A hybrid 5-axis CNC milling machine

5-Axis CNC milling machines are important in a number of industries ranging from aerospace to consumer-die-mold machining because they can deliver high machining accuracy with a spindle tilting capacity. Most of these machines have serial mechanisms so that modest static and dynamic stiffness become very critical design issues when high speed machining capability is required. Parallel mechanisms have recently received attention from machine tool designers because of their inherent potential for stiffness and because of their compactness. However, much of the promised advantages of parallel machines only occur within a very small region of their workspace. We discuss some of the kinematic and structural challenges to extract machining performance from serial and parallel machines. We compare a hybrid machine, which combines serial and parallel mechanisms, with typical serial and parallel machines such as Euler angle machines and a hexapod. In particular, we consider singularities, reversal characteristics, and manufacturability. We show that hybrid machines can benefit from the advantages of serial and parallel mechanisms while avoiding most potential pitfalls. However, hybrid structures can suffer from the manufacturing problem of over-constraint. We show that the degree of over-constraint depends on machine size. We have designed a small hybrid 5-axis motion platform, the MIT-SS-1, which can tolerate this over-constraint through a novel layout of axes. We show that this structure has potential as a small 5-axis CNC milling machine.     

混联虚拟轴研抛机床的多柔体动力学研究

为了在自由曲面的弹性研抛中 ,获得稳定的动力学特性和加工效果 ,开发了一种由“3轴并联 + 2轴串联”构成的新型 5自由度混联虚拟轴研抛机床。采用柔性多体系统动力学方法 ,建立了基于Lagrange方程的空间刚 柔耦合动力学模型 ;考虑研抛机床整体的刚性运动与各支链弹性变形间的相互作用及耦合 ,将机床的各个支链和平台看作独立子结构 ,建立各自的动力学方程 ,根据子结构之间的约束关系建立了系统约束动力学方程 ;通过动力学仿真分析 ,获得了较稳定的动力学特性     

6－UPS型并联机构的刚体动力学模型

建立了6－UPS型并联机构的动力学模型。为了能使动力学模型包含所有构件的重力和惯性力,以6－UPS并联机构的支链为研究对象,运用D－H方法建立了各构件的坐标系,推导了支链的运动学反解的解析方程,并给出了各个构件的速度、加速度与动平台的速度、加速度的映射关系。然后用牛顿－欧拉方法推导了6－UPS并联机构的动力学模型,为支链中各个构件支反力的求解和整个机构的动力学分析奠定了基础。最后以并联机床为例,运用动力学模型进行了实际计算并绘制了连杆驱动力的变化曲线。     

重型龙门式混联机床配重方法研究

并联机床与传统串联机床在结构和运动机理上不同,无法完全沿用传统机床的设计方法。龙门式混联机床的主运动机构是并联机构,由于运动部件质量较大,必须选用合适的配重来平衡,以减小电机的负荷。本文先用牛顿—欧拉法建立重型龙门铣床XNZH2430的动力学模型;然后针对三种不同的配重方式,通过Matlab仿真计算得到电机的最大驱动力,经过对比得出各种配重方式的优缺点;最后选取合理的配重加载方式和配重质量。     

一种新型并联机床的位置正反解

提出一种基于新型的运动副——复合球铰的虚拟轴机床,它是由5-SPS分支组成的并联机构,其中3个分支交于一个三重球铰,另2个分支交于一个二重球铰,两个球铰固接在一起形成一个复合球铰,代替了并联机构的活动平台,而且机床主轴位于复合球铰中心线上。该机床的特点是结构简单、解耦。针对机构模型建立了约束方程,利用解析法求解机构的位置正反解,并绘制出机构装配简图。     

Dynamic analysis of the 2-DOF planar parallel manipulator of a heavy duty hybrid machine tool

This paper focuses on the dynamic characteristics of the two degree-of-freedom (DOF) planar parallel manipulator of a heavy duty hybrid machine tool. The Newton-Euler approach is employed to derive the inverse dynamic equation of the parallel manipulator. According to the motion planning of the cutting tool, dynamic simulation without cutting force is performed, and the ratio of the masses of counterweights to that of moving parts (not including the counterweight) is optimized. It demonstrates that the manipulator which is designed with over constraint can improve the dynamic behaviour. Furthermore, the cutting force model for face milling is introduced and the dynamic simulation with the dynamic cutting force is carried out. Simulation shows that the oscillation of cutting force is one cause of the vibration of the machine tool in the milling process. In the detailed design, some modification in the structure of the machine tool is made to suppress the vibration.     

