Manufacturing-Oriented Tolerance Design of Parallel Machine Tools

精度设计是机床误差避免技术的重要手段,涉及在工作空间中给定刀具的最大位姿允差后,合理地制定零部件制造公差及装配工艺的问题。以3—HSS型并联机床为对象,利用空间矢量链模型建立零部件制造误差与动平台位姿误差的映射关系。给定零部件制造公差后,利用该模型即可预估出动平台的位姿误差。在此基础上,根据灵敏度分析结果,提出一种在给定刀具位姿允差条件下,以零部件制造公差加权欧氏范数最大为目标,以角性公差和线性公差在同一精度等级下达到均衡为约束条件的精度设计方法。研究成果已成功地应用于一台并联机床样机的开发。     

基于蒙特卡洛模拟的6-UPS并联机构的误差分析

根据6-UPS并联机构逆运动学模型,通过微分变换,构建了动平台位姿误差模型,由误差模型可知:动平台位姿误差来源于6个支杆长度误差和12个铰链中心的位置误差,共42个误差项。还建立了轴承间隙对万向节中心位置和复合球铰中心位置影响的随机误差模型,利用蒙特卡洛模拟分析了支杆长度误差和轴承游隙对动平台的位姿误差的影响,结果表明:当支杆长度误差服从均匀分布,铰链中心位置误差服从均匀分布时,动平台位姿误差近似服从正态分布,且动平台位姿对铰链轴承游隙的敏感度大于对支杆长度误差的敏感度。为6-UPS并联机构的误差分析提供了一种方法。     

3-TPS型并联机器人约束链的几何误差分析

并联机构中的约束链误差不能通过控制来消除，会对机构运动精度产生很大影响，为此文中建立了由约束链的铰链点位置变形和杆长制造误差引起的动平台中心点的位置和姿态误差的数学模型．并通过实例计算了动平台在工作空间的位置误差以及姿态误差的均值和方差，可以看到误差基本呈对称分布，是随转角变化的函数，由此可以找到误差最大的位姿。     

基于RBF神经网络的虚拟轴机床末端刀具运动位姿实时检测研究

实现虚拟轴机床末端刀具位姿的实时检测目前仍然是虚拟轴机床在数控加工领域实现高精度控制和产业化的障碍之一。针对六自由度虚拟轴机床的末端刀具位姿检测进行研究。首先对虚拟轴机床进行运动学分析,然后以虚拟轴机床末端刀具的位姿逆解作为神经网络的训练样本,构建结构自适应确定的RBF神经网络,实现虚拟轴机床从关节变量空间到工作变量空间的映射,最后利用已训练好的RBF神经网络实现虚拟轴机床末端刀具位姿的实时检测。实验结果表明:利用该方法实现虚拟轴机床末端刀具运动位姿的检测不仅具有可行性,而且具有较高的检测精度,为虚拟轴机床末端刀具的直接闭环高精度控制奠定了基础。     

6-UPS并联机床误差分布特性

为确定6-UPS交叉杆式Stewart型并联机床BJ-04-02(A)的加工精度特性,运用逆向思维方式,从刀具平台发生给定位置误差、姿态误差时驱动杆长度的变化中获得机床精度信息。计算了工作空间内各位置点、各姿态下刀具平台发生给定位置误差、姿态误差时驱动杆长度的变化量;通过极值、倒数等运算,获得了单位杆长误差引起的刀具平台位置、姿态误差的上下限,并给出了位姿误差在工作空间内的分布特性。     

面向制造的并联机床精度设计

精度设计是机床误差避免技术的重要手段,涉及在工作空间中给定刀具的最大位姿允差后,合理地制定零部件制造公差及装配工艺的问题。以３－ＨＳＳ型并联机床为对象,利用空间矢量键模型建立零部件制造误差与动平台位姿误差的映射关系。给定零部件制造公差后,利用该模型即可预估出动平台的位姿误差。在此基础上,根据灵敏度分析结果,提出一种在给定刀具位姿允差条件下,以零部件制造公差加权欧氏范围最大为目标,以角性公差和线性公     

