數(shù)控臥式鏜銑床機械手運動機構(gòu)設(shè)計【含3張CAD圖】

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附錄 1 外文譯文清華科技ISSN 1007 - 0214 06/18 pp269 - 275第 12 卷,第 3 號,2007 年 6 月最優(yōu)運動設(shè)計的一個二自由度平面并聯(lián)機械手吳軍，李鐵民，劉辛軍，王立平制造工程研究所，精密儀器和機械學(xué)系，清華大學(xué)，北京 100084,中國摘要：封閉了優(yōu)化設(shè)計的運動學(xué) 2 自由度平面并聯(lián)機械手的解決方案?；诠ぷ骺臻g提出了優(yōu)化設(shè)計。與此同時，一個全球性的，全面介紹了空調(diào)指數(shù)評估運動設(shè)計。最好的并聯(lián)機械手是納入一個五自由度混合機工具包括一個二自由度旋轉(zhuǎn)機頭和一個長移動工作臺。結(jié)果表明，平面并聯(lián)機械手的基礎(chǔ)試機工具可以成功地用于機葉片和導(dǎo)葉的水力渦輪機。關(guān)鍵詞:平面并聯(lián)機械手; 全球調(diào)節(jié)指數(shù);混合機工具介紹并行機制能夠非?？焖俸蜏蚀_的運動，具有較高的平均剛度，且特征是在他們的工作空間，具有較低的慣性,可以操縱重載荷比串行、同行。因此,并行機制在為平臺的計算機數(shù)控加工的同時也被眾多研究者全面研究和制造。高夫·斯圖爾特的該是最受歡迎的平行運動機配置，當并聯(lián)運動機床首次開發(fā)。并應(yīng)用在機器人技術(shù)社區(qū)易感性的范圍，從高速操縱 【1】 來力扭矩傳感 【2】 。但是高夫·斯圖爾特平臺對制造業(yè)的應(yīng)用程序也有一些缺點，比如它的相對小的有用的工作區(qū), 復(fù)雜的直接運動學(xué)和設(shè)計困難。并聯(lián)機構(gòu)少于 6 自由度是相對容易的設(shè)計及其運動學(xué)可以用封閉的形式描述。因此，并行機械手少于 6 自由度，特別是 2 或 3 自由度,已經(jīng)越來越引起關(guān)注 【3-5】 。而在 2 個或 3 個平移自由度扮演重要角色的行業(yè)里，平行機械手能夠適用于并聯(lián)機器 【6】 挑選和地方應(yīng)用 【7】 和其他領(lǐng)域。大多數(shù)現(xiàn)有的 2 自由度平面平行機械手是著名的五桿機構(gòu)，用的是棱鏡執(zhí)行機構(gòu)或外卷的致動器 【8、9】 。這機械手輸出是平移運動的一種點和末端效應(yīng)器取向不能保持不變。 運動學(xué)設(shè)計方法的一個關(guān)鍵部分是平行機制運動的設(shè)計理論。優(yōu)化設(shè)計可以基于不同評估標準，括剛度 【10】 、敏捷、或一個全球調(diào)節(jié)指數(shù) 【11、12】 。因此,沒有一個是被廣泛接受的設(shè)計方法。黃等、艾爾 【13】 ，提出了一種混合的方法基于調(diào)節(jié)指數(shù)。而 Liu X J【14】 給了一個全球剛度索引類似全球調(diào)節(jié)指數(shù)。本文描述了一個平面并聯(lián)機械手的分析。機械手的兩個平移自由度不同，從傳統(tǒng)的五桿機構(gòu)在一個平行四邊形結(jié)構(gòu)用在每個鏈的運動學(xué)進行了分析，得到一個最佳的運動設(shè)計。盡量減少全局,全面調(diào)節(jié)指數(shù)，結(jié)果給最優(yōu)鏈路長。一個五自由度混合機工具的開發(fā)是由一個串并聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)機械手結(jié)合 1自由度平移工作臺和一個二自由度旋轉(zhuǎn)銑頭。為制造企業(yè)混合機工具使用平面并聯(lián)機械手一直用磨葉片和導(dǎo)葉的水力渦輪表明混合機工具是合適的。