0 引言少自由度并联机床即其并联机构运动平台的独立输出运动数小于 6,由于其具有结构简单、工作空间大、控制容易等优点 ,已经得到越来越多研究人员的关注 ,是近十几年的一个研究热点。长期以来 ,人们非常重视并联机构类型的研究 ,构思、发明了多种并联机构。例如 :2自由度平面并联机构 ;3自由度平面并联机构 ;3自由度球面并联机构 ;3自由度其它空间并联机构 ;4自由度空间并联机构 ;5自由度空间并联机构等等。其中对 3自由度并联机构、特别是 3移动并联机构研究较多<1> ;但相关文献只是给出一种机构 ,未能给出系统的机构设计方法。本文给出了主动链和约束链的概念 ,提出了一种少自由度并联机构构型设计方法既附加约束链法。1 机床并联机构自由度计算 图 1 并联机床构型示意图机构是由若干构件用运动副相连接 ,以实现确定运动的组合体。其中 ,多自由度的、驱动器分配在不同环路的并联多封闭环机构为并联机构。在应用于机床的少自由度并联机构中 ,用 2个或 2个以上的链 (分支 )连接其机架构件和运动平台 ,机构具有 2 -5个自由度 ,并以并联方式驱动。其中 ,由驱动器赋予确定的独立运动的链称为主动链 ,被迫作确定运动的链称为从动链或约束链 (图 1)。注意 ,图 1只是示意图 ,实际的链一般既不共面 ,又不互相平行。确定机构中各构件位置所需要的独立参变量数称为机构的自由度。目前空间机构自由度数M由下式计算<2 ,3 > :M =d(n-q -1) +∑qi=1fi ( 1)式中 ,n -机构中构件数 ;d-机构阶数 ;d =6-λ ,λ为机构公共约束数 ,即机构各构件共同失去的自由度数 ;q-机构中的运动副数 ;fi-第i个运动副的自由度数。为保证机构有确定的运动 ,一般令并联机床机构的主动链数等于机构的自由度数 -即运动平台的自由度数。机床并联机构中运动平台的自由度数可由各主动链和约束链的运动副配置及构型情况确定。2 从动约束链的类型从动约束链主要用以约束主动链未能约束的某些自由度,使运动平台获得需要的运动。一般地 ,并联机床的从动约束链主要用以约束运动平台的转动自由度。图 2所示为几种从动约束链形式。其中 ,( 1)约束平台的 3个转动自由度 ;( 2 )约束平台的 2个移动自由度和 3个转动自由度 ;( 3 )和 ( 4 )约束平台的 1个移动自由度和 3个转动自由度 ,但是它们的结构形式不同 ;( 5 )约束平台的 1个移动自由度和 3个转动自由度 ,( 5 )和 ( 6)均只约束平台的 3个转动自由度。图中可以看到 ,约束链 ( 4 )和( 7)使用的关节和杆件的数量少 ,并能获得更高的约束精度。同时 ,如果 ( 4 )和 ( 7)的移动关节是可控的主动关节 ,则它又兼起到一个主动链的作用 ,使机床结构进一步简化。图 2 几种约束链形式3 并联机床的构型设计方法进行少自由度并联机床构型设计 ,可以遵循下述途径和方法 :少自由度并联机构 =多自由度并联机构 +约束链①确定要求的机床运动自由度 ;②确定主动链数和约束链要约束的自由度 ;③确定各主动链运动副配置 ;④确定约束链形式 ;⑤确定各运动副的结构组成 ;⑥完成机床构型设计并验证其自由度。4 并联机床构型设计实例4 .1 3-TPT型并联机床构型设计根据三轴联动曲面加工的需要 ,欲设计具有三个平移自由度的并联机床。由前面讨论可知 ,该机床机架和运动平台间可以设 3个独立驱动的支链 ,使每链具有 1个可控的单自由度关节 ,控制一个平移自由度。另外 ,为使机床具有确定的运动 ,则必须设一个从动约束链以约束机床运动平台的 3个转动自由度。由于虎克铰 (T)—移动副 (P)—球铰 (S)支链具有结构简单紧凑、移动副具有大的运动范围、驱动和控制容易等特点 ,可以考虑用 3个TPS链作主动链 ,构成具有 6个自由度的并联机构 ,其中的 3个平移自由度是机床需要的 ,而 3个转动自由度则需要由约束链来限制。我们可以选择图 2中 ( 5 )的约束链来限制转动自由度。这样 ,就构造了一种具有三个平移自由度的并联机床。但考虑移动副两端的杆均不旋转才能可靠的实现该副的驱动 ,需要TPS链改为TPT的链。这样 ,最终确定的具有三个平移自由度的并联机床为 3 -TPT构型 ,其机构示意图和实际样机如图 3所示<1> 。图 3 并联机构示意图和实际样机4 .2 滑块式 3-PTT型并联机床构型设计如欲设计使用图 5中 ( 7)所示主动兼约束链的三平移自由度的并联机床 ,机床机架和运动平台间可设 3个支链 ,每支链具有 1个可控的单自由度关节 ,控制一个平移自由度。另外 ,每支链还具有约束 1个转动自由度的作用 ,共约束了运动平台的 3个转动自由度。