一种新型运动副及其在并联机床上的应用

提出了一种基于新型运动副——复合球铰的虚拟轴机床,它是由5-SPS分支组成的并联机构,其中3个分支汇交于一个三重球铰,另2个分支汇交于一个二重球铰,两个球铰固接在一起形成一个复合球铰,代替了并联机构的活动平台,而且机床主轴位于复合球铰中心线上。这种基于复合球铰的5个分支新型虚拟轴机床与基于Stewart平台机构的6个分支的虚拟轴机床相比具有同样多的实用自由度,并且机床结构简单、解耦,其正反解计算及控制亦相对简单。探讨了5分支机床的结构形式,尤其对关键结构——复合球铰的结构,机构位置反解,以及一定姿态下的可达工作空间进行了分析和计算。这种新型虚拟轴机床在空间曲面加工领域将有着广泛的应用前景。     

混联式机床的并联机构刚度解析

了混联式机床中的3－RPS并联机构刚度的边界元解析方法。采用关节合成的方法对并联杆系机构的机械结构系统进行静力学建模;将构件作为柔性体,利用边界元法对并联机构的静力学特性进行了。得出了3－RPS并联机构各分支的受力状态及系统的刚度。     

三杆混联数控机床的运动学研究

介绍了一种3-TPS(RRR)型混联机床,该机床既可进行立式加工,将工作头旋转一定角度后又可实现卧式加工。在工作头下面安装一个数控转台,并配置自动换刀系统后,机床可进化为一台五轴联动的数控加工中心。在分析其约束机构的基础上,给出了机构的位置、速度、加速度逆解方程及雅可比矩阵的计算公式,并进行了机床的工作空间分析。理论分析表明,3-TPS(RRR)型混联机床运动学方程形式简洁,计算简单,控制计算方便,在运动空间内无运动干涉和耦合,无奇异点和不定形位,可操作性良好,有效工作空间大。     

Kinematic calibration of gantry hybrid machine tool based on estimation error and local measurement information

This paper presents the kinematic calibration of a four degrees-of-freedom (DOF) hybrid machine tool based on a novel planar 3-DOFs parallel mechanism and a long movement of the worktable. Closed-form solutions are developed for both the inverse and direct kinematics about the parallel mechanism. The error model is built and the mechanism accuracy is investigated. Two types of kinematic calibration method are proposed by a simple measurement device. The first type of calibration method is based on estimation error, and can easy improve the machine tool accuracy quickly by estimating the error trends. The second type of kinematic calibration method is based on local measurement information, which includes the position errors and does not include the pose errors of the machine tool. The calibration tests showed the effectiveness of the calibration methods, which can be useful for the similar types of parallel machine tool.     

新型并联机床曲面加工的运动控制与后置处理算法

以6自由度6PM2混联数控机床为研究对象,阐述了其独特结构及特性,指出了混联机床数控加工后置处理中的两个关键问题——刀位数据转换和运动控制算法。给出了后置处理中刀位数据的转换方法和过程,提出了一种基于并联结构和串联结构的新型并联机床即混联机床的运动控制算法。     

新型并联机床作业空间与奇异性分析

提出一种新型的平面三自由度并联机床，分析了该机床的两类构型奇异问题。在定义出机床位置空间的基础上，借助奇异性分析，提出兼顾运动平台实现位置能力和姿态能力的位姿空间描述方法，为此类机床的尺度设计、路径规划和控制提供了依据。     

