并联机床运动精度及参数辩识方法研究

发布时间：2017-09-17 11:20

  本文关键词：并联机床运动精度及参数辩识方法研究

  更多相关文章： 并联机床 误差分析 运动学标定 量子粒子群优化 动力学参数辨识

【摘要】：并联机构具有刚度/重量比大、动态性能好、技术附加值高等优点,经过几十年的研究与发展,并联机床已经成功地应用于航空制造业、汽车制造业等领域。串-并混联机床则结合了串联机构与并联机构的优点,更好地满足加工制造业高速、高精度的发展趋势,具有非常广阔的应用前景和研究价值,受到国内外学者的普遍重视。然而,与传统机床相比,并联机床还存在运动精度水平较低的问题,主要原因在于并联机床的结构比较复杂,几何误差源的数量较多,且对精度的影响具有较强的非线性特征,对其进行测量、分析和辨识的难度较大。另外,由于自重、惯性力和外部载荷等因素引起的动态误差限制了机床的运动精度。目前针对并联机床的动力学建模以及动力学参数辨识研究依然是并联机床领域的一项研究热点与难点问题。论文在以前研究的基础上,分别从运动学与动力学的角度,对一类带有约束机构的少自由度混联机床的误差分析、运动学标定、动力学参数辨识等方面进行了研究。具体包括以下内容：(1)利用Denavit-Hartenberg矩阵法和闭环矢量链方法,分别针对串联、并联、混联机构的几何误差建模方法进行研究,提出一种能够准确描述复合球铰内几何误差源的误差建模方法,以此作为误差分析、运动学标定、精度综合等研究的基础。(2)通过五轴并联机床与3-TPS混联机床的误差分析,对一类带有约束混联机床内的敏感误差源及其对末端精度的影响进行了研究。系统地比较、分析两个机床并联机构部分与约束(串联)机构部分内单一误差源对末端位姿误差的影响,以及各组机构内多种误差源的综合影响,结果表明,约束机构部分对末端位姿误差的影响要比并联机构部分更加明显。(3)根据量子粒子群优化算法,对运动学标定问题进行研究。设计基于量子粒子群优化算法的运动学标定流程,利用仿真与实验的方法,分别对五轴并联机床的并联机构部分与约束机构部分进行了运动学标定研究,标定后机床末端位姿的精度水平有了比较明显的提高。对串联机构与Stewart并联机构进行运动学标定,研究将基于量子粒子群优化的运动学标定方法推广至一般串联、并联机构的方法。(4)对运动学参数的标定方法进行改进。建立了基于量子粒子群优化算法的分步标定流程,针对五轴并联机床的并联机构部分进行运动学标定仿真,不仅进一步提高了标定后的末端位姿精度,而且机构参数的辨识值与给定值更加接近。然后,同样对串联机构与Stewart并联机构进行运动学标定仿真,结果证明基于量子粒子群优化的分步标定方法同样适用于一般的串联、并联机构。(5)对五轴并联机床的并联机构部分进行结构优化与精度综合的研究。把并联机构内的球型铰链优化为复合球铰；利用影响因子方法,对优化前后的并联机构进行误差分析,从理论的角度证明该结构优化的正确性；基于误差分析的结果,对优化后的并联机构进行了精度综合研究,提出一种综合考虑精度与成本因素的加权精度综合策略。(6)研究五轴并联机床动力学建模及动力学参数辨识方法。基于拉格朗日方法,建立五轴并联机床的刚体动力学模型；设计动力学参数辨识仿真的辨识轨迹,在不考虑摩擦力的前提条件下,对机床并联机构部分的动力学参数进行辨识仿真,比较准确地辨识出并联机构部分各构件的动力学参数,为将来动力学相关问题及先进控制方法的研究奠定基础。
【关键词】：并联机床 误差分析 运动学标定 量子粒子群优化 动力学参数辨识
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 并联机床的发展历程14-17
• 1.3 并联机床精度问题及相关研究方法17-23
• 1.3.1 并联机床精度问题17-18
• 1.3.2 并联机床误差分析研究现状18-19
• 1.3.3 并联机床运动学标定研究现状19-21
• 1.3.4 并联机床动力学模型及参数辨识的研究现状21-23
• 1.4 本文研究内容23-25
• 第2章 几何误差模型的建模方法研究25-39
• 2.1 引言25
• 2.2 串联机构几何误差建模25-27
• 2.3 Stewart并联机构几何误差建模27-29
• 2.4 五轴并联机床几何误差建模方法研究29-33
• 2.4.1 五轴并联机床结构简介29-30
• 2.4.2 并联机构部分误差建模30-31
• 2.4.3 约束机构部分误差建模31-33
• 2.5 3-TPS混联机床几何误差建模方法研究33-38
• 2.5.1 3-TPS混联机床结构简介33-34
• 2.5.2 并联机构部分误差建模34-36
