3HSS并联机床运动学设计.pdf

设计与研究 3-HSS 并 联 机 床 运 动 学 设 计 天津大学　　　　　黄　田　倪雁冰　王　洋　　 天津第一机床总厂　林汉元 摘要　提出以可实现三平动自由度并联机构作为主进给机构, 辅以回转工作台实现多坐标数控加工的并联 机床结构配置方案, 并据此简要阐述了一种三自由度并联机床的总体设计方案和相应的运动学设计方法。理论成 果已用于样机开发。 关键词　三自由度并联机床　运动学设计 　　由于受到铰约束、支链干涉、奇异位形、特别是位 于主机厂用现成工艺制造和装配。 置空间随刀具实现姿态能力增加而缩减等负面因素的 (2) 工作空间呈柱形, 具有较大的编程空间与机床 影响, 致使动平台实现姿态能力差是各种六自由度纯 体积比, 且平行于工作台任意截面的运动学性能等同。 并联机床难以逾越的固有缺陷, 因而难于满足一大类 ( 3) 位置及速度正、逆解均有显式解析解答, 可实 多坐标数控作业的要求。为了克服这一缺陷, 可考虑采 施快速 PV T 插补和在线运动学标定。 用混联构型[ 1, 2 ] , 即用可实现平动的三自由度并联机构 (4) 支链采用带 作为主进给机构, 辅以回转工作台来实现转动自由度。 消极约束的三杆平 这种配置方案不但可实现平动与转动的解耦控制, 且 行四边形刚架结构, 具有工作空间大和可重组性强等优点。 不但可有效地消除 基于上述构思, 天津大学和天津第一机床总厂开 铰链间隙, 且可大幅 展了可实现三平动自由度并联机床设计理论、关键技 度提高动平台抵抗 术及样机建造工作。本文仅对所开发样机的总体布局 切削颠覆力矩的能 方案及运动学设计原理做一介绍。 力。 (5) 除底座和动 1　总体布局方案 平台外, 主要结构件 　　所开发的三平动自由度并联机床采用如图 1 所示 均为三对称, 可大幅 ( ) 的 3- H SS 构型 在此, H 为螺旋副, S 为球面副 , 由 度减少零部件设计 底座、动平台和三对立柱—滑鞍—支链组成; 每条支链 工作和制造成本。 图 1　3 并联机床主进给机构传动原理 HSS 中含三根平行定长杆件, 各杆件一端与滑鞍, 另一端与 2　运动学设计原理 ( ) 动平台用球铰 或虎克铰 连接, 滑鞍由伺服电动机和 滚珠丝杠螺母副驱动, 沿安装在立柱上的滚动导轨作 2 1　位置逆解模型 上下移动。为了使动平台仅沿笛卡儿系三个方向平动, 位置逆解涉及已知机床尺度参数和动平台参考点 令各支链中的三根杆件在结构上保持平行, 并与滑鞍 位置, 反求滑鞍位置, 其目的有二: 一是已知 CAM 模 和动平台的铰点构成等边三角形, 进而形成空间平行 型后通过粗插补为伺服控制提供必要的输入; 二是为 四边形刚架结构。该机床主要用于三坐标高速铣、镗、 基于灵活度指标的尺度综合提供数学模型。因采用平 磨加工, 亦可配以数控回转台完成多坐标异型曲面和 行四边形支链结构使得链中各杆运动规律等同, 故在 刀