【正文】 研究起點(diǎn)。 1979 年 MacCallion 設(shè)計(jì)出第一臺(tái)基于 Stewart 平臺(tái)的機(jī)械手臂 [21],將其應(yīng)用在自動(dòng)化裝配上 ,從此以后 Stewart 平臺(tái)也稱(chēng)作并聯(lián)機(jī)器人。 20 世紀(jì) 80 年代 ,人們對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究主要放在各種并聯(lián)機(jī)械手、機(jī)器人上 ,這期間出現(xiàn)了 DELTA 和 HEXA 并聯(lián)機(jī)構(gòu) ,兩者在 90 年代中后期都已經(jīng)成功地進(jìn)行了商品化 ,瑞士 DEMAURREX 的 DELTA 機(jī)器人 (如圖 所示 ) 到 2021 年底時(shí)已經(jīng)在世界各地賣(mài)出了 500 臺(tái)套。 圖 11 瑞士并聯(lián)機(jī)器人 圖 12 并聯(lián)機(jī)床示意圖 第 3 頁(yè) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種新型的機(jī)構(gòu)，具有傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是串聯(lián)機(jī)構(gòu)的補(bǔ)充和發(fā)張，對(duì)于機(jī)床技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重要作用。 機(jī)構(gòu)的發(fā)明與發(fā)展同人類(lèi)的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，它促進(jìn)著生產(chǎn)力的發(fā)展、生產(chǎn)工具的改進(jìn)和人類(lèi)生活水平的不斷提高。從三國(guó)時(shí)期諸葛亮的 “木牛流馬 ”到捷克作家查培克筆下強(qiáng)壯的“Ro—bot”，無(wú)不體現(xiàn)著人類(lèi)對(duì)新技術(shù)、新機(jī)構(gòu)的幻想與渴望。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，使得機(jī)器人的研究、機(jī)床的研究出現(xiàn)了新的熱點(diǎn)，彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)構(gòu)的不足。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度好、承載能力大、位置精度高等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外工程界與學(xué)術(shù) 界的廣泛關(guān)注，幾十年來(lái)，人們對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究如火如荼，不斷致力于新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研發(fā)。 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)同時(shí)由多根桿支撐，相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的懸臂梁式，其剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在相同的自重或體積下有較高的承載能力；第二，串聯(lián)機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器上的誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的累積和放大，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)的此種累積和放大關(guān)系相對(duì)較小，故其誤差小、輸出精度高；第三 ， 串聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)大都放在運(yùn)動(dòng)著的大小臂上，增加了系統(tǒng)的慣性，影響了動(dòng)力性能，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)便于將電機(jī)置于基座上，減小了 運(yùn)動(dòng)負(fù)荷。此外，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還具有運(yùn)動(dòng)速度高、部件簡(jiǎn)單、便于控制、通用程度好等優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜?，并聯(lián)機(jī)構(gòu)受到了各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，特別是在上世紀(jì) 90年代以后得到了迅猛發(fā)展，已成為機(jī)構(gòu)學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論研究主要集中在機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制等領(lǐng)域，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有：并聯(lián)機(jī)床、飛行模擬器、空問(wèn)飛行對(duì)接機(jī)構(gòu)、裝配生產(chǎn)線、衛(wèi)星天線換向裝置、海軍艦艇觀測(cè)臺(tái)、天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤定位系統(tǒng)、動(dòng)感娛樂(lè)平臺(tái)以及醫(yī)療設(shè)備等。