最终形成了具有三个平移自由度的垂直滑块式3 -PTT构型的并联机床<4,5> ,其示意图和实际样机如图 4所示。该构型还可以进一步简化 ,使每一链只具有两根杆。图 4 3 -PTT构型的并联机床示意图使用 3个移动副 (P)—虎克铰 (T)—球 3铰 (S)的主动链也可以构成水平滑块式三平移自由度并联机床 ,每支链具有 1个可控的单自由度关节 ,控制一个平移自由度。 3个转动自由度则由一个兼有驱动链作用的图 5中 ( 7)之约束链来限制。形成的具有三个平移自由度的水平滑块式 3 -PTT构型的并联机床 ,具有结构简单、加工范围长度大的特点。其机构示意图和实际样机如图 5所示<6> 。图 5 主动兼约束链示意图5 结论通过本文讨论可得如下结论 :( 1)并联机床的自由度数可由各链的运动副配置及其形式确定。( 2 )少自由度并联机床的构型可通过一个多自由度并联机构附加一个约束链的方法得到。少自由度并联机床的构型设计@蔡光起$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006
@杨斌久$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006,北华大学机械工程学院,吉林吉林132021
@石宏$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006
@陈旭$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006
并联机床;;
分支链;;自由度文章论 述了并联机床各分支链的运动约束对运动平台自由度的影响,提出了主动链和约束链的概念。在此 基础上讨论了如何根据并联机床的自由度要求,确定约束链机构和各主动链运动副型式的问题。并结合几种实际并联机床构型,验证了该设计模型的正确性<1>G.Q .Cai,M .Hu,C .Guo,etal.DevelopmentandStudyofaNewKindof3-DOFTripod
,AnnalsoftheCIRP ,1999,48(1):333-336.
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<5>胡明,郭成,蔡光起,等.一种三自由度机器人机构运动学计算.东北大学学报,1998,19(4):411-414.
<6>蔡光起,史家顺,等,新型3-PTT型三杆并联磨削机床,制造技术与机床,2002,(10):24-25.国家 8 63高技术计划资助项目 (863 - 980 3 - 0 5)段Сざ却蟮奶氐恪Ｆ浠故疽馔己褪导恃缤?5所示<6> 。图 5 主动兼约束链示意图5 结论通过本文讨论可得如下结论 :( 1)并联机床的自由度数可由各链的运动副配置及其形式确定。( 2 )少自由度并联机床的构型可通过一个多自由度并联机构附加一个约束链的方法得到。少自由度并联机床的构型设计@蔡光起$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006
@杨斌久$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006,北华大学机械工程学院,吉林吉林132021
@石宏$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006
@陈旭$东北大学机械工程与自动化学院!沈阳110006并联机床;;分支链;;自由度文章论 述了并联机床各分支链的运动约束对运动平台自由度的影响,提出了主动链和约束链的概念。在此 基础上讨论了如何根据并联机床的自由度要求,确定约束链机构和各主动链运动副型式的问题。并结合几种实际并联机床构型,验证了该设计模型的正确性<1>G.Q .Cai,M .Hu,C .Guo,etal.DevelopmentandStudyofaNewKindof3-DOFTripod,AnnalsoftheCIRP ,1999,48(1):333-336.
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<3>HuntKH .StructuralKinematicofIn-parallelactuatedRob ot-arms.ASMEJournalofMechanisms.TransmissionsandAutomationinDesign,1983,105:705-712.
<4>蔡光起,原所先,胡明.三自由度虚拟轴机床的静力学及动力学的若干研究<
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