一种新型运动副及其在并联机床上的应用

提出了一种基于新型运动副——复合球铰的虚拟轴机床,它是由5-SPS分支组成的并联机构,其中3个分支汇交于一个三重球铰,另2个分支汇交于一个二重球铰,两个球铰固接在一起形成一个复合球铰,代替了并联机构的活动平台,而且机床主轴位于复合球铰中心线上。这种基于复合球铰的5个分支新型虚拟轴机床与基于Stewart平台机构的6个分支的虚拟轴机床相比具有同样多的实用自由度,并且机床结构简单、解耦,其正反解计算及控制亦相对简单。探讨了5分支机床的结构形式,尤其对关键结构——复合球铰的结构,机构位置反解,以及一定姿态下的可达工作空间进行了分析和计算。这种新型虚拟轴机床在空间曲面加工领域将有着广泛的应用前景。     

新型3-PCRNS球面3自由度并联机构

提出一种新型3-PCRNS球面3自由度并联机构,其分支运动链由一个带环形导轨的移动副PC,一个转动副RN (下标N表示三个分支中转动副的轴线都交于一点)和一个球铰S构成。运用约束螺旋理论,对该机构的自由度、奇异位形和输入选取进行分析。在一般非奇异位形下,该机构中三个PCRNS分支运动链对动平台施加三个汇交于机构中心点的约束力,约束机构动平台的3移动自由度,机构具有3转动自由度;在奇异位形下,三个PCRNS分支对动平台施加六个线性相关的约束力,其最大线性无关数为五,机构具有一个绕z轴的瞬时转动自由度。可选用带环形导轨的移动副PC作为主动副,此外该机构动平台绕z轴的转动自由度和其他转动自由度解耦。     

基于遗传算法的3-PRS并联机床的运动学标定分析研究

针对并联机床运动中存在偏差的问题,提出了基于结构参数和遗传算法的逆向运动学标定方法,推导出了并联机床误差标定的模型。该方法不需要求并联主轴平台的正向解,避免了并联机构相对复杂的正向运动分析问题。计算表明:利用名义机床结构参数计算的逆向运动误差明显大于标定的结构参数得到的逆向运动误差;标定后的三个圆柱铰和球铰的位置更接近于名义位置,说明误差标定可以对机床结构进行校正。     

一种含复合球副5自由度并联机构运动学分析

设计了一种新型含复合球副5自由度并联机构,分析了机构的特点和自由度。建立了该机构的位置解析模型。利用观察法判断部分驱动分支中存在的约束力/矩,基于约束力/矩推导了含复合球副5自由度并联机构的Jacobian矩阵和Hessian矩阵,建立了含复合球副5自由度并联机构的运动学模型。利用先进CAD软件,对机构的位置解析模型和运动学模型进行了验证。基于含复合球副5自由度并联机构的位置解析模型得到了机构工作空间的形状及大小。利用该机构Jacobian矩阵,对含复合球副5自由度并联机构的奇异性进行了分析。     

球铰刚度计算模型及靠冗余支链实现并联机床刚度的改善

以Stewart机构为例提出一种基于解析法和有限元法的刚度分析新方法。应用有限元软件模拟球铰内的非线性接触变形,将计算结果抽象成一个特征参数带入机构的刚度解析模型中,然后得到机构的刚度矩阵,以解决在解析模型中无法处理铰链刚性的问题,并采用有限元软件证实该方法的可靠性。如果在解析模型中忽略球铰变形,则整个机构的刚度解析结果将产生较大误差。在此基础上,应用该方法定量研究采用主动冗余支链对提高并联机床刚性的效果。结果表明,在一定工作空间范围内,主动冗余支链可以显著提高并联机床的刚性。     

一种含复合球副4-dof并联机构运动学研究

设计了一种新型含复合球副4-dof并联机构,求解了该机构的自由度。根据机构的结构特点,基于矢量法分析了该并联机构中各构件的运动。针对少自由度并联机构部分驱动分支中存在的约束力/矩,利用观察法判断这种并联机构中存在的约束力/矩。基于约束力/矩建立了此类机构的Jacobean矩阵,并推导了机构的Hessian矩阵,建立了含复合球副4-dof自由度并联机构的运动学模型。利用先进CAD软件对机构的运动学模型进行了验证。为含复合球副少自由度并联机构动力学分析和刚度分析奠定了基础。     

