并联机床专题讲座(并联1

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1、并联机床专题讲座清华大学精仪系制造所王立平2003年11月19日并联机床（PMT,ParallelMachineTool）又称并联运动学机器（PKMs,ParallelKinematicsMachine）或虚（拟）轴机床(VirtualAxisMachineTool)，是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床（可以完成机床的切削任务），又可以看作是机床化的机器人（可以完成许多精密的机器人作业）。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一

2、体的新型机电设备。与传统机床相比，并联机床具有如下优点：⑴刚度重量比大：传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力；⑵精度高：并联机床刀具的运动由各独立支链的进给驱动共同提供，不存在串联的误差积累，理论上比串联机床容易达到较高的精度；⑶响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效的改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适用于各种高速数控作业；⑷功能性强：并联机床的主轴平台可以具有3-6个自由度，能灵活地实现空间姿态，提供较强的加工、装配、测量等能力；⑸结构灵活、成

3、本低：并联机床构型多样、结构简单、部件少、重组性强，便于模块化设计。具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，因此制造成本较低。一、并联机构的发展并联机构的构想可以追溯到1895年，但直到1948年才由Gough真正将并联机构运用于实践，设计出一种轮胎操作机。1965年，Stewart首次提出一种6条腿连接静平台和动平台的6自由度并联机构，作为飞行模拟器，该并联机构被称之为平台。并在1978年，由Hunt提出可以应用Stewart平台作为机器人机构。进入八十年代以后，随着工业机器人应用的发展，机器人的研究逐渐成为热点，工业机器人结构向

4、着多样化的方向发展。人们开始认识到并联机构运动结构的重要性。在随后的十多年间，Hunt、Fichter、Gosselin等对并联机器人和并联机构的理论进行了广泛深入的研究，取得了不少研究成果。如由Clavel在1986年提出的DELTA机构、由Pierrot在1991年提出的Hexa机构、由Herve在1992年提出的Star机构、由Tsai在1996年提出的Tsai机构和由Hebsacker在1999年提出的Hexi-glide机构等等目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，九十年代中期，美国、英国、德国、俄罗斯、

5、瑞士、瑞典、日本等国家的有关研究机构和机床厂家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床。1994年，美国芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings&Lewis公司和Ingersoll公司展出了最早的两台并联机床，如图所示。国内从1995年由清华大学和天津大学共同开始研究并联机床，并于1997年研制成功了VAMT1Y型桁架式六轴并联机床原型样机。东北大学、哈尔滨工业大学、天津大学等在其后分别推出了结构各异的并联机床。图1.2Ingersoll公司的Haxapod图1.1Giddings&Lewis公司的VARIAX二、并联机构

6、的应用随着并联机构技术应用的深入，并联类构型已不仅仅局限于并联机床等加工类设备，而被广泛的应用于人们生产和生活的各个方面，如航空航海领域、加工制造、装配领域、轻工业领域和医疗器械领域、特种加工、微动机构、测量作业、焊接、铆接、土方挖掘、煤矿开采、娱乐设施、天文望远镜、机器人手臂和灵巧眼等很多方面。图2.1并联机构用于医疗器械图2.2飞行模拟器图2.3Delta并联机器人用于食品包装机图2.424个自由度的机器人手臂图2.6游戏动感椅图2.5并联机构应用于电子行业三、并联机床研究进展1.并联机床运动学2.并联机床精度与标定3.并联机

7、床动力学4.并联机床切削性能与工艺5.并联机床数字化快速开发平台6.并联机床产业化进程1.并联机床运动学一种空间三自由度并联机器人机构(1)基于空间模型理论的并联机构设计方法及新机构的创新研究研究方向：Stewart平台等6自由度并联机构——转向少自由度和串并混联的机构。研究少自由度机构尺寸和性能之间的关系，进一步研究机器人的性能随尺寸变化的一般规律，从而达到依据性能图谱进行机构设计的目的，为机构尺寸设计这一难题提供了一条有效途径。提出了多种有重要应用的并联机构，这些并联机构可广泛地应用在工业机器人、微动机器人、少自由度飞行模拟器

8、和并联机床等领域，已经申请多项发明专利，为开发具有中国知识产权的相关产品提供保证。两维移动一维转动三轴并联机床结构两维移动两维转动四轴并联机床结构一种四自由度并联结构(2)非线性方程组解集边界求解算法并联机构的结构特点决定其输入和输出运动之间具有复