• 2.5.3 约束机构部分误差建模36-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第3章 带有约束机构的混联机床误差分析39-49
• 3.1 引言39
• 3.2 五轴并联机床误差分析39-44
• 3.2.1 并联机构部分单一误差源影响分析39-40
• 3.2.2 约束机构部分单一误差源影响分析40-41
• 3.2.3 敏感误差源的敏感度分析41-43
• 3.2.4 机构误差的综合影响分析43-44
• 3.3 3-TPS混联机床误差分析44-48
• 3.3.1 并联机构部分单一误差源影响分析44-45
• 3.3.2 约束机构部分单一误差源影响分析45-46
• 3.3.3 敏感误差源的敏感度分析46-47
• 3.3.4 机构误差的综合影响分析47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 基于量子粒子群优化算法的运动学标定研究49-69
• 4.1 引言49
• 4.2 量子粒子群优化算法49-51
• 4.2.1 量子粒子群优化算法的基本原理49-50
• 4.2.2 量子粒子群优化算法的优化步骤50-51
• 4.3 五轴并联机床的运动学标定51-61
• 4.3.1 并联机构部分机构参数的可辨识性分析51-54
• 4.3.2 并联机构部分的运动学标定仿真54-57
• 4.3.3 约束机构部分的运动学标定实验数据分析57-61
• 4.4 基于量子粒子群优化的串联机构运动学标定61-64
• 4.4.1 串联机构的标定流程61
• 4.4.2 确定优化变量61-62
• 4.4.3 设计目标函数62
• 4.4.4 串联机构标定仿真62-64
• 4.5 基于量子粒子群优化的并联机器人运动学标定64-66
• 4.5.1 并联机器人的标定流程64-65
• 4.5.2 确定优化变量65
• 4.5.3 设计目标函数65
• 4.5.4 Stewart并联机构标定仿真65-66
• 4.6 本章小结66-69
• 第5章 运动学标定方法的改进69-89
• 5.1 引言69
• 5.2 运动学参数的分步标定方法69-72
• 5.3 五轴并联机床并联机构部分的运动学分步标定72-76
• 5.3.1 运动学标定问题转化72-73
• 5.3.2 并联机构部分机构参数的分步标定仿真73-76
• 5.4 串联机构的运动学分步标定76-80
• 5.5 Stewart并联机构运动学分步标定80-86
• 5.5.1 并联机器人的分步标定流程80-81
• 5.5.2 驱动支链的几何误差建模81-82
• 5.5.3 确定优化变量82-83
• 5.5.4 设计目标函数83
• 5.5.5 Stewart并联机构分步标定仿真83-86
• 5.6 本章小结86-89
• 第6章 五轴并联机床的精度综合研究89-103
• 6.1 引言89
• 6.2 并联机构部分铰接形式的优化89-90
• 6.3 并联机构部分误差分析90-95
• 6.3.1 影响因子方法简介90
• 6.3.2 优化前的并联机构部分误差分析90-92
• 6.3.3 优化后的并联机构部分误差分析92-95
• 6.4 五轴并联机床的精度综合95-100
• 6.4.1 加权精度综合策略95-97
• 6.4.2 末端位置误差分配策略97-98
• 6.4.3 并联机构部分的精度综合98-99
• 6.4.4 约束机构部分的精度综合99-100
• 6.5 本章小结100-103
• 第7章 动力学建模及参数辨识研究103-129
• 7.1 引言103
• 7.2 五轴并联机床刚体动力学建模103-122
• 7.2.1 五轴并联机床运动学分析103-111
• 7.2.2 五轴并联机床动能与势能求解111-115
• 7.2.3 五轴并联机床的动力学建模115-122
• 7.3 五轴并联机床的动力学参数辨识方法122-124
• 7.3.1 五轴并联机床的待辨识动力学参数122-123
• 7.3.2 动力学参数辨识流程及辨识模型123-124
• 7.4 五轴并联机床的动力学参数辨识仿真124-127
• 7.4.1 动力学参数辨识轨迹设计124-125
• 7.4.2 动力学参数辨识仿真125-127
• 7.5 本章小结127-129
• 第8章 结论与展望129-131
• 8.1 结论129-130
• 8.2 展望130-131
• 参考文献131-141
• 附录141-143
• 致谢143-145
• 攻读学位期间发表的论著和科研、获奖情况145-147
• 作者简介147

