3HSS并联机床运动学设计热弯炉

3-HSS并联机床运动学设计

3-HSS并联机床运动学设计 2011年12月09日 来源： Kinematic Design of 3-HSS Parallel Machine ToolHUANG Tian, et alAbstracts：A structural disposition plan for parallel machine tool is suggested. In the disposition, a parallel mechanism, which can realise three freedoms of parallel motion, is used as main feeding mechanism, with assistance of a rotary table, multi-axis NC machining can be realized. Based on such design, a general design solution of parallel machine tool with three freedoms and its kinematic design method are introduced. The theory has been adopted in developing the prototype of machine tool.Key Words：Parallel Machine Tool with Three Freedoms, Kinematic Design▲　　由于受到铰约束、支链干涉、奇异位形、特别是位置空间随刀具实现姿态能力增加而缩减等负面因素的影响，致使动平台实现姿态能力差是各种六自由度纯并联机床难以逾越的固有缺陷，因而难于满足一大类多坐标数控作业的要求。为了克服这一缺陷，可考虑采用混联构型［1，2］，即用可实现平动的三自由度并联机构作为主进给机构，辅以回转工作台来实现转动自由度。这种配置方案不但可实现平动与转动的解耦控制，且具有工作空间大和可重组性强等优点。　　基于上述构思，天津大学和天津第一机床总厂开展了可实现三平动自由度并联机床设计理论、关键技术及样机建造工作。本文仅对所开发样机的总体布局方案及运动学设计原理做一介绍。1　总体布局方案　　所开发的三平动自由度并联机床采用如图1所示的3-HSS构型(在此，H为螺旋副，S为球面副)，由底座、动平台和三对立柱—滑鞍—支链组成；每条支链中含三根平行定长杆件，各杆件一端与滑鞍，另一端与动平台用球铰(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上下移动。为了使动平台仅沿笛卡儿系三个方向平动，令各支链中的三根杆件在结构上保持平行，并与滑鞍和动平台的铰点构成等边三角形，进而形成空间平行四边形刚架结构。该机床主要用于三坐标高速铣、镗、磨加工，亦可配以数控回转台完成多坐标异型曲面和刀具刃磨。上述总体设计方案具有以下优点：图1　3-HSS并联机床主进给机构传动原理　　(1)借鉴了升降台式铣床立柱—滑鞍成熟结构，便于主机厂用现成工艺制造和装配。　　(2)工作空间呈柱形，具有较大的编程空间与机床体积比，且平行于工作台任意截面的运动学性能等同。　　(3)位置及速度正、逆解均有显式解析解答，可实施快速PVT插补和在线运动学标定。　　(4)支链采用带消极约束的三杆平行四边形刚架结构，不但可有效地消除铰链间隙，且可大幅度提高动平台抵抗切削颠覆力矩的能力。　　(5)除底座和动平台外，主要结构件均为三对称，可大幅度减少零部件设计工作和制造成本。2　运动学设计原理2.1　位置逆解模型　　位置逆解涉及已知机床尺度参数和动平台参考点位置，反求滑鞍位置，其目的有二：一是已知CAM模型后通过粗插补为伺服控制提供必要的输入；二是为基于灵活度指标的尺度综合提供数学模型。因采用平行四边形支链结构使得链中各杆运动规律等同，故在运动学分析时可将原机构简化为如图2所示的等效机构。在工作台和动平台上分别建立固定参考系o-xyz和连体参考系o′-x′y′z′，点o′在系o-xyz下的位矢可表示为　　(1)式中，bi=rb(cosβi　sinβi　0)T，ai=ra(cosβi　sinβi　0)T为点Bi和Ai在系o-xyz和o′-x′y′z′的位置矢量；ra、rb为动、静平台半径；βi为点Bi和Ai在o-xyz和o′-x′y′z′下位置角，且有wi为支链i的单位矢量；L为支链杆长；qi为滑鞍i相对参考点Bi的位移；e3=(0　0　1)T。对式(1)两端取模方并整理得　　(2)根据装配模式可解出　　(3)且可确定wi=(r-bi+ai-qie3)/L。

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