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对于少自由度并联构型装备,必须通过误差建模将影响末端可控和不可控误差的几何误差源进行分离,从而指导机构的精度设计和运动学标定。以5自由度混联机械手模块Tricept和TriVariant为对象,研究了一种少自由度并联构型装备的误差建模方法。该方法可有效分离出影响末端不可控误差的几何误差源,从而得到仅需控制恰约束支链的制造和装配误差,有效抑制末端的不可控姿态误差.研究结果表明,对于等同的任务空间和相同的尺度参数,两机械手具有相近的精度性能。
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第
40
卷第
10
期
2007
年
10
月
天津大学学报
Joumal
of
Tianjin University
Vo
l. 40
No.
lO
Oc
t.
2007
可重构混联机械手模块
Tricept
与
TriVariant
的
误差建模与性能比较
洪振宇
1
,
2
(
1
天津大学机械工程学院,天津
300072;
2.
中国民航大学交通工程学院,天津
3003
∞)
摘
要:对于少自由度并联构型装备,必须通过误差建模将影响末端可控和不可控误差的几何误差源进行分离,从而
指导机构的精度设计和运动学标定-以
5
自由度混联机械手模块
Tricept
和
TriVariant
为对象,研究了一种少自由度并
联构型装备的误差建模方法-该方法可有效分离出影响末端不可控误差的几何误差源,从而得到仅需控制恰约束支链
的制造和装自己误差,有效抑制未端的不可控姿态误差-研究结果表明,对于等同的任务空间和相同的尺度参数,两机械
手具有相近的精度性能
关键词:并联构型装备;误差建模;不可控误差
中固分类号
THl12
文献标志码
A
文章编号
0493-2137
(200
7)
10-1176-07
Error
Modeling
and
Performance Comparison
of
3-DOF Modules
of
Two Reconfigurable
PKM
--the
Tricept
and
the
TriVariant
1, 2
HONG
Zhen-Yll
(
1.
School
of
Mechanical Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072, China;
2.
School
ofTransportation Engineering,
Civil
Aviation
University
of
China, Tianjin 300300, China)
Abstract:
For
由巳
sllb-6-degree
of
freedom (
DOF)
parallel kinematic machines
(PKM)
, it
is
necessary
to
separate
the geometric error sources which influence the compensable and uncompensable errors
of
the mobile
platfo
口
n
by
error modeling
, so as to supervise the accuracy
d
巳
sign
and kinematics calibration. By taking two 5-DOF hybrid robots,
the Tricept and the TriVariant, as an example, an error
mod
巳
ling
approach was presented for the sub-6-DOF PKM.
This approach can be used to identify the geometric error sources affecting the uncompensable position and orientation
errors
of
由巳
mobile
platfo
口
n.
It
is concluded that the uncompensable
eπors
of
the mobile
platform
缸
e
primarily
dorninated
by
由巳
manufactllring
and assembling errors
of
the proper-constraint limb.
It
shows that the TriVariant robot
and the Tricept robot have sirnilar accuracy provided identical task workspace and dimensional
pararn
巳
ters
Keywords
: parallel kinematic machines
(PKM);
巳
πor
modeling; uncompensable errors
并联构型装备(
parallel
kinematic
machine
,
PKM
)
泛指以并联机构作为主进给机构的机床或机械手系
统.精度是这类装备的重要技术指标,也是能否投人
工业运行的关键
.PKM
的自身误差可分为准静态误差
收稿日期
2
∞
7-03-16;
修回日期:
2007-06-14.
作者简介:洪振宇(
1978
一
),男,博士研究生
通讯作者·洪振宇,
app1e_hzy@hotmai
l.
com
和动态误差.前者主要包括几何误差以及由钱链间
隙、伺服控制、稳态切削载荷、热变形等引起的误
差.几何误差是
PKM
准静态误差的主要来源,包括零
部件的制造与装配误差
[1-2]
2007
年
10
月
洪振宇:可重构由联机械手模块
Tricept
与
TriVariant
的误差建模与性能比较
.1177
.
