六自由度大臂機(jī)器人設(shè)計(jì)【并聯(lián)機(jī)器人】【說明書+CAD+PROE】
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機(jī)0405 11號 馬吟川 指導(dǎo)老師:許寶杰
設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床
使用kinetostatic標(biāo)準(zhǔn)
的表現(xiàn)
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0705/0705.1038.pdf
1 介紹
多數(shù)工業(yè)機(jī)床有一個(gè)串行運(yùn)動(dòng)學(xué)架構(gòu),這意味著每個(gè)軸進(jìn)行下列工作時(shí),包括其執(zhí)行機(jī)構(gòu)和聯(lián)接點(diǎn)高速加工突出了一些弊端,例如架構(gòu):較重的運(yùn)動(dòng)部件需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)高剛度,以限制彎曲問題,即降低機(jī)床精度,并限制動(dòng)態(tài)表現(xiàn)的曲線。
這就是為什么并聯(lián)機(jī)床吸引了越來越多的研究人員和公司,因?yàn)樗鼈儞?jù)稱提供了單獨(dú)的優(yōu)勢,如高結(jié)構(gòu)剛度和高動(dòng)態(tài)的能力。事實(shí)上,并聯(lián)安排的聯(lián)系,可提供更高的剛度和較低的誤差,減少慣性的影響。因此,并聯(lián)機(jī)床有更好的動(dòng)態(tài)性能。然而,設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)機(jī)床是一個(gè)艱巨的任務(wù),在進(jìn)一步的研究之前,廣泛地在工業(yè)用途中的調(diào)研,是必不可少的。
許多標(biāo)準(zhǔn)要考慮到在設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)機(jī)床。我們要特別注意描述并聯(lián)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)依賴于現(xiàn)有的雅可比矩陣的機(jī)制。該組織的這份文件具體內(nèi)容如下:未來介紹總論約并聯(lián)機(jī)床,那就是解釋了為什么并聯(lián)機(jī)床是不可替代機(jī)床的設(shè)計(jì)。一個(gè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用了一次小規(guī)模的機(jī)床樣機(jī)研制irccyn。
2 關(guān)于并聯(lián)機(jī)床
2.1 總論
第一次工業(yè)應(yīng)用并聯(lián)機(jī)床是The Gough平臺(圖1 ) 設(shè)計(jì)于1957年,以測試tyres1 。并聯(lián)機(jī)床當(dāng)時(shí)已使用多年,在飛行模擬器和機(jī)器人applications2因?yàn)樗麄兊牡鸵苿?dòng)質(zhì)量和高動(dòng)態(tài)表演。由于發(fā)展的高速切削加工,并聯(lián)機(jī)床已成為有趣的替代機(jī)床。
圖1 The Gough platform
隨著高速切削的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)串聯(lián)式機(jī)構(gòu)構(gòu)造平臺的結(jié)構(gòu)剛性與移動(dòng)臺高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸,而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象,而相對于串聯(lián)式機(jī)床來說,并聯(lián)式工作平臺具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):
(1) 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低
機(jī)床機(jī)械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少,主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成,這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn),因而本機(jī)床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機(jī)床低得多,容易組裝和搬運(yùn)。
(2) 結(jié)構(gòu)剛度高
