BJ-04-02(A)型并联机床几何约束分析

1  绪论
制造业是生产物质财富的产业。各类制造业所用的各种设备，大多数是用机床加工制造出来的。因此机床，或称之为工作母机，是装备制造业的基础[1]。一个国家的机床制造水平与能力，是国家综合水平和能力的重要方面。我国在提高人民生活水平、加强国防能力的社会主义建设中，以及参与经济全球化的竞争中，机床技术的发展和提高，无疑的将起到很大的作用[2]。并联机床易于实现复杂的空间运动，因而具有十分广阔的前景，是加工复杂零件的一个生力军。
1.1  论文的研究背景和意义
并联机床是20世纪90年代出现的一种全新结构形式的机床。国外文献称其为并联运动机床，简称并联机床，也称为虚拟轴机床[3]。并联机床与传统结构形式的机床相比，在工作原理和结构方面均有本质上的区别。并联机床出现之后，传统结构形式的机床就称为串联机床。
串联机床按照笛卡尔直角坐标系的运动原理设计制造。以可用于复杂曲面加工的五轴联动加工机床为例，典型布局之一是以床身、滑座（可在床身上移动）、立柱（可在滑座上移动）、主轴箱体（可在立柱上移动）、双转台为主要部件，按照X、Y、Z、A、C坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀具与工件之间的相对运动轨迹，实际加工机床常形成C型结构[4]。传统机床存在的突出不足是：（1）移动部件质量大，限制了运动速度，加速度的提高；（2）刀具与工件之间的相对运动误差是各坐标运动误差的累积，限制了运动精度的提高；（3）机床结构布局的非对称性极导致受力变形不均、热变形不均匀，限制了加工精度的提高。
以并联机构替代了传统机床床身与主轴之间的传动链的并联机床，在问世之处，业内人士认为其多路、闭式结构形式具有刚性好、动态性能好、承载能力大、误差不累积等优点，可从本质上提高机床的加工能力。并联结构形式下，表现出的特性：（1）主轴部件的质量由多条支链分担，因此构件变形引起的误差不具有累积性；（2）运动部件质量集中于主轴部件，较之串联机床中滑座、立柱、主轴箱体形成的运动质量要小得多，因此动态性能好，可获得高速度和大加速度，适用于高速加工；（3）主轴部件与床身之间可等效于弹簧并联[5]，因而与串联机床相比，整机刚度更高，即相同载荷下，主轴部件的位置误差量小；（4）对称的布局使受力变形、热变形都较均匀，因此提高了可补偿性。
工作空间是衡量机器人性能的重要指标。工作空间的分析是并联机床运动学分析与设计的主要内容。机器人的工作空间可分为三类，即位置可达工作空间、姿态可达工作空间和灵活工作空间，然而，上述定义是基于串联机器人提出的，且因将位置和姿态孤立考虑，难于正确描述数控加工中刀具所需要实现的空间运动[6]。由于并联机构和串联机构有本质的差异，所以其工作空间的评估、分析和计算和串联机构有很大不同。影响并联运动机床的工作空间大小和形状的因素有很多，其中主要来自几何约束，分别是最长最短杆约束、球铰的极限摆角约束及构件之间的干涉约束。
因此，本课题以淮阴工学院数字化制造技术重点建设实验室现有的交叉杆式Stewart型6自由度并联机床为对象，就机床具体结构对其几何约束进行分析，并基于Matlab开发设计许用杆长的校核软件。
1.2  国内外相关研究现状
1.2.1 国外并联机床研发现状
从机床的角度看，并联机床产生于90年代，到80年代末特别是90年代以来，并联机器人被广泛关注。J. Tindale于1965 年最早提出开发此种机床的设想。并联机床的理论基础是空间并联机构理论， 1966年D. Stewart 发表《A Platform with Six Degrees of Freedom》，根据其在飞行模拟 器上应用的自由度并联机构，提出著名的 Stewart平台机构，阐述了6自由度并联机构组成理论。1976年，俄罗斯Lapik公司率先进行此种机床的研制。美国Ingersoll公司于1987年、美国Giddings & Lew is公司以及英国Geodetic公司于1988 年开始进行并联机床的研制，并在芝加哥IMTS 94国际展览会上展出了此种机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视[7]。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。
