新型五自由度并联机床驱动输入选择与运动学标定研究

论文摘要

并联机构驱动输入选择问题是机构学基本而重要的问题。驱动输入选择的合理与否对并联机构的运动性能有非常重要的影响,如果选择不当将可能导致十分严重的后果。并联机床的加工精度问题是目前限制并联机床商业化、产业化主要瓶颈。而运动学标定是提高并联机床加工精度的最经济而有效的手段。本文对5-UPS/PRPU 5自由度并联机床的驱动输入及运动学标定进行了深入研究,主要研究内容如下:基于约束螺旋的相关性,对5-UPS/PRPU并联机床进行了驱动输入选择研究。在5-UPS/PRPU并联机床中共有6个P副可以方便做主动副,由于该机床只有5个自由度,所以对于该机床来说共有6种驱动输入组合。分别假设将各输入组合中对应的运动副刚化后,重新确定分支约束螺旋,再把各分支约束螺旋组成约束螺旋系。如果约束螺旋系的秩为6,则采用该种驱动输入组合合理,否则不合理。选择结果表明在5-UPS/PRPU并联机床中存在5种合理驱动输入组合。将约束力/力矩矩阵的最小奇异值与最大奇异值之比定义为约束力/力矩各向同性度,并以此为指标对各驱动输入组合的优劣性进行评价。然后,让动平台做三种典型运动并利用数学计算软件分别计算各种情况下各种驱动输入组合的优劣性,最后用动力学仿真软件分别对采用各种合理驱动输入组合时机床对外部驱动力的需求情况进行研究。最终结果表明以5个UPS分支中的P副为主动副的驱动输入组合是最优组合。对影响并联机床精度的误差来源及提高精度的措施进行分析,结合5-UPS/PRPU并联机床的PRPU分支能够对动平台的位姿进行检测这一特点,提出了两种标定算法。第一种是两步法,首先对PRPU分支进行运动学标定,然后利用该分支对动平台的位姿进行准确测量,再利用UPS分支的运动学反解为约束条件,建立运动学标定模型。第二种是总体标定法,直接控制动平台变换8个位姿,利用PRPU分支的正解和UPS分支的反解建立包括PRPU分支和5个UPS分支全部运动学参数的标定模型。并将遗传算法应用于实际并联机床标定模型的参数辨识,避免了常用辨识方法所必需的复杂的偏导计算,简化了标定算法。设计了一种适合5-UPS/PRPU并联机床用的非接触式回零开关,提出了两步回零法实现该并联机床的回零功能。该方法先控制各驱动杆运动到校准位置,然后以校准杆长刷新当前杆长;再控制各杆运动到零点杆长,从而使并联机床回到零位。实验证明该回零方法可靠、便捷。开发了5-UPS/PRPU并联机床标定控制系统,并利用此系统完成了对该机床的运动学标定实验,检测了标定前后机床的定位精度,结果表明标定后机床的定位精度得到了显著提高,证明了论文所提出的标定算法的有效性。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 并联机构起源及其应用

1.1.1 并联机构的起源

1.1.2 并联机构的应用

1.2 并联机构驱动输入选择概述

1.3 并联机床研究发展状况

1.3.1 并联机床在国际上的发展状况

1.3.2 并联机床在国内的发展状况

1.4 并联机床运动学标定研究综述

1.5 论文选题的意义及主要研究内容

第2章 5-UPS/PRPU 并联机床驱动输入选择理论

2.1 引言

2.2 螺旋理论基础

2.2.1 螺旋

2.2.2 螺旋系

2.2.3 反螺旋及其约束的运动

2.3 驱动输入选择方法

2.4 5-UPS/PRPU 并联机床驱动输入选择

2.4.1 5-UPS/PRPU 并联机床描述及坐标系的建立

2.4.2 5-UPS/PRPU 并联机床自由度及机构瞬时性分析

2.4.3 驱动输入选择分析

2.5 本章小结

第3章 5-UPS/PRPU 并联机床驱动输入组合研究

3.1 引言

3.2 5-UPS/PRPU 并联机床驱动输入组合优劣性分析

3.2.1 驱动输入优劣性评价指标的提出

3.2.2 5-UPS/PRPU 并联机床驱动输入组合的约束力/力矩各向同性度分析

3.3 5-UPS/PRPU 并联机床驱动输入组合动力学仿真研究

3.3.1 ADAMS 软件介绍

3.3.2 5-UPS/PRPU 并联机床实体建模

3.3.3 5-UPS/PRPU 并联机床驱动组合的动力学仿真

3.4 本章小结

第4章 5-UPS/PRPU 并联机床标定算法研究

4.1 引言

4.2 并联机床误差分析

4.2.1 并联机床误差来源

4.2.2 提高并联机床精度的方法

4.3 PRPU 分支运动学标定算法

4.3.1 PRPU 分支结构参数误差分析及运动学模型建立

4.3.2 PRPU 分支结构参数误差模型的建立

4.3.3 多姿态触测标准量块标定原理

4.3.4 刀具长度的标定

4.4 UPS 分支运动学标定算法

4.4.1 UPS 分支标定算法基础

4.4.2 UPS 分支标定数学模型的建立

4.4.3 基于遗传算法的标定模型参数辨识

4.5 5-UPS/PRPU 并联机床总体标定算法

4.6 本章小结

第5章 5-UPS/PRPU 并联机床标定系统开发

5.1 引言

5.2 5-UPS/PRPU 并联机床标定系统硬件设计

5.2.1 标定系统硬件总体方案

5.2.2 PMAC 运动控制卡介绍

5.2.3 MP11 测量头简介

5.2.4 电气控制系统设计

5.3 5-UPS/PRPU 并联机床标定系统软件开发

5.3.1 标定系统软件总体架构

5.3.2 应用程序功能模块的设计

5.3.3 并联机床运动控制基本原理

5.3.4 并联机床点动及单支链运动

5.3.5 自动标定的实现

5.4 本章小结

第6章 5-UPS/PRPU 并联机床回零与校准

6.1 引言

6.2 5-UPS/PRPU 并联机床回零原理

6.3 5-UPS/PRPU 并联机床驱动杆杆长校准

6.3.1 数控机床回零基本方法

6.3.2 回零开关的设计

6.3.3 PMAC 运动控制卡的回零功能

6.3.4 杆长校准的实现

6.3.5 杆长的正确显示

6.4 5-UPS/PRPU 并联机床回零功能的软件设计

6.5 本章小结

第7章 5-UPS/PRPU 并联机床标定实验与精度检测

7.1 引言

7.2 5-UPS/PRPU 并联机床总体情况

7.3 5-UPS/PRPU 并联机床标定实验—两步标定法

7.3.1 PRPU 分支标定实验

7.3.2 UPS 分支标定实验

7.4 5-UPS/PRPU 并联机床标定实验—总体标定法

7.5 5-UPS/PRPU 并联机床定位精度评定

7.5.1 数控机床定位精度评定策略

7.5.2 5-UPS/PRPU 并联机床定位精度检测

7.6 本章小结

结论

附录

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介

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