6pus-ups并联机床动力学性能分析与研究_工学硕士学位论文(编辑修改稿)

6pus-ups并联机床动力学性能分析与研究_工学硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

83。 62 6PUSUPS 并联机床模态结果分析 62 结论及建议 64 本章小结 64 结 论 65 参考文献 66 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 71 致 谢 72 作者简介 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 概述 为了 满足 日益发展 的市场需求， 适应不断变化的生产环境 ， 新一 代 多功能的制造装备系统 的探索和研制正受到 全球机床制造业 的高度重视， 其中当属 90 年代中期问世的并联机床 (Parallel Machine Tool)的开发最具有突破性进展。 并联机床 刚问世时曾经被称为六条腿机床，六足虫，现在也叫 做 虚拟轴机床 [14]。 并联机床 基于 空间并联机构，充分利用 机器人技术和计算机数字控制 技术 ，部分硬件 被软件取代， 部分机械传动 被新型电气装置和电子器件取代 ， 是机器人技术在机床制造 领域 中的创造性应用 [5]。 并联机床是现代并联机器人技术与 传统机床相 结合的 新型数控加工设备 ，具有 很多优异性能如 精度 高 、 刚度高 、 速度 快、 柔性 好、 灵活性 好 、推力大、重量轻等。 并联机床具有十分广泛的应用前景， 其研究、开发对机床自身的发展具有很大的理论和现实意义， 是目前国际上在并联机器人和先进 加工设备 领域的一个 新的发展方向 ， 被 认 为 是 “ 20 世纪 机床结构 设计 的重大革命 突破 ” ﹑ “ 21 世纪 新一代 的数控加工装备 ” [67]。 相比于传统串联机床 ， 并联机床具有如下优点 ： (1)并联机床的 并联机构 可 实现多自由度联动 ， 执行机构 的 运动 更加 灵活 ,方便复杂 曲面的 精密 加工； (2)执行构件的 加工 精度 得到很大提高 ； (3)运动构件数 少 ， 结构简单 ，因此维修量小 ， 维修 更加 方便， 成本 大大 降低 ； (4)反解 运算更加简单 ,便于 控制 系统的开发 ； (5)传动机构仅 受拉压力 ， 承载能力高， 刚度重量比 大 ；(6)模块化程度高 ， 布局形式多种多样， 便于可重组设计 ，具有很强的环境适用性 ； (7)移动部件质量小 ， 响应速度快 ， 动态性能 得到有效的改善 ， 适于各种 高速 数控作业 ； (8)硬件简单 ,软件复杂 ,技术附加值 更高 ，经济回报更好 [8]。 因此，并联机床是新一代机床结构的 研究热点 ，具有很好的发展前景。 燕山大学工学硕士学位论文 2 并联机床 研究 发展 现状 并联机床在国际上的发展 现状 由于并联机床 具备了上述 优点和 良 好 的 应用 前景， 引起了世界 各国 的学术界和机床 制造界 的 极大兴趣和 高度重视， 他们都非常看好并联机床 的市场潜力 和 应用前景 ， 纷纷 竞相 开始了 并联机床的研究与开发。 1994 年在美国芝加哥 IMTS’94 国际制造技术展览会上 ，美国的 Giddingamp。 Lewis 公司推 出了 VARIAX 型 并联机床 (图 11)， 这在当时的工程界 引起了 巨大 的轰动，被 称赞 为“ 21 世纪的新一代数控加工设备”， 标志着并联 机床的正式问世 ； 还有美国 Ingersoll 公司 的第一代八面体六足虫并联机床，即Octahedral Hexapod(图 12)也是在同期推 出的并联机床。 此后，世界各国的研究机构和企业 都掀起了研制并联机床的热潮， 相继推出 了大量的 理 论研究成果 和样机产品 [912]。 在 1997 年的 德国汉诺威 欧洲 机床 展览 会 (EMO97)和 1999 年巴黎国际机床博览会 (EMO99)上， 展出了 多种 机床。 