题目:五支链五轴并联机床的结构参数设计与标定研究

2020-12-11 00:03发布

  摘要

并联机床是并联机器人技术与机床技术结合的产物,与传统机床结构完全不同,并联机床是闭环结构,具有高速、高刚度和高柔性等特点,市场前景广泛。并联机床的结构参数设计受多方面约束,是一个非常复杂的问题,而其精度是影响并联机床应用的关键因素之一。结合所开发的五支链五轴并联机床结构,就这两方面的问题进行了研究。主要研究内容为:基于一复合支链结构,构造出多种三、四、五自由度的并联机床结构。建立五支链五轴并联机床的运动学方程,求解其正反解,并用直接求导法和速度矢量环法推导了五轴并联机床的速度雅可比矩阵。采用极坐标方位角描述并联机床的姿态,并用其中的倾斜角来评价机床的姿态能力,建立工作空间与并联机床运动学结构参数间的关系模型;同时考虑并联机床杆件的力传递性能,设计了并联机床杆件的运动学结构参数。根据所确定的并联机床运动学结构参数,分析五轴并联机床的工作空间,验证了设计方法的有效性。分析五轴并联机床的受力,得到了五轴并联机床的输入输出力间的关系,将输入输出力间的映射矩阵与输入输出速度间的映射矩阵进行比较,引入自相关矩阵,修正了用速度矢量环法获得的输入输出速度间的映射矩阵。由所确定的五轴并联机床运动学结构参数和机床受到的外力,分析各构件的受力,并详细讨论了复合支链虎克铰布局对其受力的影响,最后根据其受力设计了五轴并联机床的非运动学几何结构参数。只考虑运动学结构参数误差,建立标定模型,分析测量过程中产生的系统误差对五轴并联机床标定精度的影响;考虑测量因素改进标定建模方法,也分析测量过程中产生的系统误差对五轴并联机床标定精度的影响,并将其分析结果与传统标定建模进行比较。同时还讨论了测量精度、控制精度、测量点选择以及测量点数量选取对标定结果的影响,为标定试验时测量仪器精度的选择、测量点数量选取等提供理论依据。除此之外,本文还根据五轴并联机床的结构特点,研究了通过增加约束在复合支链与运动平台相连的虎克铰上来实现五轴并联机床的自标定方案。由于测量的随机误差和控制精度误差的存在,被测量的真值和控制量的真值难于确定,这些不确定值将污染标定数据,从而进一步污染标定结果,为此研究并联机床运动学结构参数的标定精度估计方法,为合理评价标定结果提供科学的依据。