并联运动机床现状与关键技术研究综述.pdf

2 0 1 0年 1月 第 3 8卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 3 8 并联运动机床现状与关键技术研究综述 鲜鸿雄 ，李绣峰 ，邓锦炽，林燕虹 五 邑大学机 电工程系，广 东江门 5 2 9 0 2 0 摘要随着社会的发展，并联运动机床技术迅速成为数控领域 中的一个研究热点，具有广泛的应用和广阔的发展前 景。简要介绍了国内外并联运动机床的研究背景及其发展现状，对并联运动机床的关键技术 即数控系统实时控制模型、位 置正反解和运动学分析分别进行了介绍，并对 目前存在的主要问题和解决方法进行了探讨。 关键词并联运动机床；数控系统实时模型；伺服控制；运动学分析 中图分类号T P 2 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 1 1 6 4 Sa r v e y o n Ke y Te c h n o l o g y a nd Pr e s e nt S t a t u s o f Pa r a l l e l Ki ne ma t i c s M a c hi n e To o l XI AN Ho n g x i o n g ，L I Xi u f e n g，D EN G J i n c h i ，L I N Ya n h o n g D e p t ．o f E l e c t r o n i c a n d M a c h i n e E n g i n e e r i n g ，Wu y i U n i v e r s i t y ，J i a n g m e n G u a n g d o n g 5 2 9 0 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e s o c i e t y，t h e p a r a l l e l k i n e ma t i c s ma c h i n e t o o l t e c h n o l o g y i s r e s e a r c h e d a s a h o t s po t i n n u me fie al c o n t r o l fi e l d r a p i d l y ． I t h a s wi d e l y a p p l i c a t i o n a n d b roa d d e v e l o p me n t f o r e g r o u n d ． A b rie f s u r v e y o n t h e r e s e a r c h s t a t u s a n d k e y t e c h n o l o gy o f p a r a l l e l k i n e ma t i c s ma c h i n e t o o l s u c h a s mo d e l o f n u me r i c a l c o n t r o l s y s t e m b y r e a l t i me ，p o s i t i v e a n d n e g a t i v e s o l u - t i o n s o f m e c h ani s m pos i t i o n a n d m o v e m e n t t r a j e c t o r y p l an w e r e v e n ， and s o m e pos s i b l e p r o b l e ms and s o l u t i o n a p p r o a c h e s o f t h e f u t u r e d e v e l o p me n t w e r e p r e s e n t e d ． Ke y wo r d s P ara l l e l k i n e ma t i c s ma c h i n e t o o l ；Mo d e l o f n u m e r i c al c o n t r o l s y s t e m b y r e a l t i me ；S e r v o c o n t r o l ；Ki n e ma t i c a n a l y s i s 0 引言 近年来 ，随着各国科研单位和高校对并联运动机 床的投入，并联运动数控机床技术得到了进一步的研 究与发展 ，其应用领域也越来越广泛。 