3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平行機(jī)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】
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并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、選題
1、理論意義
三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)最具革命性的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)突破。如果充分發(fā)揮這種新型機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，就有可能為大幅度地提高機(jī)構(gòu)的性能開辟一條新途徑。虛擬軸機(jī)構(gòu)不太適合加工大范圍、多坐標(biāo)運(yùn)動的零件。但從另一個角度看，在實(shí)際生產(chǎn)中需要多坐標(biāo)加工的復(fù)雜零件畢竟是少數(shù)，而占主導(dǎo)地位的還是普通常規(guī)零件的加工。因此，研究如何利用虛擬軸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在常規(guī)零件的高速、高效加工上發(fā)揮其優(yōu)勢，將更具有實(shí)際意義。
3、研究內(nèi)容
設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，利用鉸鏈副，實(shí)現(xiàn)三根電動推桿的上下運(yùn)動，從而調(diào)節(jié)道具的位置，進(jìn)行銑削加工。確保試驗(yàn)臺機(jī)械強(qiáng)度基本控制。
（1）并聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（2）對實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)動進(jìn)行仿真計(jì)算分析
4、系統(tǒng)功能
能夠在設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺下調(diào)節(jié)進(jìn)給長度，以達(dá)到加工復(fù)雜表面零件的目的。
（1） 完成并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)方案
（2） 完成并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置驅(qū)動與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)
作為在校的學(xué)生，所接觸過的機(jī)械問題比較淺薄，考慮問題不夠全面，研究課題完全靠自己。無論是資料、設(shè)備都不夠齊全，條件比較艱苦，好在信息飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)是個很好的助手，可以在畢設(shè)期間給予我很大幫助。
在研究過程中，肯定會有很多意想不到或難以解決的問題。我認(rèn)為最大的難點(diǎn)就是計(jì)算各個零部件及聯(lián)接點(diǎn)的剛度、受力，還有實(shí)現(xiàn)自動化控制著兩大核心部分。
四、對進(jìn)度的具體安排
1、第1-3周 實(shí)習(xí)調(diào)研基本結(jié)束；
2、第4周 撰寫并提交調(diào)研報(bào)告和開題報(bào)告；
3、第5-6周 系統(tǒng)的整體方案的確立；
4、第7-9周 計(jì)算零件的尺寸
5、第10-11周 繪制草圖
6、第12 周 校核零件強(qiáng)度
7、第13-14周 繪制大圖
7、第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文
8、第17周 完成畢業(yè)答辯
五、參考文獻(xiàn)
東北大學(xué) 沈陽10004 (劉陽;蔡光起);沈陽建筑工程學(xué)院 沈陽110025(羅繼曼)
周延佑; 數(shù)控機(jī)構(gòu)發(fā)展新趨勢與我國相應(yīng)的對策 [J];機(jī)械工藝師; 2001年02期
肖鵬; 可調(diào)機(jī)構(gòu)的分析與綜合研究 [D];西華大學(xué); 2007年
姜蔭棠,施兆昌; 數(shù)控加工在雷達(dá)制造中的應(yīng)用 [J];電子機(jī)械工程; 2002年01期
杜敬利,仇原鷹,段寶巖,保宏; LT50m縮比模型艙索系統(tǒng)與Stewart平臺動力學(xué)耦合分析 [J];中國機(jī)械工程; 2005年10期
杜敬利,仇原鷹,段寶巖,張杰; 剛?cè)狁詈隙夁\(yùn)動調(diào)整系統(tǒng)動力學(xué)模型 [J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào); 2005年04期
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梁宏寶,鐘詩勝,王知行; 虛擬機(jī)械加工環(huán)境的建造 [J];高技術(shù)通訊; 2001年02期
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鄔昌峰,高榮慧; 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及展望[J]; 機(jī)械; 2003年01期; 3-5+8
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指導(dǎo)教師：(簽署意見并簽字) 年 月 日
督導(dǎo)教師：(簽署意見并簽字) 年 月 日
領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見：
審查人簽字： 年 月 日
寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)可以作為航天上的對接器、航海上的潛艇救援對接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人、精密操作的微動器；可以在汽車總裝線上自動安裝車輪部件；另外，醫(yī)用機(jī)器人，天文望遠(yuǎn)鏡等都利用了并聯(lián)技術(shù)。
本文并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究方向：
（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成原理的研究
研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算、運(yùn)動副類型、支鉸類型以及運(yùn)動學(xué)分析、建模與仿真等問題。
（2）并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動空間的研究
包括運(yùn)動空間分析及仿真、可達(dá)工作空間求解（如數(shù)值求解法、球坐標(biāo)搜索法等）、機(jī)構(gòu)干涉計(jì)算及位置分析等。
（3）并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究
并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，如機(jī)構(gòu)的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由于本人水平有限，文中的錯誤和不足在所難免，懇請各位老師給予批評和指正。
關(guān)鍵詞：三自由度；虛擬樣機(jī)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)
Abstract
Parallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.
