高灵活度五轴联动混联铣床的机构设计方法及应用

正在具有典型复杂空间自由曲面零部件的加工领域中,五轴联动混联铣床因其独特的结构形式和运动学特性而占据一定优势。本文以该类铣床为研究对象,根据典型应用需求,总结了混联铣床并联模块的自由度形式需求,针对原理构型综合和设计、冗余并联机构的性能分析与评价、参数优化设计等问题展开深入理论研究,将构型综合所得新型并联机构应用于五轴混联构型的设计中,进而开发了试验样机,并将铣床样机应用于铣削加工之中。旨在通过理论研究及应用试验促进少自由度并联机构的应用和五轴联动混联铣床的发展。通过工艺分析,现代复杂曲面零部件对加工设备的需求可概括如下:五轴联动定位铣削和五轴联动可变轴轮廓铣削。对刀具转角要求苛刻的工况可重点概括如下:一次装卡五面加工。为了实现必要的灵活度及加工柔性,上述应用需求体现在混     

第三届上银优秀机械博士论文摘要选登

正论文名称:高灵活度五轴联动混联铣床的机构设计方法及应用论文作者:清华大学/谢福贵指导教师:汪劲松《研究领域:先进制造装备及技术、数控系统、现代集成制造、特种移动机器人等》刘辛军《研究领域:机构学、先进制造装备、机器人学等》在具有典型复杂空间自由曲面零部件的加工领域中,五轴联动混联铣床因其独特的结构形式和运动学特性而占据一定优势。本文以该类铣床为研究对象,总结了混联铣床并联模块的自由度形式需求,针对原理构型综合和设计、冗余并联机构的性能分析与评价、参数优化设计等问题展开深入理论研究,将构型综合所得新型并联机构应用于五轴混联构型的设计     

基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计

新能源汽车是我国应对节能减排挑战的需要，发展前景巨大。针对新能源汽车车身主要采用铝合金材料，要求加工机床灵巧轻便，整体刚度适中，能够实现复杂曲面的精准成形等需求，提出一种基于RPR/RP平面并联的五自由度混联机器人构型。首先，建立RPR/RP+2R+P五自由度混联机器人基本构型，分析计算混联机器人的自由度，完成五自由度混联机器人的初始样机结构设计。其次，求解并联与混联构型位置的正反解以及速度雅可比。然后，求解五自由度混联机器人的位姿空间；以分支杆驱动力为优化指标，工作空间内机构运转不干涉为约束条件，采用Adams-Matlab联合仿真定量分析各结构参数对分支驱动力的影响，以线性回归算法进行数据拟合，完成初始样机的尺度优化。最后，以混联机器人整机及其关键构件的刚度为优化指标，采用有限元分析的探究方法对五自由度混联机器人初代样机实现递进式的结构调整，对整机进行模态分析以得到机器人振动特性。在满足刚度要求的前提下，采取少分支构型降低制造成本，加工过程可视，为针对轻薄结构件加工的混联机器人设计提供了新思路。     

一种等效3-PzPxS并联机构设计与运动学性能分析

针对多轴联动混联加工平台的构型创新需求,综合出一种支链中含平面缩放结构单元的新型2R1T并联机构——3-P_zP_xS。提出并优选了支链构型,验证了机构自由度;推导获得了机构位置正逆解析解,便于后续的运动规划及控制;基于机构雅可比矩阵,确定了机构发生正运动学奇异的位形参数条件;采用边界搜索法获得机构可达工作空间后,确定机构具有大的转动能力。相关成果为混联高效数控加工中心的研究奠定了理论基础。     

基于单开链单元的3T2R混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机构构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造单开链3T2R五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的运动单元,从而获得3T2R五自由度混联机器人构型。最后通过运动螺旋的线性组合生成其他混联机构。     

基于单开链单元的3R2T混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机器人构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造了单开链3R2T五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的若干运动单元,3R2T五自由度混联机器人构型,最后通过运动螺旋的线性组合来生成其它混联机构。     

基于螺旋理论和自由度分配的混联机器人构型综合

合理的混联机构设计结合了串联机构和并联机构的优点,但是混联机构构型是机构设计中的难点。针对这一问题,提出一种基于螺旋理论和自由度分配原理的混联机器人构型综合方法,并通过四自由度混联机器人构型过程对该方法进行了验证。通过螺旋支链法完成并联机构构型,得到二、三自由度并联机构;根据自由度分配的原理,结合期望自由度对自由度进行分配,并进行四自由度混联机器人构型综合,得到了一系列四自由度混联机器人构型。     

