一種五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機構(gòu)精度調(diào)節(jié)領(lǐng)域，涉及一種五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方 法，具體涉及一種3-PRS-X-Y串并混聯(lián)機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 3-PRS-X-Y串并混聯(lián)機構(gòu)是由3-PRS并聯(lián)機構(gòu)與X-Y二維工作臺相結(jié)合的一種機 械結(jié)構(gòu)形式，3-PRS并聯(lián)機構(gòu)是整個機構(gòu)的核心部分。3-PRS并聯(lián)機構(gòu)如圖2所示，由定平 臺、動平臺和三條完全相同的支鏈組成，每一條支鏈包含一個連桿、移動副（P)、轉(zhuǎn)動副（R) 和球面副（S)。并聯(lián)機構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)是六自由度的Stewart機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點是傳動 鏈短、結(jié)構(gòu)簡單、剛度大、精度高、切削效率高、模塊化程度高等，缺點是并聯(lián)機構(gòu)的工作空 間小。五自由度的串并混聯(lián)機構(gòu)則克服了并聯(lián)機構(gòu)的缺點，充分結(jié)合了串聯(lián)與并聯(lián)機構(gòu)的 優(yōu)點，具有工作空間大、控制簡單等特點。
[0003] 精度是機構(gòu)工作質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標之一，是決定加工設(shè)備能否滿足實際應(yīng)用要 求的關(guān)鍵因素。從機構(gòu)學(xué)角度看，并聯(lián)機構(gòu)具有精度高的優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中受加工及安 裝誤差等因素影響，混聯(lián)機構(gòu)的實際參數(shù)和理想?yún)?shù)總是存在差異，建立的運動學(xué)模型準 確性差，降低了混聯(lián)機構(gòu)的實際精度，無法精確地實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計的目標。
[0004] 現(xiàn)實表明，研究人員對混聯(lián)機構(gòu)的運動和控制領(lǐng)域的研究不斷深入，對混聯(lián)機構(gòu) 的運動學(xué)解析和數(shù)值解法不斷改進，其性能不斷提高；但是，安裝過程操作誤差或外界不確 定因素干擾，將直接導(dǎo)致并聯(lián)機構(gòu)導(dǎo)軌位置的空間位置偏移，影響機構(gòu)的運行與控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對目前安裝與調(diào)節(jié)過程操作誤差等技術(shù)問題，提供一種五自由度串并混 聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，通過以已安裝部件為共同參照，反復(fù)擬合的方法，減小零部件制造 誤差與安裝誤差的影響，提高了機構(gòu)整體精度。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是： 一種五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，具體包含以下步驟： 51、 建立三根立柱每根立柱的坐標系，測量三根立柱上的滑塊移動的軌跡，擬合三根立 柱上滑塊移動的空間直線Lyc7 = U1P的方向向量g ,以固定平臺上平面為基準，根據(jù)空 間直線L1的方向向量^安裝第一根立柱，使其與固定平臺上平面垂直； 52、 根據(jù)空間直線L2的方向向量安裝第二根立柱，安裝過程中，邊調(diào)節(jié)邊測量第二 根立柱的方向，使其與第一根立柱所在空間直線L1的方向向量平行； 53、 根據(jù)空間直線L3的方向向量^安裝第三根立柱，安裝過程中，邊調(diào)節(jié)邊測量第三 根立柱的方向，使其與一個表征第一根立柱和第二根立柱實際方向的公共方向向量.?平 行； S4、安裝X-Y二維工作臺，邊調(diào)節(jié)邊測量，使其所在平面與一個表征第一根立柱、第二 根立柱與第三根立柱實際方向的公共方向向量€垂直。
[0007] 進一步，步驟Sl中，每個立柱的坐標系由每個立柱上的三個不在同一直線上的標 準球的球心坐標建立。
[0008] 進一步，步驟S3中，每根立柱的實際方向由每根立柱上的三個不在同一直線上的 標準球表征，調(diào)節(jié)過程只測量球心坐標。
[0009] 進一步，所述滑塊移動的軌跡表征方法為，分別測量三根立柱上的滑塊上的標 準球在有效行程內(nèi)等間距的N個位置時球心坐標(x|,7KP (J = ('?)到空間直線L#]距離為4 ,根據(jù)最小二乘法擬合空間直線Ly的方向向量& ,具 體算法為 令：
【主權(quán)項】
1. 一種五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于，具體包含以下步驟： 51、 建立三根立柱（42、52、62)每根立柱的坐標系，測量三根立柱（42、52、62)上的滑塊 (43、53、63)移動的軌跡，擬合三根立柱（42、52、62)上滑塊（43、53、63)移動的空間直線L y ? = 1>2_3)的方向向量以固定平臺（1)上平面為基準，根據(jù)空間直線1^的方向向量^ 安裝第一根立柱（42)，使其與固定平臺（1)上平面垂直； 52、 根據(jù)空間直線L2的方向向量^安裝第二根立柱（52)，安裝過程中，邊調(diào)節(jié)邊測量 第二根立柱（52)的方向，使其與第一根立柱（42)所在空間直線L1的方向向量平行； 53、 根據(jù)空間直線L3的方向向量^安裝第三根立柱（62)，安裝過程中，邊調(diào)節(jié)邊測量 第三根立柱（62)的方向，使其與一個表征第一根立柱（42)和第二根立柱（52)實際方向的 公共方向向量€平行； 54、 安裝X-Y二維工作臺（32)，邊調(diào)節(jié)邊測量，使其所在平面與一個表征第一根立柱 (42)、第二根立柱（52)與第三根立柱（62)實際方向的公共方向向量免5垂直。