并联机床安全保障系统设计

针对并联机床的结构特点,设计了基于两级微机控制的机床安全保障系统,并自行研制了球铰行程开关。该系统已成功地应用在并联机床产品上。     

空间3-SPS/S对顶双锥机构的运动学分析

提出了一种能实现空间三维转动的并联机器人机构--空间3-SPS/S对顶双锥机构.该机构的动平台与基座通过移动副和约束分支连接,具有3个SPS驱动分支.位于动平台与基座上的3个球铰中心分别与中间球铰中心构成正三棱锥结构,机构成为由中间球铰连接的对顶双锥机构.这样的结构特点使该机构位置正解得到简化,获得了完全封闭形式的位置、速度、加速度正反解;计算量小,便于运动轨迹规划和驱动力实时控制.该机构可用作机器人的肩、腕、踝等关节,也可用于卫星天线和摄像定位装置.给出了该机构一般输入时工作平台的位置、速度及加速度的对应关系曲线,描述了该机构的运动学特性.     

面向并联机床的后置处理方法

为了解决并联机床的后置处理问题,克服现有方法开发的难度和工作量大的缺点,提出了直接转化传统数控机床数控代码,得到并联机床数控代码的方法。对5-虎克铰-移动副-球铰／移动副-转动副-移动副-虎克铰并联机床和刀具双摆动5轴数控机床进行运动学分析,得出并联机床动平台的两个可变化的姿态角具有与刀具双摆动5轴数控机床中两个摆动转角相同的性质;然后直接利用智能制造后置处理软件进行后置处理得到刀具双摆动5轴数控机床的数控程序;再经过适当的变换,得到并联机床的数控程序。曲面加工的计算机模拟结果表明,该方法正确、有效。     

5-UPS/PRPU五自由度并联机床精度分析

介绍了一种新型的5—UPS/PRPU五自由度并联机床，采用矩阵法建立了该并联机床的误差模型，利用蒙特卡洛技术模拟分析了驱动杆杆长误差、球铰以及虎克铰间隙对终端平台误差的影响，最合对机床的精度进行了实例分析，为该机床样机的顺利研制奠定了基础。     

Simulation of machining 3D free-form surface in normal direction using 6-SSP and 4SPS+UPU parallel machine tools

A novel 6-SSP parallel machine tool and a novel 4SPS+UPU parallel machine tool are presented, and a novel CAD approach is proposed to machine a 3D free-form surface in its normal direction by using the two parallel machine tools. First, by adopting the CAD geometry constraint and dimension-driving technique, the simulation mechanisms of a 6-SSP parallel manipulator with 6-DOF and a 4SPS+UPU parallel manipulator with 5-DOF are created. Second, a 3D free-form surface and a guiding plane of tool path are constructed above the moving platform of the two simulation mechanisms. Third, the tool axis of simulation parallel machine tool is retained perpendicular to the 3D free-form surface. In the light of two prescribed tool paths, the driving limbs and the pose of the moving platform of parallel machine tools are solved automatically and visualized dynamically.     

虚拟轴机床定位方法

提出一种基于改进的多传感器一致性数据融合的虚拟轴机床定位方法,在虚拟轴机床动平台的位姿测量中使用了视觉技术与电子罗盘,解决了虚拟轴机床动平台上的主轴定位问题。此方法将虚拟轴机床各根杆上的编码器信息、视觉信息与动态惯性的测量数据进行数据融合,经过动态计算获得置信距离的关系矩阵,虚拟轴机床动平台的位置与姿态的精确定位得到了保证。经过一个单轴单方向的运动测量简化试验,将虚拟轴机床动平台6自由度位姿的测量作为研究对象,对其进行仿真试验。试验结果也表明了该定位方法有效可行。     

基于变量几何法的两种并联机床法向加工自由曲面仿真

采用CAD变量几何法,用两种新型5自由度3SPS+RRPU和2SPS+RRPRR并联机床对任意3D自由曲面进行法向加工。通过CAD几何约束和尺寸驱动技术,首先建立两种并联机床的模拟机构,再在并联机构动平台上构造任意3D自由曲面和刀具轨迹的引导平面,与并联机构合成,得到模拟并联机床。保持刀具与自由曲面垂直关系,给定加工路径,各驱动杆长和动平台的位置能自动求解和动态显示。结果表明:CAD变量几何法不仅简单直观,而且省去了大量的编程计算。     

4SPS+UPU并联机床法向加工自由曲面的研究与仿真

采用CAD变量几何法,用一种新型5自由度4SPS+ UPU并联机床对任意3D自由曲面进行法向加工.通过CAD几何约束和尺寸驱动技术,首先建立4SPS+ UPU并联模拟机构,再在并联机构动平台上构造任意3D自由曲面和刀具轨迹的引导平面,与4SPS+UPU并联机构合成,得到模拟并联机床.保持刀具与自由曲面垂直关系,给定加工...     