从美国芝加哥国际机床展（IMTS）、欧洲机床展（EMO）为主线看国际上并联机床的发展状况：美国是先驱，德国是主力，瑞典是产业化推广的排头兵，瑞士、日本是并联机床发展的重要力量。
在EMO’97(德国汉诺威)上，参展的六杆并联机床就展出了10多台，这次机床展，不仅形成了串联机床与并联机床之分，而且并联机床的结构形式突破了经典Stewart型自由度形式，出现了六自由度Stewart变型结构，六杆三自由度结构及三杆三自由度结构[8]。这次会展上Ingersoll铣床公司展出的HOH600型卧式加工中心，卧式结构极大改善了该类机床的工件可接近性，也改善了工作空间对机床体积之比。德国Mikromat公司展出的6X Hexa机床采用的Stewart的变型结构，用主轴筒体代替动平台，有利于主轴有倾角时受力均匀。瑞士联邦技术学院的机床与制造技术研究所机器人院研发的“六滑台（HexaGlide）”[9]用始端可滑动的定长杆代替了始端固定的伸缩杆。德国汉诺威大学生产工程和机床研究所（IFW）展出了用于汽车工业钢板激光加工的三杆操作机，末端执行件上的腕部结构具有2个自由度，实为串并混联机构。
在EMO’99（法国巴黎）上，三杆并联机床展示了实用化水平。NEOS不仅进一步推出了Tricept805，当时已被如波音、大众和通用等世界知名公司采购买采用。韩国SENA公司产出的ECLIPSE机床，是一种机构始端可沿导轨滑动且三条导轨有可在同一条圆形导轨上滑动的新三杆并联形式。法国Renault公司展出的Uranse SX与LINPOD有些类似，区别是改立式为卧式。
在EMO’2001（德国汉诺威）上，三杆结构和串并混联结构得到进一步发展，有些已经成为具有实用价值的工业产品，欧盟甚至为此设立了PKM专项。Starrag-Heckert公司展出的SKM400三伸缩杆卧式加工中心，也是采用混联方式解决五轴问题，A、B自由度由转台实现，并可通过转动主轴部件扩大了工作空间。西班牙FATRONK技术中心展出的Ulyses三杆卧式机床，也采用三根可伸缩杆驱动[9]。德国汉诺威大学生产工程与机床研究所（IFM）展出了可移动的混联两杆加工机床DUMBO，可伸缩两杆部件可沿着竖直导轨移动，实现Z运动，而X、Y运动由两杆机构实现，配合以复合回转主轴头，实现五轴联动，对大型复杂模具进行修复。
在EMO’2003（意大利米兰）上，瑞典SMT Tricept公司展出了T806H/XYZ，德国Mtorres集团展出了卧式6杆PKM高速钻铣加工头，德国TBT公司展出了MD30型深孔钻铣中心，德国Chiron公司展出的VISION系列加工中心由PKM实现。从2005开始，一方面多并联机床进入了实用化阶段，另一方面纯并联结构形式的6自由度并联机床明显减少，以并联机构为基础的混联结构形式机床显著增多，尤其将其作为主轴部件，如德国DS Technologie公司推出的Ecospeed大型卧式五坐标加工中心。
1.2.2 国内并联机床研发现状
国内的并联机构研究起步较晚，最早开展并联机构和并联机器人相关研究的是燕山大学的黄真教授。在1991年，黄真教授研制出我国第一台6自由度纯并联机器人样机。
1994年并联机床在国际上展出后，国内高校和科研单位纷纷投入力量进行研究，清华大学、天津大学、哈尔冰工业大学、东北大学等较为突出。
清华大学与天津大学合作，在1997年12月开发出大型镗铣类并联机床原型样机VAMT1Y[11]，采用了Stewart平台，是我国第一台并联机床样机。此后清华大学又先后与昆明机床股份有限公司、大连机床厂、齐齐哈尔第二机床厂等合作，推进并联机床的产业化。与昆明机床股份有限公司合作研制XNZ63并联机床，采用了Stewart结构，但上、下平台均分两层布置。与大连机床厂联合研制DCB-510五轴联动串并联机床，采用3+2混联方式，其中三个平动自由度由并联机构实现，而A、C轴转动由串联机构实现。
