【正文】 ................ 29 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 結(jié)論 ..................................................................................................................... 58 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 59 致謝 ..................................................................................................................... 63 附錄 1.................................................................................................................... 5 附錄 2.................................................................................................................... 6 章及標(biāo)題 1 第 1 章 緒論 課題 研究 背景 和意義 制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部 門和國(guó)防建設(shè)提供技術(shù)裝備的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，無論是在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還是在發(fā)展中國(guó)家，其綜合國(guó)力的基礎(chǔ)都是制造業(yè)，它的每一次飛躍都會(huì)給人類社會(huì)帶來深遠(yuǎn)的影響，可以說，沒有發(fā)達(dá)的制造業(yè)就不會(huì)有國(guó)家的發(fā)達(dá)與強(qiáng)大。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和新技術(shù)革命的沖擊，制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)也發(fā)生了質(zhì)的改變。傳統(tǒng)的制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新材料技術(shù)、管理技術(shù)相結(jié)合，先后出現(xiàn)了多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)與制造模式。 而 在機(jī)械加工領(lǐng)域，科技工作者一直堅(jiān)持不懈地為追求完美的加工設(shè)備而努力。 作為先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備，數(shù)控機(jī)床與數(shù)控加工中 心主要應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、電力、船舶和機(jī)車車輛等工業(yè)領(lǐng)域，另外，一些新興的高科技項(xiàng)目，如現(xiàn)代醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、數(shù)字通訊技術(shù)、微電子元件及機(jī)電一體化產(chǎn)品等，都需要數(shù)控機(jī)床來制造，數(shù) 控機(jī)床的制造與應(yīng)用水平制約著這些領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是在我國(guó)，對(duì) 機(jī)床的精度和效率提出了更高的要求。 20 世紀(jì) 90 年代后，市場(chǎng)對(duì)加工設(shè)備的精度、速度、加工靈活性及加工裝備自身的生產(chǎn)周期和成本等不斷提出了更高的要求。傳統(tǒng)的數(shù)控加工機(jī)床已不能滿足更高的要求，于是各國(guó) 都在積極探索和研制新型多功能制造設(shè)備與系統(tǒng) 。在這樣一種背景下，并聯(lián)機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。 和傳統(tǒng)的 機(jī)床相比，并聯(lián)機(jī)床具有以下優(yōu)點(diǎn) [1]： (1) 并聯(lián)機(jī)床中的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所受外力由所有分支共同承擔(dān)，各桿受力要比總負(fù)荷小，且這些桿件只承受拉壓載荷，而不承受彎矩和扭矩，從而使并聯(lián)機(jī)床整個(gè)系統(tǒng)的剛度有較大提高； (2) 由于并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)部件慣性的大幅度降低，有效地改善了伺服控制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)很高的進(jìn)給速度和加速度，適于高速加工，從而縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率； (3) 組成部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而控制軟件復(fù)雜，是一種技術(shù)含量很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品； 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 (4) 并聯(lián)機(jī)床主軸的空間位姿靈活，可以從任 何角度進(jìn)入工作表面，因而易于實(shí)現(xiàn)對(duì)表面形狀復(fù)雜、孔隙方位多的零件的加工。 