重重量量比比大大：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；精精度度高高：并联机床刀具的运动由各独立支链的进给驱动共同提供，不存在串联的误差积累，理论上比串联机床容易达到较高的精度；响响应应速速度度快快：运动部件惯性的大幅度降低，有效的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，因而特别适用于各种高速数控作业；功功能能性性强强：并联机床的主轴平台可以具有3-6个自由度，能灵活地实现空间姿态，提供较强的加工、装配、测量等能力；结结构构灵灵活活、成成本本低低：并联机床构型多样、结构简单、部件少、重

3、组性强，便于模块化设计。具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，因此制造成本较低。第3页，讲稿共45张，创作于星期日一、并联机构的发展 并联机构的构想可以追溯到1895年，但直到1948年才由Gough真正将并联机构运用于实践，设计出一种轮胎操作机。1965年，Stewart首次提出一种6条腿连接静平台和动平台的6自由度并联机构，作为飞行模拟器，该并联机构被称之为平台。并在1978年，由Hunt提出可以应用Stewart平台作为机器人机构。进入八十年代以后，随着工业机器人应用的发展，机器人的研究逐渐成为热点，工业机器人结构向着多样化的方向发展。人们开始认识到并联机构运动结构的重要性。在随后的十多

4、年间，Hunt、Fichter、Gosselin等对并联机器人和并联机构的理论进行了广泛深入的研究，取得了不少研究成果。如由Clavel在1986年提出的DELTA机构、由Pierrot在1991年提出的Hexa机构、由Herve在1992年提出的Star机构、由Tsai在1996年提出的Tsai机构和由Hebsacker在1999年提出的Hexi-glide机构等等第4页，讲稿共45张，创作于星期日目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，九十年代中期，美国、英国、德国、俄罗斯、瑞士、瑞典、日本等国家的有关研究机构和机床厂家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床。1994年

5、，美国芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings&Lewis 公司和Ingersoll公司展出了最早的两台并联机床，如图所示。国内从1995年由清华大学和天津大学共同开始研究并联机床，并于1997年研制成功了VAMT1Y型桁架式六轴并联机床原型样机。东北大学、哈尔滨工业大学、天津大学等在其后分别推出了结构各异的并联机床。图图1.2 Ingersoll1.2 Ingersoll公司的公司的HaxapodHaxapod图图1.1 Giddings&Lewis 1.1 Giddings&Lewis 公司的公司的VARIAXVARIAX第5页，讲稿共45张，创作于星期日二、并联机构的应用 随着并联机

6、构技术应用的深入，并联类构型已不仅仅局限于并联机床等加工类设备，而被广泛的应用于人们生产和生活的各个方面，如航空航海领域、加工制造、装配领域、轻工业领域和医疗器械领域、特种加工、微动机构、测量作业、焊接、铆接、土方挖掘、煤矿开采、娱乐设施、天文望远镜、机器人手臂和灵巧眼等很多方面。第6页，讲稿共45张，创作于星期日图图2.1 2.1 并联机构用于医疗器械并联机构用于医疗器械图图2.2 飞行模拟器飞行模拟器第7页，讲稿共45张，创作于星期日图图2.3 Delta并并联联机机器器人人用用于于食食品品包包装机装机图图2.4 24个自由度的机器人手臂个自由度的机器人手臂第8页，讲稿共45张，创作于星期

7、日图图2.6 2.6 游戏动感椅游戏动感椅图图2.5 并联机构应用于电子行业并联机构应用于电子行业第9页，讲稿共45张，创作于星期日三、并联机床研究进展并联机床研究进展1.并联机床运动学2.并联机床精度与标定3.并联机床动力学4.并联机床切削性能与工艺5.并联机床数字化快速开发平台6.并联机床产业化进程第10页，讲稿共45张，创作于星期日1.并联机床运动学并联机床运动学一种空间三自由度并联机器人机构一种空间三自由度并联机器人机构(1)基于空间模型理论的并联机构设计方法及新机构的创新研究研研究究方方向向：StewartStewart平平台台等等6 6自自由由度度并并联联机构机构转向少自由度和串并

8、混联的机构。转向少自由度和串并混联的机构。研研究究少少自自由由度度机机构构尺尺寸寸和和性性能能之之间间的的关关系系，进进一一步步研研究究机机器器人人的的性性能能随随尺尺寸寸变变化化的的一一般般规规律律，从从而而达达到到依依据据性性能能图图谱谱进进行行机机构构设设计计的的目目的的，为为机机构构尺尺寸寸设设计计这这一一难难题题提提供了一条有效途径。供了一条有效途径。提提出出了了多多种种有有重重要要应应用用的的并并联联机机构构，这这些些并并联联机机构构可可广广泛泛地地应应用用在在工工业业机机器器人人、微微动动机机器器人人、少少自自由由度度飞飞行行模模拟拟器器和和并并联联机机床床等等领领域域，已已经经

