六自由度大臂機(jī)器人設(shè)計(jì)【并聯(lián)機(jī)器人】【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE】,并聯(lián)機(jī)器人,說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE,六自由度大臂機(jī)器人設(shè)計(jì)【并聯(lián)機(jī)器人】【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE】,自由度,機(jī)器人,設(shè)計(jì),并聯(lián),說(shuō)明書(shū),仿單,cad,proe 機(jī)0405 11號(hào) 馬吟川 指導(dǎo)老師：許寶杰 設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床 使用kinetostatic標(biāo)準(zhǔn) 的表現(xiàn) http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0705/0705.1038.pdf 1 介紹 多數(shù)工業(yè)機(jī)床有一個(gè)串行運(yùn)動(dòng)學(xué)架構(gòu)，這意味著每個(gè)軸進(jìn)行下列工作時(shí)，包括其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和聯(lián)接點(diǎn)高速加工突出了一些弊端，例如架構(gòu)：較重的運(yùn)動(dòng)部件需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)高剛度，以限制彎曲問(wèn)題，即降低機(jī)床精度，并限制動(dòng)態(tài)表現(xiàn)的曲線。 這就是為什么并聯(lián)機(jī)床吸引了越來(lái)越多的研究人員和公司，因?yàn)樗鼈儞?jù)稱提供了單獨(dú)的優(yōu)勢(shì)，如高結(jié)構(gòu)剛度和高動(dòng)態(tài)的能力。事實(shí)上，并聯(lián)安排的聯(lián)系，可提供更高的剛度和較低的誤差，減少慣性的影響。因此，并聯(lián)機(jī)床有更好的動(dòng)態(tài)性能。然而，設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)機(jī)床是一個(gè)艱巨的任務(wù)，在進(jìn)一步的研究之前，廣泛地在工業(yè)用途中的調(diào)研，是必不可少的。 許多標(biāo)準(zhǔn)要考慮到在設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)機(jī)床。我們要特別注意描述并聯(lián)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)依賴于現(xiàn)有的雅可比矩陣的機(jī)制。該組織的這份文件具體內(nèi)容如下：未來(lái)介紹總論約并聯(lián)機(jī)床，那就是解釋了為什么并聯(lián)機(jī)床是不可替代機(jī)床的設(shè)計(jì)。一個(gè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用了一次小規(guī)模的機(jī)床樣機(jī)研制irccyn。 2 關(guān)于并聯(lián)機(jī)床 2.1 總論 第一次工業(yè)應(yīng)用并聯(lián)機(jī)床是The Gough平臺(tái)（圖1 ） 設(shè)計(jì)于1957年，以測(cè)試tyres1 。并聯(lián)機(jī)床當(dāng)時(shí)已使用多年，在飛行模擬器和機(jī)器人applications2因?yàn)樗麄兊牡鸵苿?dòng)質(zhì)量和高動(dòng)態(tài)表演。由于發(fā)展的高速切削加工，并聯(lián)機(jī)床已成為有趣的替代機(jī)床。 圖1 The Gough platform 隨著高速切削的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)串聯(lián)式機(jī)構(gòu)構(gòu)造平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛性與移動(dòng)臺(tái)高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺(tái)便成為最佳的候選對(duì)象，而相對(duì)于串聯(lián)式機(jī)床來(lái)說(shuō)，并聯(lián)式工作平臺(tái)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)： (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低 機(jī)床機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而本機(jī)床的制造和庫(kù)存成本比相同功能的傳統(tǒng)機(jī)床低得多，容易組裝和搬運(yùn)。 (2) 結(jié)構(gòu)剛度高 由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短，而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時(shí)承受，以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在外力一定時(shí)，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來(lái)是兩端簡(jiǎn)支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu)，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。 (3) 加工速度高，慣性低 如果結(jié)構(gòu)所承受的力會(huì)改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，因此機(jī)器很容易高速化，且擁有低慣性。 (4) 加工精度高 由于其為多軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成，六個(gè)可伸縮桿桿長(zhǎng)都單獨(dú)對(duì)刀具的位置和姿態(tài)起作用，因而不存在傳統(tǒng)機(jī)床(即串聯(lián)機(jī)床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象，甚至還有平均化效果(averaging effect)；其擁有熱對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此熱變形較?。还仕哂懈呔鹊膬?yōu)點(diǎn)。 (5) 多功能靈活性強(qiáng) 由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單控制方便，較容易根據(jù)加工對(duì)象而將其設(shè)計(jì)成專用機(jī)床，同時(shí)也可以將之開(kāi)發(fā)成通用機(jī)床，用以實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測(cè)量工具把它組成測(cè)量機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的多功能。這將會(huì)帶來(lái)很大的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，在國(guó)防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 (6) 使用壽命長(zhǎng) 由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)部件磨損小，且沒(méi)有導(dǎo)軌，不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。 (7) Stewart平臺(tái)適合于模塊化生產(chǎn) 對(duì)于不同的機(jī)器加工范圍，只需改變連桿長(zhǎng)度和接點(diǎn)位置，維護(hù)也容易，無(wú)須進(jìn)行機(jī)件的再制和調(diào)整，只需將新的機(jī)構(gòu)參數(shù)輸入。 (8) 變換座標(biāo)系方便 由于沒(méi)有實(shí)體座標(biāo)系，機(jī)床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成，非常方便。 Stewart平臺(tái)應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時(shí)，可以降低靜態(tài)誤差(因?yàn)楦邉傂?，以及動(dòng)態(tài)誤差(因?yàn)榈蛻T量)。而Stewart平臺(tái)的劣勢(shì)在于其工作空間較小，且其在工作空間上有著奇異點(diǎn)的限制，而串聯(lián)工作平臺(tái)，控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí)，將會(huì)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法達(dá)成的驅(qū)動(dòng)命令而造成控制誤差，但Stewart平臺(tái)在奇異位置會(huì)失去支撐部分方向的力或力矩的能力，無(wú)法完成固定負(fù)載對(duì)象。 在并聯(lián)機(jī)床，工具是以底座作為支撐做伸縮性運(yùn)動(dòng)，下圖為伸縮運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。一般均作伸縮臂的同固定結(jié)點(diǎn)（圖2A ）條，或固定長(zhǎng)度的伸縮臂與滑動(dòng)結(jié)點(diǎn)（圖2b ）條。 圖2a A bipod PKM 圖2b A biglide PKM 2．2 奇點(diǎn) 奇異的配置（也稱為奇點(diǎn)）的一個(gè)并聯(lián)機(jī)床可能出現(xiàn)內(nèi)工作空間或在其邊界。有兩種類型的奇點(diǎn) 。一個(gè)配置叫做有限速率，在結(jié)點(diǎn)處需要極大的速率，是所謂的一個(gè)序列奇異性。配置工具不能抗拒任何阻力，并且會(huì)轉(zhuǎn)變得無(wú)法控制， 所謂平行奇異。平行的奇異尤其不可取因?yàn)樗麄儗?dǎo)致以下幾個(gè)問(wèn)題： 結(jié)點(diǎn)處受力過(guò)高，這可能會(huì)損害結(jié)構(gòu)，減少了該機(jī)制的剛度，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)節(jié)制的運(yùn)動(dòng)規(guī)律工具雖然驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)鎖死。 