混联机床运动学标定及其开放式数控系统研究

【摘要】：并联机构在原理上具有高速、高精度和高刚度的优点，对数控机床具有很大的吸引力，因此出现了并联机床，并被誉为二十一世纪的数控机床。但目前的并联机床都还远没有达到理论上应有的性能，因此如何提高兼具串、并联特点的混联机床的性能对推动其向实用化发展具有重要意义。 本文结合6PM2六轴混联数控镗铣床的研究与开发，对其核心部件3-RPS并联机构的运动学仿真分析、奇异位形、运动学标定及混联机床开放式数控系统的开发等方面的问题进行了深入、系统的理论研究及应用研究。 主要研究工作及创新点如下： 1．对3-RPS并联机构的运动学进行了分析，给出了相应的位置、速度、加速度的解析表达式；对动平台的位姿、速度和加速度进行运动学仿真，为后续的控制提供理论基础。建立了一种3-RPS并联机构被动关节角的求解方法，用该算法求解了被动关节安装角，并给出了安装角的确定及设计原则，为解决3-RPS并联机构回转运动范围小的问题，提供了设计指导依据。 2．提出用螺旋理论的方法来构造包括结构奇异和约束奇异信息的雅可比矩阵，同时也给出了用导出法创建的速度雅可比矩阵，应用这两种不同的方法对实际的6PM2混联机床的奇异位形进行了分析。为3-RPS并联机构在工程应用中避开奇 西安理工大学博士学位论文 目里互里口里巨里组里纽里里里组里 异位形问题提供了依据。 3.采用间接测量法，然后通过逐次逼近标定法，完成6PMZ混联机床中的并联机构 的实验标定。利用PMAC内置的位置触发锁存功能确定并联杆长的初始值，根 据被标定对象的实际特点，对测量数据进行合理处理，通过矩阵重构的方法来 解决测量噪声的干扰项，消除了非结构参数因素对标定带来的不良影响。并通 过对标定前后的实验数据比较，证明标定后的6PMZ的运动精度得到提高，为解 决并联机构实际运动精度达不到理论上应有的精度问题提供了一种方法。 4.针对并联机构回转时，空间位置变化的特点，开发和研制了新型回转运动精度 检测装置，为直接测量并联机构的动平台位姿提供了一种检测装置。 5.给出了混联机床相应的运动控制算法，编制了控制系统软件。该软件将并联机 构的实轴运动隐藏起来，界面上以虚轴运动出现，符合传统数控机床习惯，使 用方便。 6.上述研究成果己成功地应用于本研究所开发的串并联组成的六自由度混联切 削机床6PMZ上，取得了良好的效果。 关键词:混联机床，运动学标定，开放式数控系统，螺旋理论，奇异位形，被动关 p 论文的研究得到了国家重点技术创新项目《多功能切削机器人》(项目编号: 99BK455)和国家自然科学基金项目《混合式数控机床总体方案创成与被动关节结 合部研究》(项目编号:50075069)的资助。