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)是空間多環(huán)結(jié)構(gòu)，早在 1938 年 Pollard 就提出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)給汽車(chē)噴 第 4 頁(yè) 漆， 1949 年， Gough 提出用一種關(guān)節(jié)聯(lián)接的機(jī)器檢測(cè)輪胎，但其實(shí)際應(yīng)用一般認(rèn)為始于 20 世紀(jì) 60 年代。 1965 年德國(guó)的 最先提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于作訓(xùn)飛機(jī)駕駛員的飛行模擬器， 1978 年 Hunt 等人提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器手。真正將并聯(lián)機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用于機(jī)床是在 1994 年 ,這年的美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床博覽會(huì) (IMTS?94)上 ,美國(guó)的 Giddingsamp。Lewis 公司推出了歷時(shí) 6 年研制的第一代 “變軸 ”并聯(lián)機(jī)床 ,即 “Variax”機(jī)床 ( 如圖 4 所示 )。Ingersoll 公司 推出了 第一代 八面體 六足蟲(chóng) 并聯(lián)機(jī) 床 , 即OctahedrHexapod VOH1000(如圖 8 所示 )。這些并聯(lián)機(jī)床的推出引起了極大的轟動(dòng) ,被稱(chēng)作 “機(jī)床行業(yè)的革命 ”“是 21 世紀(jì)的新一代數(shù)控加工設(shè)備 ”[22][23],但此時(shí)的 第一代并聯(lián)機(jī)床還只能稱(chēng)作原型樣機(jī) ,大多數(shù)僅僅能夠加工臘模等易加工材料 (如圖 9所示 )。 97年以后 ,世界各國(guó)都掀起了研究并聯(lián)機(jī)床的熱潮 ,并聯(lián)機(jī)床的研制水平似乎已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)床行業(yè)水準(zhǔn)的標(biāo)桿。到 2021年的德國(guó)漢諾威國(guó)際機(jī)床展 (EMO?2021)上 ,已有多個(gè)國(guó)家的 30余臺(tái)并聯(lián)機(jī)床參展。此 時(shí)并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的 應(yīng)用也已不僅僅局限于加工機(jī) (milling machines),種類(lèi)還涉及到加工中心(machining centers/robots)、定位和定向機(jī)械 (devices for position and orientation),測(cè)量機(jī) (measuringmachines)(如圖 10所示 ),裝配機(jī)械 (assemblingdevices)等等。 圖 13 9Octahedral Hexapod 加工臘模過(guò)程 圖 14 俄羅斯 TM750 95 年以后 ,并聯(lián)數(shù) 控機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)一直得到國(guó)內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視 ,1998 年由美國(guó)科學(xué)家基金會(huì)提議在意大利米蘭召開(kāi)了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器 第 5 頁(yè) 專(zhuān)題研討會(huì) ,2021 年又在美國(guó)密執(zhí)安召開(kāi)了第二屆 ,并于 2021 年 4 月底在德國(guó)開(kāi)姆尼斯召開(kāi)第三屆研討會(huì)。目前 ,從事并聯(lián)機(jī)床 (機(jī)構(gòu) )研究的機(jī)構(gòu)迅速增多 ,僅在加拿大拉瓦爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)立的網(wǎng)站上登記的研究機(jī)構(gòu)就有上百家 (到 2021 年 6 月 ),日本 Cosmo Center 開(kāi)展并聯(lián)機(jī)床研究的大型實(shí)驗(yàn)室有 91 家 :美國(guó) 19 家 ,加拿大 8 家 ,德國(guó) 9 家 ,瑞士5 家 ,意大利 7 家 ,法國(guó) 7 家 ,南韓 8 家 ,日本 11 家 ,其他國(guó)家 17 家。開(kāi)展并聯(lián)機(jī)床研究的大公司有 18 家 :其中有美國(guó)的 Hexel 公司、 Ingersoll 公司 ,俄羅斯的 Lapik 公司 ,挪威的Multicraft 公司 ,日本的 Okuma 公司、 Toyoda Machiools 公司以及德國(guó)、加拿大、意大利、西班牙、荷蘭、澳大利亞、南韓等國(guó)家的一些大型機(jī)床公司。有關(guān)并聯(lián)機(jī)床研究的較大研發(fā)中心 (Ramp。D Centers)共有 19 家 :其中 ,加拿大有 2 家 ,美國(guó)有 7 家 ,法國(guó)有 1家 ,荷蘭有 7 家 ,德國(guó)有 1 家 ,英國(guó)有 1 家。