并聯(lián)機床專題講座2003年11月19日并聯(lián)機床（PMT,ParallelMachineTool）又稱并聯(lián)運動學機器（PKMs,ParallelKinematicsMachine）或虛（擬）軸機床(VirtualAxisMachineTool)，是并聯(lián)機器人技術和現(xiàn)代數(shù)控機床技術結合的產(chǎn)物，它同時兼顧了機床和機器人的諸多特性，既可以看作是機器人化的機床（可以完成機床的切削任務），又可以看作是機床化的機器人（可以完成許多精密的機器人作業(yè)）。它能夠提供機器人的靈活與柔性，又具有機床的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機電設備。與傳統(tǒng)機床相比，并聯(lián)機床具有如下優(yōu)點：⑴剛度重量比大：傳動構件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機構的單位重量具有很高的承載能力；⑵精度高：并聯(lián)機床刀具的運動由各獨立支鏈的進給驅動共同提供，不存在串聯(lián)的誤差積累，理論上比串聯(lián)機床容易達到較高的精度；⑶響應速度快：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，允許動平臺獲得很高的進給速度和加速度，因而特別適用于各種高速數(shù)控作業(yè)；⑷功能性強：并聯(lián)機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)，提供較強的加工、裝配、測量等能力；⑸結構靈活、成本低：并聯(lián)機床構型多樣、結構簡單、部件少、重組性強，便于模塊化設計。具有“硬件”簡單，“軟件”復雜的特點，因此制造成本較低。目前，國際學術界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機床非常重視，九十年代中期，美國、英國、德國、俄羅斯、瑞士、瑞典、日本等國家的有關研究機構和機床廠家紛紛推出具有不同結構形式和功能特性的并聯(lián)機床。1994年，美國芝加哥國際機床博覽會上，美國Giddings&Lewis公司和Ingersoll公司展出了最早的兩臺并聯(lián)機床，如圖所示。

國內(nèi)從1995年由清華大學和天津大學共同開始研究并聯(lián)機床，并于1997年研制成功了VAMT1Y型桁架式六軸并聯(lián)機床原型樣機。東北大學、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學等在其后分別推出了結構各異的并聯(lián)機床。圖1.2Ingersoll公司的Haxapod圖1.1Giddings&Lewis公司的VARIAX

二、并聯(lián)機構的應用隨著并聯(lián)機構技術應用的深入，并聯(lián)類構型已不僅僅局限于并聯(lián)機床等加工類設備，而被廣泛的應用于人們生產(chǎn)和生活的各個方面，如航空航海領域、加工制造、裝配領域、輕工業(yè)領域和醫(yī)療器械領域、特種加工、微動機構、測量作業(yè)、焊接、鉚接、土方挖掘、煤礦開采、娛樂設施、天文望遠鏡、機器人手臂和靈巧眼等很多方面。圖2.1并聯(lián)機構用于醫(yī)療器械圖2.2飛行模擬器圖2.6游戲動感椅圖2.5并聯(lián)機構應用于電子行業(yè)三、并聯(lián)機床研究進展1.并聯(lián)機床運動學2.并聯(lián)機床精度與標定3.并聯(lián)機床動力學4.并聯(lián)機床切削性能與工藝5.并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺6.并聯(lián)機床產(chǎn)業(yè)化進程1.并聯(lián)機床運動學一種空間三自由度并聯(lián)機器人機構

(1)基于空間模型理論的并聯(lián)機構設計方法及新機構的創(chuàng)新研究研究方向：Stewart平臺等6自由度并聯(lián)機構——轉向少自由度和串并混聯(lián)的機構。研究少自由度機構尺寸和性能之間的關系，進一步研究機器人的性能隨尺寸變化的一般規(guī)律，從而達到依據(jù)性能圖譜進行機構設計的目的，為機構尺寸設計這一難題提供了一條有效途徑。提出了多種有重要應用的并聯(lián)機構，這些并聯(lián)機構可廣泛地應用在工業(yè)機器人、微動機器人、少自由度飛行模擬器和并聯(lián)機床等領域，已經(jīng)申請多項發(fā)明專利，為開發(fā)具有中國知識產(chǎn)權的相關產(chǎn)品提供保證。(2)非線性方程組解集邊界求解算法

并聯(lián)機構的結構特點決定其輸入和輸出運動之間具有復雜的非線性關系，因此在機構的運動學、動力學、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)空間和機床運動精度建立了數(shù)學模型。XNZ2010作業(yè)空間的邊界

l1=l2=1150l1=l2=1200l1=l2=1250Stewart平臺控制軸最短距離與刀具自轉角的關系對XNZ2010進行標定試驗2并聯(lián)機構精度和標定技術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)機構預標定算法；利用單自由度的相對位置信息的測量，實現(xiàn)了基礎平臺鉸鏈點位置矢量的標定。研究了基于少自由度測量信息的標定技術。(1)并聯(lián)機床剛度分析利用解析法和有限元法，研究了并聯(lián)機床的剛度特性及其分布規(guī)律，兩種結果的誤差小于15％，證實了剛度模型的可靠性和準確性，為基于剛度的并聯(lián)機床設計提供了理論依據(jù)。3.并聯(lián)機床動力學VAMT1Y剛度分析（解析法）位置O點A點B點C點D點FEA結果0.05130.04850.05310.05670.0520理論結果0.05050.04760.05260.05620.0513兩者比值0.9840.9810.9910.9910.987有限元模型VAMT1Y剛度有限元分析位置IIIIIIIVV理論結果91.29295.17080.02575.59386.5FEA結果87.93591.60077.36373.27183.188兩者比值1.0381.0391.0341.0321.040有限元模型XNZ63剛度有限元分析用其他軟件進行剛度分析

基于Admas軟件的剛度分析

基于ideas軟件的有限元分析

圖2-5XNZ63線框模型圖XNZ63的模態(tài)分析模型（解析法）機床1、2、3階頻率分布(2)并聯(lián)機床模態(tài)分析表

位姿Ⅰ時機床低階頻率頻率(Hz)一階二階三階Ansys59.23959.23966.230結構動力學方程66.39766.39771.128相差12.1%12.1%7.4%解析法和有限元法結果比較1.采用牛頓-歐拉法構造出了多種并聯(lián)機床的非線性動力學模型。2.研究了并聯(lián)機床在運行過程中驅動力解的非線性特性和運動規(guī)律，并提出了相應的最優(yōu)控制方法和策略。3.通過對并聯(lián)機床關鍵技術的理論研究，從并聯(lián)機床設計方面提出了合理化改進或指導方案，并已成功應用于新型大型龍門式五坐標并聯(lián)機床商品化樣機設計。(4)非線性動力學的研究關鍵問題：并聯(lián)機床動力學模型的建立；高效算法的研究；并聯(lián)機構的非線性特性和運動規(guī)律；并聯(lián)機構動力學特性對加工精度、加工過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過動力學特性的研究，給實際加工過程提出相應的控制策略和相關的模塊化軟件系統(tǒng)。

5并聯(lián)裝備數(shù)字化設計技術及快速開發(fā)平臺研究

并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺的主要目的是實現(xiàn)并聯(lián)機床的快速設計和開發(fā)，是一個為研究者提供并聯(lián)機床設計方法研究、工作性能分析等研究的平臺，也是為用戶提供并聯(lián)機床的作業(yè)效果、作業(yè)過程演示的平臺。

PMT-VPDS的基本框架

PMT-VPDS的基本框架并聯(lián)機床數(shù)字化快速開發(fā)平臺啟動界面對話框3