在未来的十年之内，并联运动机床在中国的需求 将会有明显的增长。随着计算机技术、自动化技术和 数控技术的不断发展，以及市场对高性能和高效率的 数控机床的需求不断提高，又因为并联运动机床的刚 度重量比大、速度快等优点，使其具有广泛的应用和 广阔的发展前景，已成为数控技术研究的一个热点。 并联运动机床使用量增长的主要原因是其具有刚 度高、动态性能好等优点。并联运动机床的出现彻底 改变了一百多年来机床的结构配置和运动学原理，并 将成为 2 1 世纪新一代机床的典范。 1 国内外研究现状 目前 ，国内外在并联运动机床方面的研究很多， 而且已经开发出一些商业化产品。 1 9 9 4年，G i d d i n g s L e w i s公 司 在 美 国 芝 加 哥 I M T S 9 4机床博览会上推出的 V A R I A X并联机床 ，引 起广泛关注，被称为 “ 2 l世纪的机床” 。正是 由 于 G i d d i n g s L e w i s 公司的创新探索 ，对促进各国大学 和研究机构开展并联运动机床研究起到了积极的推动 作用。美国H e x e l 公司致力于并联运动机床和并联结 构应用 的普及化 ，推 出低 价位 的 T o r n a d o 型 5坐标加 工 中心 和铣床工作 台以及六 自由度 的定位平台和微 型 机器人等一 系列产 品。 在并联运动机床方面，欧洲也投入了很大的财力 和技术支持。德国Mi k r o m a t 机床公司的6 X H e x a 立式 加工中心是欧洲第一台商品化的并联运动机床，该机 床的开发计划由欧共体 E s p ri t 高科技研究计划资助。 德国 D S T e c h n o l o g i c 机 床公 司在 1 9 9 9年 推 出 了 E c o s p e e d型大型 5坐标卧式加工中心，用于加工飞机机 身的结构件。2 0 0 0年，该公司与美国 C i n c i n n a t i 公司 达成策略联盟协议，在 C i n c i n n a t i 的机床上配置 D S T e c h n o l o g i c 公司的 z 3型主轴部件 ，提供给北美飞机 制造工业应用。另一家德国 I n d e x 机床公司在 2 0 0 0年 率先推 出采 用并 联机床 的车削 中心 ，2 0 0 2年又 先后 将 6台车削中心联成两条加工传感器壳体零件的生产 线。俄罗斯的 L a p i e 公司将 S t e w a r t 平台并联机构用于 T M ． 1 0 0 0型精密加工 中心和 K H M- 7 5 0型 3坐标测量 机 。法国 R e n a u l t A u t o m a t i o n公 司在 1 9 9 9年推 出 U r a n e S X卧式加工中心。该机床用于加工 R e n a u l t 汽 车齿轮变速箱体的平面和孔。采用高速切削，效率很 高，加工齿轮变速箱体上 1 6个盲孔仅需要 5 ． 8 s 就可 收稿 日期 2 0 0 81 2 2 9 基金项目广东省自然科学基金项 目 P 1 5 1 0 6 3 1 0 1 0 0 0 0 2 1 作者简介鲜鸿雄 1 9 8 5 一 ，男，硕士，研究方向为并联运动机床。电话 1 3 7 5 0 3 0 5 5 1 6 ，Em a i l 2 0 0 7 x i a n s i n a ． c o rn。 第 1 期 鲜鸿雄 等 并联运动机床现状与关键技术研究综述 1 1 7 以了。该机床的变量结构特色是采用 D e l t a 机器人原 理 ] ，这是一种 3杆并联机构 ，具有很高的动态特 性 。 另外 ，英 国 G e o d e t i c公 司 ，挪威 M u h i c r a f t 公 司 ， 13本 丰 田、日立 、三菱等公 司 ，瑞 士 E T Z H和 I F W 研 究所，瑞典 N e o s R o b o t i c s 公司等公司和科研单位都研 制出了不同结构形式的数控铣床 、激光加工和水射流 机床 、坐标测量机 和加工 中心 。 目前 ，国内已经有许多高校和科研单位对并联机 床进行研究，并开发了多种形式的样机 ，如清华大学 和天津大学联合于 1 9 9 7年成功 开发 了一 台基于 S t e w a r t 机构的大型镗铣类虚拟轴机床样机 V A MT I Y。并 在 2 0 0 1 年的中国国际机床展览会上与昆明机床股份 有限公司合作开发了 X N Z 6 3数控镗铣类虚拟轴机床 和与江东机床有限公司合作开发了 X N Z 2 0 1 0数控龙 门式虚拟轴机床。 