此外 ,于 1996 年底德、意、法、英、瑞士、瑞典和西班牙等七國(guó) 在歐共體資助下啟動(dòng)了 ROBOTOOL 大型跨國(guó)聯(lián)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目 ,并在互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立了網(wǎng)站 ,凡是他們的成員都可以得到該網(wǎng)站的 FTP 服務(wù)。目前在該項(xiàng)目下的成員單位如下 :從事加工機(jī)床 (milling machines)研究的機(jī)構(gòu)有 32家 。從事加工中心 /機(jī)器人 (other machining centers/robots)研究的機(jī)構(gòu)有 12 家 。從事機(jī)器robots)研究的機(jī)構(gòu)有 17 家 ,從事定位、定向并聯(lián)裝置 (devices for position and orientation)研究的機(jī)構(gòu)有 25 家 。從事測(cè)量機(jī)床 (measuring maschines)研究的機(jī)構(gòu)有 2 家。 國(guó)外的并聯(lián)機(jī)床發(fā)展至今 ,已不僅僅停留在實(shí)驗(yàn)型樣機(jī)階段 ,眾多公司、研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出了商品化的 Ⅱ 型甚至 Ⅲ 型產(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。 國(guó)內(nèi)早在 80 年代初燕山大學(xué)就開(kāi)始對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)地研究。到北京第屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì) (CIMT?97)時(shí) ,俄羅斯 Lapik 公司展出了加工、測(cè)量?jī)捎?TM750 型并聯(lián)機(jī)床 (如圖 7 所示 ),引起了中國(guó)許多科研院所、大 學(xué)以及工廠的極大興趣 ,使他們看到了并聯(lián)機(jī)床的應(yīng)用前景 ,并在隨后的一段時(shí)間里有力地促進(jìn)了中國(guó)并聯(lián)機(jī)床的研究工作。從 1998 年開(kāi)始 ,我國(guó)的各個(gè)研究單位取得了一系列標(biāo)志性成果 : 清華大學(xué)和天津大學(xué)合作于 1998年研制成功我國(guó)的第一臺(tái)基于 Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu) 第 6 頁(yè) 的大型鏜銑類(lèi)虛擬軸機(jī)床原型樣機(jī) VAMT1Y,并在 2021 年的中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上推出了與昆明機(jī)床股份有限公司合作開(kāi)發(fā)的 XNZ63 數(shù)控鏜銑類(lèi)虛擬軸機(jī)床和與江東機(jī)床有限公司合作開(kāi)發(fā)的 XNZ2021 數(shù)控龍門(mén)式虛擬軸機(jī)床 ,2021 年的中國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上又展示了與大連機(jī) 床集團(tuán)合作研制的 DCB510 五軸聯(lián)動(dòng)并聯(lián)機(jī)床。 北京理工大學(xué)于 2021 年 6 月制成六自由度 BKXI 型變軸數(shù)控機(jī)床樣機(jī)。河北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了新型五自由度五軸數(shù)控并聯(lián)加工中心的試驗(yàn)樣機(jī) ,并且申請(qǐng)了專(zhuān)利。哈爾濱工業(yè)大學(xué)并在 2021 年的中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上推出了與哈爾濱量具刃具廠合作開(kāi)發(fā)的 6SPS 并聯(lián)機(jī)床 ,在 2021 年的中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上二者聯(lián)合展出了 7 自由度并聯(lián)機(jī)床。 圖 15 北京理工大學(xué)的 BKX—I型 圖 16 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 并聯(lián)機(jī)床加工出的 BIT 字樣 BJ1 型并聯(lián)機(jī)床加工葉輪的過(guò)程 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 ,可以形象地說(shuō) ,我們正在起步 ,而他們僅僅在小跑 ,在這個(gè)領(lǐng)域我們是完全有可能趕上并超越他們的。 第 7 頁(yè) 少自由度機(jī)構(gòu)介紹 隨著空問(wèn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)理論、技術(shù)與應(yīng)用的不斷發(fā)展，對(duì)各種空間機(jī)構(gòu)的性能要求在不斷地提高。其中，空間少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與 6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)便宜、控制較容易，具有良好的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。