9、申申请请多多项项发发明明专专利利，为为开开发发具具有有中中国国知识产权的相关产品提供保证。知识产权的相关产品提供保证。第11页，讲稿共45张，创作于星期日两维移动一维转动三轴并联机床结构两维移动一维转动三轴并联机床结构 两维移动两维转动四轴并联机床结构两维移动两维转动四轴并联机床结构 一种四自由度并联结构一种四自由度并联结构 第12页，讲稿共45张，创作于星期日(2)非线性方程组解集边界求解算法 并联机构的结构特点决定其输入和输出运动之间具有复杂的非线性关系，因此在机构的运动学、动力学、作业空间、误差分析及运动控制中均涉及大量的非线性方程组求解。基于流形理论和数值连续算法,研究和开发了一种含参

10、数的非线性方程组的解集边界求解算法，可以直接搜索出一个非线性系统的解集边界，计算速度快、效率高。已经针对作业空间和机床运动精度建立了数学模型。XNZ2010 XNZ2010 作业空间的边界作业空间的边界 l1=l2=1150l1=l2=1200l1=l2=1250第13页，讲稿共45张，创作于星期日StewartStewart平台控制轴最短距离与刀具自转角的关系平台控制轴最短距离与刀具自转角的关系第14页，讲稿共45张，创作于星期日对对XNZ2010进行标定试验进行标定试验2 并联机构精度和标定技术的研究一一种种用用于于空空间间全全位位置置和和姿姿态态的的测测量量方方法法及及其其装装置置开发了

11、适用于工业现场环境的并联机构预标定算法；利用单自由度的相对位置信息的测量，实现了基础平台铰链点位置矢量的标定。研究了基于少自由度测量信息的标定技术。第15页，讲稿共45张，创作于星期日铰链间隙的误差补偿算法铰链间隙的误差补偿算法如果不考虑铰链安装误差，补偿率如果不考虑铰链安装误差，补偿率 r=85.8%如果考虑铰链安装误差的扰动，补偿率如果考虑铰链安装误差的扰动，补偿率r=36.5%第16页，讲稿共45张，创作于星期日(1)并联机床刚度分析利用解析法和有限元法，研究了并联机床的刚度特性及其分布规律，两种结果的误差小于15，证实了刚度模型的可靠性和准确性，为基于刚度的并联机床设计提供了理论依据。

12、3.并联机床动力学并联机床动力学第17页，讲稿共45张，创作于星期日VAMT1Y 刚度分析（解析法）第18页，讲稿共45张，创作于星期日位置O点A点B点C点D点FEA结果0.05130.04850.05310.05670.0520理论结果0.05050.04760.05260.05620.0513两者比值0.9840.9810.9910.9910.987有限元模型VAMT1Y 刚度有限元分析第19页，讲稿共45张，创作于星期日XNZ63刚度理论分析（a）沿x方向的刚度 （b）沿y方向的刚度（c）沿z方向的刚度图 机架变形占总变形的比值x方向的刚度 Y方向的刚度 Z方向的刚度 机架变形占总变形的

13、比值 第20页，讲稿共45张，创作于星期日位置IIIIIIIVV理论结果91.29295.17080.02575.59386.5FEA结果87.93591.60077.36373.27183.188两者比值1.0381.0391.0341.0321.040有限元模型XNZ63 刚度有限元分析第21页，讲稿共45张，创作于星期日用其他软件进行刚度分析 基于Admas软件的刚度分析 基于ideas软件的有限元分析 第22页，讲稿共45张，创作于星期日图2-5XNZ63线框模型图XNZ63的模态分析模型（解析法）机床1、2、3阶频率分布(2)并联机床模态分析第23页，讲稿共45张，创作于星期日XNZ

14、63模态分析（有限元法）有限元模型一阶频率第24页，讲稿共45张，创作于星期日表 位姿时机床低阶频率频率(Hz)一阶二阶三阶Ansys59.23959.23966.230结构动力学方程66.39766.39771.128相差12.1%12.1%7.4%解析法和有限元法结果比较第25页，讲稿共45张，创作于星期日1.采用牛顿-欧拉法构造出了多种并联机床的非线性动力学模型。2.研究了并联机床在运行过程中驱动力解的非线性特性和运动规律，并提出了相应的最优控制方法和策略。3.通过对并联机床关键技术的理论研究，从并联机床设计方面提出了合理化改进或指导方案，并已成功应用于新型大型龙门式五坐标并联机床商品化

15、样机设计。(4)非线性动力学的研究第26页，讲稿共45张，创作于星期日(1)弹性动力学响应（XNZ63）给定规律的切削力下机床系统的动态响应4.并联机床切削性能与工艺第27页，讲稿共45张，创作于星期日(2)(2)并联机床动态特性及其对加工性能影响规律的研究并联机床动态特性及其对加工性能影响规律的研究 研究内容：研究内容：基于刚体动力学建立并联机床动力学模型；基于刚体动力学建立并联机床动力学模型；采采用用数数值值计计算算和和计计算算机机仿仿真真方方法法，研研究究并并联联机机床床在在运运行行过过程程中中刀刀具具处处于于不不同同位位置置、姿姿态态以以及及承承受受不不同同载载荷情况下刚度的非线性特性

