|
2#

楼主 |
发表于 2011-1-1 12:33:24
|
只看该作者
并联机床面临的主要技术问题及解决思路探讨
_# c5 T) e, f6 a' S+ N, I并联机床由Stewart机构或其演化机构构成,具有并联桁架结构的特点,理论上具有较好的刚度重量比和较强的承载能力,也具有很高的运动精度,但在实际系统设计过程中发现,实现其理论上的精度和刚度指标是困难的。这些困难主要来自机构关节部分的设计,即在实践中难以实现理想的高精度运动关节。
' H2 f9 j& [* f( ~# A4 W9 t6 O此外,虽然并联机床的桁架结构可以提高并联机构部分的刚度重量比,但是如果从机床总体的角度来衡量,则会发现大多数并联机床都是采用倒置的并联机构形式,都需要一个庞大的支撑架作为机床的床身。因此实际上机床总的体积和重量并没有明显减少。
+ `, I& E7 X& l6 K( ^5 f尽管并联机床仍存在许多不足之处,甚至有些技术问题至今尚没有得到全面和根本上的解决,但是,作为一种处于成长过程中的新形式机床,随着研究工作的深入,许多技术难点正在逐步得到解决。 7 @3 Y1 G$ j$ B0 | `
机床的关节运动精度问题
c$ D6 w4 b& b6 \' v% K9 \/ e1994年,当并联机床首次在机床展览会上出现时,人们对并联机床的认识还不够深入,对其技术难点的认识不够充分。随着研发应用过程的深入,人们逐步加深了对并联机床的了解,逐步开始理性地看待并联机床的潜在优势和所面临的技术难题。归纳起来,并联机床所面临的突出技术问题主要体现在两个方面:
- \$ A$ Y7 F6 l! L, g: n4 C: \0 t首先是并联机床的精度问题,其次是并联机床的工作空间问题。而影响并联机床精度的主要因素包括两方面,即分支两端运动关节的精度以及并联机构参数的标定。并联机床运动平台和杆件的结构刚度是比较容易保证的,主要运动副为球关节,而这种关节的设计和实现则比较困难。要求能够灵活地转动同时又要在工作空间范围内高精度地传递力和运动。如果关节的运动是非线性的,则会对平台的精度造成较大的影响,即使关节间隙做到很小,其运动中心坐标也会在一个小的空间内波动,形成误差。 # ^4 P" l, X2 n: j3 J
并联机构关节的研制成为并联机床研究中最重要的技术问题之一。另外,并联机床需要对所有并联机构关节的三维坐标进行精确标定,获得准确的关节中心点的三维坐标,进而得到准确的分支杆长度数据,保证运动学计算结果的正确性。
" a8 X. T3 x4 K4 Y4 z7 f& f! p+ }' {在机床驱动和运动控制方面,假设关节的运动具有良好的重复性,即关节中心始终是在一个稳定的中心点上转动,这时也同样需要通过标定得到这个中心点的坐标值。但是由于关节的运动中心是一个虚拟点,无法直接测量,只能采用间接的测量方法,这不仅增加了标定环节的困难,也将最终导致整个机床误差的增加。
$ g) f0 Q9 q9 S; n+ H$ o$ \$ J O实际上,并联机构关节并不能始终位于理想中心位置转动,而是在某个小的空间内作不规则的摆动。并联机床走向实用化,首先要研究解决的正是上述关节设计和关节参数标定两方面问题。
. t: L+ `/ W+ ]/ Q' ?- G6 I机床的有效工作空间问题 4 n' I) d$ R. u6 {. u' A, k
并联机床的工作空间是影响其应用的另一个重要因素。与机械手及传统机床机构相比,并联机床的工作空间要小很多。如果我们定义机械手或并联机床的工作空间与其自身尺寸的比值为“有效空间比”,则并联机床的有效空间比要小很多。 1 n# ?, U6 e0 t/ [# `0 L- G' d
不仅如此,在考察其有效工作空间时,如果将姿态空间和位置空间同时考虑,则并联机床的有效工作空间还要更小。这是因为,在并联机床工作空间的边缘,运动平台已经无法改变其姿态。实际使用时只能在其整个工作空间中选取既可满足位置要求同时又能满足姿态要求的子空间作为并联机床的有效工作空间。
9 z- Z$ ~8 P7 }6 L$ F6 i: t, P4 q因此就其有效空间来衡量,并联机床存在明显不足。因此,采用基于Stewart机构类型的“纯”并联机构并不是最佳选择。
! o1 J" V! i3 c. X4 d在并联机床设计中将传统机床的导轨和龙门等结构与新型并联结构混合使用,是解决上述问题的有效途径之一。我们在五轴并联结构数控机床设计中即采用了这一设计思想,有效解决了并联机床有效工作空间过小的问题。 " p- w: P: i P8 ?3 u1 P
串/并联混合结构设计
" Z+ m" \/ w; j% V综合分析并联机床的发展历程,采用少自由度并联机构,结合传统机床的串联机构,构成混联形式的新型机床是可行的技术途径之一。虽然采用少自由度并联机构带来了机构约束方面的困难,但这类技术问题可以通过借鉴传统数控机床的相关技术措施加以解决。
; P9 U, l) e8 q' V9 i5 l1 N0 ?2008年,哈尔滨量具刃具集团有限责任公司研制成功新一代并联机床LINKS-700。这一成功案例也从一个侧面表明,并联机床研究正从早期的追求“纯”并联方式向具有实际应用前景的串并联混合结构方式转变,LINKS-700机床也正是这一发展趋势的典型诠释。 ; r( E& i; V% G9 G/ M
认识与结论5 s+ Q' H4 c3 ~
通过本文以上部分的综合分析,可归纳出如下主要结论: ! `8 a, M' e/ Z# F$ y1 G( ]
传统机床的串联结构在机床的刚度重量比方面存在不足,以当前时代的资源环境条件需要产生新的技术变革。并联机床的并联结构则可以弥补传统机床串联结构带来的诸多不足。 3 F& J* w( C: S8 n+ s9 y
虽然目前并联机床依然面临诸多技术问题需要解决,但并联机床作为新一代机床的代表,依然具有良好的发展前景。 ' x1 w6 Y- d# @: e. v
综合而言,并联机床当前需要解决的主要问题仍然表现在机床精度、刚度和作业空间等方面。随着研究工作的深入,不断涌现出新的研究成果,但上述问题依然没有得到全面彻底的解决。 / u" K. R& e1 k6 T
采用串/并联混合结构是解决并联机床精度和工作空间等问题的有效途径之一。 z6 ]4 P- f4 }
并联机床关节参数的标定也是机床设计研制的重要内容之一,同时也是影响其走向应用的重要方面,需要在标定原理、标定工具以及技术方法等方面加以深入研究。0 ~& f9 @; }! j5 X) w7 }
|
|