The direction of the research of parallel mechanism:
(1) study on the principle of parallel mechanism.
The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.
(2) for parallel mechanism workspace
Including the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.
(3) for parallel mechanism structure design
Structure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.
Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.
Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;
目 錄
第1章 前 言 1
1.1 課題研究背景意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
第2章 三自由度并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及工作原理 5
2.1 并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)概述 5
2.2 三自由度并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)動原理 5
2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 6
2.4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的分析 7
第3章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要部件的設(shè)計(jì) 9
3.1 電動機(jī)選型 9
3.1.1電機(jī)的分類 9
3.1.2電機(jī)的選擇 9
3.2 電動推桿選擇 10
3.3機(jī)構(gòu)力的計(jì)算 13
第4章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間分析 19
4.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動學(xué)約束 19
4.1.1 連桿桿長約束 19
4.1.2 運(yùn)動副轉(zhuǎn)角約束 19
4.1.3 連桿桿間干涉 20
4.2 確定并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間的基本方法 20
第5章 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維建模 21
5.1設(shè)計(jì)結(jié)果 21
5.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)solidworks三維建模 21
第6章 Adαms建模過程 22
6.1 Adams軟件介紹 22
6.1.1 Adams軟件簡介 22
6.1.2 ADAMS軟件基本模塊 24
6.2 Adams 建模過程 27
6.2.1 啟動ADAMS 28
6.2.2 設(shè)置工作環(huán)境 28
6.2.3 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副、移動副、移動驅(qū)動、固定約束 29
6.3 仿真結(jié)果 32
結(jié) 論 34
參考文獻(xiàn) 35
致 謝 36
36
第1章 前 言
1.1 課題研究背景意義
并聯(lián)機(jī)器人與已經(jīng)用的很好、很廣泛的串聯(lián)機(jī)器人相比往往使人感到它并不適合用作機(jī)器人，它沒有那么大的活動空間，它活動上平臺遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如串聯(lián)機(jī)器人手部來得靈活。的確這種6-TPS結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)其工作空間只是一個厚度不大的蘑菇形空間，位于機(jī)構(gòu)的上方，而表示靈活度的末端件3維轉(zhuǎn)動的活動范圍一般只在60°上下，角度最大也達(dá)不到±90°。可是和世界上任何事物一樣都是一分為二的，若用并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)比串聯(lián)式的缺點(diǎn)，也同樣令人吃驚。首先，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)其末端件上平臺同時經(jīng)由6根桿支承，與串聯(lián)的懸臂梁相比，剛度大多了，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二，由于剛度大，并聯(lián)式較串聯(lián)式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力；第三，串聯(lián)式末端件上的誤差是各個關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因而誤差大而精度低，并聯(lián)式?jīng)]有那樣的積累和放大關(guān)系，誤差小而精度高；第四，串聯(lián)式機(jī)器人的驅(qū)動電動機(jī)及傳動系統(tǒng)大都放在運(yùn)動著的大小臂上，增加了系統(tǒng)的慣性，惡化了動力性能，而并聯(lián)式則很容易將電動機(jī)置于機(jī)座上，減小了運(yùn)動負(fù)荷；第五，在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。由于機(jī)器人的在線實(shí)時計(jì)算是要計(jì)算反解的，這就對串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實(shí)現(xiàn)。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，與實(shí)現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。