1、結(jié)構(gòu)描述二自由度并聯(lián)機械手的圖 1 所示。這個機制是由一個龍門框架,一個移動的平臺,兩個主動滑塊,兩個運動鏈。每個鏈建設(shè)作為一個平行四邊形。按照設(shè)計,機械手是在約束一個平行四邊形鏈接和另一個單一的鏈接的足夠移動平臺,擁有 2 平移自由度。兩個平行四邊形鏈被用來增加剛度,使結(jié)構(gòu)對稱。收到:2006-06-02;修訂:2006-08-21*國家自然科學(xué)基金資助的中國(第 50305016 號)和國家高科技研究和振(863)計劃的中國(Nos。2004 aa424120 和 2005 aa424223)**電子郵件:litm@mail.tsinghua.edu.cn;電話:86-10-62792792 圖 1 運動學(xué)模型運用 P1 and P2(見圖 1)被添加到機制來提高負載能力和加速度的致動器。獨立驅(qū)動的滑塊由兩個伺服電機在列上沿著導(dǎo)軌滑動安裝在列,因此移動平臺由純粹的平移運動在一個平面組成。2、運動學(xué)和奇異性2.1 逆運動學(xué)因為運動的兩個鏈接的每個運動鏈是相同的平行四邊形結(jié)構(gòu),鏈模型可以簡化為一個鏈接 A i Bi( i= 1, 2)見圖 1。基坐標系 O-xy 附加到基地以其 y 軸垂直通過的中點。一個移動的坐標系統(tǒng)O′-x′y′ 是固定在移動平臺。r Ai和 r Bi分別是位置向量 Ai和 Bi的接頭位置的。2 r 是移動平臺寬度和兩列。位置矢量的起源 O′與關(guān)于這個坐標系 o-xy 被定義為r O′= [x y ]T (1) 位置矢量 Ai 的位置在 O′ - x′ y′是r′ A1=[? r 0 ]T (2)r′ A2=[ r 0 ]T (3)然后這個位置向量 Ai 在基坐標系 O- xy 可以表示為rAi =rO′+ r′ Ai (4)各關(guān)節(jié)的位置矢量 Bi 位置在 O-xy 是RB1=[? r y1]T (5)RB2=[ r y2]T (6)因此,約束方程關(guān)聯(lián)第 i 運動鏈可以寫成rAi-rBi=li ni, i=1, 2b (7)在 l,n 表示長度和鏈接的單位向量,分別。以 2 規(guī)范雙方的 Eq。(7)給了(8) 2121 )(Rrxly????(9) 2為配置圖 1 所示,逆運動學(xué)正解(10) 212)(Rrxly????(11) 2從方程式。(10) 和(11),該解決方案直接運動學(xué)的機械手可以表示為(12)為配置見圖 1,“±”Eq。(12)應(yīng)該只有“-”。方程(7)-(12) 表明,直接和逆運動學(xué)的機械手可以描述在封閉形式。2.2 奇點分析以衍生品的 Eq。(10) 和 Eq。(11)關(guān)于時間給了胡軍(吳軍)et al:最優(yōu)運動設(shè)計的一個二自由度平面… 271(14) (15)方程(14)和(15)可以重新排列在矩陣形式 (16)在 J 是雅可比行列式表示為(17)因為奇異性導(dǎo)致?lián)p失的可控制性和退化的自然剛度的操縱者,他們必須避免在任務(wù)的工作區(qū)。奇點可以分為直接運動學(xué)奇異點,逆運動學(xué)奇異性,結(jié)合奇異性 [15],可以區(qū)分機械手的雅可比行列式。當其中一個鏈接是水平的,機械手逆運動學(xué)的經(jīng)驗奇點。直接運動學(xué)奇異點時發(fā)生的一個鏈接鏈和一個鏈接的其他鏈是共線。因為l1+l2> 2R 結(jié)合奇異性不能發(fā)生在該機械手。圖2顯示了一個例子,每個類型的奇點。在實際應(yīng)用中,通過限制避免了奇異性任務(wù)的工作區(qū)。圖 2 奇異的配置3、工作空間分析工作區(qū)為二自由度平面的并聯(lián)機械手是一個區(qū)域的平面所取得的工作空間參考點 O′的移動平臺。