主要 有德国 Mikromat 公司 制造 的 6X 型高速立式加工中心 (图 13)，瑞典 Neos Robotics 公司 制造 的并联机床 Tricept 845(图 14)，俄罗斯 Lapik 公司生产的 Stewart 数控机床TM750，美国 Ingersoll 公司 研制 的卧式并联加工中心 HOH600，英国Geodetic 公司 开发 的 两款并联加工中心 Evolution G500 和 G1000，瑞士联邦技术学院研制的并联机床 HexaGlide (图 15)，日本 Toyoda 公司生产的基于铣削加工线的六条腿机床 (图 16)。 图 11 G amp。 L公司的 VARIAX 图 12 Ingersoll公司的 Hexapod VARIAX PMT Hexapod PMT 第 1 章 绪论 3 图 13 Mikromat公司的 6X 图 14 NEOS Robotics公司的 Tricept 845 6X PMT Tricept 845 PMT 图 15 瑞士联邦技术学院的 HexaGlide 图 16 Toyoda公司的并联机床 HexaGlide PMT PMT of Toyoda co. 图 17 StarragHeckert公司 的 SKM400 图 18 西班牙 Fatronic公司 的 Ulyses SKM400 PMT Ulyses PMT 燕山大学工学硕士学位论文 4 图 19 法国 RA公司 的 Urane SX 图 110 德国 ZFS的 Paralix Urane SX PMT Paralix PMT 2020 年前后，并联机床在 很多 方面都 获得了重大的进展 ，主要有 运动学、制造工艺 学 、 数控编程、 计算机 控制技术、 测量标定、 动 力学 性能研究和 工程 应用 等，各种 经过改进的结构原理和新产品 都相继推出 ， 意味 着并联 机床 慢慢过渡到了 实用阶段 ，产业化阶段 [4]。 2020 年在德国汉诺威欧洲机床展览会上， 有很多并联机床参与展出 ，展出的 主要有 三杆 卧式加工中心 SKM400 (图 17)，由 德国 Herkert 机床公司 制造 ； 三杆卧式加工机床 Ulyses (图 18)， 由 西班牙 FATRONIK 技术中心 研制开发； 法国 RA 公司的三杆并联卧式机床 URANE SX (图 19)，五面加工并联机床 Paralix(图 110)，由 德国斯图加特大学制造技术中心 自主开发 [1318]。 并联机床在国内的发展 现状 自 从 并联机床 于 1994 年 在国际 机床展 上首次 亮相 之后，国内 的众多 高校和科研单位也 都逐渐 投入 大量人力物力 开始 对并联机构装备 的 开发。 燕山大学的黄真教授是 国内最早 开始 从事并联机器人基础理论研究的 人。 燕山大学在 1991 年 完成了六 自由度 并联机器人样机 的成功研制 (图 110)，它是我国的第一台并联 机器人 样机。 黄真教授 在 1997 年出版了我国第一部关于并联机器人理 论及技术的专著 [19]。 1998 年在 北京机床展览会上展出 的大型镗铣类并联机床的原型样机 VAMT1Y(图 111)是由清华大学和天津 第 1 章 绪论 5 大学于 1997 年合作成功研制的 ， 是 我国 第一台基于 Stewart 平台机构的并联机床， 受到 了各界的 广泛关注 [20]。 在 1999 年的机床展览会上展出 的 6坐标 BJ 系列并联机床 (图 112)是由 哈尔滨工业大学 研制的 [21]。 2020 年，燕山大学研制出了新型 5UPS/PRPU 五自由度并联数控机床 (图 113) [22]。 同年 在北京国际机床展上， 哈尔滨 工 业 大 学 与哈尔滨量具刃具厂合作推出了并联机床 BXK6027(图 114)，它是 一台 新一代 商品化六轴 并 联机床 [23]。 