響應(yīng)速度快：運(yùn)動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì)，允許動平臺獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。
環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動平臺上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械手腕、高能束源或CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與并聯(lián)機(jī)構(gòu)等作業(yè)。
技術(shù)附加值高：并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有“硬件”簡單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
目前，國際學(xué)術(shù)界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機(jī)構(gòu)非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機(jī)。1994年在芝加哥國際機(jī)構(gòu)博覽會上，美國Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)構(gòu)與加工中心，引起轟動。此后，英國Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)和斯圖加特大學(xué)等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)和加工中心。與之相呼應(yīng)，由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室和國家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點(diǎn)。近年來，與并聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)有關(guān)的學(xué)術(shù)會議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會、1998～1999年CIRA大會、ASME第25屆機(jī)構(gòu)學(xué)雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領(lǐng)域。由美國國家科學(xué)基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯(lián)運(yùn)動學(xué)機(jī)器專題研討會，并決定第二屆研討會于2000年在美國密執(zhí)安大學(xué)舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國際機(jī)構(gòu)博覽會上均有這類新型機(jī)構(gòu)參展，并認(rèn)為可望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。
我國已將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究連續(xù)得到國家自然科學(xué)基金和國家攀登計(jì)劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研發(fā)納入教育部211工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機(jī)構(gòu)骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學(xué)基金委員會的支持下，中國大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學(xué)召開了我國第一屆并聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會，對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進(jìn)行了研討。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn),在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。
(1)串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的橫梁部件很容易受到彎曲扭矩的作用而產(chǎn)生扭曲變形，從而產(chǎn)生動態(tài)誤差；
(2)由于采用串聯(lián)的方法，因而整個運(yùn)動誤差是每個坐標(biāo)軸運(yùn)動誤差的累加；(3)由于運(yùn)動部件質(zhì)量較重，從而使的運(yùn)動慣性增大，運(yùn)動速度收到限制，因而直接影響了并聯(lián)機(jī)構(gòu)效率；
(4)不滿足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本原理——阿貝原理；
(5)由于受X，Y，Z相互垂直導(dǎo)軌的約束，測頭的空間位姿不夠靈活。
圖1-1 普通笛卡爾式串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖
從整個發(fā)展進(jìn)程不難看出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)是為滿足日益進(jìn)步的制造技術(shù)的需求而不斷向前發(fā)展的，是為先進(jìn)制造技術(shù)而服務(wù)的。近幾年，隨著精益生產(chǎn)、敏捷制造、虛擬制造、并行工程和逆向工程等各種先進(jìn)制造思想和理論的不斷提出，對并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度、并聯(lián)機(jī)構(gòu)效率及靈活性等相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)又提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的具有笛卡兒坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)的三并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)因其自身結(jié)構(gòu)的限制已很難達(dá)到這一要求，于是，各種非笛卡兒式并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展起來[13]。
圖1-2 幾種非笛卡爾串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)今國際市場需求快速變化的特點(diǎn)和21世紀(jì)更加個性化的市場趨勢，促進(jìn)了快速設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展。并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)是近30年發(fā)展起來的一種高效率的新型精密并聯(lián)機(jī)構(gòu)儀器，克服了傳統(tǒng)串聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高對生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足了快速多變的市場需求。與常用的串聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)相比，它的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)并聯(lián)中的可動平臺同時經(jīng)由3根可沿各自軸向伸縮的連桿支撐，從而使整個系統(tǒng)的剛度較串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比有較大程度的提高；
(2)各并聯(lián)桿件只承受沿軸向的線性調(diào)節(jié)力的作用,因而其運(yùn)動誤差小，不易變形；
(3)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中,各桿件間不存在誤差累積和放大關(guān)系，容易實(shí)現(xiàn)高精度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；
(4)并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)中運(yùn)動部件的慣性質(zhì)量小，剛度大，因而有望實(shí)現(xiàn)高速、高效率并聯(lián)機(jī)構(gòu)；
(5)可以將并聯(lián)機(jī)構(gòu)點(diǎn)放置在測長裝置的延長線上，從而減小阿貝誤差對并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)果的影響；
(6)并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測頭的空間位姿靈活，可從任何角度進(jìn)入工作表面，因而對表面形狀復(fù)雜,孔隙方位多的零件并聯(lián)機(jī)構(gòu)比較方便；
(7)并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)果不易受空氣波動、溫度變化等因素的影響；
(8)不需要復(fù)雜的跟蹤機(jī)構(gòu)、控制裝置等；
(9)并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有“硬件”簡單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品,因而渴望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
由此可以看出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)恰好能夠?qū)Υ?lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用局限進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，這無疑為新一代并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的開發(fā)與研制帶來了希望，從而為拓寬并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)產(chǎn)品的多樣化，提高產(chǎn)品的市場競爭力奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
近年來，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)為理論依據(jù)的智能機(jī)器人技術(shù)及計(jì)算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)的研究引起了各國學(xué)者的極大興趣，現(xiàn)已成為新的研究熱點(diǎn)，并認(rèn)為是21世界極具發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)[14-15]。由于并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運(yùn)動速度高、誤差不疊加等獨(dú)特特性，因而若將其應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)中，將有可能使并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度及并聯(lián)機(jī)構(gòu)效率等綜合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)理論及應(yīng)用研究的興起也為新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的開發(fā)提供了機(jī)遇，所以，開展并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的研究工作是非常必要的。