圖3A及3B及第查看奇異為biglide機(jī)制圖。圖2B在圖3 A ，我們有一個(gè)串行奇異。速度放大系數(shù)沿垂直方向是無(wú)效的力量放大系數(shù)是無(wú)限的。 圖3B及第顯示一個(gè)平行的奇異性。速度放大系數(shù)是無(wú)窮，沿著垂直方向和部隊(duì)放大系數(shù)是接近于零。注：一高流速放大系數(shù)并不一定是可取的，因?yàn)槎鏅C(jī)編碼器分辨率擴(kuò)增，因此，準(zhǔn)確度較低。 圖3a. A serial singularity 圖 3b. A parallel singularity 2.3 工作和裝配方式 一個(gè)序列（或平行）的奇異性，是與轉(zhuǎn)變工作模式6（或者裝配模式）。舉例來(lái)說(shuō)， biglide有四種可能的工作模式某一特定工具的位置（每個(gè)結(jié)點(diǎn)的，可以向左邊或到右邊的中間位置相對(duì)應(yīng)的串行奇異，在圖4A ）及兩項(xiàng)裝配模式，為某個(gè)結(jié)點(diǎn)處進(jìn)行輸入（該工具是高于或低于此水平線對(duì)應(yīng)平行的奇異性，圖4 ）。選擇裝配模式和該工作模式，可明顯影響的行為機(jī)制。 圖 4a. The four working modes 圖 4b. The two assembly modes 3 并聯(lián)機(jī)床作為替代機(jī)床設(shè)計(jì) 3．1局限性串行機(jī)床 今天，新設(shè)計(jì)的機(jī)床受益于技術(shù)的改進(jìn)部件，如主軸，線性傳動(dòng)，軸承。多數(shù)機(jī)床是基于串行架構(gòu)（圖5），其優(yōu)點(diǎn)是輸入/輸出關(guān)系，是簡(jiǎn)單的。 3.2并聯(lián)機(jī)床潛力機(jī)床設(shè)計(jì) 低移動(dòng)質(zhì)量的并聯(lián)機(jī)床和良好的剛度，使速率（截至100米/分鐘）和加速度（ 1至5克） ，這是我們?cè)O(shè)計(jì)并聯(lián)系統(tǒng)所需要的高速切削加工。 并聯(lián)機(jī)床是非常準(zhǔn)確的，確切地說(shuō)在有些情況下不是這樣的，只有在牽引或壓縮時(shí)，才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。但是，也有許多結(jié)構(gòu)性差異，串行和并行機(jī)床，這使得讓他們的表現(xiàn)很難它的優(yōu)勢(shì)才能被突出體現(xiàn)。 3.3 并聯(lián)機(jī)床帶來(lái)的問(wèn)題 a) 這個(gè)工作一并聯(lián)機(jī)床已不是一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀，它的功能量減少了，相比，要占用的空間，我們可以看圖五。 圖5 Workspace sections of Tricept 805 b) 對(duì)于一個(gè)串行的機(jī)制，在速度和扭矩投送比例是常數(shù)的工作空間。作為并行的機(jī)制，相比之下，這些比例可能會(huì)有所變動(dòng)顯著，因?yàn)槲灰频墓ぞ卟⒉皇蔷€性關(guān)系到位移的驅(qū)動(dòng)裝置。在某些部分的工作空間，最大進(jìn)給速度和進(jìn)給時(shí)的受力，會(huì)有最大速度和力量驅(qū)動(dòng)能的產(chǎn)生，這一點(diǎn)尤為如此。在奇異性，速度，準(zhǔn)確性和力量的比例達(dá)到極端價(jià)值觀。 c) 標(biāo)定并聯(lián)機(jī)床是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的，這取決于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型本身的復(fù)雜性。 4 現(xiàn)有并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì) 4.1 充分并聯(lián)機(jī)床 我們所說(shuō)的充分并聯(lián)機(jī)床是并聯(lián)機(jī)床有許多程度新聞自由作為支撐。對(duì)圖7 ，我們可以看到一個(gè)3自由度的充分并聯(lián)機(jī)構(gòu)3伸縮臂的。每一支桿材料是一種旋轉(zhuǎn)接頭，棱柱驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)聯(lián)合。 圖6 3-RPR fully parallel mechanism 充分并聯(lián)機(jī)床變長(zhǎng)了伸縮臂是所謂hexapods 。 hexapods是靈感源于The Gough平臺(tái)。第一個(gè)并聯(lián)機(jī)床是六足" variax " 吉丁斯和劉易斯在1994年在imts在芝加哥。 hexapods 6 自由度。多一個(gè)最近的例子就是cmw300 ，六足頭設(shè)計(jì)由度（圖7 ） 圖7 Hexapod CMW 300 充分并聯(lián)機(jī)床與固定長(zhǎng)度的伸縮臂能有三，四或六只腳。該urane的SX（figures8和13 ），從雷諾自動(dòng)化是一個(gè)三腿機(jī)，其刀具只能沿X ，Y和Z軸，其建筑靈感來(lái)自三角洲r(nóng)obot9 ，設(shè)計(jì)，取放申請(qǐng)。該六米，豐田是一個(gè)六個(gè)伸縮臂的并聯(lián)機(jī)床（圖9 ）。 