哈尔滨工业大 学早在 1 9 9 4年 底就 开始 对变 量运 动机床的基本理论 、基本结构形式和加工过程的计算 机仿真进 行研究 ，而 且在 1 9 9 8年完 成原 型样机 的制 造和性能试验。哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂 合作开发了一台6自由度并联机床 ，该机床可以对水 轮机 叶片等 复 杂 曲面进 行 加 工 。2 0 0 7年 l 2月 1 7 日，哈量集团召开了新一代并联机床 L I N K S E X E 7 0 0 新 闻发布及技术 交流会 ，并进行 了现 场加 工演示 。 哈量集 团引进瑞 典 E X E C O N公 司 的技术 ，该技 术 突 破了阻碍并联机床发展与广泛应用的障碍，性能指标 大幅度提高。哈量集团新一代并联机床的研制成功 ， 在一定程度上有助于解决我 国复杂产 品加工 的难题 。 2 0 0 8年4月2 1日，第五届中国数控机床展览会 在北京举 行 。在这届展会上 ，沈 阳机床集 团针对 国防 工业 、飞机 、造船 、发 电等重 点行业 领域 推出 7大类 2 5台数控机床产 品，集 中体现了 5轴联动复合化、 大型化 、高速化、精密化特 点，可满 足各类客户需 要 。展会上最吸引眼球的是配备沈阳机床集团 自主 研发 的 “ 飞 阳”牌数 控 系统 的立 式 加工 中心 系列 产 品，其加工精度、加工效率等 已经达到国际领先水 平。高档数控机床在航空航天、国防工业等行业用户 中赢得强烈反响 ，大型 、5轴 高档数控机 床打破 了发 达国家对相关领域的技术垄断，填补了国内空白，极 大地缓解了重点企业的生产压力。 北京理工大学开发 的 B K X ． I 型变轴数控机床， 是基于 S t e w a r t 并联机构的原理设计的，具有高刚度、 高精度 、高速度、高柔性、轻重量、低成本等诸多优 点 。燕山大学也成功 开发 了 5自由度 的 5 - U P S ／ P R P U并联机床 ，并且新开发了适用于并联机床的数 控系统软件平台 。从事此方面研究的国内高校和科 研单位还有北京航空大学 、国防科技大学、南京航天 航空大学和北京邮电大学等。 国内外学术界和工程界在并联运动机床相关领域 内发表 了大量论文，举行了多次国际学术研讨会，对 变量机 床的关 键技术和亟待解决 的课题进行 了研究 和 探索。我国已经将变量机床的研究与开发列入国家 “ 九五”攻关计划和8 6 3高技术发展计划 ，相关基础 理论研究连续得到国家 自然科学基金和国家攀登计划 的资助。各国研究单位将研究与产业发展、市场需求 非常好的结合起来 ，使研究服务于企业，企业促使研 究发展 ，形成一个 良性循环 。因此 并联运 动机床的产 业化 ，已经取得 了非 常好 的成果。 2并联运动机床的关键技术 由于并联机床要求设计高速、高精度的复杂数控 系统，必须结合并联机床的特点 ，对并联机床实时数 控系统的关键技术进行深人研究。并联机床实时数控 系统的关键技术 主要包括 以下几个 方面。 2 ． 1 数控 系统 实 时控 制模 型 在 6自由度的并联结构机床中，加工所需的刀具 运动轴 { ，l ， ，Z， ， ，A}在工作空间无法对其 直接控制，只能通过直接控制工作空间中滑块的位置 或者改变杆件长度，达到改变动平台位置和姿态的目 的。因此 ，在并联机床控制系统的开发中，一个重要 的问题就是如何根据机床的机械结构设计参数 “ ， 通过对伺服轴的控制来实现虚轴的控制。由于 目前理 论 尚未成熟 ，因此 结合试 验样机的设计参数 ，建立并 联机床的运动学模型是研究并联机床实时控制系统的 理论基础和关键之一 。 传统机床布局的基本特点是以床身、立柱 、横梁 等作为支承部件 ，主轴部件和工作台的滑板沿支承部 件上 的直线导轨 移 动 ，按 照 、y 、z坐标 运动 叠加 的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。并 联运动机床布局的基本特点是以机床框架为固定平台 的若干杆件组成空间并联机构 ，主轴部件安装在并联 机构的动平台上 ，改变杆件的长度或移动杆件的支 点 ，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨 迹。由此可见 ，并联机床与传统机床运动传递有着本 质的区别，传统数控系统是针对控制多轴串联设计 的，各伺服轴运动相对独立 ，其刀具运动轨迹是各控 制轴位移矢量的线性组合 ，而并联机床刀具运动轨迹 输出与各输入参数之间存在赋值的非线性耦合关系。 