3-TPS混联机床五轴联动插补技术及精度分析

论文摘要

3-TPS混联机床是将并联结机构和串联机构有机结合起来,继承了并联机床刚度高、速度快、工作空间大的特点,同时融入的串联约束机构不仅限制了机床的自由度,规范了动平台的运动姿态,而且更为重要的是作为测量链的存在,能够有效的提高机床的运动精度。并联机床与传统机床的本质区别在于后者刀具的运动轨迹是笛卡尔空间各控制轴位移矢量的线性组合,而并联机床刀具的运动是关节空间伺服轴运动的非线性映射。要实现刀具给定的空间运动,必须经过运动学逆解算法,将刀具的运动信息转化为关节空间伺服轴的运动指令；同时需要通过运动学正解算法,根据编码器上的反馈信息实时计算出刀具在笛卡尔空间中的坐标,进而实现对刀具位置的实时监控。但是针对混联机床的控制技术还不够成熟,还有很多内容有待研究。本文以东北大学研制的3-TPS混联机床为研究对象,对该混联机床的运动学、插补算法以及加工精度进行了分析,主要研究内容如下：（1）分析并联机床的数控系统、运动学分析、插补算法、精度分析的发展现状,简述课题的背景和意义。（2）分析混联机床的机构特点,建立运动学变换的数学模型,推导运动学正解和运动学逆解的基础方程组。（3）分析机床插补的方法,研究混联机床关于空间直线和空间圆弧的五轴联动插补算法及复杂曲线的插补算法。（4）推导驱动杆杆长、动静平台上铰链以及平行机构误差对混联机床精度影响的传递函数,并应用MATLAB编程仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机床的产生及国内外发展现状
• 1.2 并联机床的数控系统的发展现状
• 1.3 并联机床运动学分析的研究现状
• 1.4 并联机床插补算法的研究现状
• 1.5 混联机床精度分析的研究现状
• 1.6 课题研究的背景和意义
• 1.7 本文的组织结构
• 第二章 3-TPS混联机床的运动学分析
• 2.1 3-TPS混联机床的机构分析
• 2.2 3-TPS混联机床机构坐标系的建立
• 2.3 运动学正解基础方程组的建立
• 2.3.1 固定坐标系与刀具坐标系之间坐标变换矩阵的求解
• 2.3.2 由关节角度求解控制点坐标
• 2.3.3 由杆长求解控制点坐标
• 2.4 运动学逆解基础方程组的建立
• 2.4.1 由控制点求解关节角度
• 2.4.2 由动平台坐标求解杆长
• 2.4.3 由控制点坐标求解杆长
• 2.5 本章小结
• 第三章 3-TPS混联机床的插补算法
• 3.1 插补的定义及分类
• 3.1.1 机床插补的定义
• 3.1.2 机床插补的分类
• 3.2 3-TPS混联机床的插补控制策略
• 3.3 3-TPS混联机床的空间直线插补算法
• 3.4 3-TPS混联机床的空间圆弧插补算法
• 3.5 关节空间插补算法
• 3.5.1 操作空间到关节空间的映射
• 3.5.2 关节空间轨迹插值算法
• 3.6 复杂曲线的插补算法
• 3.6.1 NURBS曲线表示
• 3.6.2 NURBS曲线的优缺点
• 3.7 本章小结
• 第四章 3-TPS混联机床的精度分析
• 4.1 驱动杆误差对机床精度的影响
• 4.2 铰链位置误差对混联机床精度的影响
• 4.2.1 固定平台铰链位置误差对混联机床精度的影响
• 4.2.2 运动平台铰链位置误差对混联机床精度的影响
• 4.3 平行机构误差对混联机床精度的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