由于并聯(lián) 機(jī)床 具有以上優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的 研究 應(yīng)用， 但并聯(lián)機(jī)床 的各種誤差的存在使得輸出端 位姿精度下降，這在一定程度上 制約了并聯(lián) 機(jī)床 的 應(yīng)用 。并聯(lián) 機(jī)床最為關(guān)鍵的 指標(biāo) 是加工 精度， 加工精度更大程度上決定這其性能和價(jià)格。 并聯(lián) 機(jī)床 位姿精度的影響因素主要有 ：設(shè)計(jì)誤差、加工制造 裝 配誤差， 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)誤差、鉸鏈間隙誤差以及工作環(huán)境引起的誤差等各種因素 [2]。每一種因素的存在都將會(huì)影響并聯(lián) 機(jī)床 輸出位姿精度，因此，并聯(lián)機(jī) 床 位姿誤差分析與補(bǔ)償?shù)难芯恳鹆嗽S多研究者的重視 。 但 在并聯(lián) 機(jī)床 誤差分析與補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)研究方法中， 沒有充分探討并聯(lián)機(jī)床尺寸對(duì)誤差的影響程度，對(duì)于并聯(lián)機(jī)床的終端誤差往往不考慮其中元素之間的差別，對(duì)影響誤差的因素也很少做區(qū)分。 因此考慮多因素綜合影響作用下，并聯(lián) 機(jī)床 位姿誤差分析與補(bǔ)償問題顯得越來越重要，通過對(duì)并聯(lián) 機(jī)床 誤差分析與誤差補(bǔ)償?shù)纳钊胙芯?，無疑可以提高并聯(lián) 機(jī)床 位姿精度和系統(tǒng)性能，并為其應(yīng)用研究奠定一定的理論基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值 [3,4]。 并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展概況 并聯(lián)機(jī)床的理論基礎(chǔ)是空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)理 論， Clerk J. Maxwell 和 A. annheim 早 在 1890～ 1894 年就進(jìn)行了空間機(jī)構(gòu)理論的研究 [5]。 1966 年 D. Stewart 發(fā)表 《 A Platform with Six Degrees of Freedom》 ，根據(jù)其在飛行模擬器上應(yīng)用的自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) [6]， 提出著名的 Stewart(如圖 11， 12)平臺(tái)機(jī)構(gòu)，闡述了 6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成理論，隨后 6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 都 被稱為 Stewart平臺(tái)。 但開始，人們還只是對(duì)這種機(jī)構(gòu)停留在理論分析 [7,8]。 圖 11 Stewart 平臺(tái) 圖 12 Stewart 平臺(tái)示意簡(jiǎn)圖 章及標(biāo)題 3 1994 年，美國(guó)的 Giddingamp。Lewis 公司在芝加哥國(guó)際博覽會(huì) (IMTS‘ 94)上展示了名為 Variax(如圖 13)的數(shù)控機(jī)床和加工中心， 引起轟動(dòng)。 揭開了數(shù)控機(jī)床發(fā)展史上新的一頁。這種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床開始受到人們的關(guān)注并且很快成為制造業(yè)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 圖 13 Variax 型并聯(lián)加工中心 從圖中可見， 6 根由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的伸縮桿。 借助萬向鉸固定在下平臺(tái)上這種結(jié)構(gòu)也被稱為“ 6 條腿 (Hexapod)” 。 絲杠的螺母通過萬向鉸支承著上平臺(tái)桿件長(zhǎng)度的伸縮使帶有主軸部件的上平臺(tái)完成加工零件所需的運(yùn)動(dòng) 。 1995 年，美國(guó)另一家著名機(jī)床生產(chǎn)廠家 Ingersoll Milling Machine Rockford 公司也推出了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的加工中心： Octahedral Hexapod VOH1000。 該機(jī)床除了能夠?qū)崿F(xiàn)多功能銑削加工之外，還可以作為綜合測(cè)量機(jī)、輕型壓床等使用。 