第2章 三自由度并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1 并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)概述
從并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)屬于一種新型非笛卡兒式并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的笛卡兒式并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)對空間位置坐標(biāo)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)是直接通過三個相互垂直的長度基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的，也就是說，這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型是直接建立在直角坐標(biāo)系基礎(chǔ)之上的，因而該并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模容易，并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)處理簡單、符合大多數(shù)工件并聯(lián)機(jī)構(gòu)的需要等優(yōu)點(diǎn)。而對于由并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所組成的并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)來說，其測頭處的空間位置坐標(biāo)是有若干個并聯(lián)調(diào)節(jié)器的長度基準(zhǔn)和連接上下平臺的球形副（或轉(zhuǎn)動副）的角度基準(zhǔn)來表述的，由于這些變量參數(shù)之間的關(guān)系是非線性，所以與普通直角型并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)相比并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模問題就變得十分復(fù)雜。
并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)是指上、下平臺用2個或2個以上分支相連，機(jī)構(gòu)具有2個或2個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的空間閉環(huán)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。由于并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)具有剛度重量比大，運(yùn)行速度高、末端執(zhí)行器位姿靈活、誤差不疊加、結(jié)構(gòu)簡單、易于模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn) ，因而在許多領(lǐng)域都已得到廣泛的應(yīng)用。例如：德國漢諾威、斯圖加特大學(xué)及不倫瑞克大學(xué)等已先后將并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)應(yīng)用于激光加工、機(jī)構(gòu)、普通裝配及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。國內(nèi)一些知名大學(xué)，如清華大學(xué)、天津大學(xué)、東北大學(xué)、燕山大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等等，也正在開展并聯(lián)機(jī)構(gòu)方面的研究工作。
實(shí)際上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模問題就是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正運(yùn)動求解問題。所謂正運(yùn)動求解，就是在已知并聯(lián)機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動副的位置參數(shù)及各并聯(lián)調(diào)節(jié)器桿長變化量的情況下，來計(jì)算末端執(zhí)行器（如測頭）出的空間位置坐標(biāo)。由空間機(jī)構(gòu)學(xué)理論可知并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)的位置反解比較容易，但其位置正解卻相當(dāng)復(fù)雜，到目前為止，也只能給出其數(shù)值解，且明顯存在多解現(xiàn)象。
我們通過對并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即將連接上下活動平臺的運(yùn)動副以等邊三角形的方式進(jìn)行排列，從而使個運(yùn)動副之間的相互關(guān)系簡潔化，然后充分利用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動約束和集合約束關(guān)系，建立由對應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型。
2.2 三自由度并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)動原理
本文所研究的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見圖2-1[16]。由圖2.2.1可以看出，該主要由上下2個等邊三角平臺和3個中間連桿組成。每個連桿包括3個運(yùn)動副，其中轉(zhuǎn)動副與上三角平臺的頂點(diǎn)相連，球面副則與下三角平臺的頂點(diǎn)相連，中間的移動副可在桿長的約束范圍內(nèi)做軸向伸縮運(yùn)動，的測頭則安裝在下三角平臺的幾何中心點(diǎn)位置。根據(jù)Kutzbach Grubler[17]公式，可計(jì)算出上述三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的空間自由度F為：