方程(10)和(11)可以重寫為(x-r+R)2+(y-y1)2=l12 (18)(x+r-R)2+(y-y2)2=l22 (19)因此,可達工作空間的參考點 O′是交叉點的子工作區(qū)關(guān)聯(lián)兩個運動鏈見圖 3。圖 3 機械手工作空間任務(wù)工作空間是一個部分的可達工作空間。在實際應(yīng)用中,這個任務(wù)的工作區(qū)通常定義為一個矩形區(qū)域的可達工作空間。讓最大限度的角度 α 和 β,鏈接 AiBi之間的夾角(i = 1,2)和垂直軸,用α max和 β max。讓 yi,max和 yi,min代表最大和最小的位置 i-th 滑塊。當 O′到達點 Q1滑塊 B1達到下限和 α 的值最大,即 yi=yi,min和 α=α max。同樣, 當 O′到達點 Q4，即 y2 =y2,min和 β=β max。一個垂直的線通過 Q1與上界的可達工作空間點 Q2。Q 3在 Q4的正上方(見圖3)。該地區(qū) Q1 Q2 Q3 Q4 然后構(gòu)成任務(wù)的工作區(qū),作為一個矩形的寬度 b 和高度 h,注明 wt。4、最優(yōu)運動設(shè)計4.1 優(yōu)化設(shè)計基于工作區(qū)這個小節(jié)的目標是確定機械手參數(shù)所需的工作區(qū)。優(yōu)化設(shè)計的范圍可以表達為:給定 r、b,和霍夫重量,確定 R,l1、l2, 總長度為的滑塊。從方程式(10),(11)和(17),機械手的性能與 R?r 但不要 R 或 r 獨立。實際上,r 應(yīng)該盡可能的小,因為較小的值 r 導(dǎo)致較小的機械手。通常,r 取決于軸,軸承,和工具維度在他移動平臺。因此,r 應(yīng)該是設(shè)計師給出的。 當移動平臺到達下限,見圖 4,以下參數(shù)關(guān)系可以被獲得（20）（21）其中 d 的距離左列到左極限任務(wù)的工作區(qū)。在實際應(yīng)用中,l1 應(yīng)該等于 l2 改善系統(tǒng)性能和剛度。因此（22）272 清華大學(xué)科學(xué)與技術(shù),2007 年 6 月,12(3):269 - 275圖 4 機械手的優(yōu)化設(shè)計因此,對于 l1=l2 當移動平臺將從 Q1 到 Q4 點沿 x 軸、滑動距離的滑塊在導(dǎo)軌應(yīng)(24)當移動平臺從點 Q4 到 Q3 傳播沿 y 方向,滑動距離的滑塊(25) 因此,總旅程的滑塊(26)因為優(yōu)化設(shè)計基于任務(wù)的工作區(qū)不考慮靈巧和剛度的機械手,鏈接長度不是最優(yōu)。最優(yōu)長度的鏈4.2 全球,綜合指數(shù)條件數(shù)的雅可比行列式作為當?shù)氐男阅苤笜嗽u估速度、精度和剛度映射特征變量之間的聯(lián)合和移動平臺。這個條件數(shù) κ 被定義為(27)在 和 是最大和最小奇異值的導(dǎo)數(shù)與給定的姿勢有關(guān)。和 可以由求解特征方程I 代表一個單位矩陣的訂單 2。這里研究了并聯(lián)機械手,(28)在和因為 K 隨機制配置,一個總體的能指標作為績效測量的最優(yōu)運動設(shè)計,（29）注意,本身不能充分描述總體的整體運動學(xué)性能由于其無法描述之間的差異的 最大值與最小值。黃 et al[7]。提出了一種全局,綜合條件指數(shù)為目標函數(shù)在運動設(shè)計。目標函數(shù)可以表示為（30）在和 max(κ)和 min(κ)代表最大值與最小值的 K 在任務(wù)工作空間和 wη 代表重量放在的比率到。和 η 可以計算的數(shù)值（31）在 κ 的價值評估在節(jié)點(m,n)(m?1)×(n? 1)同樣網(wǎng)狀的 Wt。5、應(yīng)用程序5.1 XNZD2415混合機工具一個二自由度平面并聯(lián)機械手結(jié)合工作臺有一個平移自由度在 z 軸和一個銑頭和兩個旋轉(zhuǎn)自由度約 x 軸和 z 軸的創(chuàng)建一個五自由度混合串并聯(lián)機床(XNZD2415)。