1、156王殿君等:并聯機械手運動學分析及仿真第6期第6期2013年6月機械設計與制迢Machinery Design & Manufacture并聯機械手運動學分析及仿真王殿君S馮玉倩2,高錦宏I,劉占民S王 偉I(1.北京石油化工學院機懺I：程學院北京1O2617；2J匕京化匸大學 機電匸程學院，北京100029)摘 要:提出適合于焊接工作的6-PTS并聯機械手針對該并聯機械手的性能、運動學.工作空間等問題進行了較為深入 和系統的分折 基于Matlab對該機械手進行速虞、加速度正逵解運動學分析與仿幾確定運動平臺的工作空間并進行仿克 根據仿幾結果分析機械手各個關節的運動狀態得列所需的理論

2、數據.并分析該機構主要參救對工作空間的夠響 最后 進行了臘模加工方式模擬焊槍運動實驗 實驗結髮表明：該機械手運動平臺靈活空間較大，可以滿足焊接治求， 關鍵詞併聯機械手;運動學;工作空間中圖分類號:TH16；TP242.6文獻標識碼:A文章編號：1001-3997(2013)06-0155-03Parallel Robot Mechanism and Control System DesignWAN(； I)ian-jun EENG Yu-qian2t GAO Jin-hong11 LIU Zhan-min1, WAN(i Wei1(1.Mechanical Engineering Academ

3、y, Beijing Institute of Petro-Chemical Technology, IJeijing 102617. China;2.Mechanical and Electrical Engineering Academy, Brijing University of Chemical Technology 9 Beijing 100029. China)Abstract： 6-IHS parallel ma/iipulaloi uas pul font cud. ichicli nas suitable for the uvlding tcofk. The tobol p

4、erfotmcuice < kinematics. norkipate in -depth and system urue analyzed. The manipulator kinematics of Join aid and inverse solution on velocity and acceleration n ere analyzed and simulated based on Matlab sofhiaie. and the u oiks pace of the moving platform uas detetmined and simulate(L The c(uh

5、 joint motion o/' manipulator nt re analyzed atcotding lo the simulation f exults .and the theory data urte obtained. The noikpace influence nas analyzed on the main pa/a/neters Finally the experiment of uax mold /Hocesiin mode u as presented to iimulale lhe a ciding larch movemcnl. The test

6、7; results shou that the flexible u orkspace of the manipulator platform are bi耳 uhich can meet the requirements of u eldin.Key Words：Parallel Manipulator： Kinematics； Workspace© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 156王殿君等:并聯機械手運動學分析及仿真第6期© 19

7、94-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 156王殿君等:并聯機械手運動學分析及仿真第6期來稿日期：2D12-O8-14墓金項目：國家“八六商技LI(2OO7AAO4Z255 2012.4AO41402);Jt京幣屬島誓學枝人才強教深化計劃資助項LI(PHK201008355 JH1K200907221); J 匕京巾教委科技發展計劃資助項 U( KM2OO710017(X)5)作者簡介:王殿杵.(1974) 男遼寧域城人博t號:位風教授主耍研究方向:機需人技術在高速I動化炸

8、接領域中焊接系統需耍對燼槍進行髙衲 度的點位控制以完成焊槍定位、還態涮幣等操作;而髙速并聯機 械F作為一種新型的機械F具有剛度大、負載能力大等優點，便 得高速并聯機檢手在門動焊接領域中具有廣泛應用師根據炸接運動要求設計了 6-P1S并聯機械對該并聯機 構的R由度、機構性能、運動學待性、丁作空間待點以及在仿貞軟 件卜對構型待點和運動學性能做了深入分析;選用Linux操作系 統采用了 1PC+PMAC的開放式數控體系構建了控制系統;展 后采用膽模加匸方式模擬焊槍運動進行了加丁實喩z 2并聯機械手機械結構方案2.1方案比較Hunt基于構件數目和選擇不同類型欽鏈基礎匕提出了 23 種比較實用的并聯結構

9、形式.并揚出構型的墾界主要源于報動方 式和鐵鏈配置的乞種町能組合在此堆礎上.備國學拎根據機器人所耍完成的任務提出務 種不同類申的機構.現冇公J的并聯機構冇80多種 在大悄的垂 礎上結合本課題實際內容提出以卜兒種方案：3-TPS(虎克狡-移 動碣球牧)3-TPT(虎克餃移動刷球絞)在丁業中.桿并聯 機構(Tripod)和六桿并聯機構(Hexapod)應用最為廣泛.Delta機 構和Trieept機構是典塑的三桿并聯機構.Slewart平臺是典型的 六桿并聯機構芳慮到在進行焊接時焊接丁藝的耍求綜合考慮 以上務個構型.決定選用6-HS塑并聯機構.因為6-PTS機構町 以實現三個方向的平動和沿個軸線的

