题目：五杆五环并联运动机床开发设计及关键技术研究 博士研究生：谢红 指导老师：沈斌 教授 答辩时间：2007年3月 论文摘要： 并联机床是空间多环机构在机床制造业的创造性应用，可与传统数控机床形成很强的互补，它是随着并联机构的理论研究与计算机软硬件技术不断发展而产生的，是机构学理论、机器人技术、数控技术和机构技术相结合的产物，其原型为Stewart并联机构。并联机床克服了传统机床的刚度重量比低、承载能力差等缺点，具有模块化程度高、刚度重量比大、响应速度快、适应性强和容易实现多轴联动等优点。随着并联机床技术的进一步发展，并联机床普遍存在的问题，如缺乏新颖的五自由度五轴并联机床结构、工作空间与机床外形尺寸之比较小、姿态角受到限制等，正引起重视，国内外学者针对这些问题提出很多改进措施，新型并联机构的机床逐渐显示出应有的潜力。论文所研究的五杆五环并联运动机床最大的优点是实现了机床主轴部件的偏转角等于90º，可以使机床做到加工时一次装夹,五面加工。论文运用虚拟设计方法对该并联机床的基础理论和关键技术进行研究，探索了虚拟设计技术在机床新产品开发方面的具体应用方法，这些方法包括概念设计、建立数字样机，评价考察设计质量的虚拟仿真，提出了机械产品的创新设计新思路。论文主要工作包括以下几方面: 推导出五自由度的五杆五环并联机构逆解数学算法，建立其数学模型。在该机构中，5个可任意三百六十度转动的转环替代了常规情况下固定安装于动平台的约束铰链, 解除了固定约束铰链工作角度的限制对并联机构动平台活动范围的制约。但采用转环后，其约束铰链的位置由常规时的已知变为未知,该机构的运动学逆解算法和传统的Stewart平台以及由Stewart平台演化出的多种构型并联机构的逆解算法相比，有了很大的变化，因此该机构的运动学逆解算法具有创新意义。本文还建立了适用于该机床的5x5雅可比矩阵，对奇异性进行了描述。并采用了仿真分析软件Adams进行了验证。结合五杆五环并联机床的三维设计，作出了机床总体结构布局以及应用装配关系和约束条件在机床中实现五自由度，完成了机床杆件的组成结构、铰链及机床外壳的设计。并联机床尺寸设计不同于传统机床，在加工范围已知的情况下，各杆件的长度、行程范围、动平台的可达位姿和机床外壳等尺寸参数很难确定，并联机床的尺度拟合及空间位置的确定是设计过程中的难点。论文尝试利用虚拟装配的方法解决这个问题，虚拟装配最大的优点是装配过程是可视且动态的，可通过模拟极限位置进行各部件的尺度拟合。提出并实施了一种能够解决并联机床速度、加速度和力（力矩）正逆解的仿真方法，完成了五杆五环并联机床数字样机的运动学和动力学仿真。通过一系列仿真分析，使产品在试制过程中可能出现的问题大部分在设计阶段解决。根据运动学和动力学的相关理论和并联机床具有随位姿变化而变化的动态特性，在已知加工表面参数的条件下，运用软件ADAMS作出了机床的动态仿真，用该机床的运动学逆解模型对五根杆长进行控制，从而获取了机床刀尖的运动轨迹、速度和加速度的动态变化，从而验证了并联机构逆解数学算法的正确性，并得到了刀尖在受到模拟切削力作用下，各驱动杆中驱动力的动态变化。 借助有限元分析软件COSMOS，分析了该机床主轴在不同关键位置时静刚度和机床的固有频率。结果表明，机床具有良好的性能。提出了将并联机床数控系统中不同于传统机床部分组成功能模块，直接嵌入开放式数控平台，从而能够共享平台上的通用功能的开发模式。分析了传统机床和并联机床数控系统中的相同和不同部分，研究了面向传统机床的开放式数控系统各功能模块的组成及它们的标准接口，同时分析总结了并联机床功能模块中应具备的核心部分和扩展部分。在EMC开放式数控系统平台上，以五轴五自由度并联运动机床为例，对上述方法进行了验证，最后写入G代码命令进行了模拟走刀，得到了正确的结果，从而证明了所提方法的可行性。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

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