并联结构制造装备设计理论与建模方法研究

并联结构制造装备（Parallel Kinematic Machine简称PKM）是近年发展起来的一种新型制造装备，它以承载能力强、动态性能好、刚度重量比大等优点而受到广大学者及机床制造商的重视并正在成为制造领域的一个研究热点。本文就有关PKM的结构、位置分析、速度关系、工作空间分析、奇异位形分析以及标定方法等问题进行了深入的研究，具体内容包括以下几个方面：1．根据现有PKM的结构特点，将它们划分为“腿伸缩”的6条腿结构、“腿滑动’夕的6条腿结构、“腿伸缩”的3条腿结构、“腿滑动”的3条腿结构等类型，这种划分佩方面能够较准确地反映PK.M的结构特征以及复杂程度，另一方面也易于为广大工程技术人员理解和使用。2．将少自由度并联机构分为满阶机构以及欠阶机构，而欠阶机构又进一步分为非期望输出为常量和非期望输出为变量两种类型，这样的分类反映了机构的本质特征以及对其进行研究的复杂程度。3．提出利用演化关系研究各种典型并联机构之间的内在联系，建立了一些典型并联机构之间的演化关系，为利用演化关系进行并联机构的运动学性能分析奠定了基础。根据演化原理，提出了几种实现两维平动、两维转动的4自由度 (2T-2R, 4-DOF）并联机构新构型，并用杆一副关系图进行描述。4．基于机构演化关系建立了典型并联机构位置分析数学描述的统一表达形式，并对所提出的几种2T-2R, 4-DOF并联机构的位置正、逆解进行了详细的讨论。对并联机构速度、静力传递关系的对偶性以及串联与并联之间的对偶关系进行了总结。5．提出具有灵巧度指标要求的适用工作空间概念，对考虑灵巧度指标要求的全姿态工作空间的确定进行了详细分析，给出了几种机构工作空间求解的具体结果。分析了现有奇异位形分析方法应用于少自由度并联机构时可能会出现的问题，并基于前面所述机构演化关系，提出一种进行少自由度并联机构奇异位形分析的新途径。6.分析了PKM运动学标定的研究现状，提出了一种新的运动学参数识别方法。该方法利用运动学逆解模型建立目标函数，并且不需要测量运动平台的姿态参数。7.初步完成了一个适用于PKM的基于“IPC+PMAC”的双CPU开放式数控系统的开发。对于不同构型的PKM，可以方便地更换虚实空间映射模块，并方便地扩展各种新的功能模块。通过本文的工作，对并联结构制造装备的若干问题进行了系统的研究，为新型并联结构制造装备研究和走向工程应用提供了设计思想、建模方法和关键技术，对于推进并联结构制造装备的发展具有重要意义。