并联机床工作空间分析及实时运动仿真的研究

根据哈尔滨工业大学研制的第一台并联机床设计图纸,按照其结构尺寸,动平台的姿态要求及并联机床的几何约束,以刀头点为基准计算出该并联机床的工作空间,利用VC＋＋调用OpenGL图形函数对机床各部分零件进行参数化实体造型;然后按照各零件之间的装配关系进行实体装配,并经过渲染形成具有真实感的,参数化的并联机床实体造型。根据给定刀头点的轨迹和轨迹上各点对应刀具轴线矢量（一般为曲面上点的法 矢）,采用逆解的方法,实时,动态地显示出并联机床的工作过程,同时检查各几何约束条件。     

Design and analysis of a class of redundant collaborative manipulators with 2D large rotational angles

The parallel spindle heads with high rotational capability are demanded in the area of multi-axis machine tools and 3D printers. This paper focuses on designing a class of 2R1T (R: Rotation; T: Translation) parallel spindle heads and the corresponding collaborative 5-axis manipulators with 2-dimension (2D) large rotational angles. In order to construct 2D rotational degrees of freedom (DOFs), a platform with 2D revolute joints is proposed first. Based on the constraint screw theory, the feasible limbs that can be connected in the platform are synthesized. In order to provide constant rotational axis for the platform, a class of redundant limbs are designed. A class of redundant 2R1T parallel spindle heads is obtained by connecting the redundant limbs with the platform and the redundant characteristics are verified by the modified Grübler-Kutzbach criterion. The corresponding 5-axis collaborative manipulators are presented by constructing a 2-DOF series translational bottom moving platform. The inverse kinematics and the orientation workspace as well as the decoupling characteristics of this type of 2R1T parallel spindle heads are analyzed. The results show that these manipulators have large 2D rotational angles than the traditional A3/Z3 heads and can be potentially used in the application of multi-axis machine tools and the 3D printers.     

新型2-TPR/2-TPS空间4自由度并联机构

提出一种新型2-TPR/2-TPS空间4自由度并联机构。机构的运动平台通过两个相邻的TPR分支运动链和两个相邻的TPS分支运动链与固定平台相联接。每个TPR分支由一个胡克铰T、一个移动副P和一个转动副R组成,一端通过胡克铰T与固定平台相联,另一端通过转动副R与运动平台相联;每个TPS分支由一个胡克铰T、一个移动副P和一个球面副S组成,一端通过胡克铰T与固定平台相联,另一端通过球面副S与运动平台相联。运用约束螺旋理论,对机构的运动性质和奇异位形进行分析。机构运动平台具有沿两个TPR分支所在平面的二维移动自由度,和以两个TPR分支胡克铰二级转动副轴线所在平面内的任何直线作为转轴的二维转动自由度。选取4个分支运动链的移动副作为驱动副,发现了机构可能出现的四种奇异位形。     

并联机床电主轴干涉校验

具有空间复杂曲面加工能力的六轴联动的并联机床 ,动平台倾斜角一般应在左右 ,甚至更大。在动平台中心安装上电主轴后 ,由于动平台倾斜角的原因 ,在并联机床理论工作空间内 ,电主轴与 6根变长驱动杆之间可能会发生干涉 ,而且电主轴尺寸的不同 ,干涉发生范围也不同。本文讨论了电主轴与 6根驱动杆之间干涉计算问题 ,给出了干涉校验计算方法和公式 ,并用MATL AB5 .2软件设计了运行程序 ,这对已制造的并联机床 ,可作干涉校验 ,确定工作空间内电主轴的结构尺寸 ,或根据新的电主轴尺寸重新确定机床工作空间 ;对新的设计 ,先选定电主轴后 ,其尺寸参数 ,可作为干涉约束条件 ,可计算得到无电主轴干涉的并联机床设计参数     

六坐标位姿测量机的设计与研究

该测量机构由串联位置测量机构和并联姿态测量机构组成,具有较大的工作空间和较高的测量精度。机构中设置了一个冗余自由度和重力平衡装置,从而具有很好的灵活性。通过机构综合的方法,合理设计并联姿态测量机构,克服了并联机构正解的困难,使得姿态测量参数存在显式解,从而被测物体的六个坐标参数可以实时显示。由作图法得出机构工作空间。误差建模分析了机构的测量误差,并针对并联姿态测量机构测量误差最小作为目标函数优化了机构运动学设计参数。