所以并联机床数控系统在进行控制时，必须利用坐标 系变换、并联机构的位置逆解和速度映射模型 ，将经 粗插补后的刀具轨迹离散点及其速度转换为实际伺服 轴的运动指令 ” ，由此建立合理的伺服控制模型。 2 ． 2位置 正反 解 目前 ，位置正、反解是并联机器人操作机研究的 核心内容之一，也是并联机构工作空间分析和控制的 1 1 8 机床与液压 第 3 8卷 理论基础。位置正解是在已知关节变量求解刀具的空 间位置和姿态，位置反解则是在已知刀具的位置和姿 态求解关节变量。在并联机器人的位置分析中，主要 有矢量法和解析法。运用空间解析几何中坐标变换和 投影的方法 ，对其位置进行反解。同串联机器人 操作机相比，并联机器人操作机位置反解容易，而位 置正解相当困难，它包含一组高度非线性的方程 。 由于并联机构的位置正解 目前还没有有效的通解，故 通常使用解析法通过搜索来查找位置正解，此方法耗 时多且无法满足控制系统的实时性要求。对于未知数 比较少的高次非线性方程组 ，可以用 N e w t o n ． R a p s o n 方法求解。对于一般的并联机构正解难度比较大，其 中一种比较有效的方法是采用数值方法求解一组非线 性方程 ，即采用非线性方程的数值算法 ，当给定 初值时，寻找一个在初值附近的比较合理的解 。数值 法 的优点是数学建模 比较简单 ，并且省去 了繁琐 的数 学推导 。但是这种方法 不能求 得机构 的所有 位置解 ， 并且最终的结果与初值的选择有直接的关系，虽然它 有缺点 ，但是它对所有的并联机构有效，建立数学模 型简单 ，可以立即进行位置分析和进行后继的研究工 作。 2 ． 3运动学分析 图 1 并联 运动机床仿真 并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述， 以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作 空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床 不同，并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交 集，一般是由多张空间曲面片围成的闭包。广义地， 工作空间分析是在已知尺度参数和主动关节变量变化 范围条件下 ，评 价动平 台实现位 姿的能力 。往往需要 根据加工空间来选择机床的结构参数，根据并联机床 的加工空间来确定其结构参数，又叫尺度综合 。 动力学分析可分为刚体动力学和弹性动力学两部分内 容。刚体 动力 学模 型 的建立 方 法 有 牛顿 一欧 拉 法 、拉格 朗 日法 、虚功原 理法 和凯恩方程 法 等 。方跃法 建立 了并 联机 器人 的弹性动力 学 模型。由于并联运动机床的运动复杂性 ，用计算方法 求解动平台的位置和姿态以及机床的工作空间，不仅 所获得的数据很不直观，而且难以判断其正确性。而 且由于并联机构具有的许多几何约束条件 ，机床能否 实现给定刀头点的轨迹 ，都必须通过实时运动仿真来 解决。并联运动机床运动学仿真流程框图如图 1所 示 。 关于仿真系统的建立，国内许多资料 中都有阐 述，但大多是借助于现成的通用仿真应用软件。已有 一 些高级的 、具有机构运动仿 真模块 的软件可 以完成 这些工作 ，如 U G S u n i g r a p h i c s y s t e m 、A D A M S 、 有限元分析软件 A N S Y S 、大型工程软件 I - D E A S等。 建立仿真试 验平台经过仿 真后 ，检查杆件 的活动范 围 和杆件之间可能发生的干涉 ，由此 可以优化并联运动 机床的设计参数，如动平台、杆件等的相互位置关系 以及尺寸的合理性。 3 存在 的主要问题与解决途径 1 国内外进行的研究都仅针对特定的设计环 节进行仿真或分析，不能支持并联运动机床的整体设 计，由此设计出的并联运动机床整体性能大打折扣。 解决 的办法是开发 出一套集成化 、一体 化的专业并联 机床设计软件，它综合了并联机床设计的各个环节， 这样不仅可以很大程度提高并联机床的整体性能，而 且可 以缩短开发周期 。 2 虽然 目前已经开发 出一些并联机床商业化 样机 ，且有产品投入实际应用 ，但是 由于设计理论和 工程技术的研究不够成熟，目前并联机床在作业能 力、作业性能等方面表现较差，工作空间小 ，与传统 数控机床相 比存在一定差距 。解决的途径是进 一步深 入研究有关并联机构运动学设计、并联机床动力学建 模与分析、控制等关键技术 ，改进 机床 的结构设 计 ，并对并联机床研究的各个方面进行综合 。 