圖8 Renault automation Urane SX 圖9 Toyoda Hexa M 4.2其他并聯(lián)機(jī)床 該tricept 805，是一種廣泛使用的并聯(lián)機(jī)床增加了伸縮臂的長(zhǎng)度（圖5 和第10條） 。該tricept 805有一個(gè)混合結(jié)構(gòu)：兩自由度手腕串聯(lián)安裝在一個(gè)三角架結(jié)構(gòu)。 另一項(xiàng)則是不完全平行，是（圖11 ）由塞納technology10 ， 11 。 這種偏離類型是一個(gè)overactuated并聯(lián)機(jī)床快速加工，有能力一次性加工五個(gè)表面，這歸功于有了第二主軸。 圖10 Tricept 805 from Neos robotics 圖11he Eclipse, from Sena Technology 5設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)機(jī)床 5.1 總體設(shè)計(jì) 為了滿足當(dāng)今時(shí)代需要，我們所需要的機(jī)器將設(shè)計(jì)通過(guò)一套設(shè)計(jì)參數(shù)，如機(jī)器形態(tài)（串行，并行或混合運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)），這臺(tái)機(jī)器幾何（連接尺寸，聯(lián)合的方向和聯(lián)合不等），類型的致動(dòng)器（線性或旋轉(zhuǎn)電機(jī)），該型伸縮縫（棱柱形或旋轉(zhuǎn)），數(shù)量和類型的自由度工作。 5.2 并聯(lián)機(jī)床達(dá)到足夠標(biāo)準(zhǔn) 只有這樣，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，才能應(yīng)對(duì)由于奇點(diǎn)是整合并聯(lián)機(jī)床業(yè)績(jī)標(biāo)準(zhǔn)。并聯(lián)機(jī)床業(yè)績(jī)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)能力的一個(gè)機(jī)制來(lái)傳送力量還是速度，從勵(lì)磁機(jī)，以該工具。這些并聯(lián)機(jī)床業(yè)績(jī)標(biāo)準(zhǔn)必須能夠保證最低剛度，精度和速度的表演，沿各個(gè)方向在并聯(lián)機(jī)床整的個(gè)工作區(qū)。 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們使用兩種互補(bǔ)的標(biāo)準(zhǔn)：現(xiàn)有的雅可比矩陣J號(hào)的并聯(lián)機(jī)床，所謂調(diào)理指數(shù)，以及可操作性橢球與j12 。雅可比矩陣j涉及聯(lián)合利率工具速度等。這也涉及靜態(tài)工具，努力動(dòng)的努力。該空調(diào)指數(shù)的定義是，兩者的比例約為最高及最小特征值J的空調(diào)指數(shù)不同，從1到無(wú)限大。在一個(gè)奇異，該指數(shù)是無(wú)限大。這是一在另一項(xiàng)特殊的配置要求各向同性的配置。在此配置模式下， 工具，速度和剛度都是平等的全方位方向發(fā)展。該空調(diào)指數(shù)措施該均勻分布的速度，并努力靠近一個(gè)給配置，但并不告知有關(guān)的速度擴(kuò)增或阻力因素。 該操作性橢球的定義是從矩陣。主軸線該橢球的定義是由特征向量和長(zhǎng)度的主體是平方根的特征值。特征值有聯(lián)系與速度（或強(qiáng)迫）擴(kuò)增因素沿主軸線的可操作性。 這些標(biāo)準(zhǔn)是用來(lái)在wenger13 ，優(yōu)化工作空間形狀和表演的均勻程度orthoglide ，三自由度的并聯(lián)機(jī)床專用銑削時(shí)應(yīng)用（圖12 ） 。 圖12 A section of Orthoglide’s optimised workspace 5.3 技術(shù)問(wèn)題 如果并聯(lián)機(jī)床的伸縮臂因?yàn)檫^(guò)熱而鎖死，則并聯(lián)機(jī)床的準(zhǔn)確性與伸縮臂的翹曲由于供熱所造成的摩擦所產(chǎn)生的熱量有關(guān)。因此，除了制造不準(zhǔn)確，標(biāo)定一個(gè)讓并聯(lián)機(jī)床不得不顧及的尺寸變化是由于熱量引起的膨脹。一個(gè)良好的散熱疏散，可減低影響熱量。 6 結(jié)論 本文的目的是要引入一個(gè)準(zhǔn)則，為設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床，有可能成為有趣的替代品，為高速切削加工，特別是在銑削大型零部件制成的硬質(zhì)材料，或用于串行制造業(yè)務(wù)，尤其是航空零部件。kinetostatic標(biāo)準(zhǔn)似乎應(yīng)該很好地適應(yīng)設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床，特別是為運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工作空間形狀，對(duì)于表現(xiàn)統(tǒng)一性。 該kinetostatic準(zhǔn)則已用于設(shè)計(jì)的orthoglide ，三軸式并聯(lián)機(jī)床開(kāi)發(fā)irccyn 。小規(guī)模的原型正在開(kāi)發(fā)之中。 9