基于螺旋理论的三移两转混联解耦机构型综合

针对3T2R混联解耦机构的构型综合问题,提出一种基于螺旋理论的混联解耦机构构型综合方法。首先基于运动基组合分配理论,给出3T2R五自由度混联机构所有可能的结构类型;然后基于螺旋理论和支链独立驱动原则提出完全解耦并联机构构型综合方法,运用该方法可以实现各类少自由度完全解耦并联机构的构型综合;再将综合的完全解耦并联单元构型到已有的混联构型中,得到解耦混联机构构型,并用该方法完成了3T2R类五自由度混联解耦机构构型综合;最后根据约束几何分析法分析了所综合的一种混联机构的瞬时特性,给出了运动学分析,推导了机构的雅可比矩阵,验证了机构的解耦特性。     

(2PSR+PUU)&RP混联机床的位置及其工作空间分析

针对并联机床摆角小,难以加工复杂曲面零件的缺点,提出一种新型(2PSR+PUU)&RP混联机床的机构构型。首先运用螺旋理论以及修正的K-G公式对机构自由度进行分析计算与验证。运用闭环矢量法对机构进行运动学分析,给出该机构的位置逆解以及基于粒子群算法的正解,确定驱动块和动平台的位姿关系。在SolidWorks软件中采用动静结合法绘制出其工作空间,并利用ADAMS对其摆角进行测算,验证了机构模型的正确性以及机构运动的可实现性。研究表明,混联机床具有3T2R这5个自由度,有较大的工作空间,且其刀具摆角可达(0°~90°),通过刀具的大摆角转动和五轴联动可应用于部分汽轮机,水轮机和航空发动机的叶片和复杂曲面零件的加工。     

一种所有转轴均连续的五自由度混联机器人机构

根据两转一移并联机构两转动自由度转轴的分布,提出构造五自由度混联机器人机构构型的新思路,基于2-RPU&UPR并联机构构造一种新型五轴混联机器人机构。建立2-RPU&UPR并联机构的位置正反解模型,由于该并联部分存在两条连续转轴,可将其等效成一个三自由度串联机构RPR,进而将整个混联机器人机构等效为一个四自由度串联机构RPRR和一个移动平台的组合进行分析,根据这两部分位姿之间的解耦性,建立了混联机器人完整的位置正反解模型,并用加工球面轨迹的算例验证了所建运动学模型的正确性。提出的5自由度混联机器人所有转动自由度均具有连续转轴,能够得到解析的位置模型表达式,能够很容易实现轨迹规划与运动控制,具有良好的应用前景。     

基于球面五杆机构的变胞并联机构构型综合

提出一类基于球面五杆机构的变胞并联机构。基于具有解耦特性的球面五杆机构,应用螺旋理论综合出一类具有变胞特性的可重构混联支链,该混联支链由一个球面五杆机构和一个四自由度串联支链混联而成,应用三条相同的所述可重构混联支链构型出一类变胞并联机构。不同于现有利用约束奇异和支链奇异综合可重构并联机构的方法,提出利用球面五杆机构的解耦特性和关节锁死的方法来实现并联机构的可重构,因此该类变胞并联机构可有效避免重构过程中的约束奇异以及支链奇异。该类变胞并联机构可在一个广泛的范围内变换其工作模式和自由度,且伺服电动机均可安装在机构的固定平台。提到的方法可应用于其他基于解耦闭链的变胞并联机构构型综合。     

基于RGRR-Ⅰ并联双自由度转动机构的混联五轴机床研究

传统的串联式数控机床存在刚度低的缺点.并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ刚度高,且有着工作空间/机构尺寸比大、耦合为零、制造容易等一系列的优点.运用RGRR-Ⅰ构造的并联双自由度转动刀头摆动精度高、工作空间大.基于混联五轴联动车床的工作要求,研究能实现绕xyz三个直线运动坐标移动,两个运动轴坐标回转的混联五轴联动机床,分析其工作机理,建立有关模型.该研究也可为其他混联机床的设计与制造提供借鉴.     

圆钢端面贴标机器人机构构型综合

根据成捆圆钢端面贴标的工程应用场景,采用基于输出自由度和方位特征集的机器人拓扑结构综合方法,给出满足成捆圆钢端面贴标的机器人机构设计原则和步骤,根据贴标需求及输出自由度分析得到圆钢端面贴标机器人宜选用混联机构,其中3个移动自由度由并联机构实现,2个转动自由度由串联机构实现,根据方位特征集分析得到贴标混联机器人并联机构的拓扑结构,分析串联结构的构型设计出面向圆钢端面贴标应用的混联机器人构型。提出的面向特殊应用的混联机器人拓扑结构综合对于特定工业应用的机器人设计具有一定的实践意义。     

