VARIAX_机床设计上的重大突破
并联机器人机构研究概述
基金项目：河南理工大学青年基金资助项目（１３３１１１）并联机器人机构研究概述张跃敏，谢刚（河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作４５４００３）工业机器人自１９６０年代初问世以来，得到十分迅速的发展，已广泛应用于各个工业领域以及服务行业、医疗卫生等方面。
在工业（串联）机器人方兴未艾时，又出现了一种全新的并联机器人种类。
并联机器人与串联机器人相比具有结构刚度大、承载能力强、运动精度高以及位置反解简单和力反馈控制方便等诸多优点［１，２］，近年来，被广泛应用到航天器对接装置、雷达定向装置以及虚拟轴高速并联机床。
由于其卓越的运动学和动力学性能以及潜在的工业应用前景，吸引了世界范围内的众多学者对它的研究与开发。
本文对其中并联机器人机构的研究现状与成果进行概述。
１并联机器人机构的研究现状并联机器人的研究大致分为两类：一类是并联机器人机构分析，包括对已经存在的并联机器人进行机构学、运动学、动力学、运动控制、路径规划，智能设计等的研究。
其应用领域主要有：并连机床、飞行模拟器、空间飞行对接机构、装配生产线、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统、动感娱乐平台以及医疗设备。
并联机构学与运动学分析主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间等方面，是并联机器人控制和应用研究的基础。
并联机器人动力学分析的方法很多，主要有：拉格朗日法、牛顿－欧拉法、高斯法、凯恩法等。
由于并联机构的复杂性，目前有关对并联机器人的研究大都集中在机构学方面，而对于动力学的研究相对较少。
另一类即是并联机器人机构综合，也就是寻找作为机械承载本体的新机构类型。
本质上，机构综合是最具原始创新的工作［２］。
最初，这一研究课题严重依赖设计者的经验，直觉和灵感。
因此，在研究的过程中没有可靠的方法和科学的步骤来遵循。
综合出的机构不具备完整的系统性和规律性，导致了机构综合困难很大且成果不多。
因此，许多学者在致力于寻找一种具有普遍意义的机构综合方法。
y5782980018
的影响是提高并联机床精度的一个关键问题。
目前，国外Ｇｉｄｄｉｎｇｓ＆Ｌｅｗｉｓ公司Ｖａｒｉａｘ机床空间精度达到０．０００４”（传统机床为０．００３”）。
Ｌａｐｉｋ公司研制的机床运动和定位精度一维为０，８ｐｍ、三维为１．４ｌ，ｔｍｔ８‘１；Ｃｏｍａｕ公司的ＴｒｉｅｅｐｔＲｏｂｏｔ在１００Ｋｇ的最大负载下重复定位精度为±Ｏ．０２ｍｍ，Ｈｅｘｅｌ公司的Ｔｏｒｎａｄ０２０００重复定位精度达到ｌＯｕｍ【８０】，ＮｅｏｓＲｏｂｏｔｉｃｓ公司的Ｔｒｉｃｅｐｔ糖度达到１０ｐｍ【８２Ｊ。
在国内据可查资料，哈工大丌发的ＢＪ一１并联机床，重复精度为０．００２ｍｍ，定位精度为０．０１５ｍｍｌ４８１，ＢＪ．２并联机床，重复精度为Ｏ．００３ｍｍ（静态），定位精度为０．０２ｍｍ［ｇｌｌ；（３）并联机床柔度研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面；（４）灵巧性分析是评价并联机床运动精度和静力学性能的基础，是衡量并联机床工作质量优劣的主要指标之一，主要评价方法有雅可比矩阵的条件数、最小奇异值、运动灵巧性指标和可操作度ｆ６引。
、１．５．Ｓ误差研究包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。
并联机床的误差分析主要是基于传统数控机床和并联机器人的误差理论。
主要研究方法有矩阵变换法和矢最法。
（１）矩阵变换法（通过相邻构件间的误差传递来建立平部位置误差函数式）；１９７８年，Ｋ．Ｊ．Ｗａｌｄｒｏｎ和Ａ．Ｋｕｍａｎ较早提出了机器入的位置误差问题，并对位置精度提出了分析方法。
１９８３年第六届ＩＦＴＯＭＭ会议上，Ａ．Ｋｕｍａｎ和ｓ．Ｐｒａｋａｓｈ引入结构参数误差，导出了机器人手部位鼍误差表达式。
１９８４年，Ｃｈｉ．ｈａｕｒＷｕ导出了由于构件结构参数误差和关节运动参数误差引起的机器人手部位置误差变化规律。
陈明哲和张启先运用波波夫的机构运动速度分析方法１０９１，通过雅可比矩阵给出机构参数误差与手部位姿误差之间比较简洁的函数关系；（２）矢量法（在一个绝对坐标系中，通过矢量的加法、乘法来进行误差传递）：Ｋ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、％Ｏｋａｄａ和黄真、史长虹［７。
亚威机床8项新产品达到国际水平
作 为 老 牌 锻 压 设 备 生 产 基 地 的 齐 二 机 床 ， 国 内 汽 车 行 业 振 兴 下 成 为 明 显 的 在
我 国现 有 ８ ０吨～１ ５ ０ 吨 自 由锻 液 压 机 约 ４ ０台 ， 是 世 界 ０ ８０ ０
业 的 长 期 客 户 。 此 后 ， 二 机 床 为 了 进 一 齐
本 次 鉴 定 委 员 会 由清 华 大 学 、 南 大 学 和 江 苏 省 机 械 研 东
究 院的 １ １位 专 家 教 授 组 成 。 过 对 产 品 技 术 文 件 的 审 查 、 通 样
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
