外文翻译--三轴并联铣床的功能仿真器 中文版

徐州工程学院外文翻译 1 三轴并联铣床的功能仿真器 米洛斯 德拉甘米卢蒂诺维奇和莎莎 稿日期： 2007年 7月 12日 接 稿 日期： 2008 年 6月 27日 发表时间： 2008年7月 24日 施普林格出版社有限公司 2008年伦敦 摘要： 尽管许多实验室，许多人 以 并联机床 的 运动机 为 研究和发展的主题，不幸的是， 至今还是 没有个人 有一定的成就 。 因此 ,利用低成本的但是功能强大的模拟器模拟三轴联动铣床来获取基本经验。 这个想法是基于这样的模拟器可以由传统的三轴数控机床的控制驱动基础上 进行的 。本文描述了一个包括相应的 并联机构，运动学建模和编程算法的选择模拟器的发展过程。功能模拟器的想法已经被 充分 验证 在 标准化操作条件下 ， 使得一些软材料试件 加工成功 。 关键词 ： 并联机床 ； 功能仿真器 ； 模拟和测试 1 简介 在当今世界上， 教育和培训 具有 战略 上的 重要性，特别是在技术和科学学科 。这也适用于并行结构机研究和开发这个世界性的话题。 对并联机床的基本知识的已经出版很多书， 许多不同的并行机制， 3 至 6个自由度，包括三自由度并联机构平移正交， 也有使用。 今天，不幸的是，研究机构，大学实验室，和企业绝大多数没有并联机床。究其原因，很明显，是教育和培训 的新技术，如个人知识管理，成本高。为了有助于实现在造型，设计，控制，编程实践经验的收购，以及个人知识管理， 降低 成本， 可以 使用 新 提出 的三 轴并联铣床功能仿真器 来实现。这个想法是基于这样的模拟器可以由传统的 3 轴数控机床的控制驱动 基础上进行的。 作为传统的 三 轴数控机床的轴是相互正交，不同的三自由度正交平移关节空间并联机构，可用于生成模拟器 。 本文描述了模拟器发展，包括相应的并联机构，运动学建模和编程算法的选择程序。功能模拟器 应经被 验证了 在 行 业 标准化操作条件下 成功加工 一些软质材 料。 2 模拟器的概念 根据现在的知识 ,以系列 运动机器和可用的资源为其程序 ,模拟器看作一种混合的三轴驱动传统数控铣床空间并联机构。 其中的一种 功能仿真器 的 概念 ，如徐州工程学院外文翻译 2 图 1所示 。 完全平行的 三 自由度不断支撑关节的长度和线性驱动机制，由传统的 三 轴数控机床的控制。这个机制是基于线性三角，但与正交的线性驱动关节，促进其用用平台，始终保持与基地的同时，使主轴在三个不同的正交 。在图一中 ,始终如一的平行与地平行 ,使主轴的位置在三个不同的正交 P,论文中。一些可能的配置的机制、其中的一个平台被选中 ,因为 它使便于安装并联机构的机器在 其中的 2 个 自由度被 用来减少来自 的震动 ,除了选择和调整引擎的机理与所选择的串行机 ,下面的过程，模型，算法，以及软件必须定义和发展 : 运动造型 ,即直接运动学、矩阵 , 运动学和奇异性分析模型 3 模拟器的机制作用 同时 作为垂直和水平 三 轴数控机床的串行正交和驱动仿真器的轴，是最好的，如果三 个 自由度空间并联 ， 模拟器的机制以及正交平移 的 关节。 与 串行数控机床的轴耦合，这将是必不可少的，在一般情况 下，至少有一个 两个 自由度被动的去耦串联机构。数控机床模拟器与移动刀架和工作台的 是最方便的 。在这样的概念 下 两三个轴的耦合，使 其中一个 自由度串联他们的去耦和被动的模拟器驱动机制就足够了。 如果没有横向和纵向的 3轴数控机床运动结构的划分， 有 三自由度正交平移关节，考虑和模拟器使用空间并联机构的一些例子， 如图 2， 他们的工作区的形状也显示在图中。 