并联机床的静刚度预估 ——硕士生开题报告

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1、并联机床的静刚度预估——硕士生开题报告研究生：导师：从四个方面进行汇报课题背景国内外研究现状和发展趋势课题研究内容研究任务和论文进度安排1.课题背景并联机床实质是机床技术和机器人技术相结合的产物，其原型是Stewart并联机器人，后来又演化出许多新的构型。因而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，是集多种功能于一体的新型机电设备。2.国内外研究现状和发展趋势刚体动力学分析静刚度分析结构动力学分析2.1刚体动力学分析文献综述动力学正解问题：已知伺服电机驱

2、动力，求末端执行器的运动特性动力学逆解问题：给定末端执行器的位姿、速度和加速度，反求伺服电机驱动力2.1.1牛顿－欧拉法Sugimoto（1987）：利用牛顿—欧拉法和旋量代数理论构造了Stewart并联机械手动力学逆解模型Ji（1993）：研究了腿的惯性在不同情况下对驱动力的影响Dasgupta和Mruthyunjaya（1998和1999年）：考察了离心力、科氏力、重力和粘性摩擦力等因素，利用牛顿－欧拉法进一步完善了Stewart并联机械手的动力学模型，2.1.1牛顿－欧拉法从上述的文献研究表明：并联机械手在操作空间的动力学描述比在关节空间中简单并联机械

3、手采用并联传动进给机构，并反映在其动力学模型中，先求解各支链动力学，再分析末端执行器动力学方程，因此可利用并行算法有效地提高计算效率2.1.2拉格朗日法Pang和Shahinpoor（1994）：构造了Stewart型并联机器人操作机的动力学逆解模型，并在给定末端执行器运动轨迹的前提下，探讨了结构和惯性参数对伺服电机驱动力的影响Lebret、Liu和Lewis（1992）：通过科氏力和离心力的合理描述导出了用于鲁棒和自适应控制算法收敛性判据的反螺旋矩阵2.1.3虚功原理法Huang：分别将各运动构件视为刚体，利用虚功原理和影响系数法建立Stewart平台动力

4、学模型Tsai（2000年）：提出连杆雅可比矩阵的概念，并据此导出形式更加简洁的Stewart平台机械手的动力学方程2.1.4刚体动力学小结几种方法的比较牛顿－欧拉法：尽管牛顿—欧拉法物理意义明确，但因需要首先求出铰链内力拉格朗日法：可导出标准形式的动力学模型，但由于涉及到大量的偏微分推导和运算，过程过于繁复虚功原理：操作空间与关节空间速度和加速映射关系的解析形式可以比较容易的从雅可比矩阵和海赛矩阵直接推导出，并由此可方便地导出各运动构件的广义速度和广义力2.1.4刚体动力学小结建模过程已经不存在任何技术问题，研究工作主要针对以下几个方面（1）构造形式简洁的

5、动力学模型（2）研究模型的完备性（3）给定机械手末端执行器运动轨迹，以减小伺服电机驱动力为目标，优化并联机械手的结构和惯性参数2.2静刚度分析文献综述静刚度：机床抵抗恒定载荷的能力，是机床重要性能指标之一动刚度：机床抵抗变载荷的能力2.2静刚度分析文献综述对Stewart平台的静刚度的研究和应用在80年代已经出现（1）Gaillet和Reboullet（1983年）：提出了一种类似于Stewart平台结构的力和力矩的传感器系统（2）Kerr（1989年）：对这种传感器的性能和有关设计做了进一步的阐述（3）Ferraresl（1995）：通过实验和数值仿真研究

6、了该类传感器的频率特性2.2静刚度分析文献综述对于并联操作手，其静刚度特性是动平台位姿的函数，相关的研究比传感器的应用要复杂（1）Gosselin：针对多类平面并联机构型与Stewart平台构型，建立了仅考虑传动支链弹性变形时操作力与末端变形的映射模型（2）Khasawneh：借助奇异值理论研究了给定末端位姿后，沿任意方向的刚度及其极值间的比例关系（3）Clinton：利用结构矩阵方法，建立基于Stewart平台构型的六自由度并联磨床的刚度模型2.2静刚度分析文献综述从近两年来相关的IEEE会议录中可以看到，对于并联机器人和并联机床的静刚度研究又有新的发展（

7、1）Svinin等（2001）：研究了并联机器人中预加内力对刚度的影响，并通过刚度矩阵进一步研究了机器人的稳定性问题（2）黄田等（2001）：针对一种三坐标并联机床提出了机架的弹性变形对机床静刚度的影响2.2静刚度分析文献综述小结：（1）静刚度的分析中，刚度矩阵的求算是一个关键（2）对于Stewart平台型的并联机器人，机架弹性变形往往不考虑，对于进行切削作业的并联机床，这是不合适的2.3结构动力学分析的文献综述弹性动力学的建模有关并联机床弹性动力学建模的研究在国际上尚处于刚起步阶段，相应的理论还很不成熟，所构造的模型过于复杂，不利于探讨结构的几何和物理参数

8、对机床动态特性的影响2.4问题的提出一般的研究并没有