并联机床的运动学标定

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1、o。涮叩m酬Wa，吖c№。。。cwcMac晰。M国产数控机床发展之路并联机床的运动学标定米李铁民，张京雷，李逢春(清华大学机械工程系，北京100084)【摘要】并联机床具有刚度高、动态性能好、加工效率高等特点，已在大型航空结构件的加工等领域得到了成功应用。运动学标定是并联机床重要的精度保证手段之一。本文从误差建模、位姿测量、误差辨识及误差补偿等方面介绍了并联机床的运动学标定方法，并具体介绍了一台国产并联机床的运动学标定试验及相关研究。关键词：并联机床；运动学标定；混联机床DOI：10．16080a．issnl671-833x．2016．06．0

2、41李铁民工学博士．毕业于清华大学精密仪器与机械学系。目前是清华大学机械工程系副研究员。博士研究生导师。清华大学青年教师教学优秀奖获得者，主要科研方向：并联机器．数控技术、先进制造技术。主持和已经完成国家自然基金，国家科技攻关和国家科技重大专项课题10余项．在国内外学术刊物上发表论文100余篇。被SCl和EI收录80余篇．申请国家发明专利30余项。2008年获“中国机械工业科学技术发明一等奖”。2011和2014年分别获得“教育部自然科学二等奖”2次。·基金项目：国家科技重大专项资助项目(2015ZX04001002)；国家自然科学基金资助项目

3、(51275260o并联机床在1994年的美国芝加哥机床展览会上，Giddings＆Lewis公司和Ingersoll公司分别推出了基于并联机构的“六足”并联机床，引起了强烈反响【I】。并联机床具有高刚度、高动态性能等特点，被当时的媒体誉为“机床结构的重大革命”和“21世纪的数控加工装备”，吸引了全世界范围内各个高校和研究机构的研究兴趣[1-2]。在并联机床发展初期，以“六足”机床为代表的六自由度纯并联机床是研究热点，主要原因是并联机床可以解决传统串联机床所存在的运动部件质量大、误差累积效应强等缺点，而这些缺点在自由度少的情况下并不明显。但是，

4、这种六自由度纯并联机床也存在自身的问题，如工作空间与整机的体积比小，工作空间内不同区域机床性能差异大等。这些问题使得它们难以实现实用化【3l。进入21世纪，将并联机床与传统串联机床结合的混联机床开始受到人们的重视。混联机床可以利用串联机床作业空间大、单轴精度高、技术成熟的优势和并联机床刚度高、负载能力强的优势获得良好的综合性能【4】。例如，瑞典Neos公司的啊cept机床瞄1(图1(a))和德国DST公司的Eeospeed机床胪1(图1(b))均是三自由度并联机构加上两自由度串联机构的混联机床。目前，德国DST公司的Ecospeed机床已经被用

5、于欧洲战斗机(Euroflighter)、空中客车(Airbus)等飞机的加工制造。该机床能够克服传统五轴机床难以容纳大功率电主轴等问题，而且其卧式结构具有较大作业空间和更高的上下料效率，因而适合加工大型航空结构件。此外，Tricept机床等其他一些混联机床也在飞机零件制造等领域得到了成功应用[7-s]。1994年以来，国内各高校和研究机构也开始重视并联机床的研究，并研制出多台并联机床样机。但是，目前我国自主研制的并联机床还没能实现真正意义上的实用化。这其中的一个重要原因是机床的精度不足。精度是机床实现加工功能的基础，并联机床与传统机床一样，不

6、但存在热变形误差、负载变形误差和动态误差，而且其结构中存在的铰链和连杆等构件还导致其加工装配误差2016年第6期·航空制造技术41笺论坛FORUMTii¨，1，I"【眯(b)Ecospeed机床图1已经实现商业化的两种典型并联机床Fig．1TwokindsoftypicalparallelmachinetoolscommerciaUzednow较传统机床更为显著。因此，并联机床的精度保证也更为困难。一般来说，机床精度的保证手段包括误差消除和误差补偿。对于并联机床，其加工装配误差尤其需要进行消除和补偿：误差消除主要依靠提高加工质量和装配精度；而误

7、差补偿由并联机构的运动学标定实现。运动学标定通过测量机构终端的运动信息，确定各构件(连杆和铰链等)的尺寸误差和装配误差，并通过机构额外的运动补偿这部分误差。实践证明，运动学标定可以在不提高加工制造成本的情况下大幅提高并联机床运动精度，是并联机床实用化的关键技术之一。并联机床的运动学标定从实现过程来看，并联机床的运动学标定包括4个方面：误差建模、位姿测量、误差辨识和误差补偿。42航空制造技术·2016年第6期1误差建模并联机床的加工装配误差有很多，需要通过合理的建模加以辨识和补偿。误差建模的依据是机构的运动学方程，并联机构运动学方程可表示为：f(

8、P，g，，．)=0，(1)式中，P表示机构终端的位姿，g是主动关节的驱动量，，是机构相关的几何参数，包括铰链安装的位置、转动副和移动副的轴线方向、连杆