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈文家,王洪光,房立金,赵明扬;并联机床的发展现状与展望[J];机电工程;2001年04期

2 关浩,胡萍,于云满;21世纪新兴机床——虚拟轴并联机床[J];江苏机械制造与自动化;2001年04期

3 王立平,汪劲松,李育文;并联机床动态特性研究的理论与实际意义[J];工具技术;2002年11期

4 王立平,汪劲松,张华;并联机床数字化快速开发平台研究的意义[J];工具技术;2003年10期

5 李金泉,丁洪生,付铁,庞思勤;并联机床的历史、现状及展望[J];机床与液压;2003年03期

6 张学良,温淑花,王培霞;并联机床及其前景展望[J];太原重型机械学院学报;2003年03期

7 ;新型并联机床问世[J];机械工程师;2004年07期

8 郭祖华;刘志峰;陈五一;;并联机床结构设计[J];机床与液压;2005年12期

9 王立平 ,汪劲松;机器人与机床的完美结合——新型并联机床[J];中国高校科技与产业化;2005年Z1期

10 李强;闫洪波;张桂霞;;并联机床发展的历史、研究现状与展望[J];机床电器;2006年03期

中国重要会议论文全文数据库 前8条

1 何小妹;丁洪生;付铁;孙厚芳;;并联机床运动学标定研究综述[A];机床与液压学术研讨会论文集[C];2004年

2 何小妹;丁洪生;付铁;孙厚芳;;并联机床运动学标定研究综述[A];第三届全国流体传动及控制工程学术会议论文集（第二卷）[C];2004年

3 刘文涛;李兵;王知行;;并联机床误差的空间分布形态研究[A];第十一届全国机构学年会暨首届青年机构学研讨会论文集[C];1998年

4 范守文;徐礼钜;;一种新型并联机床的动力学解析模型[A];第十三届全国机构学学术研讨会论文集[C];2002年

5 邱志成;谢存禧;谈大龙;赵明扬;;一种并联机床的位置、速度和加速度逆解[A];第十四届全国机构学学术研讨会暨第二届海峡两岸机构学学术交流会论文集[C];2004年

6 金振林;高峰;;基于6-SPS三维平台机构的新型并联机床刚度分析[A];第一届全国流体动力及控制工程学术会议论文集（第二卷）[C];2000年

7 谢殿煌;张同庄;丁洪生;何小妹;付铁;李华锋;许进忠;;基于RT-Linux的并联机床开放式数控系统[A];先进制造技术论坛暨第三届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2004年

8 高峰;李颖;赵辉;;五自由度并联机床机构构型分析[A];第十四届全国机构学学术研讨会暨第二届海峡两岸机构学学术交流会论文集[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 本报记者 兰海侠;哈量集团：率先实现并联机床产业化[N];机电商报;2006年

2 通讯员 宫长江邋记者 李丽云;国内首台新一代并联机床在哈问世[N];科技日报;2007年

3 田勇;国内新一代并联机床问世[N];中国知识产权报;2008年

4 记者 王学军;哈量集团新一代并联机床亮相[N];中国船舶报;2007年

5 本报记者 兰海侠;五强联手 新一代并联机床试水中国市场[N];机电商报;2007年

6 记者　 朴淑瑜;我国新一代并联机床具有八大特点[N];科技日报;2007年

7 本报记者 由庆祝;国内首台新型并联机床在哈量下线[N];中国工业报;2007年

8 记者 王媛;哈量并联机床领先国际水平[N];哈尔滨日报;2007年

9 本报记者 严曼青;并联机床:实质运作 多家竞争[N];机电商报;2009年

10 本报记者　李丽云;叫响“龙字号”[N];科技日报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 党鹏飞;并联机床运动精度及参数辩识方法研究[D];东北大学;2015年

2 范守文;混联结构并联机床的研究[D];四川大学;2002年

3 郑魁敬;新型五自由度并联机床机构学分析与控制系统开发[D];燕山大学;2004年

4 高建设;新型五自由度并联机床驱动输入选择与运动学标定研究[D];燕山大学;2006年

5 韩先国;并联机床相关理论及设计方法研究[D];北京航空航天大学;2002年

6 杨斌久;少自由度并联机床约束链的若干问题研究[D];东北大学;2006年

7 陈修龙;面向并联机床数控编程技术的研究[D];燕山大学;2006年

8 朱春霞;基于虚拟样机的并联机床若干关键技术的研究[D];东北大学;2008年

9 陈小岗;交叉杆式6轴并联机床误差及刚度特性研究[D];南京理工大学;2013年

10 李鹭扬;6-SPS型并联机床若干关键理论研究[D];南京航空航天大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 沈晓健;并联式C形龙门铣床机架结构设计与优化[D];南京理工大学;2015年

2 于鹏;并联机床的研究[D];四川大学;2002年

3 甘泉;新型并联机床的运动特性研究[D];电子科技大学;2002年

4 李洋;外铣式并联机床的设计与分析[D];哈尔滨理工大学;2004年

5 彭用新;并联机床结构及误差分析研究[D];昆明理工大学;2006年

6 覃艳明;一种新型五自由度并联机床的性能分析[D];燕山大学;2003年

7 徐雪梅;并联机床的智能控制[D];四川大学;2003年

8 崔龙;并联机床加工性能分析与评价[D];南京航空航天大学;2007年

9 公平;并联机床颤振特性分析[D];哈尔滨工业大学;2011年

10 马刚;基于虚拟样机技术的并联机床系统运动学仿真分析[D];武汉理工大学;2012年

，

本文编号：869104