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發(fā)表于 2011-1-1 12:33:24
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并聯(lián)機床面臨的主要技術問題及解決思路探討0 H7 q0 e" R+ G: F8 ?
并聯(lián)機床由Stewart機構或其演化機構構成，具有并聯(lián)桁架結(jié)構的特點，理論上具有較好的剛度重量比和較強的承載能力，也具有很高的運動精度，但在實際系統(tǒng)設計過程中發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)其理論上的精度和剛度指標是困難的。這些困難主要來自機構關節(jié)部分的設計，即在實踐中難以實現(xiàn)理想的高精度運動關節(jié)。
2 f+ K" x0 p3 q ~! C2 t3 {" J此外，雖然并聯(lián)機床的桁架結(jié)構可以提高并聯(lián)機構部分的剛度重量比，但是如果從機床總體的角度來衡量，則會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)并聯(lián)機床都是采用倒置的并聯(lián)機構形式，都需要一個龐大的支撐架作為機床的床身。因此實際上機床總的體積和重量并沒有明顯減少。 3 V+ g H) j2 C' |- N
盡管并聯(lián)機床仍存在許多不足之處，甚至有些技術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床，隨著研究工作的深入，許多技術難點正在逐步得到解決。
p& j# a6 G# X: e' a5 x5 X* K機床的關節(jié)運動精度問題 $ `1 @, a/ q/ l3 R# Y' [9 y) N, w( x
1994年，當并聯(lián)機床首次在機床展覽會上出現(xiàn)時，人們對并聯(lián)機床的認識還不夠深入，對其技術難點的認識不夠充分。隨著研發(fā)應用過程的深入，人們逐步加深了對并聯(lián)機床的了解，逐步開始理性地看待并聯(lián)機床的潛在優(yōu)勢和所面臨的技術難題。歸納起來，并聯(lián)機床所面臨的突出技術問題主要體現(xiàn)在兩個方面：
8 V# y* L1 c& m首先是并聯(lián)機床的精度問題，其次是并聯(lián)機床的工作空間問題。而影響并聯(lián)機床精度的主要因素包括兩方面，即分支兩端運動關節(jié)的精度以及并聯(lián)機構參數(shù)的標定。并聯(lián)機床運動平臺和桿件的結(jié)構剛度是比較容易保證的，主要運動副為球關節(jié)，而這種關節(jié)的設計和實現(xiàn)則比較困難。要求能夠靈活地轉(zhuǎn)動同時又要在工作空間范圍內(nèi)高精度地傳遞力和運動。如果關節(jié)的運動是非線性的，則會對平臺的精度造成較大的影響，即使關節(jié)間隙做到很小，其運動中心坐標也會在一個小的空間內(nèi)波動，形成誤差。 ( L! t1 H/ Q8 u' H/ u4 P; ?
并聯(lián)機構關節(jié)的研制成為并聯(lián)機床研究中最重要的技術問題之一。另外，并聯(lián)機床需要對所有并聯(lián)機構關節(jié)的三維坐標進行精確標定，獲得準確的關節(jié)中心點的三維坐標，進而得到準確的分支桿長度數(shù)據(jù)，保證運動學計算結(jié)果的正確性。 : [9 I n# q: p1 u# d4 x/ h
在機床驅(qū)動和運動控制方面，假設關節(jié)的運動具有良好的重復性，即關節(jié)中心始終是在一個穩(wěn)定的中心點上轉(zhuǎn)動，這時也同樣需要通過標定得到這個中心點的坐標值。但是由于關節(jié)的運動中心是一個虛擬點，無法直接測量，只能采用間接的測量方法，這不僅增加了標定環(huán)節(jié)的困難，也將最終導致整個機床誤差的增加。
}, o* w2 M: T實際上，并聯(lián)機構關節(jié)并不能始終位于理想中心位置轉(zhuǎn)動，而是在某個小的空間內(nèi)作不規(guī)則的擺動。并聯(lián)機床走向?qū)嵱没�，首先要研究解決的正是上述關節(jié)設計和關節(jié)參數(shù)標定兩方面問題。
* [( k. j) Z; [ f機床的有效工作空間問題