與雙軸銑頭,該工具可以獲得任何想要的取向在任務(wù)工作空間,它的高靈活性可以自由移動的工作臺沿 z 軸,使機床制造長的工件。任務(wù)的工作區(qū) Wt的并聯(lián)機械手設(shè)計為一個長方形 b = 1600 毫米寬度和 h = 1000 毫米高。機械手也有 α max = 80,β min = 10,r = 75 毫米。奇點理論分析表明,并聯(lián)機械手的奇異性不能發(fā)生任務(wù)工作空間。最優(yōu)設(shè)計基于任務(wù)的工作區(qū)結(jié)果在 R = 1217.4 毫米。然后通過計算最小化目標函數(shù) η 其他設(shè)計參數(shù)。圖 5 表明,η 有最小值 1.916 當 L1 = 2060 毫米為wη= 0.1?；?Eq。(26),它可以被獲得為 2345.2 毫米。圖 5 為不同鏈接 η 最小化長度條件數(shù)的雅可比行列式的并聯(lián)機械手在機床是圖 6 所示。條件數(shù)的分布是對稱的 x 軸。良好的運動性能是通過平衡和 之間的矛盾。機床是由清華大學(xué)在中國軋機一系列葉片和導(dǎo)葉的水力透平發(fā)電機組并應(yīng)用在哈爾濱電機有限公司。原型圖 7 所示。 圖 6 條件數(shù)的雅可比行列式的 XNZD2415 機床圖 7 XNZD2415 混合機工具5.2 XNZD2430 重型機床XNZD2415 之后成功的應(yīng)用在對各種加工任務(wù),哈爾濱電機有限公司需要一個混合機工具機非常大的葉片和導(dǎo)葉的水力渦輪機發(fā)電機組。當時另一個重型機床(XNZD2430)建基于二自由度并聯(lián)機械手。新的類似于第一個機在結(jié)構(gòu)與一個更大的 XNZD2430 新工作區(qū)和一些其他的包括修改兩個額外的蓋表固定的列和一個輔助盤固定在頂部的銑頭。雙方的蓋表聯(lián)系輔助托盤覆蓋著薄銅板。輔助盤接觸兩個蓋板和幻燈片之間的銑頭動作。因此,覆蓋表限制變形的銑頭和提高機床剛度正常的平面機械手運動。四個括號也添加到新機床提高剛度。 兩個額外的非旋轉(zhuǎn)銑頭被設(shè)計來取代二自由度銑頭,安裝在側(cè)面或底部的移動平臺。這種重型機床是那么一個三自由度的機器可以機縱向或橫向。Wt 任務(wù)的工作區(qū)在新的并聯(lián)機械手別被設(shè)計為一個長方形寬度 b = 3000毫米和高度 h = 1800 毫米與 αmax =,βmin =。這個機械手不能達到奇異 con形狀在任務(wù)的工作區(qū)。最優(yōu)設(shè)計基于任務(wù)的工作區(qū)結(jié)果在 R = 2342.5 毫米 η 有最小值 l1= 3550毫米,當 wη= 0.1?？梢詮?Eq 決定。(26)。主要設(shè)計參數(shù)表 1 中列出。表1的結(jié)果XNZD2430試機優(yōu)化工具ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ參數(shù) 數(shù)值ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉl1 3550 mm l2 3550 mm r 550 mm 4010.7 mm η 1.99 ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉκ 的分布為優(yōu)化設(shè)計顯示在圖 8。分布表明,條件數(shù)也是對稱所以 x 軸和運動性能是最優(yōu)的。 圖8條件數(shù)的雅可比行列式的XNZD2430機床機床的 XNZD2430 顯示在圖 9 是由清華大學(xué)正在很快的建造與機床的動力學(xué)和控制胡軍(吳軍)et al:最優(yōu)運動設(shè)計的一個二自由度平面… 275的測試。圖9 XNZD2430機床的原型6 、結(jié)論運動學(xué)設(shè)計的一個二自由度平面并聯(lián)機械手已被調(diào)查。