机 实 物 的 抽 查 、 产 条 件 和 质 量 体 系 的考 察 ， 定 委 员会 认 生 鉴
术 、 投 入 、 能 耗 、 污 染 产 业 ， 套 工 程 项 目多 ，占用 土 地 高 高 高 配 面 积大 ， 国家 有 关 部 门 应 迅 速 管 起 来 ， 行 宏 观 调 控 和 严 格 进
限 制 ， 能 允 许 这 种 盲 目无 序 的 新 建 和 扩 建 。 不
中 期 ， 国 汽 车 工 业 刚 刚 起 步 之 时 ， 二 中 齐
采 访 最 后 ， 墉 再 次 呼 吁 ， 要 再 上 自由锻 液 压 机 ， 其 蔡 不 尤 是 万 吨 自 由锻 液 压 机 。因 为 只 有 冶 金 轧 辊 、 电 、 电 、 电 、 火 水 核 石 化 高 压 容 器 等 重 要 大 型 锻 件 需 要 用 万 吨 自 由锻 液 压 机 生 产 ， 场 需 求 量 没 有 那 么 大 ， 有 万 吨 液 压 机 生 产 能 力 已严 市 现 重 过 剩 ， 墉 早 就 多 次 呼 吁过 这 个 问题 。 他 近 期 概 略 统 计 ， 蔡 据
“聚焦未来”的纳米技术——威图为机床行业奉献尖踹成果
帽 口 丁 ＝。 精 品推 介 口西Ｉ 『 Ｉ
‘ ‘
聚焦未来’的纳米技术 ’
威国为棚床行业奉献尖踹成果
２０ Ｏ ６年 ，威 图 以其独 特 的 ” 聚焦未来 ” 驱性 概念 以及 解决 方 案。 理念 ，在纳 米技术 方面 为机床 行业奉 献 了领
了其创 新 的产 品 ：
通过现 场演示和 互动交流 ，观众能够 直 原理 、工业应 用 和特 点优 势 赢 得在场 的技
图已有 的传统优 势 的控 制箱体 系统 ，还 发布 接 、生动地 了解威 图 ＲＮ ｎ ｉａｏ纳米技术 的工作 ▲ 控制柜 系列 ：展 出 的有创新 的 ｃ 系 Ｍ 列产 品 ：适合 机床行 业的 １ 工作 台 、Ｃ ｗ Ｐ指 令 板 系列 ：小型 箱体 。
▲ 配 电系统 ：展 出 了最新 的 ＲＬｎ ６ ｊｉｅ ０整 体 解决 方 案 。 ▲ 机 柜 空 调 系 统 ： 展 出 了 创 新 的 Ｒ ｃ ｏｉｇ ｅ ｏ ｌ 再冷 却系统还有最新 的使用 ＲＮ ｎ ｎ ｉａ ｏ
纳米技术 的 Ａ Ｕ产 品 。 Ｃ
在主 题为 ” 聚焦未来 展 台上 这 家致
９ １年成 立 以来 已经发展 为一个 国际性 的公司 。今 在 表面 处理 领域 ．威 图处于 领 先地位 。作 为世 １ ６ ｉａ拥 ｔ ０。０ 界 范 围的机 箱 生产 商 ．威 图在 本 次展 会上 展 示 了一 天 Ｒｔ ｌ 有 １ ０ ０多件可立即供货 的标准产 品 ．成 为 了世 界上 领 先 的箱体 技 术和 控 制柜 技术 的 系统供 种 创 新 性 的纳 米 陶瓷 涂层 作 为表 面 处 理 标准 流 程 。
先 观念 和技 术成 果 。
威 图公司 的 ＲＮ ｎ ｉａｏ纳米技术成 为了展会 上 的亮点 ，为 了让观 众和到 场专 家深入 了解
毕业设计(论文)-空间3-rps并联机构的运动分析与仿真[管理资料]
![毕业设计(论文)-空间3-rps并联机构的运动分析与仿真[管理资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/3ad4a49648d7c1c709a145a5.png)
毕业设计（论文）题目：空间3-RPS并联机构的运动分析与仿真题目类型：论文型学院：机电工程学院专业：机械工程及自动化年级：级学号：学生姓名：指导教师：日期： 2010-6-11摘要3-PRS并联机构是空间三自由度机构，该机构具有支链数目少、结构对称、驱动器易于布置、承载能力大、易于实现动平台大姿态角运动等特点，目前已在工程中得到成功应用。
本文基于空间机构学理论，对3-RPS并联机构进行了相关的运动学分析。
在对机构结构分析的基础上，对机构的输出位姿参数进行了解耦分析，得到了机构输出参数间的解耦关系式；用解析法推导了机构的位置反解方程；用数值法实现了机构的位置正解；依据驱动副行程、铰链转角、连杆尺寸干涉等限制因素确立约束条件，利用极限边界搜索算法搜索了3-PRS并联机构的工作空间，分析了该机构工作空间的特点，并进行了工作空间体积计算。
最后基于ADAMS软件平台，建立了3-RPS并联机构的三维实体简化模型，对3-RPS并联机构的运动进行了仿真。
本文的研究为3-RPS并联机构的结构设计与应用提供了参考。
关键词：3-PRS并联机构；位置正解；位置反解；工作空间；运动仿真ABSTRACT3-PRS parallel mechanism is a three degrees of freedom of space agencies, the agency has a small number of branched-chain, structural symmetry, the drive is easy layout, carrying capacity, easy to implement a large moving platform attitude angle motion and other characteristics, has been successfully applied in engineering . Based on the theory of space