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發(fā)表于 2011-1-1 12:33:24
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并聯(lián)機(jī)床面臨的主要技術(shù)問題及解決思路探討7 ~- r1 f q! F. H @1 O/ H
并聯(lián)機(jī)床由Stewart機(jī)構(gòu)或其演化機(jī)構(gòu)構(gòu)成，具有并聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，理論上具有較好的剛度重量比和較強(qiáng)的承載能力，也具有很高的運(yùn)動(dòng)精度，但在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)其理論上的精度和剛度指標(biāo)是困難的。這些困難主要來自機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)部分的設(shè)計(jì)，即在實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)理想的高精度運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。
" _0 ]* `8 U) u7 j: q- l8 m# I& P c此外，雖然并聯(lián)機(jī)床的桁架結(jié)構(gòu)可以提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分的剛度重量比，但是如果從機(jī)床總體的角度來衡量，則會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)并聯(lián)機(jī)床都是采用倒置的并聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，都需要一個(gè)龐大的支撐架作為機(jī)床的床身。因此實(shí)際上機(jī)床總的體積和重量并沒有明顯減少。 ' F, W3 j2 d, W6 z0 Q
盡管并聯(lián)機(jī)床仍存在許多不足之處，甚至有些技術(shù)問題至今尚沒有得到全面和根本上的解決，但是，作為一種處于成長過程中的新形式機(jī)床，隨著研究工作的深入，許多技術(shù)難點(diǎn)正在逐步得到解決。 ) M- A, X. h. H( E$ C& B& p$ S
機(jī)床的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精度問題 b! p* ]; G# R' q0 \
1994年，當(dāng)并聯(lián)機(jī)床首次在機(jī)床展覽會(huì)上出現(xiàn)時(shí)，人們對并聯(lián)機(jī)床的認(rèn)識(shí)還不夠深入，對其技術(shù)難點(diǎn)的認(rèn)識(shí)不夠充分。隨著研發(fā)應(yīng)用過程的深入，人們逐步加深了對并聯(lián)機(jī)床的了解，逐步開始理性地看待并聯(lián)機(jī)床的潛在優(yōu)勢和所面臨的技術(shù)難題。歸納起來，并聯(lián)機(jī)床所面臨的突出技術(shù)問題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
7 O6 d$ \! ~) X2 s8 D& h首先是并聯(lián)機(jī)床的精度問題，其次是并聯(lián)機(jī)床的工作空間問題。而影響并聯(lián)機(jī)床精度的主要因素包括兩方面，即分支兩端運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的精度以及并聯(lián)機(jī)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定。并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和桿件的結(jié)構(gòu)剛度是比較容易保證的，主要運(yùn)動(dòng)副為球關(guān)節(jié)，而這種關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)則比較困難。要求能夠靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)又要在工作空間范圍內(nèi)高精度地傳遞力和運(yùn)動(dòng)。如果關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是非線性的，則會(huì)對平臺(tái)的精度造成較大的影響，即使關(guān)節(jié)間隙做到很小，其運(yùn)動(dòng)中心坐標(biāo)也會(huì)在一個(gè)小的空間內(nèi)波動(dòng)，形成誤差。
$ |+ Y& j F' J% V: t并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的研制成為并聯(lián)機(jī)床研究中最重要的技術(shù)問題之一。另外，并聯(lián)機(jī)床需要對所有并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)進(jìn)行精確標(biāo)定，獲得準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的分支桿長度數(shù)據(jù)，保證運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果的正確性。
; w9 `8 O F9 v在機(jī)床驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制方面，假設(shè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)具有良好的重復(fù)性，即關(guān)節(jié)中心始終是在一個(gè)穩(wěn)定的中心點(diǎn)上轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)也同樣需要通過標(biāo)定得到這個(gè)中心點(diǎn)的坐標(biāo)值。但是由于關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)中心是一個(gè)虛擬點(diǎn)，無法直接測量，只能采用間接的測量方法，這不僅增加了標(biāo)定環(huán)節(jié)的困難，也將最終導(dǎo)致整個(gè)機(jī)床誤差的增加。