哈量集团 与 瑞典 Execho 公司 于 2020 年 联合开发 了新一代并联机床LINKS700(图 115)，标志着我国 的 并联机床 进入了 研究开发的新 时代 [24]。 总的来说， 国内并联机床的各项性能指标与国外发达国家相比还有一定差距，还有许多问题 需要深入研究。 并联机床是一个国家技术力量 和装备水平 的重要标志，在提高我 国装备制造业进程中必须加大研究力度 ，打造属于我国自主知识产权的并联运动机床。 图 110 燕山大学六自由度并联 样机 图 111 清华大学的 VAMT1Y 6DOF PM of YSU VAMT1Y PMT 图 112 哈工大的 BJ30 图 113 燕山 大学 的 5UPS/PRPU BJ30 PMT 5UPS/PRPU PMT 燕山大学工学硕士学位论文 6 图 114 哈工大与哈量具的 BXK6027 图 115 哈量集团 LINKS700 BXK6027 PMT LINKS700 PMT 动力学理论研究现状综述 并联机床的动力学建模问题在并联机床性能分析和实际运动控制中占有非常重要的地位，并联机 床的动力学模型描述了并联机床的运动和各个关节力矩之间的关系，是求解并联机床正动力学问题和逆动力学问题的基础，并联机床正动力学问题是在已知关节驱动力的情况下求解并联机床的运动， 而逆动力学问题是在已知并联机床运动的情况下求解各个关节的驱动力。 正动力学问题的求解是对并联机床的系统仿真实验有重要的意义，而逆动力学问题的求解则是并联机床整机动态设计、伺服电机选配动力学参数辨识和控制器设计的理论基础 [29]。 由于并联机床的正动力学问题分析比较复杂， 涉及复杂方程组的求解，国内外对 正动力学问题 的研究 很 少。 Khalil[30]建立了 GoughStewart平台的正动力学的闭环解。 蔡胜利 [31]基于达朗伯原理和等 效力方法建立了 3TPS型并联机器人的动力学 模型，写出了其 正向动力学与反向动力学方程，讨论了两种方程的解法并给出了数值例。 并联机床的逆动力学分析 与正动力学分析相比 相对简单，国内外对此展开了大量的研究。 基于不同的力学原理，可以采用不同的方法建立动力学模型，例如 NewtonEuler法、 Lagrange法、虚功原理法和 Kane法等。 NewtonEuler法是一种基于牛顿运动定律，通过引入惯性力的概念，导 第 1 章 绪论 7 出非自由质系 刚体动力学模型的方法 [32]。 用 NewtonEuler法 建立动力学模型时， 只涉及到牛顿运动定律、惯性力和受力分析等简单的力学 内容，因而 建模简单、 概念清晰、计算 效率高， 并且很容易求解各构件的支反力，在并联机床刚体动力学建模领域得到了广泛的应用。 1987年 Sugimoto[33]利用 NewtonEuler法和旋量代数理论 建立 了 Stewart平台的刚体动力学模型。 1998年 Dasgupta等人 [34]考虑 关节摩擦和阻尼因素影响 ，采用 NewtonEuler法 构造 了 Stewart平台的动力学方程。 孔令富等人 [35]在 2020年以 6PUS并联机构为研究对象，利用 NewtonEuler法 推导出了 并联 机构的动力学模型，并给出了动平台做圆周平动时各驱动力的变化曲线，为该类机构的动力学分析奠定了基础。 由于 用 Lagrange法 得到的动力学方程形式相对比较简单整齐，并且 建模 过程 中不需要分析机构约束内力，因此在并联机床刚体动力学建模领域也得到了广泛的应用。 Pang和 Shahinpoor[36]以 Lagrange方程为依据， 构造了Stewart平台的刚体动力学模型， Lee和 Shah[37]根据 Lagrange法建立了三自由度 新 型 并 联 机 床 的 刚 体 动 力 学 模 型 ， Wang 和 Gosselin[38] 采用LagrangeD’Alembert法建立了 Stewart平台的刚体动力学模型。 相对于NewtonEuler法， Lagrange法 在求解模型时需要进行大量的矩阵运算和偏微分运算，建模过程比较复杂，模型的求解效率较低。 虚。