agencies, on the 3-RPS parallel mechanism was related to kinematics analysis. In the analysis of the structure, based on the position and orientation of the body of the output parameters of the decoupling analysis, the decoupling of the output parameters of the relationship; analytic method derived by inverse position equations institutions; achieved by numerical methods body forward position; based driver Vice trip, hinge angle, rod size interference and other constraints set constraints, using the limit boundary search algorithm for searching for the 3-PRS parallel mechanism of the working space, analysis of the sector space characteristics, and a working space of volume. Finally, based on ADAMS software platform, the establishment of the 3-RPS parallel mechanism of three-dimensional solid simplified model of 3-RPS parallel mechanism of the movement is simulated. This study for the 3-RPS parallel mechanism structure provides a reference design and application.Key word: 3-PRS parallel mechanism; forward position;inverse position;workspace ;motion simulation.目录摘要IIABSTRACT III前言VII第1章绪论1课题研究的意义 1并联机构简介 2并联机构的国内外发展现状 3少自由度机构介绍 6少自由度的研究意义 6少自由度并联机构的研究现状 (6)本文主要研究内容7第2章并联机构的组成原理及运动学分析 (9)引言9并联机构自由度分析9并联机构的组成原理10并联机构的研究内容11运动学分析11工作空间分析12本章小结13第3章3-PRS并联机构位置分析14引言14空间3-RPS并联机构14机构组成143-RPS并联平台机构的位姿描述 (15)3-RPS并联平台机构位姿解耦 (19)3-RPS并联平台机构的位姿反解203-RPS并联平台机构的位置正解23本章小结：25第4章3-RPS并联机构的工作空间分析 (26)引言263-RPS并联平台机构的工作空间分析 (26)机构的运动学约束263-RPS并联机构工作空间边界的确定 (28)工作空间分析算例29工作空间体积的计算方法29本章小结30第5章3-RPS并联机构的仿真与应用 313-RPS并联机构的的三维建模31ADAMS软件介绍313-RPS并联机构的建模313-RPS并联机构的运动仿真323-RPS并联机构的应用34本章小结37总结与体会38谢辞39参考文献40前言机构的发明与发展同人类的生产、生活息息相关，它促进着生产力的发展、生产工具的改进和人类生活水平的不断提高。
机器人学第三章(机器人的机型与结构)
第三章 机器人的机型与结构3.1 串联机器人机械手的形态与自由度机械手的动作形态是由三种不同的单位动作——旋转、回转、伸缩组合而成的。
如图3-1所示，旋转或回转是指运动机构产生相对转动，两者的不同仅在于转动部件的轴线与转动轴线是否同轴，因而常常把它们笼统地称为转动。
伸缩是指运动机构产生直线运动，这在人臂的动作中是不存在的，但机械手引入了伸缩动作，运动范围就可以得到扩大。
根据单位动作组合方式的不同，机械手的动作形态一般归纳为以下四种类型：（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）多关节型。
（1）直角坐标机器人。
如图3-2所示，直角坐标型机器人可以在三个相互正交的方向上作直线伸缩运动，机器人的手爪位于一个笛卡尔坐标系内。
有的机器人还利用旋转关节控制手爪的姿态。
这类机器人手各个方向的运动是独立的，计算比较方便，末端位置和精度也是一定的，但由于占地面积大，往往限于特定的应用场合。
（2）圆柱坐标机器人。
圆柱坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成。
水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。
垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）能在底座上移动。
这样，这种机器人的工作包迹（区间）就形成一段圆柱面，如图3-3所示。
因此，把这种机器人叫做圆柱坐标机器人。
（3）极坐标机器人。
这种机器人如图3-4所示。
它像坦克的炮塔一样。
机械手能够作里外伸缩运动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。
因此，这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球面坐标机器人。
（4）多关节型机器人。
这种机器人主要由底座（或躯干）、上臂和前臂构成。
上臂和前臂可在通过底座的垂直(c)伸缩(a)旋转(b)回转图3-3 圆柱坐标机器人 图3-4 极坐标机器人 图3-2 直角坐标机器人平面上运动，如图3-5所示。
在前臂和上臂间，机械手有个肘关节；而在上臂和底座之间，有个肩关节。
在水平平面上的旋转运动，既可由肩关节进行，也可以绕底座旋转来实现。
全球第一台六轴铣床，至今依然霸气，实现六轴加工，消除极点问题
全球第一台六轴铣床，至今依然霸气，实现六轴加工，消除极点问题德国兹默曼公司通过龙门铣床FZ100和3轴铣头M3 ABC成功地实现了6轴加工。
尽管已经推出近十年了，现在看起来依然霸气！据了解，兹默曼公司在FZ 100龙门铣床及其三轴铣头M3 ABC基础上，实现了六轴加工理念。
新型铣头在进行五轴联动、大切削量加工铝合金、合成材料、模型材料以及HSC高速加工钢件、铸铁材料方面显示了传统两轴叉形铣头无可比拟的优势，而极点问题对于加工的限制则得到了彻底地解决。
六轴龙门铣床FZ 100自交付客户方使用后，实践已经充分验证其帮助客户——Kegelmann Technik公司实现了飞机制造工艺的革新。
这款铣床可满足加工由合成材料构成的大体积模型以及飞机制造领域所需的大型铝合金框架组件等的需求。
而配备三轴铣头的M3 ABCFZ 100龙门铣床，让兹默曼公司实现了六轴加工理念。
在学习uG编程可以入群学习新型铣头在进行五轴联动、大切削量加工铝合金、合成材料、模型材料以及HSC高速加工钢件、铸铁材料方面显示了传统两轴叉形铣头无可比拟的优势。
在加工典型的锥形盒状工件——例如飞机的框架组件时，B轴的引入可大幅减少加工时间。
同样地，在加工任何其它外型的工件时，使用M3 ABC铣头进行联动加工都会使生产效率显著提高。
辅以Sescoi公司的CAD/CAM-系统WorkNC G3，机床操作者可轻易实现对FZ 100的六轴编程。
和三轴与五轴加工一样，Sescoi公司专门研发出一套新的算法，使用者只需要通过少量的按键就可以生成无碰撞的六轴联动程序。
该公司在WorkNC G3中编入了智能程序，可以避免C轴产生的极点问题。
为了使六轴加工更为有效，西门子公司为FZ 100研发了立体补偿系统——VCS，可进一步提高设备的精准性。
经过验证，FZ100在没有进行补偿的情况下立体精度可以达到150 µm，而在进行了VCS补偿后则可到到50µm。
六自由度微动平台机构设计
摘要摘要本文对一种新型的6-(P-2P-S)并联机器人的精度进行了分析，这种机器人是由Stewart平台经过变异得到的。
介绍了该并联机器人的特点，利用空间机构学理论分析了机构的位置正反解，并分析了该机构在正交位姿的运动解耦性能。
基于该并联机器人的结构约束，研究了该机构的工作空间，并定量分析了该机构参数对工作空间体积大小的影响。
定义了线速度各向同性性能评价指标，并给出各向同性性能指标在工作空间内的分布情况。
采用对并联机构运动学方程取微分的方法求得各主要误差源和末端误差的映射关系，使用叠加原理获得了在综合多种误差影响因素作用下并联机构的几何误差模型，利用蒙特卡洛技术对终端平台误差进行了分析。
采用绝对误差敏感度和误差方向敏感度这两个误差评价指标，将主要误差影响因素对机构终端误差的影响进行了分析。
以该并联机构的全域各向同性性能指标和全域综合误差指标为依据对该机构进行了参数设计。
关键词并联机器人；正交结构；性能指标；几何误差；蒙特卡洛方法燕山大学工学硕士学位论文AbstractThe thesis focuses on the accuracy research on a novel 6-(P-2P-S) orthogonal parallel robot, the robot is developed based on the Stewart platform mechanism.Its layout feature is presented according to the previous research results. The forward and reverse position are established by using spatial mechanisms. The paper also shows that the novel parallel robot is characterized by decoupling at its orthogonal position.Base on the architecture constraints, its workspace is investigated. The effects of the design