λ型并联机床的工作空间分析.pdf

第 1 期 总第 1 5 8期 2 0 1 0年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MATI ON No． 1 Fe b． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 1 0 0 3 2 0 3 入型并联机床的工作空间分析 张 源，崔建昆，卢 强，罗玉华 上海理工大学 机械工程学院，上海2 0 0 0 9 3 摘 要 针对一种双直线 电机驱动的平 面并联机床 的 型机构模 型， 给出 了机床 主运 动平面机构 的运 动特 性， 分 析研究 了 型平 面四杆机构 的工作 空间。 机构的工作 空间与机构滑鞍的行程 以及机构 的尺 寸有关， 分别给 出了 各种情况的工作空间几何 形状 。 关 键词 四杆机构；工作 空间；并联机床 中图分 类号 T G5 0 2 ． 3 文献标识码 A 0 引言 为了提高生产效率和改善零件 的加工质量而发展 的高速和超高速加工现已成为机床发展的一个重大趋 势，由于并联机构具有高刚度、高承载能力、高动态 特性、高速度及结构紧凑等特点 ，而倍受机械制造业 的青睐，以并联机构为运动机构的机床研究已成为国 际上研究与开发的热点。并联机床 的核心问题是执行 件的位移精度和动态特性 ， 现有并联机床具有简单、 合 理的结构模式 ，其所应用的传统驱动方式固然具有许 多优势，但是也存在一些难 以克服的弊病；如果应用 更合适的驱动技术 ，会进一步提高其传动精度和工作 效率 ，因此，有必要研究并联机床进给系统的新式驱 动方式。 直线电机直接驱动的工作台无反向工作死区， 由于电机惯量小 ，所以由其构成的直线伺服系统可以 达到较高的频率响应 。入 机构因在初始的直线点时连 杆处于瞬时平动状态， 外形似 入 ， 故称 入型机构 。 本文 通过对平面并联机床实例的研究和分析从而得出 入型 平面四杆机构的工作空间。 1 型 平面并联 机床 的机构 描述 及其运 动学 正反解 型平面四杆机构的结构特征见图 1 ， 本机构由直 线电机、直线电机导轨和运动臂构成。由于该机床机 构简单、控制方便 ，较容易根据加工对象而将其设计 成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床。这种 机床具有高刚度、高承载能力、高速度 、高精度以及 重量轻、制造成本低、标准化程度高等优点 ，在许多 领域都得到了成功的应用。 设机床的导轨长为 a ， 两导 轨之间的距离为 h ，运动臂长为 ， J ，刀具位置为 。 图 1 A型 平 面 四杆 机构 的 结 构 特 征简 图 建立如图 1 所示的固定坐标 系 o x y，根据几何关 系 知 一 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 Yl Y￡ z2 一 。 ⋯⋯⋯⋯． 2 Yl Y。 若已知 Y 、 Y ， 计算可求得其正解 z 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 z ■ 0 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ √ 1 一．y 2 。 h 。 Y 一 Yl 一 _ 一。⋯⋯⋯⋯． ． 4 一 _ ／ o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯L4 √ 1 一 2 h 机构运动学方程对 时间 t 求导 ， 即可得到速度方 程 收稿 E l 期 2 0 0 9 0 4 1 0 ；修 回日期 2 0 0 9 0 8 2 0 作者简介 张源 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山东枣庄人 ， 在读硕士研究生 ， 主要研究方向 并联机器人 ， 机械 电子工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1期 张源 ，等 型并联机床 的工作 空间分析 3 3 ‘ 一一 h _ l y l -- y 2 y , 二 -- 二 y 2 X 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5 一 一 ■ 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ， √E y 1 ny h ] 。 Y Y ‘l 一 一 。 ⋯⋯⋯⋯ 6 ／ - 一 二 二 二 二 二 二 二 二o⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯L b √E y my ] 。 反之， 可求得其反解 Y 1 一 √l 一z 。。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 ．y 。 一 1 -- √ 2 m 。 z。⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 8 当 3 7． q _ y 2 时 Y 1 一 √l 一z 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 y 2 1 -- √ z 2 z 。 。 ⋯⋯⋯⋯⋯ 1 o 当 一口 z 时 Y 1 一 一 √I z --X 。 ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ 1 1 一 一 1 - 雁。 ⋯⋯ ⋯ 1 2 当 ≥z 且 z 一日 。 ≥ 。 时 Y 1 弘√ 一z 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 3 一 1 --鱼 。 ⋯⋯⋯． 1 4 ．T 型 平面并 联机 床-2 的可 达工 作 空间分 析 机构可达工作空间定义为末端执行器上点 尸沿 轴和 Y轴所能达到位置的集合 。 影响并联机构可达工作空间的因素有尺度参数、 主动 变量 变化 范 围的 限制 、运 动副转 角 的 限制 、奇异 性和支链干涉等。本机构可达工作空间的形状 由机床 的导轨长 n 、 两导轨之间的距离 h 、 刀具位置 决定。 在 给定的范围内取样 ，通过运动学逆解确定参数，进行 干涉性 、奇异性判断 ，若满足所有的约束条件，则在 工作空间内 ，否则在工作空间外，将所有工作空间边 界点找 出来 ，这些点构成的曲线即为工作空间。搜索 工作空间边界曲线的程序流程图见图 2 。 图 2搜索工作 空间边界 曲线的程序流程 图 根据程序流程图利用 MATI AB画出各种情况 的 可达工作空间几何形状 ，见图 3 。 当o ≤z ≤ 、 i 时 b 当 ／ 干 i z ／ ／ 干 时 ； c 当z ≥ 、 时 图 3 可 达 工 作 空 间 { 3 型平面并联机床的灵活工作空间分析 阴影部分为灵活工作空间。 灵活工作空间是指操作器上某一参考点可以从任4结论 何方向到达的点的集合 ，灵活工作空间是可达工作空 本文通过对平面并联机床的主运动特性和工作空 间的一部分。 它能从整体上大致描述平台的姿态能力。 间的分析 ，给出了 入 型平面并联机床 的工作空间的几 本机床在位置机构上没有奇异点 ，但在加工过程中存 何形状。并联机床工作空间的确定 ，对其总体设计有 在灵活性的问题 ， 如果处理不当， 会对刀具产生破坏。 重要的价值 ，有助于并联机床相关零部件空间位置布 灵活工作空间影响加工轨迹 的确定 。