但是由于種種原因， Ingersoll 機(jī)床也沒有投入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。兩臺(tái) VOH1000 型立式加工中心分別交付給美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所和美國(guó)國(guó)家宇航局進(jìn)行研究。它們的研究結(jié)果對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展起到很大的促進(jìn)作用 。 到 1997 年的德國(guó)漢 諾威國(guó)際機(jī)床展 (EMO’ 97)上，各國(guó)展出的并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)就已經(jīng)達(dá)到了 10 多種。 97 年以后，世界各國(guó)都加緊了對(duì)并聯(lián)機(jī)床的研制 ，在 20xx 年的德國(guó)漢諾威國(guó)際機(jī)床展 (EMO20xx)上，已有多個(gè)國(guó)家的30 余臺(tái)并聯(lián)機(jī)床參展。 比較著名的有瑞典的 Neos Robotics公司、瑞士的 ETH公司、日本的 Toyada 公司、俄羅斯的 Lapik 公司、德國(guó)的 Mikromat 公司、燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 韓國(guó) Sena 公 司 。在并聯(lián)機(jī)床發(fā)展初期，主要為六自由度并聯(lián)機(jī)床， 后來比較多出現(xiàn)的是三自由度并聯(lián)機(jī)床 。之后，逐步有具有其他自由度的并聯(lián)機(jī)床出現(xiàn)，同時(shí)混聯(lián)機(jī)床 也開始逐步出現(xiàn)。 在經(jīng)過隨后持續(xù)三年的全球跟進(jìn)浪潮后，并聯(lián)機(jī)床在世界范圍內(nèi)已逐漸降溫。這是因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)床在理論和實(shí)踐上有一系列的難冠 。 難以在短期內(nèi)解決，近年來，在運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、機(jī)床設(shè)計(jì)方法、制造工藝、控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)性能研究和工業(yè)應(yīng)用方面都先后取得重大的突破。眾多公司、研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功地開發(fā)出了商品化的第二代甚至第三代產(chǎn)品，這些改進(jìn)型并聯(lián)機(jī)床雖然與高精度的傳統(tǒng)機(jī)床相比還有一定的差距，但已經(jīng)基本達(dá)到一般傳統(tǒng)機(jī)床的性能指標(biāo)，初步進(jìn)入了實(shí)用化階段。例如： 日本 Okuma 公司的 Cosmo Center PM600 (如 圖 14 所示 )并聯(lián)機(jī)床的定位精度 5181。m，橫向進(jìn)給速度 100m/min，最大加速度可達(dá) ，主軸轉(zhuǎn)速 30000r/min， 有一個(gè)可攜帶 12 把刀具的刀庫(kù)。 德國(guó) Fraunhofer 機(jī)床和成型技術(shù)研究所開發(fā)的 Mikromat 6X 機(jī)床 (如圖 17)適于模具的高速加工，其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺(tái) 為 630mm179。 630mm，X、 Y、 Z行程均為 630mm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為 30176。 ， 主軸最高速度為 3000r/min，功率為 16kW，最大進(jìn)給速度為 30m/min，加速度為 10m/s。 圖 14 日本 Okuma 公司 Cosmo 圖 15 德國(guó) Fraunhofer 公司 Mikromat CenterPM600 國(guó)外新型并聯(lián)機(jī)床的進(jìn)給速度一般在 30100m/min 之間，最高加速度一章及標(biāo)題 5 般在 (一些實(shí)驗(yàn)機(jī)型可達(dá) )，定位精度一般在 10181。m 左右，高的可達(dá) 4181。m，重復(fù)定位精度一般在 5181。m左右，高的可達(dá) 1181。m。 我國(guó)對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的研究非常重視，將并聯(lián)機(jī)床的研發(fā)列入國(guó)家“九五”公關(guān)、 “ 863”高技術(shù) 發(fā)展與自動(dòng)化領(lǐng)域“十五”計(jì)劃；在相關(guān)基礎(chǔ)理論研 究方面，也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助。國(guó)內(nèi)也有高校、科研機(jī)構(gòu)以及機(jī)床企業(yè)參與并聯(lián)機(jī)床的研究、制造和商品化。 