误差建模的主要任务是,通过构造几何误差与末
端位姿误差的映射模型,分析几何误差对末端位姿误
差的影响-尤其是对于少自由度并联机构其末端位
姿误差中必存在不可控部分,为此在误差建模中,必
须明确地将影响末端不可控误差的几何误差源加以
分离,并清晰地了解它们对末端不可控误差的影响,
以便在公差设计、制造和装配过程中加以严格控制
[3]
本文对比研究了
5
自由度混联机械手模块
Tricept
和
TriVariant
中
3
自由度并联机构的误差建模问题,
寻求影响末端不可控误差的几何误差源,井利用计算
机仿真对其精度性能进行了评价和比较.
1
系统描述
图
1
(
a)
为著名的
Tricept
机械手[←
5]
该机械于
采用混联构型,已在航空和汽车工业中被广泛用于大
型结构件的高速加工、白车身激光焊接、高速物流传
输,以及发动机和汽车部件总成装配等.该机械于由
-3
自由度并联机构和
-2
自由度转头串接而成,从
而使末端执行器可实现
5
自由度运动
3
自由度并联
机构由机架、动平台以及连接二者的
4
条支链组成其
中
3
条
urs
支链结构相同,一端与动平台通过球镜相
连,另一端与机架通过虎克伎相连
;uP
支链一端与动
平台固接,另一端与机架通过虎克镀相连-在此,
u
、
P
、
S
分别表示虎克镜、移动镜和球钱
;r
表示主动移动
饺,可通过伺服电机与滚珠丝杠蝶、母副实现.
urs
支链为
6
自由度支链,其功能为对动平台提
供驱动,
uP
支链为
3
自由度支链,其功能为对动平台
提供约束,允许动平台绕虎克镜的
2
个垂直轴旋转和
沿着支链的轴线移动.通过对
Tricept
机械于中
3
自由
度并联机构各支链功能的分析,将一线性驱动单元集
成到
UP
支链中,使其由"从动"变为"主动并保持提
供约束的功能不变,从而省去了一条
urs
支链,因此
产生了一种新的
3
自由度并联机构,并在动平台上安
装
2
自由度转头,从而得到
5
自由度泪联机械于模块
TriVariant[
←
10]
如图
1
(b)
所示.
容易看出,
TriVariant
机械于自由度的数目和类型
与
Tricept
机械手相同.以下仅对
Tricept
和
TriVariant
机械手中
3
自由度并联模块的误差建模进行研究-由
于
Tricept
和
TriVariant
机械于都是由
UP
支链和
urs
支链组成,因此先分别以
UP
支链和
urs
支链为对象
研究其误差传递特性,然后综合出两机械于的几何误
差与动平台位姿误差间的映射模型.
(a)
The
Tricept
(b) The
TriVariant
图
1
Tricept
和
TriVariant
机植手
Fig. 1 The Tricept and TriVariant robots
2
几何误差源分析
由于两个机械于具有相近的结构,因此具有同样
的几何误差源(参见图
2
和图
3
建立统一的坐标系).
机架固定参考系{c}
:令
x-y
平面为由点
Ci
(i=
1
,
2)
和
C
UP
张成的平面,以点
C
为原点
,
x
轴过点
C
1
与
C
2
连线中点
z
轴与面
C
垂直(如图
2
和图
3
所示),
y
轴满足右手定则.
urs
支链虎克镇连体系问):
x
i
轴与支链
i
中连
架虎克镜的近架轴线重合
,
Zi
轴与远架轴线垂直
,
Yi
轴满足右手定则.记点
C
i
的名义和误差矢量为
C
i
和
fu:
i
'
{C
;l系的姿态误差矢量为
()c
,在此町、fu:
i
和
()c
u
动平台
W'
(q
,
+M
,)w,
UPS
支链
(i
=2)
,
圄
2 Tricept
机构结构示意
Fig. 2 Schernatic diagrarn of the Tricept robot
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