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概念设计

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  1. 概念设计

    概念设计是并联机床设计的首要环节,其目的是在给定所需自由度条件下,寻求含一个主刚体(动平台)的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各种可能组合。
    按照支链中所含伺服作动器数目不同,并联机床可大致分为并联、串并联和混联3种类型。前两者在一条支链中仅含一个或一个以上的作动器,以直接生成3~6个自由度;而后者则通过2个或多个少自由度并联或串联机构的串接组合生成所需的自由度。按照作动器在支链中的位置不同,并联机床可采用内副和外副驱动,且一般多采用线性驱动单元,如伺服电机—永利皇宫注册网站螺母副或直线电机等。机架结构的变化可使得并联机床的总体布局具有多样性,但同时也使工作空间的大小、形状以及运动灵活度产生很大差异。因此,在制定总体布局方案时,应采用概念设计与运动学设计交互方式,并根据特定要求做出决策。
    通过更换末端执行器便可在单机上实现多种数控作业是并联机床的优点之一。然而由于受到铰约束、支链干涉、特别是位置与姿态耦合等因素的影响,致使动平台实现姿态能力有限是各种6自由度纯并联机构的固有缺陷,难于适应大倾角多坐标数控作业的需要。目前并联机床一个重要的发展趋势是采用混联机构分别实现平动和转动自由度。这种配置不但可使平动与转动控制解耦,而且具有工作空间大和可重组性强等优点。特别是由于位置正解存在解析解答,故为数控编程和误差补偿提供了极大的方便。应该强调,传统机床的发展已有数百年历史,任何希望从纯机构学角度创新而试图完全摒弃传统机床结构布局与制造工艺合理部分的设想都将是有失偏颇的。
  2. 运动学设计
    并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述,以及工作空间分析与综合两大内容。合理地定义工作空间是并联机床运动学设计的首要环节。与传统机床不同,并联机床的工作空间是各支链工作子空间的交集,一般是由多张空间曲面片围成的闭包。为了适合多坐标数控作业的需要,通常将灵活(巧)度工作空间的规则内接几何形体定义为机床的编程工作空间。对于纯6自由度并联机床,动平台实现位置和姿态的能力是相互耦合的,即随着姿态的增加,工作空间逐渐缩小。因此,为了实现动平台实现位姿能力的可视化,往往还需用位置空间或姿态空间进行降维描述。
    工作空间分析与综合是并联机床运动学设计的核心内容。广义地,工作空间分析涉及在已知尺度参数和主动关节变量变化范围条件下,评价动平台实现位姿的能力;尺度综合则是以在编程空间内实现预先给定的位姿能力并使得操作性能最优为目标,确定主动关节变量的变化范围和尺度参数。
    工作空间分析可借助数值法或解析法。前者的核心算法为,根据工作空间边界必为约束起作用边界的性质,利用位置逆解和K-T条件搜索边界点集。后者的基本思路是,将并联机构拆解成若干单开链,利用曲面包络论求解各单开链子空间边界,再利用曲面求交技术得到整体工作空间边界。
    尺度综合是实现并联机床运动学设计的最终目标,原则上需要兼顾动平台实现位姿的能力、运动灵活度、支链干涉等多种因素。针对6自由度并联机床,目前可以利用的尺度综合方法可以分为:基于各向同性条件的尺度综合,兼顾各向同性条件和动平台姿态能力的尺度综合,以及基于总体灵活度指标的加权综合3种方法。第1种方法因仅依赖满足各向同性条件时的尺度参数关系,故存在无穷多组解答。第2种方法针对动平台在给定工作空间中实现预定姿态能力的需要,通过施加适当约束,可有效地解决多解问题。第3种方法较为通用,通常以雅可比矩阵条件数关于工作空间的一次矩最小为目标,将尺度综合问题归结为一类泛函极值问题。值得指出,第2种方法仅适用某些并联机构(如Stewart平台);而第3种方法除计算效率低外,还不能兼顾动平台实现姿态的能力。因此,针对不同类型的并联机床,研究兼顾多种性能指标的高效尺度综合方法将是一项极有意义的工作。
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