并联机床（精选4篇）
篇1：并联机床
基于并联机构的六分量并联天平及其力雅可比矩阵研究
为了由感测力导出被测模型受力,必须研究基于Stewart平台六维力传感器的力变换关系.本文将并联机构引入风洞天平,提出了并联天平的`概念,应用并联机构学理论,对并联天平实现的关键理论问题即天平感测力与被测模型上所受的六维力的转化关系进行了研究,得到了二者转化的力雅可比矩阵,同时推导出基于5个基本结构参数的雅可比矩阵条件数,并用数值算例加以验证.为该类天平的优化和设计奠定了理论基础.
作 者：姚裕 吴洪涛 张召明 朱剑英 作者单位：南京航空航天大学,南京,210016刊 名：机械科学与技术 ISTIC PKU英文刊名：MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：23(7)分类号：V211.752关键词：并联机构 风洞天平并联天平雅可比矩阵
篇2：并联机床驱动杆性能测试研究
并联机床不同于传统机床的结构,它基于Stewart平台原理,实质是一种多环多自由度的并联空间连杆机构。6根驱动杆两端通过球铰或虎克铰分别与装有主轴头的动平台及上方的定平台相连,改变6根驱动杆的杆长,机床的主轴可以实现六自由度的空间运动。并联机床虽然优点很多,但没有被普及的原因还是精度问题,主要有安装驱动杆口的精度和驱动杆本身的精度,但最主要的还是驱动杆本身的精度,因此解决驱动杆的精度问题是解决整个并联机床精度问题的关键。驱动杆在机床中工作时,其精度问题包括:定位精度、刚度、反向间隙等。为了校核精度,必须要有一台专用的测试平台,实际测量驱动杆在空载和加载时工作状态,通过数据分析,找出问题所在。
1 驱动杆测试原理及测试台构成
1.1 驱动杆测试原理
驱动杆在实际工作时将受到轴向的拉伸和压缩力,为了能模拟实际工作状态,设计测试台时驱动杆由V形块支撑和固定,实际测量时,首先能模拟加载驱动杆在实际工作中可能遇到的各种载荷情况,将驱动驱动杆到达任何工作的位置,并能动态和静态的测试驱动杆的输入值和输出值。
1.2 驱动杆测试台的构成
a) 机械部分的设计:驱动杆测试台机械部分的作用主要是改变驱动杆输出的受力大小和方向,用以模拟驱动杆真实工作时的载荷,由于驱动杆是个二力杆,因此加载部分只需要在驱动杆的输出上加上一个轴向的力,这里用一段导轨槽和槽中的一个滑块来保证负载力始终在轴向上,驱动杆的输出固定到滑块上。如图1所示。
1) 导轨架用于支撑导轨及滑块。
2) V型块支撑架用于支撑驱动杆,确定了驱动杆的轴线与导轨方向一致。
3) 加载架用于支撑加载块的上下运动,通过架上的滑轮的带动,改变驱动杆加载时正向和反向的力的大小。
4) 滑块在控制部分的作用下,通过空载和负载带动驱动杆来回移动,进而协助测量驱动杆的输出位置。
b) 运动及控制的设计:运动及控制部分完成由计算到驱动杆输入端的所有工作,即接受计算机发出的运动命令,并完成相应命令驱动驱动杆做相应工作。其总体结构框图如图2所示。
c) 测试软件的设计:测试软件是在PC机上运行的主要程序,其任务是按照测量任务要求给出运动控制器的运动命令,并采集光栅尺和编码器的值,实时的处理这些值,并能在最后能按要求保存这些测量值。测试软件同运动控制通讯用的串行口,不需要单独编写驱动程序,VB 6.0提供了相应的控件,即MScommon。将MScommon加入主程序,并在代码中设置好串口通讯的各个参数。
2 实验驱动杆的测试
驱动杆性能主要围绕工作状况下杆的长度精度。驱动杆工作中伸或缩变化长度,受力状况为拉与压不断变化,因此,除了杆的长度精度外,驱动杆的性能主要体现在如下几个方面:杆的长度变化误差、杆受力方向变化导致的回差(空回误差)、杆的综合刚度。
综合几方面的测量与测试台的情况,以测量行程400mm为例,测量过程简要设计如下:
2.1 空载测试
1) 杆长标定后的“0”点为参考,消除伸长间隙后,保持码盘读数为“0”,伸长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中;
2) 缩短杆长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中。
