基于运动仿真的一种并联机床工作空间分析

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1、基于运动仿真的一种新型并联机床的工作空间分析*林光春1，杨志刚2，徐礼钜1，张济1（1．四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065；2．中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏南京210013）摘要：提出了以3自由度空间并联机构作为主进给机构，固定平台在水平面上位置可调的一种新型结构并联机床。运用Pro/e建立其运动仿真模型，提出在考虑约束的情况下基于运动仿真进行并联机床的工作空间分析的方法，大大提高了效率和可操作性。关键词：并联机床工作空间运动仿真Pro/E中图分类号：TH112.1WorkspaceAnalysisforaParallelMachineT

2、oolBasedonKinematicSimulationLINGuang-chun1,YANGZhi-gang2,XULi-ju1,ZHANGJi1(1.CollegeofManufacturingScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu,610065;2.The14thResearchInstituteofCETC,Nanjing210013)Abstract:Aconfigurationschemeofanewtypedparallelmachinetoolispresentedinthispaper,

3、whichtakesa3-dofspatialparallelmechanismasthemainfeedingmechanismandwithadjustableplanepositionofimmovableplatform.ThekinematicssimulationmodelisestablishedbyusingPro/esoftware,andananalyticalapproachofworkspacebasedonkinematicssimulationconsideringrestrictionisproposed,whichcangreat

4、lyimprovetheefficiencyandmaneuverability.Keywords:Parallelmachinetool;Workspace;Kinematicssimulation;Pro/E5并联机床是并联机器人技术和数控技术结合的产物，相比于传统机床它具有刚度大、精度高、承载能力强、稳定性好等突出优点，是数控机床发展的重要方向。工作空间是并联机床刀具的工作区域，它是衡量并联机床性能的重要指标之一，决定着并联机床的整体尺寸，国内外学者在这一方面已做了很多研究工作[1~6]。并联机构工作空间的分析方法可分为三类：作图法、解析法和数值法。作图法

5、精确性较差，主要在设计过程中作方案比较时使用；解析法和数值法都需要进行复杂的数学建模，计算效率和求解精度低，可操作性也较差。本文通过基于虚拟机床的运动仿真来进行工作空间的分析和确定，该方法弥补了上述方法的缺点，可操作性较好。另外，在进行工作空间的分析过程当中还可以对虚拟机床添加相关的约束条件，通过运动仿真自动求得在满足约束条件下的工作空间，比较符合实际情况。*国家自然科学基金资助项目（50375104）目前的并联机床的机构原型大都为倒置的Stewart平台，本文研究的并联机床的机构原型为一倒置的固定平台可调的3自由度并联机构，并基于运动仿真对其工作空间进行研究。

6、1．并联机床布局及动平台位姿描述图1为固定平台可调的并联机床的结构及布局方案图，其主进给机构为一3自由度并联机构，由一倒置在机架上方的固定平台（B1B2B3）和动平台（A1A2A3）以及三条驱动腿（A1B1，A2B2，A3B3）组成。在动平台与固定平台相连的三条驱动腿中，两条（A1B1，A2B2）通过球铰或虎克铰与固定平台相连，通过球铰与动平台相连；一条（A3B3）与固定平台之间采用刚性连接并且垂直于固定平台，与动平台之间采用虎克铰连接；各驱动腿的上下段之间采用移动副联接；固动平台上铰链点均为等三角分布。由于主进给机构只有3个自由度，动平台在水平面上的工作空间将

7、受到限制，在这里让固定平台在水平面上的位置可调[7]，增大了水平工作空间。因此，动平台的运动是由驱动腿的驱动运动以及固定平台的调节运动复合而成。5驱动腿的长度的改变以及固定平台的调节均由伺服电机驱动实现，从而改变动平台的位姿，实现复杂零件的加工。xyzHO'Y'Z'X'ZYXOl3l2l1B3B2B1A3A2A1图1并联机床结构及布局在并联机床上建立三个坐标系（如图1），分别是：建立在机架上的基础坐标系，同时作为机床的全局坐标系；建立在固定平台上的坐标系，其各轴与各轴分别平行；建立在动平台上的动坐标系。考虑到动平台位姿的描述，让虎克铰的一级回转轴（与驱动腿相连的

8、轴）线与轴平行，二级回转