四足仿生机器人混联腿构型设计及比较

四足仿生机器人一直是机器人领域研究的热点之一。对国内外的研究现状和代表样机进行综述,总结现有四足机器人的腿构型的优缺点。混联腿构型结合了并联机构和串联机构的优点,可在提高机器人载重/自重比的同时,满足快速稳定响应的需求,从而实现高速、低能耗、高承载的运动。提出三种不同的3自由度混联腿机构,由1自由度的四杆机构和2自由度的平面并联机构串联组成。建立3种混联腿的运动学模型。根据四足机器人的行走设计需求,总结三种混联腿机构的特点,并建立其各自的工作空间模型。基于对角小跑的轨迹,分析三种混联结构在空间上的承载能力和各向同性度。通过对比分析选择第三种混联腿作为最优选项,并进一步与经典串联腿进行驱动力矩比较,证实混联腿的优越性。通过样机负重行走试验验证结果的可靠性,为四足混联腿机构机器人的后续研究奠定理论基础。     

一种大摆角五轴联动混联机床设计及运动学分析

提出一种由空间三自由度混联机构和二自由度运动平台组成的五轴联动混联机床构型,运用螺旋理论分析该机构的运动原理。采用闭环矢量法和速度映射关系,对该机床构型的运动学特性进行分析,给出了该机构的位置逆解,确定驱动杆和动平台之间的位姿关系。在此基础上,分析了速度性能及姿态空间,得到机构速度Jacobian矩阵。通过运动学仿真,验证了机床运动学分析的正确性。研究表明,具有该结构的机床可实现较大摆角的加工工作,刀具的摆角可达(-40°~90°),通过五轴联动和刀具的大摆角转动,可实现对复杂工件的五面精密加工。     

七轴混联机床机构干涉校验算法及工作空间快速校验的研究

在加工具有复杂曲面的工件时,同六轴并联机床相比,七轴混联机床的加工能力有所提高,能够快速加工多个曲面,降低由于多次装夹造成的加工误差,缩短加工时间,有利于充分发挥并联机床的优势。为了避免加工过程中出现干涉碰撞问题,同时确保整个工件都在加工空间内,提出并详细讨论了七轴混联机床的机构干涉校验算法及工作空间快速校验算法。这些算法对混联机床的设计和控制系统的开发有着一定意义。     

负角曲面三轴数控铣加工技术应用

在汽车模具设计与制造中,存在很多负角曲面加工需求,此类曲面加工需要在五轴联动数控铣床上加工实现较为理想,而大型龙门五轴联动数控铣床,市场加工费用参考标准为1000元/h。现利用鼓形刀的特性解决负角加工难题后,在三轴龙门数控铣床上就能实现一次装夹完成所有曲面的加工,而此类设备市场加工费用参考标准仅为350元／h,大大的节约了制造成本。     

完全各向同性五自由度混联机构型综合

针对混联机构内部耦合性带来运动学分析困难的问题,基于G_F集理论提出了一种简单而有效的三移动两转动(3T2R)完全各向同性构型综合方法。介绍了G_F集的基本概念和运算法则。通过分析混联机构组成特点,提出了将并联、串联模块按照G_F集求和运算以及G_F集元素组合原则构造完全各向同性混联机构的方法,建立了混联机构数综合方程。同时给出了机构输入运动副选择原则和支链设计准则,确保了混联机构中各模块运动的解耦性。按照完全各向同性混联机构设计步骤,得到了构成完全各向同性3T2R混联机构各模块单元的组合形式。以其中一种组合形式为例,综合出了完全各向同性3T2R五自由度混联机构。基于约束螺旋理论,分析了所综合出的一种混联机构的自由度,通过ADAMS建模得以验证,通过对模型运动仿真,绘制出机构末端输出速度曲线,验证了完全各向同性构型综合方法的正确性。     

混联式六轴联动数控机床6PM2的方案创新

介绍了混联式六轴联动数控机床6PM2的方案创新特点,其运动功能方案采用串联与并联相结合的混联形式;采用了所开发的新型被动关节。使动平台摆动角度最大达到130°,可实现立卧加工。同时应用虚拟样机预测仿真技术,保证了创新方案的设计成功。     

运用RGRR-Ⅰ构造5RP混联机器人手臂的构型研究

传统的串联结构的关节式机器人手臂存在在刚度低的缺点。并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ刚度高,且有着工作空间/机构尺寸比大、活动构件少、制造容易等一系列优点。基于关节式机器人手臂的工作要求,运用并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ构造出实现绕XYZ三个直线运动坐标移动,两个运动轴坐标回转的混联五轴联动机器人手臂,并分析其工作机理,建立起有关模型。该研究也为其他混联机器人手臂的设计研究提供了借鉴。