調(diào)查顯示如下。(1) 兩列之間的距離通常是通過優(yōu)化設(shè)計基于工作區(qū)。(2) 一個全球性的,綜合性能指標,包括均值和條件數(shù)的范圍的雅可比行列式在任務(wù)工作空間,可以用來有效地優(yōu)化運動設(shè)計。(3) 平面并聯(lián)機械手建立機床被成功用于機葉片和導(dǎo)葉的水力渦輪機。另一個重型機床基于并聯(lián)機械手被建立更大的加工任務(wù)。參考文獻[1] Beqon P, Pierrot F, Dauchez P. 模糊滑?？刂频目焖俨⑿袡C器人。在:IEEE 機器人與自動化國際會議上,1995:1178 – 1183.[2] Ferraresi C, Pastorelli S, Sorli M, Zhmud N. 靜態(tài)和動態(tài)行為的高剛度 Stewart 平臺力/力矩傳感器。機器人系統(tǒng)雜志》,1995,12(12):883 – 893.[3] 吳 J,李 T M,唐 XQ:魯棒軌跡跟蹤控制的一個平面并聯(lián)機構(gòu)。j .清華大學(xué)(Sci。&工藝。),2005 年,45(5):642 - 646。(在中國 )[4] Kock S, Schumacher W. 平行 x - y 機制與驅(qū)動冗余應(yīng)用為高速和活躍的剛度。在:IEEE機器人與自動化國際會議上。魯汶。比利時,1998:2295 – 2300.[5] 劉 X J,王 QM,小王 J s. 運動學(xué)、動力學(xué)和空間合成二自由度平動機械手的一本小說。智能和機器人系統(tǒng)雜志》,2004 年,41(4):205 – 224.[6] 小王 J S,唐 XQ:分析和空間設(shè)計的一種新型的混合機工具。國際期刊的機床和制造,2003 年,43(7):647 – 655.[7] 黃 T,李 Z X,李 M,Chetwynd D G, Gosselin C M.概念設(shè)計和空間合成的二自由度平動并聯(lián)機器人小說為選擇和地點操作。ASME 雜志機械設(shè)計,2004,126(3):449 – 455.[8] 高 F,劉 X J,Gruver WA .績效評估兩個程度的自由平面并聯(lián)機器人。機制和機理論,1998,33(6):661 – 668.[9] McCloy D.一些比較串行驅(qū)動和并行驅(qū)動的機械手。Robotica,1990,8(4):355 – 362.[10] Arsenault M, Boudreau R.合成一個通用平面并聯(lián)機械手與棱鏡關(guān)節(jié)最佳剛度。在:第11 屆世界大會在機制和機科學(xué)。北京:中國機械出版社,2004:1633 – 1637.[11] Gosselin C M. 優(yōu)化設(shè)計的機器人機械手使用靈巧指數(shù)。機器人和自治系統(tǒng),1992,9(4):213 – 226.[12] Gosselin C M, Angeles J. 一個全球性能指數(shù)的運動優(yōu)化機器人機械手。ASME 雜志機械設(shè)計,1991,113(3):220 – 226.[13]黃 T, 李 M, 李 Z X, Chetwynd D G, Whitehouse D J. 最優(yōu)運動設(shè)計的二自由度并聯(lián)機構(gòu)工作空間邊界的形狀規(guī)整與指定條件指數(shù)。IEEE 機器人和自動化,2004,20(3):538 – 543.[14] 劉 X J、金 Z L,高 f .優(yōu)化設(shè)計的三自由度球面并聯(lián)機制對于調(diào)節(jié)和剛度指標。機制和機理論,2000,35(9):1257 – 1267.[15] Gosselin C M, Angeles J. 奇異性分析的閉環(huán)運動鏈。IEEE 機器人和自動化,1990,6(3):281 – 290.附錄 2 外文原文