由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短,而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時(shí)承受,以材料力學(xué)的觀點(diǎn)來說,在外力一定時(shí),懸臂量的應(yīng)力與變形都最大,兩端插入(build-in)次之,再來是兩端簡支撐(simply-supported),其次是受壓的二力結(jié)構(gòu),應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu),故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。
(3) 加工速度高,慣性低
如果結(jié)構(gòu)所承受的力會(huì)改變方向,(介于張力與壓力之間),兩力構(gòu)件將會(huì)是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu),而它的移動(dòng)件重量減至最低且同時(shí)由六個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng),因此機(jī)器很容易高速化,且擁有低慣性。
(4) 加工精度高
由于其為多軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成,六個(gè)可伸縮桿桿長都單獨(dú)對刀具的位置和姿態(tài)起作用,因而不存在傳統(tǒng)機(jī)床(即串聯(lián)機(jī)床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象,甚至還有平均化效果(averaging effect);其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),因此熱變形較小;故它具有高精度的優(yōu)點(diǎn)。
(5) 多功能靈活性強(qiáng)
由于該機(jī)床機(jī)構(gòu)簡單控制方便,較容易根據(jù)加工對象而將其設(shè)計(jì)成專用機(jī)床,同時(shí)也可以將之開發(fā)成通用機(jī)床,用以實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工,還可以配備必要的測量工具把它組成測量機(jī),以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的多功能。這將會(huì)帶來很大的應(yīng)用和市場前景,在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
(6) 使用壽命長
由于受力結(jié)構(gòu)合理,運(yùn)動(dòng)部件磨損小,且沒有導(dǎo)軌,不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。
(7) Stewart平臺適合于模塊化生產(chǎn)
對于不同的機(jī)器加工范圍,只需改變連桿長度和接點(diǎn)位置,維護(hù)也容易,無須進(jìn)行機(jī)件的再制和調(diào)整,只需將新的機(jī)構(gòu)參數(shù)輸入。
(8) 變換座標(biāo)系方便
由于沒有實(shí)體座標(biāo)系,機(jī)床座標(biāo)系與工件座標(biāo)系的轉(zhuǎn)換全部靠軟件完成,非常方便。
Stewart平臺應(yīng)用于機(jī)床與機(jī)器人時(shí),可以降低靜態(tài)誤差(因?yàn)楦邉傂?,以及動(dòng)態(tài)誤差(因?yàn)榈蛻T量)。而Stewart平臺的劣勢在于其工作空間較小,且其在工作空間上有著奇異點(diǎn)的限制,而串聯(lián)工作平臺,控制器遇到奇異點(diǎn)時(shí),將會(huì)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)裝置無法達(dá)成的驅(qū)動(dòng)命令而造成控制誤差,但Stewart平臺在奇異位置會(huì)失去支撐部分方向的力或力矩的能力,無法完成固定負(fù)載對象。
在并聯(lián)機(jī)床,工具是以底座作為支撐做伸縮性運(yùn)動(dòng),下圖為伸縮運(yùn)動(dòng)簡圖。一般均作伸縮臂的同固定結(jié)點(diǎn)(圖2A )條,或固定長度的伸縮臂與滑動(dòng)結(jié)點(diǎn)(圖2b )條。
圖2a A bipod PKM
圖2b A biglide PKM
2.2 奇點(diǎn)
奇異的配置(也稱為奇點(diǎn))的一個(gè)并聯(lián)機(jī)床可能出現(xiàn)內(nèi)工作空間或在其邊界。有兩種類型的奇點(diǎn) 。一個(gè)配置叫做有限速率,在結(jié)點(diǎn)處需要極大的速率,是所謂的一個(gè)序列奇異性。配置工具不能抗拒任何阻力,并且會(huì)轉(zhuǎn)變得無法控制, 所謂平行奇異。平行的奇異尤其不可取因?yàn)樗麄儗?dǎo)致以下幾個(gè)問題: 結(jié)點(diǎn)處受力過高,這可能會(huì)損害結(jié)構(gòu),減少了該機(jī)制的剛度,這會(huì)導(dǎo)致無節(jié)制的運(yùn)動(dòng)規(guī)律工具雖然驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)鎖死。