需要 特別 提出的是，燕山大學(xué)黃真教授自 1982 年以來首次系統(tǒng)地開展了并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論研究，在并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的位置分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、工作空間、特殊位形等方面取得了一系列研究成果，并于 1990 年研制出我國(guó)第一臺(tái)液壓伺服驅(qū)動(dòng)，具有 6 個(gè)自由度的并聯(lián)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，為我國(guó)并聯(lián)機(jī)器人基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)，如圖 16 所示。 此外，清華大學(xué)和天津大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的 VAMT1Y 虛擬軸機(jī)床被評(píng) 為我國(guó)第一臺(tái)大型鏜銑類虛擬軸機(jī)床原型樣機(jī)。清華大學(xué)與昆明機(jī)床股份有限公司共同研制的 XNZ63 并聯(lián)機(jī)床 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)與齊齊哈爾第二機(jī)床企業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制的 BJ1 并聯(lián)機(jī)床 (圖 17)。 總的來說，國(guó)內(nèi)并聯(lián)機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一定差距 ,但這個(gè)差距并不大。 圖 16 我國(guó)第一臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖 17 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制并聯(lián) 機(jī)床 并聯(lián)機(jī)床加工精度測(cè)試與誤差 補(bǔ)償研究現(xiàn)狀 雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)并聯(lián)機(jī)床進(jìn) 行了大量的研究 [913]，并生產(chǎn)了許多實(shí)用的并聯(lián)機(jī)床，但是并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展因 精度 未達(dá)到現(xiàn)有 傳統(tǒng)機(jī)床的水平，其突出的燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)未能充分發(fā)揮出來。 故并聯(lián)機(jī)床 誤差分析 補(bǔ)償 方面的研究成為熱點(diǎn)，并形成了誤差分析、參數(shù)標(biāo)定、誤差補(bǔ)償?shù)妊芯空n題。鑒于本文將側(cè)重研究并聯(lián) 機(jī)床 的精度問題，以下就國(guó)內(nèi)外有關(guān)并聯(lián) 機(jī)床加工精度測(cè)試及 誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行綜述。 精度測(cè)試研究概況 并聯(lián)機(jī)床 的精度是評(píng)價(jià)機(jī)床價(jià)值的重要因素之一 [10]，而精度測(cè)試不僅能評(píng)價(jià)并聯(lián)機(jī)床的性能，也是分析并聯(lián)機(jī)床的誤差因素 提高操作精度工作 的重要保證。 并聯(lián) 機(jī)床精度測(cè)試 研究，國(guó)內(nèi)外并不多見，目前，有關(guān)這方面的研究資料也不多，作為新型 機(jī)構(gòu) ，并 聯(lián) 機(jī)床 本身的精度是非常重要的，但是，由于并聯(lián) 機(jī)床機(jī)構(gòu) 的復(fù)雜性以及其結(jié)構(gòu)的新穎性， 將傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的精度測(cè)量方案 (如 線性光學(xué)鏡 的測(cè)試 )直接用于并聯(lián)機(jī)床精度并不能到達(dá)很好效果[12]。 機(jī)床的主軸運(yùn)動(dòng) 精度 測(cè)量手段多種多樣 [1320]， 常見的 如試切法、激光干涉法、磁性球桿儀 (Magic Ball Bar)、激光球桿儀 (LBB)、間接測(cè)量法等。廣泛使用的有兩種方法 [13,14]：一是激光干涉法，該方法是目前廣泛被使用的高精度測(cè)量，可測(cè)量線性位置精度、重復(fù)定位精度、角度、直線度、垂直度、平行度等。僅依靠光學(xué)系統(tǒng) ，普通干涉儀分辨率可以達(dá)到為 量級(jí)，通過電子細(xì)分法可以提高到 [14]。 另一被廣泛采用的方法是使用球桿儀測(cè)量主軸運(yùn)動(dòng)誤差，并被列入美國(guó)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn) ASME 。球桿儀測(cè)量誤差精度高，時(shí)間短，效率高，成本低，易于獲得大量數(shù)據(jù)，而且測(cè)量得到的是機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)誤差。如英國(guó)的Renishaw QC10 型球桿儀，分辨率為 ，測(cè)量精度