E) I$ c7 z# G9 q& T$ B實(shí)際上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)并不能始終位于理想中心位置轉(zhuǎn)動(dòng)，而是在某個(gè)小的空間內(nèi)作不規(guī)則的擺動(dòng)。并聯(lián)機(jī)床走向?qū)嵱没�，首先要研究解決的正是上述關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和關(guān)節(jié)參數(shù)標(biāo)定兩方面問題。 - ?) P, x, E; S% K2 E; h& v
機(jī)床的有效工作空間問題 8 k7 c4 w) E( D
并聯(lián)機(jī)床的工作空間是影響其應(yīng)用的另一個(gè)重要因素。與機(jī)械手及傳統(tǒng)機(jī)床機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)床的工作空間要小很多。如果我們定義機(jī)械手或并聯(lián)機(jī)床的工作空間與其自身尺寸的比值為“有效空間比”，則并聯(lián)機(jī)床的有效空間比要小很多。
/ d# t* E C5 }5 m% y. g5 g5 z不僅如此，在考察其有效工作空間時(shí)，如果將姿態(tài)空間和位置空間同時(shí)考慮，則并聯(lián)機(jī)床的有效工作空間還要更小。這是因?yàn)�，在并�?lián)機(jī)床工作空間的邊緣，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)已經(jīng)無法改變其姿態(tài)。實(shí)際使用時(shí)只能在其整個(gè)工作空間中選取既可滿足位置要求同時(shí)又能滿足姿態(tài)要求的子空間作為并聯(lián)機(jī)床的有效工作空間。 8 C; ?) J/ d& i. h+ l. W
因此就其有效空間來衡量，并聯(lián)機(jī)床存在明顯不足。因此，采用基于Stewart機(jī)構(gòu)類型的“純”并聯(lián)機(jī)構(gòu)并不是最佳選擇。 , v/ u" A5 z+ P. c3 s+ a: ~# y/ K
在并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)機(jī)床的導(dǎo)軌和龍門等結(jié)構(gòu)與新型并聯(lián)結(jié)構(gòu)混合使用，是解決上述問題的有效途徑之一。我們在五軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中即采用了這一設(shè)計(jì)思想，有效解決了并聯(lián)機(jī)床有效工作空間過小的問題。 ( y G6 k. v2 }' J
串/并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 G. ]1 [6 m0 g9 B! O
綜合分析并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展歷程，采用少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)床的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，構(gòu)成混聯(lián)形式的新型機(jī)床是可行的技術(shù)途徑之一。雖然采用少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)帶來了機(jī)構(gòu)約束方面的困難，但這類技術(shù)問題可以通過借鑒傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的相關(guān)技術(shù)措施加以解決。2 K0 c: k3 y- b) O H
2008年，哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司研制成功新一代并聯(lián)機(jī)床LINKS-700。這一成功案例也從一個(gè)側(cè)面表明，并聯(lián)機(jī)床研究正從早期的追求“純”并聯(lián)方式向具有實(shí)際應(yīng)用前景的串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)方式轉(zhuǎn)變，LINKS-700機(jī)床也正是這一發(fā)展趨勢的典型詮釋。 $ j' F. [2 [) E0 {9 d
認(rèn)識(shí)與結(jié)論
j% b i V3 _ D# A通過本文以上部分的綜合分析，可歸納出如下主要結(jié)論： + Z U) \9 C( F8 `
傳統(tǒng)機(jī)床的串聯(lián)結(jié)構(gòu)在機(jī)床的剛度重量比方面存在不足，以當(dāng)前時(shí)代的資源環(huán)境條件需要產(chǎn)生新的技術(shù)變革。并聯(lián)機(jī)床的并聯(lián)結(jié)構(gòu)則可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)結(jié)構(gòu)帶來的諸多不足。
! [! k1 l& X M) q( g8 ]雖然目前并聯(lián)機(jī)床依然面臨諸多技術(shù)問題需要解決，但并聯(lián)機(jī)床作為新一代機(jī)床的代表，依然具有良好的發(fā)展前景。
! v: E" a% w5 V6 M( `( q綜合而言，并聯(lián)機(jī)床當(dāng)前需要解決的主要問題仍然表現(xiàn)在機(jī)床精度、剛度和作業(yè)空間等方面。隨著研究工作的深入，不斷涌現(xiàn)出新的研究成果，但上述問題依然沒有得到全面徹底的解決。
) H: f2 v9 j; e4 z; ?! D5 ]采用串/并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)是解決并聯(lián)機(jī)床精度和工作空間等問題的有效途徑之一。 - y9 T, v& Y" J" \6 F
并聯(lián)機(jī)床關(guān)節(jié)參數(shù)的標(biāo)定也是機(jī)床設(shè)計(jì)研制的重要內(nèi)容之一，同時(shí)也是影響其走向應(yīng)用的重要方面，需要在標(biāo)定原理、標(biāo)定工具以及技術(shù)方法等方面加以深入研究。
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