10、轉動.R/16個j|由度. 并且該機構的運動構件的質就小，運動靈活2.2并聯機械手機械結構設計ffl I療體結構Fig.1 (Krrall Strvrturr機器人機械結構的設計包括包括絲杠設計、電機設汁、同步 帶的設計等并聯機構包含由6個交渝伺服電機作為動力系統6 個電機連同絲杠都與定平臺固定不動機構由六根相同的支鏈組 成.毎個支鏈的長度固支鏈的一靖在絲杠屮上卜滑動毎根支 鏈由絲杠和同步帶作為傳動系統.將秸個機構在16中進行三維 建模并進行運動學分析模型如圖1所示。2.3并聯機械手自由度的計算根據 Kulzbach Grubier 公式：sM=6(“-g-l)+半(1)式中:M機構I由度數；

11、“一機構總構件數;L關H數”;一所仃關節自由度總數機構上卜平臺共有構件14個.聯結這8個桿件共侑18個 運動副其中包括6個球較鏈，毎個球餃鏈相對自由度為3.6個 虎克餃每個相對自由度為2,6個移動關,每個相對f|由度為1 所有運動副的相對"由度數為36求得該機構F1由度為W=6x (14-18-1)+36=603并聯機械手運動學分析3.1運動學分析與仿真運動學分析包括位移速度加速度分析根據速度的分析 和仿貞過程彳制;動平臺運動與絲杠劇運動的關系該關系的得出 有利于在描定動平臺運動的悄況卜 合理估計電機和絲杠性能加 速度分析仿戌過程町以為在耍求較島加速度運動悄況F合理放 置并聯機構，達

12、到機構的最大效用f經過分析得出當刀尖點的運動規律為八=岡：w6x/p=455; 榊據此運動規律求御乞個絲杠副的滑動速度規律.如圖2所示圖2飪杠剛的速度爛律Fig.2 Ixuxi Screw Speed分析刀尖的運動規律為冃+10sin(f) z=455時，絲杠 副的加速度規笊如圖3所示 所冇仟是在同一個坐標系卜0示 的6根支鏈的加速度規律X>-1001020圖3線杠副的加速度規律Fig.3 Screw Acvelrrution liu3.2工作空間影響因素的分析蹄定參裁點G是動平臺執行誥的端點工作空間是該端 點住空間可以達到的所右點的集合、并聯機器人作空間的研究 一血以來備受關注.丁作空

13、間分析見設汁并聯機器人操作器的許 要環節機器人的T作空間是機器人操作器的作區域它是衡 肚機器人性能的亞要折標并聯機益人的一個放大的弱點是空何 小因而研究并聯機構的丁作空間是非常載耍的并聯機器人的 工作空間小應該說這是一個相對的概念，同樣的機構尺寸.串聯 機構比并聯機構的空何大。圖4罐杠站淆動趾聲為50mm時機構的【作空間 Fig.4 Wort Spa<T Machine when laid Screw Sliding DibUma<* in 50iiuii本機構屮影響作空間的大小和形狀的主要因索右三個: 絲杠制町滑動的茨離絲杠制町滑動距離是受到絲杠氏度的限制 的毎一個絲杠副的滑動距

14、離必須滿足條件:心： * 側轉角旳限制 乞種枚鏈.位括球較鏈和虎克餃的轉角那圧受到 機構的限制的每一佼進的轉角必須滿足X九;桿件的尺寸I' 涉、連接動平臺和宦平臺的乞個桿件都比fj一定的兒何尺寸.因 此桿件在運動過汕I呵能發生相互干涉 設桿件是f徑為的 1)>1)1«1柱體.兩相鄰桿件軸線之間的距離必須滿足通過理論分 析與Mdllab的仿真.猬出了各種因索對工作空何的影響程度© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 機械設計與制迪15

15、7No.6Junc.2013© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 機械設計與制迪15718 0 100圖3繪杠別猜動趾離為270mm OL構的I fl空間FigJ Uurk Spab Machine when led ScrimSliding r)i4anrr i* 270mm絲杠副的冊動距離對機構丁作空間的彤響程度.絲杠副滑 動茨離為50訕時機構的丁作空間.如圖4所示 而絲杠副滑動 距離為270mm時機構的T.作空間.如圖5所示。 4控制系統設訃根據并