2.2 加载拉力测试
1) 加拉伸载荷,记录光栅数据变动值,消除杆伸长间隙,同时调整码盘数值为“0”, 伸长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中;
2) 缩短杆长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中。
2.3 加载压力测试
1) 加压缩载荷,记录光栅数据变动值,消除杆伸长间隙,同时调整码盘数值为“0”, 伸长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中;
2) 缩短杆长400mm,保存光栅与码盘数据在文件中。
2.4 刚度测试
在指定位置通过加载,监测驱动杆长度变化。
测试后,对数据进行了分析,根据数据测试了曲线图,找出了影响精度的原因,得出了建设性的结论。为理论研究得到了认证,同时对提高驱动杆的性能及并联机床的精度提供了参考价值。
3 结论
篇3：三维平动并联机床控制系统设计
关键词：并联机床;运动控制;软件平台
前言：并联机床是一种将并联机构作为进给传动机构的数控机床，具有高刚度、高精度、高速度、高动态性能、高承载能力等优点[1]，三维平动并联机床在我国经济活跃的地区用于非金属切割、雕刻、打孔等方面，得到快速发展，但目前的加工设备价格昂贵，控制系统复杂，难以保证加工精度。本文设计了一种基于PC机和GTS运动控制器的三维加工用并联机床的控制系统，利用Delphi 7.0编程工具所开发的控制系统能够对该三维平动并联机床进行实时监测和控制。
一、三维平动并联机床结构简介
三维平动并联机床的动平台通过3根连杆和安装在丝杠上的三个滑块与静平台相连。通过控制交流伺服电动机的运动控制三滑块协调运动，从而精确控制动平台的位置，即控制加工点的位置。
三根连杆两端均采用胡克铰与丝杆螺母和动平台相连。
二、控制系统硬件构成
系统硬件组成如图1所示，其中包括三套伺服电机作为电气执行元件;GTS运动控制器作为运动控制核心部件[9]，完成各个电机之间的实时运动插补、运动控制功能;PC机作为上位机，完成路径规划、文件处理、仿真显示、手动控制等功能。
其中，GTS运动控制器是固高科技的运动控制产品之一，基于计算机PCI总线，可同时控制4轴运动。
图1 并联机床控制系统硬件图
三、控制系统软件总体框架设计
为了实现对三维平动并联机床的实时监测，同时考虑到人机交互的便捷性，利用Delphi 7.0编写上位机程序，上位机调用运动控制器的指令，运动控制器按照主机发送的指令工作，驱动电机运动，改变滑块位置，即移动动平台。
该控制系统主要由5个模块组成：手动模块、自动模块、测试模块、编程模块、参数设置模块。
手动模块主要用于动平台的小位移的运动控制和手轮操作控制。
自动模块主要用于程序的自动运行，运动轨迹的实时显示。
测试模块主要用于对于所编写好的程序进行运动轨迹的模拟仿真，可选择进行单步或单次等不同的调试方式。
编程模块主要用于新建任务，进行运动程序的编写等，在编写程序的过程中要能对一些明显的编程错误进行报错提醒。
参数设置模块主要用于设定机床零点和默认进给速度等。
手动模块和自动模块的界面都以显示灯的形式实时显示外部输入信息：如主轴开关、冷却液开关、极限限位等信息，并实时显示坐标数据。
四、主要功能模块
本三维平动并联机床的控制系统以Delphi 7.0作为编程工具进行控制系统的开发。Delphi 7.0是Borland公司推出的Delphi编程软件的新且成熟的一个版本，它采用面向对象的程序设计、组件化的编程方式，其开发功能强大，且易于学习使用[1]。本控制系统采用GTS系列运动控制卡，只需将运动控制卡的动态链接库和函数声明文件复制到工程文件夹中，并将函数声明文件添加到工程中，并添加对函数声明文件的引用，用户就可以在Delphi中调用函数库中的任何函数，编写应用程序，进行控制系统的开发[2]。
图2 作业编辑处理过程