3 关于并联机床 的精度研究仍是 国际难题 ， 因此也是并联运动机床存在的最大问题，它包括机床 制造 前精度设计 和精度描述和机床制造后输出数据处 理和精度评价。并联运动机床误差研究包括误差分 析、误差建模 及误差精度保证等问题。目前 ，由 于尚无有效的手段检测动平台位置和姿态信息，因而 无法实现全闭环控制。解决的方法是采用精度设计、 自动补偿和运动学标定 ] ，这些对改善机床的精度 显得 格外重 要 ，而且实 际效果也很好 。 4结论 对并联运动机床的国内外发 展状况 以及关键技术 进行了综述。分别阐述了美国、德国等数控制造强国 以及我国的并联运动机床的研究背景及其发展状况， 第 1 期 鲜鸿雄 等并联运动机床现状与关键技术研究综述 1 1 9 对并联运动机床的关键技术进行了总结，提出了目前 存在 的问题 以及解决方法 。随着世界各 国对并联 运动 机床的深入研究 ，并联运动机床性能价格 比和精度等 都将不 断地提 高 ，在未来数控领域里 ，并联运动 机床 必将得 到广 阔地发展 。 参考文献 【 1 】 蒋大申． 未来的机床[ J ] ． 机械制造， 1 9 9 5 1 2 5 6 ． 【 2 】周延佑， 林益耀． 发展中的六条腿机床 [ J ] ． 机械制造 1 9 9 8 ， 3 6 1 0 48 ． 【 3 】S t e w a r t D． A P l a t f o r m w i t h S i x D e g r e e s o f F r e e d o m[ C] ／ ／ P r o c ． I n s t ．o f Me c h ． En gr．， L o n d o n， E n g l a n d， 1 9 6 5，1 8 0 37138 6． 【 4 】C l a v e l R ， D E L T A ． A f a s t r o b o t w i t h p a r a l l e l g e o m e t r y [ c ] ／ ／ P r o e ． o f t h e I n t ．S y mp ．o n I n d u s t ria l Ro b ，S wi t z e r l a n d， 1 988 911 00． 【 5 】郭祖华． 并联数控刀具磨床的动力学优化设计[ D ] ． 北 京 北京航空航天大学 ， 2 0 0 1 ． 1 2 ． 【 6 】中国国际招标网 h t t p ／ ／ w w w ． c h i n a b i d d i n g ． C O B ． 【 7 】慧聪机床网 h t t p ／ ／ i n fo ． m t ． h c 3 6 0 ． c o m ． 【 8 】 李华峰， 丁洪生 ， 何小妹， 等． B K X I 变轴机床开放式数 控系统软件的开发 [ J ] ． 机床 与液压， 2 0 0 6 2 1 9 1一 l 93． 【 9 】程丽， 高建设 ， 赵云峰． 五自由度并联机床数控系统软件 开发[ J ] ． 燕山大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 3 2 0 1 2 0 4 ． 【 1 0 】乔俊伟， 詹永麟． 六 自由度并联平台结构参数优化 [ J ] ． 机械设计， 2 0 0 0 ， 1 1 3 4 3 4 5 ． 【 1 1 】杨晓钧， 王知行， 钟诗胜． 基于工作空间和灵活性的并 联机床结构参数优化设计 [ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 04 2 1 4一l 7． 【 1 2 】G a o J ， We b b P ， G i n d y N ． R e s e a r c h o n a n i n e r t i a l p o s i t i o n i n g s y s t e m f o r a p aral l e l k i n e ma t i c m a c h i n e [ J ] ． Me c h a t r o n i c s， 2 00 5， 1 5 12 2． 【 1 3 】张立新 ， 黄玉美， 韩旭熠， 等． 新型并联机床曲面加工的 运动控 制与后置 处理算法 [ J ] ． 机 械科学与技 术， 2 0 0 7 ， 2 6 5 6 4 3 645 ， 649 ． 【 1 4 】 郭宗和 ， 孙术华， 郝秀清， 等． 3 - 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