并联机床精度分析和结构参数标定方法的研究

摘要

相对于传统的串联多坐标数控机床，以Stewart机构为原型建造的并联机床在许多方面有特殊之处，如驱动轴的控制方式、加工刀位文件的后处理、精度分析的方法以及标定的方法等。本文研究的主要目的是为了提高并联机床的运动精度。
　　在建立并联机床位姿误差模型后，运用误差矢量图的方法，构造出误差传递矩阵，利用误差传递矩阵，对平台半径误差、驱动杆长误差映射到机床末端误差的大小分布进行了分析。对并联机床结构误差向末端传递的大小进行了研究，得出机床末端误差的界限。利用并联机床综合误差放大指标，分析研究了并联机床结构参数对结构误差向机床末端映射的影响，以选择合理的机床结构参数，尽量减小结构误差向末端误差传递的大小。
　　研究了并联机床非线性运动误差的最大值与插补步长之间的关系，采用曲率的分析方法，建立了非线性运动误差的最大值与插补步长之间的表达公式，以指导UG、Pro/E等加工软件生成的刀具轨迹数据，经后置处理转化为并联机床数控系统可读的程序的过程中插补步长的选取。通过分析按位姿插补、双轨迹插补、四元数法插补三种插补算法的利弊，针对并联机床特点，提出采用双轨迹和四元数法相结合的方法作为后置处理中的插补算法，保证了加工过程中动平台运动平稳。开发了并联机床后置处理系统用于实际的叶片加工，解决了叶片加工编程困难的问题。
　　研究了基于约束的并联机床标定方法，解决了从误差建模、误差测量、参数的辨识、误差的补偿等一系列问题。在系统建模中，提出使用单位虚速度方法建立与测量方式相关的误差传递矩阵，这样当采用不同的测量方式时就可以建立相应的误差传递矩阵。为了标定并联机床平动误差和姿态误差，建立平动精度标定的距离误差模型和姿态精度标定的三平面约束误差模型。对参数的辨识，为克服因优化带来的工作空间内局部定位精度低的问题，提出采用二次优化的方法。为实现机床自动采点，提出了哑铃形双球杆标定检具，并对采点路径和方法进行了规划，提高了标定的效率。
　　研究了对并联机床标定有影响的机床驱动杆回零方式及驱动杆回零时长度测量的问题，提出了一种驱动杆长度的测量方法。提出了标定所需数据的采集方法。开发出专用的并联机床标定软件，实现了并联机床标定数据采集自动化和数据的处理与机床结构参数修正一体化，并应用于实际的工业生产。

目录

并联机床精度设计和结构参数标定方法的研究

Accuracy Analysis and Structural Parameter Calibration Technique of Parallel Kinematics Machine

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题的来源、研究目的和意义

1.2 串并联机构特点

1.3 并联机床的研究概况

1.3.1 并联机构学理论研究的进展

1.3.2 并联机床的国外研究现状

1.3.3 并联机床的国内研究现状

1.4 并联机床运动学精度和标定方法研究的进展

1.4.1 并联机床运动学精度分析

1.4.2 并联机床运动学标定

1.5 本文研究的主要内容

第2章 并联机床运动学基本理论

2.1 引言

2.2 七轴并联机床结构和工作原理

2.3 动平台位姿描述

2.4 并联机构的逆解

2.5 并联机构的正解

2.6 并联机构雅克比矩阵

2.6.1 雅可比矩阵的定义式

2.6.2 并联机构雅可比矩阵的求法

2.6.3 雅可比矩阵的用途

2.7 刀位数据运动学分解

2.8 本章小结

第3章 并联机床精度分析

3.1 并联机床误差名称的含义

3.2 并联机床结构误差源分析

3.3 误差传递系数定义

3.4 位姿误差映射模型

3.4.1 位姿误差映射模型的建立

3.4.2 位姿误差传递矩阵的求解

3.4.3 计算仿真

3.5 位姿误差边界分析

3.6 并联机床误差放大指标

3.7 并联机床结构参数对综合误差放大指标的影响

3.7.1 平台铰点分布角对综合误差放大指标的影响

3.7.2 动平台半径对综合误差放大指标的影响

3.7.3 平台距离对综合误差放大指标的影响

3.8 本章小结

第4章 线性插补精度与插补算法.pdf

4.1 并联机床加工数据处理流程

4.2 并联机床线性插补步长分析

4.2.1 驱动输入和机床末端输出的关系

4.2.2 并联机床运动学非线性误差的定义

4.2.3 影响非线性误差大小的因素

4.2.4 曲率法度量非线性运动误差和插补步长的关系

4.3 并联机床粗插补方法

4.3.1 按位姿的线性插补

4.3.2 双轨迹插补法

4.3.3 利用四元数进行插补

4.3.4 叶片加工后置处理软件的开发

4.4 本章小结

第5章 基于约束的并联机床标定方法

5.1 引言

5.2 结构参数的测量

5.3 并联机床外部标定方法

5.3.1 基于逆解的外部标定方法

5.3.2 基于正解的外部标定方法

5.4 基于约束的标定方法

5.4.1 误差建模

5.4.2 单位虚速度法

5.4.3 误差测量和误差传递矩阵的建立

5.4.4 哑铃型双球杆检具标定原理

5.4.5 机床结构参数的辨识方法

5.4.6 结构误差的补偿

5.5 本章小结

第6章 标定方法工程实现和试验

6.1 并联机床回零及其保障措施

6.1.1 并联机床回零过程

6.1.2 回零时驱动杆长度的确定

6.2 标定所需数据采集手段及方法

6.2.1 平动误差标定所需数据采集

6.2.2 姿态误差标定所需数据采集

6.3 并联机床标定数据的自动采集

6.3.1 哑铃形双球杆检具

6.3.2 非采点过程的测头路径规划

6.3.3 测头采点过程的处理

6.4 标定软件的开发

6.5 标定方法的工程试验

6.5.1 基于约束的标定方法基本验证

6.5.2 用双球杆检具标定

6.6 位置精度的检测

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

博士学位论文使用授权书

博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历