（一）编程模块。该模块主要用于进行作业管理：新建作业、编辑作业、删除作业。当初次建立编程任务时，设置编程环境，创建临时作业区，读取临时作业区内容并显示，默认将程序起始语句“START”和结束语句“END”置于程序首末，并设置第一个语句的序号“001”。若仅是编辑作业，则复制当前作业到临时作业区，然后显示。进行正常语句编写，包括机床作业点的三维坐标以及运动速度。每个语句结束处，键入回车键即可进入下一行程序编辑状态，同时自动输入行号。除了运动位置输入外，还可依据运动中的要求（如打开冷却液、主轴开启等）选择或设置指令。程序编辑中也可以进行删除行、插入行、更改内容等工作。编辑完毕，即可保存该运动程序，也可直接执行该文件。编程过程如图2所示，运行界面如图3所示。
图3 程序编辑界面
（二）手动模块。手动模块完成的功能主要有：归零（回机床零点），设定进给量、进给速度，手动驱动，手轮驱动等，运行控制界面如图4所示。
无论手轮驱动还是手动驱动动平台运动，均可以实现三电机联动，这样做的目的是为了避免一个电机的过度运动，使并联机构发生干涉。如图4所示，在手动运行的界面可以实时刷新显示加工点位置。
图4 手动运行控制界面
回零操作，是借助于极限开关和GTS运动控制的限位功能进行编程实现的，具体的操作将在下一节进行描述。
图5 测试运行控制界面
（三）测试模块。测试模块主要用来对已有作业任务进行测试，检验编程的正确与否，有三种测试模式：单步、单次、循环。
根据用户所选定的测试模式，可以确定程序测试时是按何种方式进行运行，需要注意的是在测试模式下，作业中的辅助功能指令不起作用。控制界面如图5所示。
（四）自动模块。对于已经通过测试，确认正确的作业，可以在自动模式下进行运行。自动模块的控制运行界面如图6所示。
图6 自动运行控制界面
该界面右上角为当前坐标的显示，中上部为仿真界面，左边的指示灯同步显示个外部输入信号，中下部显示正在运行的任务。
五、零位、限位报警设置
本三维平动并联机床的零位及左右极限位置的确定使用的是限位开关和硬件捕获的功能确定的，限位开关按图7所示的方式进行布置（以其中一条丝杠的限位开关布置进行说明）。
图7 各限位开关的布置
根据整个并联机床的工作空间，由逆解可求得滑块所要求的运动区域，根据该区域的长度可安装左右限位开关A、B，零位开关选择安装在滑块工作区域外的左侧，这样安排的好处是，在每次找零时都可直接使对应的电机驱动滑块左移，进行找零。找到零位开关后，进行相应的偏置，设定零点。与将零位开关安装在工作区域中间相比，简化了找零过程，因为断电后重新上电再次找零，并不能记录滑块位置，即不知道滑块在零位的左侧还是右侧。将零位开关安装在工作区域中进行找零时需要配合左右极限开关进行找零。
结束语：系统通过上位机控制该三维平动并联机床的使用，能够控制三电机联动，对并联机床的运动进行实时监测和控制，具有较好的人机交互性，并且操作使用也比较简单方便。
参考文献：
[1] 黄真，孔令富，方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2] 张霏霏，吴洪涛，严伟. 三维平动并联机床的运动分析， 机械制造，2013，12：17-20
篇4：并联机床校验台机械设计
生产的自动化与高精度、高品质是机械制造工业发展的两大方向。为了满足此发展方向的要求,并联机床应运而生,作为一种新概念机床,并联机床在结构、控制等方面完全不同于传统机床,有很大的研究空间和价值。并联机床虽然优点很多,但没有被普及的原因还是精度有问题。并联机床的各运动副在制造和安装中存在误差,如定平台和动平台上各球铰的位置及各支路杆长均存在制造或安装误差,这种误差对并联机床的加工精度有很大的影响,这些误差难以进行直接测量。设计开发出一台精度较高的、具有x,y,z三个坐标运动功能的校验台,即成为减小并联机床误差,对其精度进行检测和标定的关键设备。
1 校验台的结构原理(图1)
校验台主要由三个平动导轨,三根驱动丝杠,三台电动机,三路光栅组合而成。三路导轨由下到上叠加,从而形成空间直角坐标轴的形状。每一路驱动丝杠由一台步进电动机驱动,实现三轴联动。光栅用来测量导轨的位移。根据设计原则,考虑到质量及尺寸的要求,将最上层设计为垂直移动(设为z轴),其余两路为水平移动(设为x轴和y轴),从而构成相互垂直的空间三轴测量台,其结构如图1所示。校验台的自由度显而易见是三个平移运动副,自由度为3,由三台步进电动机分别驱动控制3个自由度。