parameters to the workspace volume are studied quantitatively.Kinematics transmission isotropy evaluation criteria is defined. The distribution of the defined evaluation criteria are presented on the workspace.To get the mapping relationship between the influencing factors and the end error of the 6-(P-2P-S) parallel robot, the kinematics equation are differentiated. The analytic expression of the geometric error of the 6-(P-2P-S) parallel robot is obtained by using the superposition theorem and comprehensively considering the influencing factor. The distribution on terminal platform errors is discussed using Monte-Carlo method. By comprehensively considering the two evaluation indicators: absolute error sensitivity and error isotropy sensitivity, the influence of the influencing factor effecting on the end effector is analyzed.Based on the workspace of a novel 6-(P-2P-S) parallel robot, geometry parameter of the parallel mechanism is optimized which depend on the glob kinematics and the glob equal errors.Keywords Parallel robot; Orthogonal structure; Performance evaluation criteria;Geometric error; Monte-Carlo method目录目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第 1 章绪论 (1)1.1并联机器人概述 (1)1.2并联机器人发展状况 (2)1.3本论文的选题意义及主要研究内容 (8)第2章新型6-(P-2P-S)并联机器人的位置分析 (10)2.1概述 (10)2.2 6-(P-2P-S)并联机器人的机构描述 (10)2.2.1结构布局 (10)2.2.2机构特点 (11)2.3 6-(P-2P-S)并联机器人的位置分析 (12)2.3.1动平台姿态描述 (13)2.3.2位置分析 (14)2.3.3正交位姿解耦分析 (17)2.4本章小结 (18)第3章新型6-(P-2P-S)并联机器人工作空间分析 (20)3.1概述 (20)3.2工作空间定义 (20)3.3工作空间分析 (22)3.3.1 约束分析 (22)3.3.2 工作空间的搜索方法 (23)3.3.3 工作空间形状分析 (26)3.4 结构尺寸对工作空间的影响 (28)燕山大学工学硕士学位论文3.5 本章小结 (30)第4章新型6-(P-2P-S)并联机器人的运动学传递性能分析 (31)4.1概述 (31)4.2运动学传递性能分析 (31)4.2.1 雅可比矩阵的求解 (31)4.2.2 运动学传递各向同性性能评价指标 (33)4.2.3正交位姿时运动学传递各向同性性能分析 (39)4.3本章小结 (40)第5章新型6-(P-2P-S)并联机器人的精度分析 (41)5.1 概述 (41)5.2 误差模型的建立 (41)5.2.1建模方法综述 (41)5.2.2模型建立 (42)5.2.3考虑间隙误差和垂直度误差的误差模型 (45)5.3 基于蒙特卡洛方法的误差分析 (46)5.3.1 制造误差随机量抽样 (46)5.3.2 球铰间隙误差随机量抽样 (46)5.3.3 误差的蒙特卡洛模拟 (47)5.4 误差的评价指标 (52)5.5 本章小结 (55)第6章6-(P-2P-S)并联机器人的结构参数设计 (56)6.1概述 (56)6.2并联机器人的结构参数设计 (56)6.2.1结构参数对工作空间大小的影响 (57)6.2.2结构参数对运动学性能的影响 (58)6.2.3结构参数对全域综合误差的影响 (59)6.3本章小结 (62)结论 (63)参考文献 (64)目录攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 (69)致谢 (70)作者简介 (71)燕山大学工学硕士学位论文第1章绪论第 1 章绪论1.1 并联机器人概述机器人的出现充分体现人类的创造力，是人类智慧的结晶。