式中
n — 機(jī)構(gòu)中總的構(gòu)件數(shù)；
g — 機(jī)構(gòu)中所包含的所有物體之間的運(yùn)動副數(shù)目；
fi — 第i個運(yùn)動副的相對自由度數(shù)。
可計(jì)算出該運(yùn)動機(jī)構(gòu)的空間自由度為3。分別為沿Z向的1個移動自由度和2個獨(dú)立的轉(zhuǎn)動自由度。從機(jī)構(gòu)的連接方式不難看出，三個中間連桿的運(yùn)動是相互關(guān)聯(lián)和制約的，而不是相互分立的，因此，這種機(jī)構(gòu)屬于并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作原理十分簡單，它是通過移動副的調(diào)節(jié)器來控制移動副的伸縮，使連桿長度發(fā)生變化，從而使測頭移動至測點(diǎn)位置，然后再由安裝在移動副內(nèi)的長度并聯(lián)機(jī)構(gòu)裝置測出桿長的變化量，并以此為依據(jù)，計(jì)算出測點(diǎn)處的空間坐標(biāo)。
圖2-1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖
2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示：
由圖可以看出來，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要由三個基本單元組成，它們是：PC處理器單元，伺服電機(jī)控制單元和并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與存儲單元。PC處理單元主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、幾何尺寸計(jì)算和三維形體的重建等，同時還負(fù)責(zé)向其他兩個單元發(fā)送控制指令，以便協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。伺服電機(jī)控制單元則主要是依據(jù)PC計(jì)算機(jī)所發(fā)送的控制指令對三個伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，從而確保他們按實(shí)際要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與存儲單元主要用于完成對三個線性刻度尺（例如光柵尺、激光干涉儀等）輸出的脈沖信號進(jìn)行記數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果存儲到對應(yīng)的三個存儲器中，以便于PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取。
圖2-2 控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖
上述控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理可簡述如下：
當(dāng)操作人員通過計(jì)算機(jī)鍵盤（或其他鍵控開關(guān)）向計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令后，PC處理器則通過I/O控制器接口向三個交流伺服電機(jī)分別發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)行控制指令。當(dāng)三個伺服電機(jī)接受到正確的指令信息后，即驅(qū)動各自的滾珠絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動相應(yīng)的移動副按實(shí)際要求進(jìn)行伸縮，使測頭向目標(biāo)點(diǎn)移動；同時，隨著移動副的伸縮，與之相連的線性長度記錄儀（如光柵尺等）開始輸出計(jì)數(shù)脈沖，并由三個32位的計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。若測頭移動過程中，連桿或運(yùn)動副出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，則驅(qū)動系統(tǒng)將立即向計(jì)算機(jī)反饋信息，以便通知計(jì)算機(jī)及時調(diào)整三個伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時修正測頭的運(yùn)行軌跡，從而確保測頭安全、柔性地到達(dá)并聯(lián)機(jī)構(gòu)點(diǎn)位置。
當(dāng)測頭與被測目標(biāo)點(diǎn)接觸的一剎那，測頭的微動開關(guān)將產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖，并將其反饋給PC計(jì)算機(jī)作為采樣觸發(fā)信號。PC計(jì)算機(jī)接收到該采樣指令后，則向32位計(jì)數(shù)器發(fā)出讀數(shù)指令，隨后便將計(jì)數(shù)器中的三個脈沖計(jì)數(shù)值讀入處理器，經(jīng)相應(yīng)處理軟件計(jì)算后，得到該并聯(lián)機(jī)構(gòu)點(diǎn)處的實(shí)際空間坐標(biāo)值，從而完成一次坐標(biāo)采樣過程。
2.4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的分析
工作空間（Workplace）：設(shè)給定參考點(diǎn)C是動平臺執(zhí)行器的端點(diǎn)，工作空間是該端點(diǎn)在空間可以達(dá)到的所有點(diǎn)的集合。
完全工作空間（Complete workplace）：動平臺上執(zhí)行器端點(diǎn)可從任何方向（位姿）到達(dá)的點(diǎn)的集合。
定向工作空間（Constant workplace）：動平臺在固定位姿時執(zhí)行器端點(diǎn)可以到達(dá)的點(diǎn)的集合。