2 校验台关键部件的设计
校验台的设计,就是针对具体的被加工零件在选定的结构方案的基础上,进行方案图样设计。这些工作包括:传动装置及动力部件的选择,关键部件如导轨的设计、基础件设计等。
2.1 传动装置及动力部件的选择
校验台实现的是沿x,y,z三轴的直线运动,根据校验台本身要求的精度及运动的实现形式,选择二级滚珠丝杠作为传动装置,均采用购买件。关于动力部件的选择问题,考虑到经济上的原因及对电动机的要求,选择混合式步进电动机作为动力部件。由于校验台不承受外力,精度要求较高,尺寸小,因此,对电动机的参数要求是:外形尺寸尽量小,转距 ≤ 4N·m,步距角为0.9°,细分电路为64细分。为了简化结构,电动机与丝杠的联接形式采用轴套联结。
2.2 导轨的设计
导轨的功能是支承和引导机械的移动部分做直线运动。导轨一般由运动件和引导件两部分组成。对导轨的主要要求是:方向精度高,运动的灵活性和平稳性好,对温度变化不敏感,耐磨性和结构工艺性好。对于有移动工作台的机械,导轨的结构方案是否合理,对其品质和成本往往有较大的影响。
对于直线运动导轨,为了使运动件只沿一个方向运动,必须限制运动件绕x,y,z轴的转动自由度和另外两个方向的移动自由度。图2是常用导轨的几种基本结构(列出(a)﹑(b)﹑(c)三种)。每根导轨由两个狭长导轨面组成,它限制了沿x向和z向的移动,和绕x轴和z轴的转动。由于导轨面很窄,所以不能限制绕y轴的转动。因此常采用增加一个导轨面或加宽一个导轨面的方法,来限制绕y轴的转动。为防止运动件绕y轴转动,在图2所示的三种导轨之外再加一辅助支承点即可,考虑承载能力和耐磨性,在实际结构中往往增加一个导轨平面如图3中所示,但是这就对两条导轨的平行度的要求提高了。由此可知,导轨面数超过了运动学原理的要求时,由于有多余的约束,必须提高导轨的加工精度。
常用的导轨按其支承原理可分为:滑动摩擦导轨,滚动摩擦导轨。根据精度要求及经济上的原因,本文选用的是滚动摩擦导轨。滚动摩擦导轨的优点是:低速时运动平稳,运动阻力小(特别在启动时),精度一般较高而且保持时间较长,润滑简单;缺点是:制造一般较难,对导轨上落入脏物很敏感,抗震性差。滚动导轨的刚度一般比滑动导轨低的多,但如增加适当的预紧力可以提高刚度。而且一定的预紧力可以防止滚动滑条跑偏。
2.3 丝杠的结构设计
丝杠是传动装置的主要部件,它选择的好坏将直接影响到传动精度,进而影响到整个校验台的精度。由于滚珠丝杠副为通用部件,生产工艺成熟,品质和生产周期都容易保证,且比较适合于精密传动,故选用的是滚珠丝杠作为平动的实现形式,丝杠的两端固定在导轨两侧,丝杠的方形螺母固定在滑块上,丝杠的一端通过联轴器与电动机相联。当电动机旋转时,通过丝杠将转动转化为螺母移动,从而实现平动。
2.4 基础件设计
从校验台结构简图中可以看出,x轴的底座体积较大,质量占的比重也大,起着支承和固定其他零件的作用,因此它的设计和制造品质对机器的品质有很大的影响。
对底座的设计要求有:有足够的强度和刚度,有足够的精度,有较好的工艺性,有较好的尺寸稳定性和抗振性,外形美观,还要考虑到安放水平。
底座设计主要考虑如下问题:正确选择支承点,这里选择四个支承点;端面的形状及厚度,主要是考虑到底座受弯曲﹑扭转的应力作用;加强筋的形式和作用,根据材料力学原理,为防止变形,采用“米”字形封闭式加强筋。
3 结论
根据设计要求确定了校验台的总体设计方案,提出了具体的设计要求,阐述了校验台的结构原理,对校验台的传动装置及动力部件进行了选择,对关键部件如导轨、基础件提出了设计理念。优化的结构设计,往往会使校验台工作可靠,结构紧凑,运动起来更加灵活,直接的对并联机床的误差进行了测量,合理的提高了精度。
参考文献
[1]孔令富.六自由度并联机器人运动控制系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学(博士学位论文),1995,1-7.