数控机床几何精度设计指标确定方法研究

针对数控机床几何精度设计过程中整机精度设计指标难于合理确定的问题,提出一种基于待加工试件公差指标反演机床刀具工件间相对位姿误差允许变动范围的方法。该方法首先建立试件单一公差项与机床位姿误差之间的约束关系模型,即为满足试件单一公差要求,机床刀具工件间相对位姿误差需要被控制在何种范围内,然后将所有公差项对应的变动范围求交集即可得到机床位姿误差的允许变动范围,并作为整机精度设计的设计指标,用于机床零部件公差分配。推导了常用公差项对应的位姿误差变动范围的求解方法,并以机床精度检验标准中轮廓加工试件为例,阐述了所提方法的应用过程。     

3-TPT 型并联机床的精度分析与仿真

为提高3-TPT型并联机床的运动精度,解决杆长误差和铰链间隙误差的影响问题,将3-TPT型并联机床的各条支链作为假想的单开链,利用矩阵法结合从运动学方程微分得到的结论,推导出杆长误差和铰链间隙误差与终端动平台位置误差的映射关系.以东北大学研制的3-TPT型并联机床为模型,在MATLAB下利用蒙特卡洛方法分析了工作空间内杆长误差和铰链间隙误差对终端运动精度的影响规律.仿真结果表明,该机床的终端输出误差较小,约为输入误差的1/15～1/12.5,基于该构型的试验平台可达到较高的运动精度.     

新型并联机床的柔度指标及其在工作空间内分布研究

研究并联机床的柔度及其在工作空间内的分布情况，对并联机床的方案设计和使用有重要意义，对一种新颖的以6－SPS正交3维平台机构为原型6自由度并联机床的变形与力关系进行分析，基于柔度矩阵的子阵，提出该并联机床在任意位姿的4个柔度评价指标，并给出了这些评价指标在定位姿工作空间内的分布情况，为该并联机床的合理任务规划和因受力变形而 产生的加工误差分析提供依据。     

六坐标并联式数控机床误差分析

针对文献 [5 ][6 ]中提出的新型并联式数控机床结构 ,进一步探讨了影响机床加工精度的主要因素 ,给出了该机床误差的表示方法 ,推导了因杆件的微小变化而引起刀具位姿变化的计算公式。     

并联机床后置处理算法与系统

以6自由度6-TPS型并联机床为模型,阐述了生成控制数据的一般流程,指出后置处理必须解决的两个关键问题——工件坐标系定位和动平台位姿获取。针对不同位形,提出利用综合误差系数和综合误差度来评价终端运动精度,并据此将工件坐标系定位归结为一类兼顾作业空间和运动精度的有约束非线性规划问题;提出了一种利用5自由度刀位文件获得6自由度动平台位姿的方法;研究了笛卡儿空间的插补算法,并比较了两种不同方法所产生的不同刀具插补轨迹。最后介绍了基于以上算法所开发的后置处理系统的结构。     

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。     

一种少自由度飞行模拟运动平台误差分析

将一种少自由度并联机构3-PRS用作飞行模拟运动平台,为使该平台运动精度满足系统要求,对其进行误差分离与灵敏度分析。通过研究平台运动学逆解模型获得驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵,采用空间闭环误差矢量链的误差建模方法,对运动平台进行误差建模,获得各个几何误差源与终端输出位姿误差之间的映射函数,在所建立的全误差源模型的基础上,利用解析法去除冗余误差源后,借助驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵将影响该平台末端可补偿位姿误差的误差源和不可补偿位姿误差的误差源分离。最后,在整个运动空间内,借助灵敏度分析,获得影响末端不可补偿位姿误差源的全局灵敏度影响系数。根据灵敏度影响系数可指导前期设计阶段各零部件公差等级的选择以及装配阶段装配公差的确定,研究结果对同类少自由度并联机构具有指导意义。     