最大工作空間（Maximal workplace）：動平臺執(zhí)行器端點(diǎn)可到達(dá)的點(diǎn)的最大集合，并考慮其具體位姿。
完全工作空間和定向工作空間都是最大工作空間的子集.
另外，工作空間是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要特性，影響它的大小和形狀的因素主要有以下三個：
① 桿長的限制，桿件長度的變化是受到其結(jié)構(gòu)限制的，每一桿件的長度必須小于最大桿長，大于最小桿長。
② 轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬向鉸接的轉(zhuǎn)角都受到結(jié)構(gòu)研制的，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角都應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)角。
③ 桿件的尺寸干涉，連接動平臺和固定平臺的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運(yùn)動過程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件是直徑為D的圓柱體，兩相鄰桿件軸線之間的距離為Di,則Di＞D。
第3章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要部件的設(shè)計(jì)
3.1 電動機(jī)選型
3.1.1電機(jī)的分類
1．按工作電源分類根據(jù)電動機(jī)工作電源的不同，可分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。其中交流電動機(jī)還分為單相電動機(jī)和三相電動機(jī)。
2．按結(jié)構(gòu)及工作原理分類電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。
同步電動機(jī)還可分為永磁同步電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和磁滯同電動機(jī)。
異步電動機(jī)可分為感應(yīng)電動機(jī)和交流換向器電動機(jī)。感應(yīng)電動機(jī)又分為三相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)和罩極異步電動機(jī)。交流換向器電動機(jī)又分為單相串勵電動機(jī)、交直流兩用電動機(jī)和推斥電動機(jī)。
直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。有刷直流電動機(jī)可分為永磁直流電動機(jī)和電磁直流電動機(jī)。電磁直流電動機(jī)又分為串勵直流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和復(fù)勵直流電動機(jī)。永磁直流電動機(jī)又分為稀土永磁直流電動機(jī)、鐵氧體永磁直流電動機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)。
3．按起動與運(yùn)行方式分類電動機(jī)按起動與運(yùn)行方式可分為電容起動式電動機(jī)、電容盍式電動機(jī)、電容起動運(yùn)轉(zhuǎn)式電動機(jī)和分相式電動機(jī)。
4．按用途分類電動機(jī)按用途可分為驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)。
驅(qū)動用電動機(jī)又分為電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴(kuò)孔等工具）用電動機(jī)、家電（包括洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、吸塵器、照相機(jī)、電吹風(fēng)、電動剃須刀等）用電動機(jī)及其它通用小型機(jī)械設(shè)備（包括各種小型、小型機(jī)械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機(jī)。
控制用電動機(jī)又分為電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。
5．按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動機(jī)按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應(yīng)電動機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動機(jī)）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動機(jī)）。
6．按運(yùn)轉(zhuǎn)速度分類電動機(jī)按運(yùn)轉(zhuǎn)速度可分為高速電動機(jī)、低速電動機(jī)、恒速電動機(jī)、調(diào)速電動機(jī)。
低速電動機(jī)又分為齒輪減速電動機(jī)、電磁減速電動機(jī)、力矩電動機(jī)和爪極同步電動機(jī)等。
調(diào)速電動機(jī)除可分為有級恒速電動機(jī)、無級恒速電動機(jī)、有級變速電動機(jī)和無極變速電動機(jī)外，還可分為電磁調(diào)速電動機(jī)、直流調(diào)速電動機(jī)、PWM變頻調(diào)速電動機(jī)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)。
3.1.2電機(jī)的選擇
由于電機(jī)具有控制較容易，維修也較方便，而且控制為全數(shù)字化的優(yōu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)際情況我們選擇電機(jī)，選擇參數(shù)為:額定電壓、輸出扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速等。擬采用的57系列兩相混和式電機(jī)使用24V電壓，本系統(tǒng)提供的24V直流電源可以滿足電機(jī)的工作需要。輸出扭矩與支撐板的摩擦力有關(guān)，主要由物料的重量和摩擦系數(shù)來確定，此外，還與滑動摩擦力的作用有關(guān)，但由于滑動摩擦系數(shù)很小。電機(jī)的頻矩特性曲線如圖4-3所示：