多功能模块化串并联机床结构的研究

在分析当前机床技术发展的趋势的基础上，提出了一种新型模块化并联机床结构，机床主运动的实现采用并联机构，工件的进给运动由串联机构实现。研究了机床主运动模块平面二自由度机构的运动特性，给出了机构运动学正反解。机床采用模块化结构设计，据加工需要，可方便快捷地组合设计不同自由度的机床；运动机构串并联相结合，既具有结构简单，刚度重量比大，响应速度快的特点，又具有工作空间较大的特点。     

新型3T2R龙门式混联机床动力学模型

提出了一种以能实现沿X、Z轴平移和绕X、Y轴转动的新型并联机构2-RPU2-UPS作为主体,辅以能实现主体Y轴滑动的直线导轨来共同实现五坐标联动加工的一种新型龙门式混联机床的机构设计方案。运用螺旋理论分析了该机床实现3T2R运动原理,计算出该机床的自由度,进行输入选取与论证,并进行机床机构奇异分析,提出减少奇异的参数设计条件。建立该机床的位置反解数学模型,推导出了该机床的速度雅可比矩阵和加速度分析表达式,求解了该机床的位置反解、速度和加速度。基于虚功原理和该机床的运动学模型建立该机床的动力学模型,并采用Adams软件对该机床动力学进行模拟仿真,模拟结果表明理论结果完全正确。     

三杆混联数控机床的动力学

为了考察3-TPS型立卧转换式混联数控机床的动态特性、解决机床构件结构参数的选择和优化以及机床的控制等技术问题,使用拉格朗日方法研究了该种混联数控机床的动力学问题。首先根据机床的结构特点将拉格朗日动力学方程展开成表示在笛卡尔坐标中的标准形式,并将机床按照其结构特点分为动平台、三个驱动支链和平行约束机构三个子系统,然后分别推导了三个子系统的动能和势能的计算模型,在此基础上建立了机床在笛卡尔坐标中的拉格朗日动力学方程,并根据拉格朗日动力学方程的标准形式用递推方法得出了动力学方程中三个子系统的惯量矩阵M、科氏项系数V和重力系数G等各系数的计算公式,最后总结出了相应的算法。机床的这种动力学模型概念清楚,计算比较简单,可以满足机床的控制要求。     

混联机床并联机构的逆动力学分析

采用Lagrange方法建立了VC80混联机床两自由度并联机构封闭形式的逆动力学模型,并用ADAMS建立的虚拟样机验证了该模型的正确性。对给定的加工轨迹下并联机构所需的驱动力进行了计算和分析,结果表明,该混联机床并联机构的动平台和连杆重力需要的驱动力分量最大,其次是切削力和惯性力,而动平台速度的不同对驱动力的影响较小。
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混合型4自由度并联机构及其运动学建模

提出一种混合型４自由度并联平台机构，该机构的动平台能够实现两个方向的移动以及绕两个方向轴线的转动。研究了该机构的运动学建模方法，给出了运动学正、逆解。基于本文所提出的４自由度并联机构已成功地研制出一台五坐标并联机床。     

混联数控机床虚拟加工系统的研究与开发

针对混联机床加工过程中干涉检查、空间刀具半径补偿及编程难等问题,分析了混联机床运动学逆解,提出了一种空间任意面内的刀具半径补偿方法,给出了干涉检查的判断条件。以V is-ual C++为开发环境,应用AutoCAD二次开发工具ObjectARX,建立了由NC代码驱动的混联数控机床加工仿真系统,实现了以真实加工条件为依据的加工过程实时动态模拟,预估加工的过程和结果,为检查NC代码的正确性提供了可靠的依据。     

基于凯恩方程的新型并联机床动力学研究

新型并联机床是空间多环机构在机床领域的创造性应用,本文以凯恩方程为基础建立了该机床的封闭形式的动力学方程,该方程不使用动力学函数且不需求导运算,因而便于计算机实现,为对并联机床进行动态分析与设计提供了基础。     

一种混联型虚拟轴机床的位置正确与工作空间分析

提出了以4自由度空间并联机构作为主进给机构，辅以双向移动工作台实现多坐标数控加工的一种混联型虚拟轴机床的配置方案，推导出了主进给机构位置正确的封闭方程，基于曲面分析方法分析了主进给机构及其虚拟轴机床的工作空间，并给出了数值实例。