基于线驱动并联机构的FAST馈源平台位姿测量方法

"中国天眼"——500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)日前已投入使用,其独创的光机电一体化馈源支撑方案使得结构重量降低2个数量级。在6根柔索对馈源舱进行初步定位的基础上,舱内的AB轴机构和精调Stewart平台支撑起馈源平台,并进行实时位姿补偿以实现馈源对天文目标的高精度跟踪。为避免通过各级驱动关节反馈值计算馈源平台位姿时,不能反映杆件弹性变形、铰链间隙引入的馈源平台误差,提出一种基于线驱动并联机构的馈源平台6自由度位姿直接测量方法,研究了测量系统的数学模型,利用机构构型的特点简化了线驱动并联机构的位姿正解算法。通过将简化后的位姿正解算法与传统6自由度机构位姿正解算法进行对比,验证了该方法的有效性和实时性;进一步分析了基于该方法的测量系统误差来源,得出了机构参数的误差映射关系。数值仿真结果表明:基于线驱动并联机构6自由度位姿测量系统具有误差平均效应,通过拉线连接点优化布局能够达到0.5 mm和0.025°的测量精度。     

一种新型全自由度可重构并联机床的尺度综合

对一种可在3-UPS、2-UPS-URS、2-URS-UPS、3-URS四个构型之间灵活变换的6自由度可重构并联机床进行尺度综合.按照机构的位姿变换过程,建立反映运动构件位姿的数学模型,根据空间机构位置反解解析法,得到该类并联机床运动构件尺寸和可达工作空间之间的关系,并以可达工作空间为目标函数,以并联机床机构的支链长度...     

新型6-PSS并联机器人的位姿误差分析

在获得6-PSS并联机构位置反解的基础上，考虑杆长、铰链位置、铰链间隙等各类主要误差源对终端误差的影响，推导出此新型机构的位姿误差模型，且应用蒙特卡洛技术分析了位姿误差的分布规律，为这种机器人的理论设计与精度补偿提供了理论基础。     

一种大摆角五轴联动混联机床并联模块的误差分析

为提高大摆角五轴联动混联机床的运动精度,解决杆长误差以及铰链间隙误差的影响问题,将该机床并联模块的各条运动支链作为假想的单开链,采用误差独立作用原理建立并联模块的误差模型,利用微分法推导出杆长误差、铰链间隙产生的位置误差与机床动平台位置误差的映射关系。然后采用MATLAB软件对误差影响因子对机床动平台运动精度的影响规律进行仿真分析。由仿真结果看出,该机床动平台的输出误差处于合理范围,误差影响因子对机床运动精度影响不大,该误差模型的建立为进一步优化机构设计及误差补偿奠定了基础。     

A New Method for Measuring the Movable Platform Position and Orientation of Parallel Machine Tool

提出一种采用附加测量机构直接测量并联机床运动平台位姿精度的方法。其基本思想是根据运动平台的运动特性在固定平台和运动平台之间增设附加测量机构,当运动平台运动时带动测量机构运动,通过安装在测量机构上的传感器测得广义坐标参量,经运动学建模即可得到运动平台的位姿。当测量机构位姿正解求解速度满足实时控制要求时,利用该反馈信息对机床进行实时精度补偿和控制。基于上述思想建立的并联机床位姿测量系统可部分排除机床切削力变形和运动副间隙等误差,从而提高机床的位姿测量精度。以一种五坐标并联机床为例,介绍采用附加测量机构直接测量运动平台位姿精度的建模方法。其中,测量机构的综合十分重要。测量机构的组成决定了运动学模型的复杂程度,即决定了运动学模型的计算效率。     

虚拟轴机床插补的姿态控制策略研究

为了克服采用欧拉角描述位姿的虚拟轴机床在插补过程中对欧拉角线性化处理所引起的加工干涉问题,文章根据动平台运动路径最短的原则提出了双轨迹插补的策略,进而提出直接对刀具矢量插补的策略。实践证明该策略可以很好地控制动平台的姿势。     

6自由度并联机床支链干涉建模及试验研究

以6自由度并联机床为研究对象,建立基于作业空间的干涉模型—含参数非线性方程组;利用连续法求解该模型解集的边界,此一维边界直观地描述出刀具终端位姿与支链干涉的关系;提出通过控制机床的多余自由度来避免支链间干涉,从而简单、有效地解决了6自由度并联机床操作安全性问题。