16、聯機構多軸實時運動的特點選擇laimx系統E IPC+PMAC的控制系統本系統的控制中心在業控制機(IPC) 平臺上.采川PMAC多軸運動控制益和収端LI存儲器PRAM) 結構PIAC主要完成并聯機器人務軸的運動.控制血板開關忻的 控制.甘反饋的信息數據實時扌I描更新；I控機則主要實現系統的管 理功能lM PM AC K與IPC之間采用PCI總線通訊和DPR AM通訊 兩種方式 丁控機與PMAC之間主耍通過PCI總線通訊.而P1AC I、與電機之間主婆通過DPKAM進行通訊 為了實現PMAC多 軸運動控制的功能需在PMAC K上擴展相應的”0板、伺服報 動單元.伺電機等.最終形成一個完整的數控

17、系統冋.仙圖6 所示。圖6運動控制系統總體結構Fig.6 MrHion Control SystrmA rrhitecturr機器人在運行過程中,有町能出現運動程序設計的缺陷或 其他原因導致艾莎超出了運動空間.這種悄況是很危險的冇町 能造成電機的E乍或損壞因此必須在竹關盯上安裝開關和報警 處理PMAC為毎個通道設計了正限位【1+、負限位I.IN-、和報 警信號FAULT用于故障保護這些輸人都作為數字信號和樸擬 信號的光電隔離.當正限位UM+、負限位UN-、和報警信號 FAULT與模擬地相連時.PMAC認為是正常丁作狀態但半他們 打模擬地斷開之后>IACi人為到限位或出現錯溟而停止DAC

18、輸出停止電機。5結論(1) 通過機構運動學分析彳尋出該機構未端執行器在實現要 求動作|寸運動平穩、無位置突變并11速度、加速度曲線也郁比 校平緩，無突變現象反映r該并聯機構無沖擊現較傳遞運動性 能艮好，(2) 根據機構丁作空間分析得出該機構的丁作空間受桿氏 最大伸縮址、虎克餃轉角范闈的限制；作空間是連續的.無空洞 和空腔：展于空間搜索法在Matlab卜對不同坐標值卜的匸作空 間截而遊行了仿直臉證了上述的結論(引進行熾模加I方式模擬焊槍運動實驗，結果我明該機 械丁運動平臺靈活空間較大町以滿足燼接需求 參考文獻I李華堆丁洪生.何小tt.BKX-1變紬機床開放式數控系統軟件的開發J-機床與液斥.20

19、06：191-193.(Li HunDing Hong shengHXiito -mei. Dovoloping of theM)ftwar<* for the o|MMiing mMiuh ol* BKX-I ty|M- virtual iimcIhiw tools J I.Ma<-liine fool & ll<irauli<*s.2(X)6> 2): 191-193.)梁蟬李紅芳菇f PMAC運動學的并聯機構力控制研究J機械設 計與制造.2011(8):124-126.(Liang Huijj Hoiig fang. Kesear<4»

20、; on (on-e <*ontn)l of parallol iimm'I atiiMn ImimuI on PM A仁.jJ.Mw hiner) IK»sign A Mnnura<'ture. 2011 (8):124-126.)楊斌久療光起羅繼曼少自由度并聯機器人的研究現狀J機床與 液斥.2006(5):202-205(Yarg Bin -jiu Cai (>uang-qi, lio Ji-mail. The stale of reM?ar<-h on limited-DOF Miniiiel robot J .Machine Tool

21、& Hydraulics. 2006( 5): 202-205.)L4J張春以趙W.3KKK并聯機器人的優化設計研究J.機械.程與自動 化.2006.4 1):92-96(Zhdfig Cliui) -f<»ng Zlwo llui. Optiniuin design of a 3KKK |Mirall<»l manipulator J .Me(-hani<-al Engineering&A ut omul ion .2006.4 ( 1 ):92 %.)郭砒朱思俊黃真¥血3KKK并聯機構的運動性能分析J .機器 人技術與應用.2002.4(1):41-45.(Cue Xi-juan. Zhu Si-jun Huang Zlun llio kincinalic |MTionnaiH*c analysis o( a planar 3KKK xarallel iikinipulator J .Rubol Technique an<l Application. 2002.4( 1):41-45.)6夕飲民.鄭浩峻汪勁松并聯機床不同位形下