16、和变化规律；荷情况下刚度的非线性特性和变化规律；研究并联机床刚度特性对加工精度的影响规律；研究并联机床刚度特性对加工精度的影响规律；考考虑虑到到并并联联机机床床的的分分布布参参数数效效应应、系系统统的的内内阻阻尼尼、铰铰链链、轴轴的的弯弯扭扭耦耦合合效效应应、不不平平衡衡、刚刚度度不不对对称以及其它非线性因素的影响，构造并联机床弹性体系统的非线性动力学模型；称以及其它非线性因素的影响，构造并联机床弹性体系统的非线性动力学模型；研研究究并并联联机机床床的的动动力力学学特特性性对对不不同同加加工工过过程程的的影影响响规规律律，以以形形成成相相应应的的自自动动推推理理模模块块，保保证证加加工工过过程

17、程的的稳定性；稳定性；研究并联机床的振动特性及其对加工精度的影响规律；研究并联机床的振动特性及其对加工精度的影响规律；建建立立并并联联机机床床动动力力学学特特性性实实验验和和监监测测系系统统，进进行行动动力力学学特特性性的的实实验验监监测测和和分分析析,以以验验证证理理论论研研究究的的正确性，提出动力学模型的修正方案；正确性，提出动力学模型的修正方案；建建立立并并联联机机床床切切削削力力和和精精度度测测量量的的实实验验和和监监测测系系统统，测测取取相相关关实实验验数数据据并并处处理理、分分析析，验验证证提提高高加加工工精精度和稳定性策略的正确性；度和稳定性策略的正确性；通通过过对对并并联联机机

18、床床关关键键技技术术的的理理论论与与实实验验研研究究，从从设设计计、控控制制策策略略等等方方面面提提出出合合理理化化改改进进或或指指导导方方案案，以以利利于于提提高高机机床床的的精精度度、刚刚度度和和稳稳定定性性等等性性能能和和指指标标，为为新新型型并并联联机机床床的的设设计计、制制造造、推推广广以以及及提提高高加加工工精精度和可靠性等方面的研究提供理论基础和相关的模块化软件系统。度和可靠性等方面的研究提供理论基础和相关的模块化软件系统。第28页，讲稿共45张，创作于星期日关键问题：并联机床动力学模型的建立；高效算法的研究；并联机构的非线性特性和运动规律；并联机构动力学特性对加工精度、加工过程

19、稳定性的影响规律；通过动力学特性的研究，给实际加工过程提出相应的控制策略和相关的模块化软件系统。第29页，讲稿共45张，创作于星期日5 5 并联装备数字化设计技术及快速开发平台研究并联装备数字化设计技术及快速开发平台研究 并并并并联联联联机机机机床床床床数数数数字字字字化化化化快快快快速速速速开开开开发发发发平平平平台台台台的的的的主主主主要要要要目目目目的的的的是是是是实实实实现现现现并并并并联联联联机机机机床床床床的的的的快快快快速速速速设设设设计计计计和和和和开开开开发发发发，是是是是一一一一个个个个为为为为研研研研究究究究者者者者提提提提供供供供并并并并联联联联机机机机床床床床设设设设

20、计计计计方方方方法法法法研研研研究究究究、工工工工作作作作性性性性能能能能分分分分析析析析等等等等研研研研究究究究的的的的平平平平台台台台，也也也也是是是是为为为为用用用用户户户户提提提提供并联机床的作业效果、作业过程演示的平台。供并联机床的作业效果、作业过程演示的平台。供并联机床的作业效果、作业过程演示的平台。供并联机床的作业效果、作业过程演示的平台。第30页，讲稿共45张，创作于星期日PMT-VPDSPMT-VPDS的基本框架的基本框架 PMT-VPDS的基本框架第31页，讲稿共45张，创作于星期日并联机床数字化快速开发平台启动界面并联机床数字化快速开发平台启动界面第32页，讲稿共45张，

21、创作于星期日第33页，讲稿共45张，创作于星期日对话框对话框3D3D模型模型性能性能概念设计概念设计第34页，讲稿共45张，创作于星期日运动学分析、设计与仿真运动学分析、设计与仿真第35页，讲稿共45张，创作于星期日整机结构设计整机结构设计第36页，讲稿共45张，创作于星期日正刚体动力学正刚体动力学第37页，讲稿共45张，创作于星期日逆刚体动力学逆刚体动力学第38页，讲稿共45张，创作于星期日弹性动力学分析弹性动力学分析网格划分网格划分 分析结果分析结果第39页，讲稿共45张，创作于星期日刚度计算刚度计算第40页，讲稿共45张，创作于星期日结构优化设计结构优化设计第41页，讲稿共45张，创作于星期日精度分析与设计精度分析与设计第42页，讲稿共45张，创作于星期日工件成形仿真工件成形仿真刀位文件刀位文件 工件成形仿真工件成形仿真第43页，讲稿共45张，创作于星期日作业过程仿真作业过程仿真刀位文件刀位文件 处理处理 整机作业过程整机作业过程仿真仿真第44页，讲稿共45张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第45页，讲稿共45张，创作于星期日