基于螺旋理論的5-UPS/UPU并聯機床自由度分析

2012-08-16 06:28:48舒宏庭王紅州程洪濤

科技視界 2012年30期

舒宏庭王紅州程洪濤

(江西省機械科學研究所江西南昌 330002）

0 前言

并聯機構是一種由兩個及以上獨立運動鏈連接動平臺和定平臺，具有2-6 個自由度，且采用并聯的驅動方式的機構。與串聯機構相比較，并聯機構具有精度高、結構緊湊、剛度高、承載能力強等優點。由于并聯機構的諸多優點而引起了眾多學者展開將并聯機構應用于機床的研究。并聯機床又稱為虛擬軸機床，是一種知識密集型機構，實質上它是現代機器人技術與機床結構技術結合的產物，其原型是并聯機器人操作機。與傳統機床相比，并聯機床具有如下優點： 1）剛度重量比大，2）響應速度快。 3）環境適應性強，便于可重組和模塊化設計，且可構成形式多樣的布局和自由度組合。 4）技術附加值高。可以說，并聯機床被認為是本世紀最具有革命性的機床設計突破，代表了21 世紀機床發展的方向。雖然并聯機床得到了眾多學者的研究，也獲得了豐碩的研究成果，但由于其相比傳統的機床而言在機構與控制方面相對要復雜的多，受限于并聯機構的應用還不成熟，并聯機床在我國還沒有成熟的產品進入市場，目前國內外研究的并聯機床大都集中在三自由度和六自由度的機型上，而對機床來說要加工復雜的零件最多需要五個自由度就可以完成。所以，六自由度并聯機構應用在并聯機床上將有一個多余的自由度，這顯然是一種不必要的浪費；而三自由度的并聯機構為完成復雜的任務就必須借助其他兩個自由度的運動，這將使得并聯機構的優點大打折扣。因此，研究五自由度的并聯機構應用于機床是非常有意義的。燕山大學研究了五自由度的并聯機床，但其機構構型（5-UPS/PRPU）中的約束支鏈采用了移動副連接方式，這將影響機床的性能。作者提出采用五自由度并聯機構（5-UPS/UPU）應用于并聯機床的構型，并分析其自由度數量與性質，證明本機構適合應用于并聯機床。

1 結構設計

圖1

圖2

圖3

如圖1 所示，5-UPS/UPU 機構由靜平臺c、動平臺d 與聯接動靜平臺的六條支鏈Li（i＝1，2，3，4，5，6）組成，每條支鏈Li（i＝1，2，3，4，5，6）由桿ai（i＝1，2，3，4，5，6）和桿bi（i＝1，2，3，4，5，6）組成，其中Li（i＝1，2，3，4，5）為主動支鏈，L6為約束支鏈，ai（i＝1，2，3，4，5，6）與bi（i＝1，2，3，4，5，6）之間通過移動副pi（i＝1，2，3，4，5，6）聯接，主動支鏈的一端通過虎克鉸Ai（i＝1，2，3，4，5）與靜平臺c 聯接，主動支鏈另一端通過球鉸Bi（i＝1，2，3，4，5）與動平臺d 聯接，約束支鏈L6分別通過虎克鉸A6與虎克鉸B6與靜平臺c與動平臺d 聯接。虎克鉸Ai（i＝1，2，3，4，5）的幾何中心為第一正五邊形的五個頂點，以第一正五邊形的幾何中心為坐標原點，垂直于虎克鉸Ai（i＝1，2）中心連線的方向為X 軸，平行于虎克鉸Ai（i＝1，2）中心連線的方向為Y 軸，第一正五邊形所在平面的法向方向為Z 軸建立參考坐標系O-XYZ。