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：步驟 Sl中，每個立柱的坐標系由每個立柱上的三個不在同一直線上的標準球（41、46、49 ;51、 56、59;61、66、69)的球心坐標建立。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：步驟 S2和S3中，每根立柱的實際方向由每根立柱上的三個不在同一直線上的標準球（41、56、 69 ;51、56、59 ;61、66、69)表征，調(diào)節(jié)過程只測量球心坐標。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：步 驟Sl中所述滑塊（43、53、63)移動的軌跡表征方法為，分別測量三根立柱（42、52、62)上 的滑塊（43、53、63)上的標準球（45、55、65)在有效行程內(nèi)等間距的N個位置時球心坐標 O = 二1,2,…,iV)，記々到空間直線Ly的距尚為4 ,根據(jù)最小二 乘法擬合空間直線Ly的方向向量g ,具體算法為 令：
使 <達到最小，根據(jù)最小二乘法可得空間直線L ^方程及方向向量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：根 據(jù)第二個立柱（52)與第三個立柱（62)的實際方向，得滑塊（53、63)上的標準球（55、65) 在有效行程內(nèi)等間距的Λ個位置時球心坐標? = 2,3,ι=1,2,···,?/),將坐標 (hi，&) (J = 2,3;: = U,…,F)轉(zhuǎn)化到與第一根立柱42的實際位置處滑塊43在有效 行程內(nèi)等間距的N個位置時的坐標(?,JipZli) (j = 2，幻=1,2,…，功在同一坐標系中，得 S.?y纟j (.j - r3?i - 132，··*，〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：用坐 標與(aH4)，擬合一個表征第一根立柱（42)和第二根立柱（52)的公共方 向向量,具體方法為 令：
(b)式中，?? 〇 = U)為滑塊（43、53)上的標準球（45、55)的球心到空間直線I·1;.的距 離，空間直線L11、L12具有相同的方向，即方向向量€，空間直線L11、L 12分別通過待定的點 ,使#4達到最小，根據(jù)最小二乘法可得第一根立柱（42)和第二根立柱（52)的 公共方向向量*+。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：用 坐標（JTQj)、（?, 2^)與（?2^),擬啟 Iv表征弟一根立柱（42)、弟 二根立柱 (52)與第三根立柱（62)的公共方向向量具體方法為 令：
式中，4(/ = 1,2,3)為滑塊（43、53、63)上的標準球（45、55、65)的球心到空間直線1^ 的距離，空間直線L111、玷、L131具有相同的方向，即方向向量6 ,空間直線L111、L121、玷分別 通過待定的點,使竭達到最小，根據(jù)最小二乘法可得第一根立柱（42)、第二根 立柱（52)與第三根立柱（62)的公共方向向量$ 根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：步驟S4 中，X-Y二維工作臺（31)上設(shè)置三個標準球（32, 33, 34)作為基準，調(diào)節(jié)過程只測三個標準 球（32, 33, 34)的球心坐標。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：步驟 S4中，X-Y二維工作臺（31)上設(shè)置三個標準球（32, 33, 34)作為基準，調(diào)節(jié)過程只測三個標 準球（32, 33, 34)的球心坐標。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在 于：每個立柱上的三個標準球中的兩個標準球（41、46 ;51、56 ;61、66)上下分布，固定在三 根立柱（42、52、62)的上下兩端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，其特征在于：所述 的測量三根立柱上的滑塊移動的軌跡的方法為：在三根立柱（42、52、62)上的滑塊（43、53、 63)分別固定一個標準球（45、55、65)，坐標(?，Zg) ,〇 = 1,2,3;i = 1,2，··.,iV)為測量標準 球（45、55、65)的球心坐標得到。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種五自由度串并混聯(lián)機構(gòu)的精度調(diào)節(jié)方法，包含以下步驟：S1、分別建立三根立柱（42、52、62）的坐標系，測量三根立柱上的滑塊（43、53、63）移動的軌跡，擬合滑塊移動的空間直線的方向向量，根據(jù)空間直線的方向向量安裝第一根立柱，使其與固定平臺上平面垂直；S2、根據(jù)空間直線的方向向量安裝第二根立柱，使其與第一根立柱所在空間直線的方向向量平行；S3、根據(jù)空間直線的方向向量安裝第三根立柱，使其與一個表征第一根立柱和第二根立柱實際方向的公共方向向量平行；S4、安裝X-Y二維工作臺（32），使其所在平面與一個表征第一根立柱、第二根立柱與第三根立柱實際方向的公共方向向量垂直。本發(fā)明能夠充分減少累積誤差，提高精度。
【IPC分類】G05B19-414
【公開號】CN104635627
【申請?zhí)枴緾N201410776973
【發(fā)明人】陳國強, 趙俊偉, 黨姍姍, 康件麗, 孫付偉, 周龍, 李雪鋒
【申請人】河南理工大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月17日