一個(gè)不受任何約束的自由體在空間有 6 個(gè)自由度，即 3 個(gè)方向移動(dòng)的自由 度和 3 個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。如果物體受到不同程度的約束，自由度將不同程度的減少，使自由度為 2~5 個(gè)，實(shí)現(xiàn)這種少自由度的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為少自由度機(jī)構(gòu)，有一些特殊性能需要研究。 人們對(duì)有 6 個(gè)自由度的純自由體機(jī)器人已有很多研究，而對(duì)于少自由度機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)較少，因其存有的幾個(gè)自由度不像原來(lái)純自由體時(shí)對(duì)應(yīng)的那幾個(gè)自由度那么自由。所以可稱(chēng)有 6 個(gè)自由度的純自由體是有絕對(duì)自由度的，而受到約束后的機(jī)構(gòu)，不但被約束掉某幾個(gè)自由度，剩下的不被約束的幾個(gè)自由度也．不那么自由了，只有其相對(duì)的不完全的自由。 少自由度的研究意義 少自由度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)最大的特點(diǎn)是自由度少于六，動(dòng)平臺(tái)受到約束。要求動(dòng)平臺(tái)所受到的實(shí)際約束與期望的約束一致，并且實(shí)際約束之間存在一定的幾何關(guān)系，保障其綜合作用的結(jié)果符合動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)自由度。另外，絕大多數(shù)少自由度并聯(lián)機(jī)機(jī)構(gòu)中存在約束，這樣的約束螺旋線性相關(guān)，也必然要求螺旋軸線方位間存在特殊幾何關(guān)系，如平行、垂直、共面、匯交于一點(diǎn)等。由于不可避免的制造誤差、安裝誤差、受力變形以及由環(huán)境溫度引起的熱變形，這些特殊的幾何關(guān)系通常不能得到滿足，即約束的幾何關(guān)系具有誤差，且一般具有隨機(jī)性，這導(dǎo)致了動(dòng)平臺(tái)所受約束不確定性的特點(diǎn)。對(duì)動(dòng)平臺(tái)而言 ，約束的不確定性導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)自由度的改變，如非期望的運(yùn)動(dòng)輸出或暫時(shí)自由度減少甚至消失。對(duì)具有過(guò)約束的機(jī)構(gòu)而言，這將導(dǎo)致難于裝配甚至不能裝配，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的附加內(nèi)力，引起振動(dòng)和噪音，加速運(yùn)動(dòng)副磨損，導(dǎo)致壽命縮短。單純的通過(guò)提高制造精度不但代價(jià)高昂，也不可能從根本上消除約束不確定性的影響。因此，有些看似很有應(yīng)用前景的少自由度并聯(lián)構(gòu)型在實(shí)際中很難保證精度和動(dòng) 第 8 頁(yè) 力學(xué)性能，必須充分考慮其約束特性和過(guò)約束特征。這也是無(wú)過(guò)約束少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題逐漸受到重視的原因。 少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 近幾年來(lái) ，少自 由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為新的研究熱點(diǎn)。因?yàn)檫@種機(jī)器人相對(duì)六自由度機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作空間大等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)及其它 領(lǐng)域有著更加廣闊的應(yīng)用前景。例如 1 9 8 3年 H u n t提出的 3自由度 3一 R P S 空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)； 1 9 9 0 年 P i e r r o r 等提出的 D e l t a機(jī)構(gòu)； 1 9 9 6年 T s a i 提出的 3自由度三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)等；它們成功地應(yīng)用在加工中心機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)設(shè)備上。 相對(duì)于 6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)有下列優(yōu)點(diǎn)： ① 驅(qū)動(dòng) 件減少，構(gòu)件少； ② 工作空間大； ③ 運(yùn)動(dòng)耦合較弱，容易解耦； ④ 控制簡(jiǎn)單方便； ⑤ 制造容 易，價(jià)格低廉； ⑥ 正向求解簡(jiǎn)單。 在許多場(chǎng)合應(yīng)用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)只需部分自由度，例如 2— 5 自由度就可以滿足使用要求 ，這類(lèi)自由度少于 6 的并聯(lián)機(jī)器人被稱(chēng)為少自由度并聯(lián)機(jī)器人。自 2 0 世 紀(jì) 8 0 年代以來(lái) ，世界各國(guó)的機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)者先后開(kāi)展了對(duì)少自由度并