利用 MATI A B 局设定 ，是零部件尺寸选取的理论依据，并且能够预 绘出各种情况的灵 活工作空间几何形状 ， 见图 4 ， 图中 先确定工件尺寸的加工范围，为这类并联机床的设计 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 0年第 1 期 提供了有用的资料和方法 。 当o ≤z ≤ 万时 6 当 K 时 图 4灵活 工 作 空 间 参考文献 [ 1 ] J o r g e An g e l e s ． 机器 人 机械 系统 原理 理论 、 方 法和 算法 [ M] ． 宋伟刚 ， 译． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 黄真． 并联机 器人机构 学理论及 控制I- M- I ． 北京 机械 工 业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 3 ] 熊有伦 ， 尹周平 ， 熊蔡华 ． 等． 机器人操作 [ M ] ． 武汉 湖北 科学技术 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 叶云岳． 直线 电机原理 与应用[ M] ． 北京 机械 工业 出版 [ 5 ] [ 6 ] 当 ， ≥ 时 社 ， 2 0 0 0 ． 张顺 心 ， 范顺成 ， 肖汾 阳， 等． 并联机床主运动机构工作空 间分析 [ J ] ． 机械设计 ， 2 0 0 3 ， 2 0 3 3 9 4 0 ． E A Di j k s ma n， A T J M S ma l l s ． X - f o r me d 4 - b a r l i n k a g e s s e t i n a t r a ns l a t i o n po s i t i on t o de s i g n me c h an i s ms a p p r o x i ma t i n g a s t r a i g h t l i n e E J ] ． Me c h Ma c h Th e o r y ， 1 9 96， 3 1 8 1O 33 一】 O 42 ． W o r k s p a c e An a l y s i s o f入 一 f o r m e d Pa r a l l e l M a c h i ne To o l s Z HANG Yu a n，CUI J i a n k u n，LU Qi a n g，LUO Yu h u a Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i ng，Sh a n g h a i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te t h n o l o g y，S ha n g ha i 2 0 0 0 9 3，Ch i n a Ab s t r ac t Fa c e d wi t h t he mode l o f o ne k i n d o f X - f or me d 4 - ba r l i nka g e s i n a pl a ne p ar a l l e l ma c hi n e t oo l dr i v e n by dua l l i ne a r mo t or， t h i s p a pe r g i v e s t he mo t i o n c ha r a c t e r i s t i c s of p a r a l l e l ma c hi ne t o ol ， a n d a na l ys e s i t s wo r ks pa c e ． The wor ks p ac e of me c ha n i s m i s r e l at e d t o t he s l i de s t r ok e a s we l l a s t he l i nk a ge d i me n s i ons ．Ge o me t r i c s h ap e s o f wo r k s pa c e i n v a r i ou s s t a t us ar e gi v e n O Ut i n t hi s p a pe r Ke y wo r d s 4 - b a r l i n k a g e s ； wo r k s p a c e；p a r a l l e l ma c h i n e t o o l 上接 第 3 1页 5 结论 本文 通过用 V C” 控制会话 文件 生成 的方法 对 P a t r a n进行二次开发， 设计并实现了一个针对车桥的专 用 C AE软件 ，并用它对某型号车桥进行了应力分布的 数值模拟计算。计算结果与工程实际基本～致 ， 这为进 一 步开发其他的相关专用 C AE软件提供了参考。 参考文献 [ 1 ] 何祖平 ， 王德 禹． 基 于 MS C． P a t r a n二 次开发 的结 构参数 化建模及其集 成开发环境[ J ] ． 航海工程， 2 0 0 5 2 1 7 - 2 0 ． [ 2 ] 刘 亚 龙 ， 王 生 楠． 用 C B u i l d e r语 言 实 现 对 MS C ／ P AT R AN 的控制 [ J ] ． 计算机工程 与设计 ， 2 0 0 6 9 3 2 8 0 3 28 2． [ 3 ] 刘兵山 ， 黄聪． P a t r a n从 人门到精 通[ M] ． 北京 中国水 利 水 电出版社 ， 2 0 0 3 ． A Ch a s s i ．s CAE S o f t wa r e Ba s e d o n t he S e c o nda r y De v e l o pme nt o f M S C． Pa t r a n ZHOU M i ng g a ng ， CHEN Yua n ，DI NG Lv hu i 1 -C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Hu b e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g yW u h a n 4 3 0 0 6 8 ，C h i n a ；2 Co l l e g e o f Me c h a n i c a l S c i e n c e＆ ． E n g i n e e r i n g ， Hu a z h on g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e 8 L Te c h n o l o gy，Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i ng t O t he r e qui r eme n t of an a l y z i ng c ha s s i s s t r e s s，t hi s p a pe r c a r r i e d OU t t h e s e c o nda r y d e ve l op me nt o f Pa t r a n by u s i n g VC十十， a nd a c u s t omi z e d CAE s of t war e us e d t o a n al yz e t he c ha s s i s s t r e s s wa s i mpl eme nt e d． Ke y wor d s Pa t r a n； s e c ond a r y d e ve l op m e nt；c ha s s i s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m