一种三并联万向工作台的研究

论文摘要

随着数控机床技术的发展,并联运动机床作为一种新型机床,已经在许多领域起到了重大作用。然而随着其发展逐渐进入产业化阶段,由于其本身的结构特性,其主要存在的问题——精度问题,已经日显突出,成为阻碍其普及的一个重要环节。近几年来,少自由度并联机构成为新的研究热点。本文的研究对象是一种新型的少自由度并联机构——三并联万向工作台。该机构除了具有并联机床刚度高、速度快、工作空间大的优点,同时在主轴上的独特设计实现了一杆多用,简化了结构,另外运动平台的姿态由两根并联杆驱动控制,减少了输入变量,有利于实时控制。对于三并联万向工作台来说,运动平台的的位姿也是由三条驱动链共同作用的结果。因此,对其精度的影响因素主要来自于这三条支链可能存在的误差源,包括零件设计和制造误差,铰链间隙影响,工作时杆件受力变形等。误差影响因素太多,因此对该机构进行全面的误差分析比较困难,建模阻力大。本文将针对机构的运动学方程,针对其中的D-H参数,进行微分变化,分别获得了3条驱动支链上所有微小误差量对于动平台末端位姿的影响；分别建立了3条支链上所有误差源对动平台误差影响的数学模型。在此基础上,又进行了3条支链综合起来对动平台位姿误差影响的分析。经过仿真分析,我们得到了三并联万向工作台中主要的敏感误差源,以及其位姿中最容易受到影响的方向。最后,还基于Pro/E对机构进行三维实体模型设计,并且对机构进行详细的结构设计,绘制机构二维装配图,并制造了第一台三并联万向工作台的原理样机。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机器人概述
• 1.2 并联机构的应用与发展
• 1.2.1 国外并联机床的发展及现状
• 1.2.2 国内并联机床的发展与现状
• 1.3 并联机床的误差分析
• 1.4 课题的意义及主要研究工作
• 第2章 误差分析的基础工作
• 2.1 用D-H参数微分变化法分析并联机床误差的基础理论
• 2.1.1 D-H参数微分变化法简介
• 2.1.2 机器人位姿误差向D-H参数的转化
• 2.1.3 D-H参数的偏差与末端执行器的误差的联系
• 2.2 三并联万向工作平台的介绍
• 2.2.1 并联运动机床的特点
• 2.2.2 三并联万向工作台的结构特点
• 2.2.3 三并联万向工作台的误差分析思路
• 2.3 误差分析的基础工作
• 2.3.1 建立机构整体坐标系确定机构的主要参数
• 2.3.2 确定机构的初始状态
• 2.3.3 确定并联杆被动关节的初始参数
• 2.3.4 确定主轴被动关节的初始参数
• 2.4 本章小结
• 第3章 三并联万向工作台各个支链的误差分析
• 3.1 并联杆对动平台的误差影响分析
• 3.1.1 并联杆1上关节坐标系的建立
• 3.1.2 并联杆1上齐次变换矩阵的建立
• 3.1.3 并联杆1的微分矩阵
• 3.1.4 初始状态下并联杆1的误差分析的数值仿真
• 3.1.5 初始状态下并联杆2的误差分析的数值仿真
• 3.2 主轴对动平台的误差影响分析
• 3.2.1 主轴关节坐标系的建立
• 3.2.2 主轴上齐次变换矩阵的建立
• 3.2.3 主轴的微分矩阵
• 3.2.4 初始状态时主轴误差分析的数值仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 三并联万向工作台三条支链的综合误差分析
• 4.1 三条驱动链各自的全部误差对于动平台误差的影响
• 4.2 三条驱动链对于动平台误差的综合影响
• 4.3 误差结果分析
• 4.4 工作空间内动平台的位姿误差分析算法
• 4.5 本章小结
• 第5章 三并联万向工作台原理样机
• 5.1 单条驱动支链的设计
• 5.1.1 驱动方式的选择
• 5.1.2 并联杆的设计
• 5.1.3 虎克铰链的设计
• 5.2 电机的选择
• 5.3 控制系统简介
• 5.4 三并联万向工作台样机
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