该机制 类 似 于 上面 的 例子 ， 在图所示 ， 基本运动学 的 概念 差异 问题 是可以 解决 的 。自由度被动串行 ， 用于分离驾驶 一 系列数控机床轴运动机制的例子如图所3示 。 在一些系列数控机床的概念 中 ，其轴 线可直接用作模拟的并行机制平移关节。在这种情况下，模拟器的一般概念的基础上，如图所示机制 就 可能 被 简化 了 。 图 4显示了没有自己的关节并联机构简化模拟器的例子。数控机床的驱动是一个卧式加工中心。相应的机械接口连接与分离轴加工中心联合 组成一个 平行四边形。两自由度串联机构加工中心分离出来 轴。 图 5显示了一个简化的立式数控铣床与两个耦合轴模拟器 的 设计。模拟器的机制有一个自己的移动式 ， 联合两自由度串联机构也是垂直轴数控铣床脱钩使用方法 。 徐州工程学院外文翻译 3 4 模拟器造型的例子 图一中对模拟器详细的运动学分析是以图六中的几何模型为基础 的，由于机械本身特有的性质，平台和底座是平行的，因此，图一中的每个空间平行四边形由支柱表示。 连接底座和平台的坐标构架 P和 B是平行的，同时 平行于参考系列机器协调框架 M ，这使得整个模拟器造型归于普通化。这意味着分离并联机构的造型本身是可行的，并且不考虑其安装在水平还是垂直的系列机器上，也不考虑其在平台上的轴的位置。构架 B和 P中的向量 v 和 模拟器参数定义的向量： 移动平台上的连接中心之间的中心点 P被定义为 i=1， 2， 3） 工具 末端的位置向量在构架 P中被定义为 t , h. 模拟器的驱动轴参考点 （ i=1， 2， 3 ）连接坐标向量 L=l1 l2 , ,l1,和 TB a 0 0 11 , TB a 0 1 02 和 TB a 1 0 03 领域坐标向量： 代表工具末端已编制好的位置向量，而 代表平台的位置，即连接在上面的坐标构架P的原操作。由于坐标构架 B和 P总是平行的，所以这两个向量之间的关系是很明显的，即 (1) 其它向量和参数的定义如图六所示，其中 拟器连接坐标向量 系列机器连接坐标 之间的关系如图六所示，是 根据图六中几何关系，得出下列等式： 徐州工程学院外文翻译 4 等式 4中等号两边加以平方得出： 在等式 3中应用 运动学造型便被简化。为了满足这个要求，人们已经找到了具体的方法，即设置参考点 通过替代等式 5中的机械参数，得到三个等式的方程组： 由这个方程组又得出：相反的运动学等式如 和直接运动学等式如 由以上等式得出： 徐州工程学院外文翻译 5 如上所提，通过调整模拟器的机械参数，等式 6，相反和直接运动学的解大大被简化了。 为了满足等式 6中的条件，采用了六根指示长度的校准支柱，如图七，应用通过校正支柱长度而得出的相反和正运动学解，定义了 知道啥意思） (i=1, 2, 3)的参照点位置，并通过校准 图七。 析运动学的正解和逆解 分析逆运动学方差解，等式 8，在给定平台位置的情况下，不同的平行机械构造有： 基本构造，图 2a，在等式 8中，在平方根之前的所有符号都是负号 可供选择的构造之一，图 2b，在等式 8 中，在平方根之前所有符号都是正的 其它可能的机械构造，在等式 8中，在平方根之前 的符号是正负号用相同的方法，通过对运动学正解分析，等式 9，在驱动轴位置给定的情况下，建立不同的平行机械构造： 基本构造，图 2a，和实际情况一致，在等式 9中，在平方根之前是正号 供选择的构造，图 2c 和 d，在等式 9 中，在平方根之前是负号，根据驱动系列机器的结构可通过不同的方法实现图 2 所示的基本的和供选择的构造。 