3 v4 X4 [( e3 U9 r' W' g' d并聯(lián)機床的工作空間是影響其應用的另一個重要因素。與機械手及傳統(tǒng)機床機構相比，并聯(lián)機床的工作空間要小很多。如果我們定義機械手或并聯(lián)機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)機床的有效空間比要小很多。 , b9 e* N& m5 ]( p& C
不僅如此，在考察其有效工作空間時，如果將姿態(tài)空間和位置空間同時考慮，則并聯(lián)機床的有效工作空間還要更小。這是因為，在并聯(lián)機床工作空間的邊緣，運動平臺已經(jīng)無法改變其姿態(tài)。實際使用時只能在其整個工作空間中選取既可滿足位置要求同時又能滿足姿態(tài)要求的子空間作為并聯(lián)機床的有效工作空間。 1 j8 O, [( t6 G' A+ i
因此就其有效空間來衡量，并聯(lián)機床存在明顯不足。因此，采用基于Stewart機構類型的“純”并聯(lián)機構并不是最佳選擇。 2 Z. a* k# z; t! o% |5 _7 n
在并聯(lián)機床設計中將傳統(tǒng)機床的導軌和龍門等結(jié)構與新型并聯(lián)結(jié)構混合使用，是解決上述問題的有效途徑之一。我們在五軸并聯(lián)結(jié)構數(shù)控機床設計中即采用了這一設計思想，有效解決了并聯(lián)機床有效工作空間過小的問題。 4 i ^% U9 |; P6 c
串/并聯(lián)混合結(jié)構設計
6 I# V' w8 w ], s" z7 U- A: _6 ]綜合分析并聯(lián)機床的發(fā)展歷程，采用少自由度并聯(lián)機構，結(jié)合傳統(tǒng)機床的串聯(lián)機構，構成混聯(lián)形式的新型機床是可行的技術途徑之一。雖然采用少自由度并聯(lián)機構帶來了機構約束方面的困難，但這類技術問題可以通過借鑒傳統(tǒng)數(shù)控機床的相關技術措施加以解決。
/ y/ I7 [% D# G! p: t+ @2008年，哈爾濱量具刃具集團有限責任公司研制成功新一代并聯(lián)機床LINKS-700。這一成功案例也從一個側(cè)面表明，并聯(lián)機床研究正從早期的追求“純”并聯(lián)方式向具有實際應用前景的串并聯(lián)混合結(jié)構方式轉(zhuǎn)變，LINKS-700機床也正是這一發(fā)展趨勢的典型詮釋。
: i; _6 g" E0 x% j' L1 j認識與結(jié)論
, d( ?& x7 ?$ Y$ G. M5 v& M通過本文以上部分的綜合分析，可歸納出如下主要結(jié)論：
" \+ V3 Z# B% ]( l& X- r傳統(tǒng)機床的串聯(lián)結(jié)構在機床的剛度重量比方面存在不足，以當前時代的資源環(huán)境條件需要產(chǎn)生新的技術變革。并聯(lián)機床的并聯(lián)結(jié)構則可以彌補傳統(tǒng)機床串聯(lián)結(jié)構帶來的諸多不足。
0 k ]* J$ z ?* h& [: E# Q雖然目前并聯(lián)機床依然面臨諸多技術問題需要解決，但并聯(lián)機床作為新一代機床的代表，依然具有良好的發(fā)展前景。 - h% P- O( \9 f* v, d' L
綜合而言，并聯(lián)機床當前需要解決的主要問題仍然表現(xiàn)在機床精度、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。 j- o& w! k4 v$ p% y4 Q
采用串/并聯(lián)混合結(jié)構是解決并聯(lián)機床精度和工作空間等問題的有效途徑之一。
0 H: Z1 r7 z8 |+ O# D9 y并聯(lián)機床關節(jié)參數(shù)的標定也是機床設計研制的重要內(nèi)容之一，同時也是影響其走向應用的重要方面，需要在標定原理、標定工具以及技術方法等方面加以深入研究。/ C8 j" ^7 R+ D: n' {
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發(fā)表于 2011-1-1 12:32:01
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