圖3A及3B及第查看奇異為biglide機(jī)制圖。圖2B在圖3 A ,我們有一個(gè)串行奇異。速度放大系數(shù)沿垂直方向是無效的力量放大系數(shù)是無限的。 圖3B及第顯示一個(gè)平行的奇異性。速度放大系數(shù)是無窮,沿著垂直方向和部隊(duì)放大系數(shù)是接近于零。注:一高流速放大系數(shù)并不一定是可取的,因?yàn)槎鏅C(jī)編碼器分辨率擴(kuò)增,因此,準(zhǔn)確度較低。
圖3a. A serial singularity
圖 3b. A parallel singularity
2.3 工作和裝配方式
一個(gè)序列(或平行)的奇異性,是與轉(zhuǎn)變工作模式6(或者裝配模式)。舉例來說, biglide有四種可能的工作模式某一特定工具的位置(每個(gè)結(jié)點(diǎn)的,可以向左邊或到右邊的中間位置相對應(yīng)的串行奇異,在圖4A )及兩項(xiàng)裝配模式,為某個(gè)結(jié)點(diǎn)處進(jìn)行輸入(該工具是高于或低于此水平線對應(yīng)平行的奇異性,圖4 )。選擇裝配模式和該工作模式,可明顯影響的行為機(jī)制。
圖 4a. The four working modes
圖 4b. The two assembly modes
3 并聯(lián)機(jī)床作為替代機(jī)床設(shè)計(jì)
3.1局限性串行機(jī)床
今天,新設(shè)計(jì)的機(jī)床受益于技術(shù)的改進(jìn)部件,如主軸,線性傳動(dòng),軸承。多數(shù)機(jī)床是基于串行架構(gòu)(圖5),其優(yōu)點(diǎn)是輸入/輸出關(guān)系,是簡單的。
3.2并聯(lián)機(jī)床潛力機(jī)床設(shè)計(jì)
低移動(dòng)質(zhì)量的并聯(lián)機(jī)床和良好的剛度,使速率(截至100米/分鐘)和加速度( 1至5克) ,這是我們設(shè)計(jì)并聯(lián)系統(tǒng)所需要的高速切削加工。
并聯(lián)機(jī)床是非常準(zhǔn)確的,確切地說在有些情況下不是這樣的,只有在牽引或壓縮時(shí),才會(huì)顯現(xiàn)出來。但是,也有許多結(jié)構(gòu)性差異,串行和并行機(jī)床,這使得讓他們的表現(xiàn)很難它的優(yōu)勢才能被突出體現(xiàn)。
3.3 并聯(lián)機(jī)床帶來的問題
a) 這個(gè)工作一并聯(lián)機(jī)床已不是一個(gè)簡單的幾何形狀,它的功能量減少了,相比,要占用的空間,我們可以看圖五。
圖5 Workspace sections of Tricept 805
b) 對于一個(gè)串行的機(jī)制,在速度和扭矩投送比例是常數(shù)的工作空間。作為并行的機(jī)制,相比之下,這些比例可能會(huì)有所變動(dòng)顯著,因?yàn)槲灰频墓ぞ卟⒉皇蔷€性關(guān)系到位移的驅(qū)動(dòng)裝置。在某些部分的工作空間,最大進(jìn)給速度和進(jìn)給時(shí)的受力,會(huì)有最大速度和力量驅(qū)動(dòng)能的產(chǎn)生,這一點(diǎn)尤為如此。在奇異性,速度,準(zhǔn)確性和力量的比例達(dá)到極端價(jià)值觀。
c) 標(biāo)定并聯(lián)機(jī)床是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的,這取決于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型本身的復(fù)雜性。
4 現(xiàn)有并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)
4.1 充分并聯(lián)機(jī)床
我們所說的充分并聯(lián)機(jī)床是并聯(lián)機(jī)床有許多程度新聞自由作為支撐。對圖7 ,我們可以看到一個(gè)3自由度的充分并聯(lián)機(jī)構(gòu)3伸縮臂的。每一支桿材料是一種旋轉(zhuǎn)接頭,棱柱驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)聯(lián)合。
圖6 3-RPR fully parallel mechanism
充分并聯(lián)機(jī)床變長了伸縮臂是所謂hexapods 。 hexapods是靈感源于The Gough平臺。第一個(gè)并聯(lián)機(jī)床是六足" variax " 吉丁斯和劉易斯在1994年在imts在芝加哥。 hexapods 6 自由度。多一個(gè)最近的例子就是cmw300 ,六足頭設(shè)計(jì)由度(圖7 )
圖7 Hexapod CMW 300
充分并聯(lián)機(jī)床與固定長度的伸縮臂能有三,四或六只腳。該urane的SX(figures8和13 ),從雷諾自動(dòng)化是一個(gè)三腿機(jī),其刀具只能沿X ,Y和Z軸,其建筑靈感來自三角洲r(nóng)obot9 ,設(shè)計(jì),取放申請。該六米,豐田是一個(gè)六個(gè)伸縮臂的并聯(lián)機(jī)床(圖9 )。
圖8 Renault automation Urane SX
圖9 Toyoda Hexa M
4.2其他并聯(lián)機(jī)床