哈尔滨工业大学于1994年开始基于Stewart机构的并联机床的研制，1998年研制出原型样机BJ-30。1999年与齐齐哈尔第二机床企业集团联合研制出“BLJ-1并联机床”。在2001年，哈量集团与哈工大达成协议，深度推进并联机床产业化，并于2003年成功开发出了“BXK-6027”型并联机床，用于三维不锈钢汽轮机叶片的加工，是国内首台用于批量加工的并联机床，机床的并联结构是典型的Stewart机构。2007年，哈量集团在引进瑞典EXECON公司有关技术的基础上，开发出了LINKS-EXE700并联机床。
东北大学从1995年开始对少自由度并联机床作了大量研究，于1997年推出了第一台三杆3-DOF的并联机床，开创我国开发研制少自由度并联机床的先河。该机床采用了TPT型支链结构，具有三个移动自由度，基本克服了Stewart机构工作空间小、耦合性强的缺点，应用广泛。天津大学和天津市第一机床厂于1999年联合研制出三坐标并联机床样机LINAPOD，采用三立柱滑鞍式三自由度机构，实为三杆机构，是我国第一台商业化并联机床样机。西安交通大学与汉川机床厂于2002年研制出八轴八联动混联式机床，用于大型高精度船用螺旋桨加工。2002年，河北工业大学研制出五自由度并联加工中心样机DOG-I。
在2008年的中国数控机床展上，哈量集团展出了基于Tricept机构的并联加工中心LINKS-EXE700。在2010年的上海国际机床展上，四川长征机床厂展出了以Tricept机构为主轴支撑机构的机床。
1.2.3 并联机床发展中的问题及趋势
由于并联机床出现不久，并没有专用的设计开发环境，目前开发一种新型并联机床的设计周期仍很长，因此迫切需要一个快速的设计开发平台以满足结构日趋多样的新型并联机床的设计开发需求。有关并联机床设计和应用的理论成果和应用技术虽然很多，然而这些理论成果和技术覆盖了并联机床设计开发的多个环节，相对独立分散，很难有机地融合在一起，不能系统有效地应用到并联机床的设计开发中。此外，由于并联机床结构的特点，其运动学设计、动力学优化、精度保证等设计环节均涉及非常复杂的非线性问题，很多设计环节间存在模型演化困难、数据难以集成等技术障碍。
经过校企多年努力，并联机床理论和技术的不断成熟，并联机床的发展呈现了以下几种趋势：
（1）小型化、简单化。由于三轴并联机床的技术与理论问题基本都已经解决，这种较为简单的并联机床已成为并联机床发展最快的一个分支[12]，率先走向商品化，例如瑞典 NEO 公司的三轴 Tricept 系列三轴机床已经是成熟的商品。另外，并联定位、定向可调式工作台与传统小型机床的结合是目前实用化的一个简捷路径。
（2）混联化。由于纯并联机构有它天生的无法克服的缺陷，如位置姿态强耦合，姿态能力小，位置解析困难等，因此结合并联机床与传统机床各优缺点，将二者结合起来，克服缺点，发挥优点，这种新型混联机床已经走向商品化，例如哈量集团的 LINKSEXE700 型混联机床，该机床并联部分由定平台和动平台以及 3 个分支组成，串联部分由 2 个轴线互相垂直的转动，具有串联，并联的优点。
（3）群组化。并联机床具有柔性化好的特点，可以将多台并联机床组成大型柔性设备去完成加工、装备和测量等工作，可以最大限度的发挥出并联机床的优点。
1.3  课题研究或解决的问题
（1）许用杆长的校核方法；
（2）许用杆长校核软件设计；
（3）许用杆长范围验证；
（4）工件加工验证方案设计；
（5）Matlab软件编程。
1.4  课题拟采用的研究方法
本课题通过并联机床运动学算法，研究交叉杆型并联机床杆长限制、铰链最大转角限制和杆件间干涉三个约束，并通过工件加工试验验证，在Matlab基础上编程设计软件，实现对数控程序中杆长干涉校核。
拟采用的研究过程是：
（1）查阅国内外文献；
（2）熟悉Matlab编程，熟悉BJ-04-02(A)型并联机床的常规操作与编程系统；
（3）设计并联机床许用杆长校核方法；
（4）基于Matlab开发设计许用杆长校核软件；
（5）合理制定工件加工试验验证方案；
（6）撰写课题研究论文和许用杆长校核软件使用说明书。
1.5 课题创新点
本课题设计的并联机床许用杆长校核软件，可在机床实际加工前，对仿真加工编程中的刀轴位姿点，进行机床干涉预先分析判别，从而实现机床的保护和找出编程文件中干涉刀轴位姿点。

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