[發(fā)明專利]基于機(jī)電耦合特性的并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)值的獲取方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310363227.8
• 申請(qǐng)日: 2013-08-20
• 公開（公告）號(hào): CN103413049A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳軍;王立平;于廣;李鐵民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00;G06F17/50
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)床制造領(lǐng)域，尤其涉及于機(jī)電耦合特性的并聯(lián)機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

在過去的近二十年里，并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于具有高剛度、高承載能力、低運(yùn)動(dòng)慣量等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)界得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在機(jī)床領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。然而，目前只有Z3主軸頭以及Tricept并聯(lián)機(jī)床等取得了矚目的成功，這與人們對(duì)并聯(lián)機(jī)床的期望值相距甚遠(yuǎn)。雖然造成這一現(xiàn)狀的原因眾多，但是并聯(lián)機(jī)床理論上固有的高速、高加速度等動(dòng)態(tài)特性在實(shí)際應(yīng)用中沒有體現(xiàn)出來是限制并聯(lián)機(jī)床廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

因此，研究人員分別采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及彈性動(dòng)力學(xué)方法研究并聯(lián)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性。然而，無論利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)還是彈性動(dòng)力學(xué)研究并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，都主要是針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的特性研究往往是分開孤立研究。如孤立的研究機(jī)械系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性，偏重靜態(tài)的定位精度，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究，只重視控制系統(tǒng)本身的特性，對(duì)數(shù)控加工刀位軌跡的規(guī)劃也只考慮幾何學(xué)問題。這種研究方法對(duì)于常速和常規(guī)精度是適用的，但是難以滿足數(shù)控機(jī)床的高速高精度要求。并聯(lián)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)特性不僅與機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且與伺服電機(jī)的電磁參數(shù)、特性參數(shù)以及動(dòng)態(tài)性能有關(guān)。作為驅(qū)動(dòng)單元的電機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)的輸出是非線性的變速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的變化會(huì)影響機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能，而機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的改變也會(huì)影響電機(jī)自身的運(yùn)行狀態(tài)，這種交互影響使電機(jī)與其拖動(dòng)的機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生耦合振動(dòng)問題。因此，并聯(lián)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能與機(jī)電耦合特性直接相關(guān)。

為了實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性,必須最終將機(jī)電耦合動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)中。然而，縱觀并聯(lián)機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)中流行的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)，這些研究多從運(yùn)動(dòng)學(xué)（以速度為主）角度出發(fā)，以雅可比矩陣或者其衍生矩陣為特征參數(shù)，定義性能度量指標(biāo)。速度是衡量位移變化率的特征量，只能說明物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而不是其它。并聯(lián)機(jī)床是一個(gè)典型的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，系統(tǒng)性能不僅依賴機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)和控制系統(tǒng)性能息息相關(guān)?，F(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)方法完全孤立的設(shè)計(jì)其機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，不考慮機(jī)電耦合效應(yīng)，從而很難設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的并聯(lián)機(jī)床。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于機(jī)電耦合特性的并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)值的獲取方法，把機(jī)械系統(tǒng)性能和控制系統(tǒng)性能一起納入設(shè)計(jì)中，有效提高了整體設(shè)計(jì)的效率，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)可以提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制精度。

本發(fā)明的基于機(jī)電耦合特性的并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)值的獲取方法采用如下步驟：

（1）根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)以及雅可比矩陣選定桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s作為優(yōu)化參數(shù)；

（2）將平均條件數(shù)和平均剛度作為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo),根據(jù)平均條件數(shù)和平均剛度分別與桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s的相互影響關(guān)系，分別畫出相互影響曲線圖,得到最小的平均條件數(shù)和最大的平均剛度值；

（3）將一階固有頻率作為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，根據(jù)一階固有頻率與桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s的相互影響關(guān)系，畫出相互影響曲線圖，得到最大的一階固有頻率；

（4）根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和機(jī)床的控制系統(tǒng)模型，建立機(jī)床機(jī)電耦合控制模型；

（5）基于機(jī)電耦合模型，將工件輪廓誤差作為機(jī)床加工性能指標(biāo)，根據(jù)該指標(biāo)與桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s的相互影響關(guān)系，畫出相互影響曲線圖，得到最小輪廓誤差；

（6）根據(jù)機(jī)床的性能要求對(duì)平均條件數(shù)、平均剛度、一階固有頻率最大值和最小輪廓誤差加權(quán)，得到桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s的最優(yōu)取值范圍；

（7）從最優(yōu)取值范圍中選擇一組桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s值，根據(jù)這些參數(shù)對(duì)機(jī)床性能校核，若滿足機(jī)床的性能要求，則該組桿長(zhǎng)l和連桿橫截面積s值作為優(yōu)化值，否則重復(fù)步驟(6）直到滿足機(jī)床的性能要求。

本發(fā)明提供一種在并聯(lián)機(jī)床的初始設(shè)計(jì)階段，基于機(jī)電耦合特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)值的獲取方法，其特點(diǎn)和有益效果是：

1.與現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相比，在設(shè)計(jì)的初始階段，把控制系統(tǒng)性能對(duì)于并聯(lián)機(jī)床系統(tǒng)性能的影響考慮進(jìn)去，將機(jī)械系統(tǒng)性能和控制系統(tǒng)性能同時(shí)考慮，有效提高了整體設(shè)計(jì)的效率，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

2.在并聯(lián)機(jī)床的初始設(shè)計(jì)階段，就可以準(zhǔn)確的仿真出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制性能。

3.本方法可以應(yīng)用在關(guān)于機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于機(jī)電耦合特性的并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)值的獲取方法流程框圖。

圖2為本實(shí)施例中平均條件數(shù)與桿長(zhǎng)和連桿橫截面積相互影響曲線圖。