該tricept 805,是一種廣泛使用的并聯(lián)機(jī)床增加了伸縮臂的長度(圖5 和第10條) 。該tricept 805有一個(gè)混合結(jié)構(gòu):兩自由度手腕串聯(lián)安裝在一個(gè)三角架結(jié)構(gòu)。
另一項(xiàng)則是不完全平行,是(圖11 )由塞納technology10 , 11 。 這種偏離類型是一個(gè)overactuated并聯(lián)機(jī)床快速加工,有能力一次性加工五個(gè)表面,這歸功于有了第二主軸。
圖10 Tricept 805 from Neos robotics
圖11he Eclipse, from Sena Technology
5設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)機(jī)床
5.1 總體設(shè)計(jì)
為了滿足當(dāng)今時(shí)代需要,我們所需要的機(jī)器將設(shè)計(jì)通過一套設(shè)計(jì)參數(shù),如機(jī)器形態(tài)(串行,并行或混合運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)),這臺機(jī)器幾何(連接尺寸,聯(lián)合的方向和聯(lián)合不等),類型的致動(dòng)器(線性或旋轉(zhuǎn)電機(jī)),該型伸縮縫(棱柱形或旋轉(zhuǎn)),數(shù)量和類型的自由度工作。
5.2 并聯(lián)機(jī)床達(dá)到足夠標(biāo)準(zhǔn)
只有這樣,在設(shè)計(jì)過程中,才能應(yīng)對由于奇點(diǎn)是整合并聯(lián)機(jī)床業(yè)績標(biāo)準(zhǔn)。并聯(lián)機(jī)床業(yè)績標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)能力的一個(gè)機(jī)制來傳送力量還是速度,從勵(lì)磁機(jī),以該工具。這些并聯(lián)機(jī)床業(yè)績標(biāo)準(zhǔn)必須能夠保證最低剛度,精度和速度的表演,沿各個(gè)方向在并聯(lián)機(jī)床整的個(gè)工作區(qū)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我們使用兩種互補(bǔ)的標(biāo)準(zhǔn):現(xiàn)有的雅可比矩陣J號的并聯(lián)機(jī)床,所謂調(diào)理指數(shù),以及可操作性橢球與j12 。雅可比矩陣j涉及聯(lián)合利率工具速度等。這也涉及靜態(tài)工具,努力動(dòng)的努力。該空調(diào)指數(shù)的定義是,兩者的比例約為最高及最小特征值J的空調(diào)指數(shù)不同,從1到無限大。在一個(gè)奇異,該指數(shù)是無限大。這是一在另一項(xiàng)特殊的配置要求各向同性的配置。在此配置模式下, 工具,速度和剛度都是平等的全方位方向發(fā)展。該空調(diào)指數(shù)措施該均勻分布的速度,并努力靠近一個(gè)給配置,但并不告知有關(guān)的速度擴(kuò)增或阻力因素。
該操作性橢球的定義是從矩陣。主軸線該橢球的定義是由特征向量和長度的主體是平方根的特征值。特征值有聯(lián)系與速度(或強(qiáng)迫)擴(kuò)增因素沿主軸線的可操作性。
這些標(biāo)準(zhǔn)是用來在wenger13 ,優(yōu)化工作空間形狀和表演的均勻程度orthoglide ,三自由度的并聯(lián)機(jī)床專用銑削時(shí)應(yīng)用(圖12 ) 。
圖12 A section of Orthoglide’s optimised workspace
5.3 技術(shù)問題
如果并聯(lián)機(jī)床的伸縮臂因?yàn)檫^熱而鎖死,則并聯(lián)機(jī)床的準(zhǔn)確性與伸縮臂的翹曲由于供熱所造成的摩擦所產(chǎn)生的熱量有關(guān)。因此,除了制造不準(zhǔn)確,標(biāo)定一個(gè)讓并聯(lián)機(jī)床不得不顧及的尺寸變化是由于熱量引起的膨脹。一個(gè)良好的散熱疏散,可減低影響熱量。
6 結(jié)論
本文的目的是要引入一個(gè)準(zhǔn)則,為設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床,有可能成為有趣的替代品,為高速切削加工,特別是在銑削大型零部件制成的硬質(zhì)材料,或用于串行制造業(yè)務(wù),尤其是航空零部件。kinetostatic標(biāo)準(zhǔn)似乎應(yīng)該很好地適應(yīng)設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床,特別是為運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工作空間形狀,對于表現(xiàn)統(tǒng)一性。
該kinetostatic準(zhǔn)則已用于設(shè)計(jì)的orthoglide ,三軸式并聯(lián)機(jī)床開發(fā)irccyn 。小規(guī)模的原型正在開發(fā)之中。
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