并联机构在机床技术中的应用

并联机构在机床技术中的应用

该制度的发明和发展与人类的生产和生活密切相关。它促进了生产力的发展、生产工具的完善和人类生活水平的不断提高。从三国时期诸葛亮的“木牛流马”到捷克作家查培克笔下强壮的“Robot”,无不体现着人类对新技术、新机构的幻想与渴望。并联机构的出现,使得机器人的研究、机床的研究出现了新的热点,弥补了串联机构的不足。由于并联机构结构刚度好、承载能力大、位置精度高等优点,吸引了国内外工程界与学术界的广泛关注,几十年来,人们对并联机构的研究如火如荼,不断致力于新型并联机构的研发。1串联机器人的研究进展目前,国内外关于并联机构的理论研究主要集中在机构学、运动学、动力学、控制等领域,其应用领域主要有:并联机床、飞行模拟器、空间飞行对接机构、装配生产线、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统、动感娱乐平台以及医疗设备等。并联机构学与运动学分析主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间等方面,是并联机器人控制和应用研究的基础。另一方面是动力学。动力学分析方法很多,主要有:拉格朗日(Lagrange)法、牛顿-欧拉(Newton-Euler)法、高斯(Gauss)法、凯恩(Kane)法等。由于并联机构复杂,目前有关并联机器人的研究大都集中在机构学方面,而对于动力学的研究相对较少。在应用方面,最早应用并联机器人的领域是机械制造业,如美国Giddings&Lewis公司于1994年9月在芝加哥IMTS国际博览会上首次展出了VARIAX型并联运动机床,引起轰动。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心,标志着机床设计开始采用并联机构,是机床结构重大改革的里程碑,其内部结构如图1所示,被誉为“21世纪机床”。此后,美国Ingersoll公司和Hexel公司,德国Mikromat公司、Index机床公司、DSTechnologie机床公司、Reichenbacher公司及Herkert机床公司,俄罗斯Lapic公司、法国RenaultAutomation公司、中国的众多科研院所等先后研制出各种并联机床,其中部分结构如图2所示。并联机构虽然经过了几十年的研究,在理论上比较成熟,但多数仍在实验室中,真正投入到生产实践中的并联机器人还较少。近年来,先进制造技术的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用,也提出了更高的要求。如何解决并联机构在理论和实践上的一系列难题,使并联机构逐步从研究走向实用化,最终走向市场,在我们的生活中发挥越来越多的作用,还需要各国科研工作者坚持不懈地努力,进一步潜心致力于并联机构关键技术的研究和探索。2小自由度机构随着空间并联机构学理论、技术与应用的不断发展,对各种空间机构的性能要求在不断地提高。其中,空间少自由度并联机构与6自由度并联机构相比,结构简单、经济便宜、控制较容易,具有良好的应用前景,是当前国内外学者的研究热点之一。一个不受任何约束的自由体在空间有6个自由度,即3个方向移动的自由度和3个方向转动的自由度。如果物体受到不同程度的约束,自由度将不同程度地减少,使自由度为2～5个,实现这种少自由度的机构称其为少自由度机构,有一些特殊性能需要研究。人们对有6个自由度的纯自由体机器人已有很多研究,而对于少自由度机构的研究相对较少,因其存有的几个自由度不像原来纯自由体时对应的那几个自由度那么自由。所以可称有6个自由度的纯自由体是有绝对自由度的,而受到约束后的机构,不但被约束掉某几个自由度,剩下的不被约束的几个自由度也不那么自由了,只有其相对的不完全的自由。研究少自由度并联机构最早的学者应属澳大利亚著名机构学教授Hunt,在1983年,他就列举了平面并联机构、空间三自由度3-RPS并联机构,但对四,五自由度并联机构未作详细阐述。在Hunt之后,不断有学者提出新的少自由度并联机构机型。历经几十年的研究,少自由度并联机构构型有了很大发展,其中以Clave、Hervé、Tsai、DiGregorio、Rolland、Lee和Park、黄真、杨廷力、高峰等为代表的一大批学者,构造出不同类型的少自由度并联机构,其中的部分结构如图3～图10所示。3解耦串联机构核心解耦机构设计研究进展机构的运动解耦特性对于机构的控制及其运动精度是非常重要的。运动解耦的机构容易控制,而且可以达到很高的精度。然而对于并联机构来说,运动不解耦是其本质特性。并联机构一般位姿下的各种运动通常需要多个运动副合成,即使运动解耦并联机构也只是实现了转动和平台的解耦,而无法实现所有运动自由度的解耦。因此,研究一般机构的解耦运动对机构设计、构型优选、轨迹规划和提高加工质量都有重大的意义。近几十年来,人们不断致力于并联机构的研究,解耦并联机构构型研究成果主要如下。高峰等发明了一种五自由度五轴结构解耦并联微动机器人,专利号为CN00100196.5,四自由度四轴结构解耦并联微动机器人,专利号为CN00100197.3,三自由度三轴结构解耦并联微动机器人,CN00100198.1;金琼,杨廷力等分析了一类新型三平移解耦并联机构。李惠良等基于机构结构组成理论,综合出一类完全解耦的一平移两转动的3自由度并联机构。沈惠平等设计研制了一种全部由转动副组成的动平台并能实现三维纯移动的解耦并联机器人机构。还基于以单开链为单元的并联机器人机构组成原理,设计了一种部分解耦的动平台并能实现空间三维纯移动的二腿并联机器人机构。陈玉龙,高峰等提出了以并联4-SPS&1-UPU结构为基础的五维力/力矩传感器,用弹性球铰替代球铰,用弹性虎克铰替代普通虎克铰,弹性体替代移动副,是力与力矩解耦且力矩是各向同性的。该传感器可直接应用于机器人手指、手腕和其他使用多维力与力矩传感器的场合。杭鲁滨等基于解耦判定准则,构造了一种新型的三平移一转动解耦并联机构,该并联构既具有拓扑解耦特性,又具有尺度解耦特性。WeiminLi提出了一种完全解耦的三自由度移动并联机构。解耦构型的研究,是并联机构研究的热点和难点,也是并联机构实用化的瓶颈,因此,大力加强解耦并联机构的研究具有实用价值。4串联机构机构学与运动学研究的展望并联机构的研究已经有了近80年的历史,最早的研究主要集中在对六自由度的并联机构的研究上,直到上世纪80年代以后,以澳大利亚著名机构学教授Hunt为代表一大批学者开始研究少自由度并联机构,提出了一些新的并联机构构型,使得并联机构的市场化进程前进了一大步。目前,国内外关于并联机构的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略等方面。其中并联机构的机构学与运动学主要集中在机构的运动学问题、奇异位形、工作空间和灵巧度分析等方面。并联机构机构学与运动学的研究在并联机构的研究中占有重要的基础地位,是实现并联机器人、并联机床等控制和应用的基础。动力学分析及控制策略的研究主要是对并联机构进行动力学分析和建模,并且研究利用各种可能的控制算法,对并联机器人、并联机床等实施控制,从而达到期望的控制效果。从大量的关于并联机构的研究文献可以看出,近十余年来,关于并联机器人各方面的研究工作都取得了很大的进展。但是,还有大量的工作需要进一步研究和开展,主要有以下几个方面:(1)进一步研究并联机器人机构的型数综合,寻求结构更加合理、适合不同用途的并联机构,使并联机构的运动学和动力学模型变得简单,同时考虑深入研究多种约束条件的并联机构优化设计方法。(2)加强