可比矩阵和异常分析 鉴于 常关系重大，这个问题已被细致分析，如图 2a 中显示的机械变型，这种机械变型可用来发展水平机器中心的模拟器，如图 1。考虑时间的情况下区分等式 8，得到的雅可比矩阵为： 徐州工程学院外文翻译 6 由于方程组 7 中的等式有连接和领域坐标的功能，根据它们的区别也可以得出 雅可比矩阵： 其中 是正逆运动学的 雅可比矩阵，用这种方法，可以识别出三种不同形式的异常，比如，正逆运动学异常和联合异常。 仔细分析 雅可比矩阵的决定因素， 正逆运动学异常和联合异常是显而易见的。 通过适当的描述和等式，图 8中显示了可能的模拟器异常构造，从图 8中可以看出，所有的异常都处在理论上可获得工作空间的临界上，所以，通过足够的设计解答和或机械限制可以轻松地避免这些异常，这就意味着可获得的模拟器工作空间要比理论上的工 作空间要小，理论上工作空间的界线是在半径 C 的汽缸上，而半径 中得出的 时半径 中的 中心的。 徐州工程学院外文翻译 7 5 模拟器的实例 大家都知道，除了要选择合适的运动学布局，选择正确的几何维度也是非常重要的，因为要考虑已定的用途，这是个困难的工作，开发 整图 1、 4 和 5 中的模拟器设计参数是为了在可用 器运作效果的基础上获得更多的模型和工作空间维度，其中制造的模拟器就是配给 个程序必须要进行重复，因为在选择基础设计参数时 ，要考虑机构因素可能的干扰和 ) 与 1)决定因素的重要性（等式 14、 15 和 16 中涉及）。 在图 6中模拟器变型的几何模型中，可以看到工作空间维度主要受到平行四边形长度 时要达到图 8中 和 对于配备模拟器的可用 用重复的程序对平行四边形长度 ,3,3重要结合进行分析，在每次重复过程中，要注意潜在的设计限制、干扰以及 ) 与 1)的重要性，即异常产生的距离。 用这种方法得到的参数在图 9中模拟器原型的详细设计中得到轻微的纠正，长度 C=850 ,300 ,350 平行四边形的 形状、体积和可获得工作空间的位置如图 2 在采用这种构想和设计参数的基础上，构造了头两个模拟器，如图 9、 10所示。 6 模拟器编程和测试 在 准开发模拟器编程系统（图 11），几何工作空间模型可以和其它系统交换，并且可以模仿工具轨迹， 线性插值工具轨迹是从 模拟器使用者可以选择 其它方式也能画出工具轨迹，系统的基础部分是由成的，并且不用后处理器发电机，后处理器包括正逆运动学（ 模拟器设计参数和模拟器工具途径的运算法则（图 12），模拟器工具途径线性化是必要的，因为 样的话，模拟器的工具轨迹仍在先定半径的偏差范围之内，先定半径是 件中点 和点 间， 对于以这种方式获得数控机床长节目 传送到数控机床，可以在空闲的模拟器运行验证。对轴的运动范围已经 在 处理器 上 检查了。 该模拟器在这个阶段的测试包括：核查的程序和通信系统，切割加工各种试件测试（图 13）。 徐州工程学院外文翻译 8 7 结束语 为了有助于实现在造型，设计，控制，编程实践经验的收购，以及 降低 个人知识管理 的 成本， 提出了三 轴并联铣床功能仿真。所开发的三维并联数控铣床功能仿真器作为混合系统，现有的技术设备（数控机床的 并联机制，为全面和复杂的教学 提供了 设施。关于功能模拟器的想法 ，为 验证一些软质材料 在 进行标准化测试操作条件下作出成功的 决策。 这个想法可能会进一步用于 模拟器 的 决策。致谢 由塞尔维亚科技部支持 ，并 提出的尤里卡计划 3239工作 。