則由曲線可得:當(dāng)n=30r/min時，f=100HZ。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果我們選擇電機(jī)型號為：57BYJ250C
3.2 電動推桿選擇
電液推桿是一種集機(jī)、電、液為一體的液壓驅(qū)動機(jī)械手。它適用于需要往復(fù)推、拉直線（或往復(fù)旋轉(zhuǎn)一定角度）運(yùn)動也可用于需上升、下降或夾緊工作物的場所，并可進(jìn)行遠(yuǎn)距離高空及危險(xiǎn)區(qū)的集中或程序控制。已廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、煤炭、電力、機(jī)械、糧食、水泥、化工、水利、運(yùn)輸、起重運(yùn)輸及港口機(jī)械中的閥門、閘門、換向、傾斜、擺動等的驅(qū)動和控制，是通用的動力源。
電液推桿是以液壓缸為主體，電動機(jī)、油箱、油泵、濾油器、液壓控制閥組合的總成。電動機(jī)、油泵、液壓控制閥和液壓缸可裝在同一軸線上，也可按需要裝置在不同軸上，中間有油箱和安裝支座，只需接通電動機(jī)的控制電源，即可使活塞桿位移往復(fù)運(yùn)動。活塞桿的伸縮由電動機(jī)的正反向旋轉(zhuǎn)控制。
液壓控制閥組合是：溢流閥、伺服閥、液控單向閥等組成；電液推桿可以根據(jù)不同的工況要求設(shè)計(jì)不同油路形式的組合閥滿足其工作要求。
電液推桿分為單推、單拉和推拉三種形式，調(diào)速形式有推拉調(diào)速型，推調(diào)速型，拉調(diào)速型，推拉均不調(diào)速型。鎖定形式有推拉鎖定型、推鎖定型、拉鎖定型，推拉均不鎖定型。
電液推桿具有如下優(yōu)點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，占據(jù)空間小，維護(hù)簡單；回路中設(shè)有雙向液壓鎖，可停在規(guī)定行程范圍內(nèi)的任意位置并自鎖，且保持輸出力不變；可帶負(fù)荷起動，具有過載保護(hù)裝置；拉力、速度無級可調(diào)，驅(qū)動力范圍極廣；因故斷電，推桿自鎖．避免發(fā)生事故。
但電液推桿工作過程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄露損失等），長距離傳動時更是如此；它對油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很容易受到溫度影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件工作；它造價昂貴，而且對工作介質(zhì)的污染比較敏感；同時他出現(xiàn)故障時也不易找出。這些都對電液推桿的傳動質(zhì)量和使用范圍造成一定影響。不符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。使用電動推桿可以較好得解決以上問題。
4.2 電動推桿
電動推桿是一種動力驅(qū)動裝置，其安裝不受地形、氣候、距離限制，并以其結(jié)構(gòu)緊湊、使用可靠、節(jié)約能源、安裝方便、維修簡單等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛用于電力、機(jī)械、化工、冶金、礦山、輕工、交通、船舶等部門?？赏瓿筛鞣N物體的升降、推拉、平移、旋轉(zhuǎn)、鎖定、門閥的開關(guān)等作業(yè)。同時，電動推桿可通過微機(jī)控制，便捷實(shí)現(xiàn)自動化。現(xiàn)已被越來越多的部門用它來代替機(jī)構(gòu)手、液墳閥、減速傳動機(jī)構(gòu)的自動裝置中。
電動推桿由電動機(jī)、減速齒輪、絲桿、銅螺母、導(dǎo)向管、活塞桿、軸承座、彈簧、缸筒座、聯(lián)結(jié)叉及限位開關(guān)（選用）等部件所組成。
推桿以電機(jī)為動力源，通過一對（或兩對）齒輪傳動變速，帶動一對絲桿螺母傳動副組合，把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推拉動作。推力和拉力相等。如通過各種杠桿，搖桿或連桿等機(jī)構(gòu)可完成轉(zhuǎn)動、搖動等復(fù)雜動作。通過改變杠桿力臂長度可以增長行程。
電動推桿內(nèi)過載自動保護(hù)裝置，當(dāng)推桿行程到極限位置或負(fù)載超過額定推力一定數(shù)值時，推桿將自動切斷電源，起保護(hù)作用，使電動機(jī)及其它構(gòu)件不致?lián)p壞，但不得以此作為正常運(yùn)行時的限位開關(guān)使用。因此要在推桿上另行配置外行程限位開關(guān)裝置，以控制推桿正常起停。
電動推桿按電機(jī)安裝形式分I型、II 型兩種基本形式，同一種形式又分若干個電機(jī)機(jī)座號。在此基礎(chǔ)上增加了III型、IV 型和防爆型，III 型、IV 型的主要技術(shù)參數(shù)及外形安裝尺寸與II 型相同。在III 型的居套外加裝了行程調(diào)節(jié)裝置，使推桿行程從0至最大行程范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，IV 型的中間傳動端加裝手輪，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作。
電動推桿的螺旋傳動機(jī)構(gòu)又可分為滑動絲桿副螺旋傳動和滾珠絲桿副螺旋傳動兩種。
采用滾動絲桿副螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，它的摩擦系數(shù)小,摩擦損失減少,傳動效率高,低速時不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象;同時滾珠絲桿副不存在軸向間隙,這樣就提高了它的傳動質(zhì)量和精度, 滾珠絲桿副螺旋傳動還具有壽命長、精度高、軸向剛度高、運(yùn)動平穩(wěn)等特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較難；運(yùn)動具有可逆性，需要設(shè)置防止逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
采用滑動絲桿副螺旋進(jìn)行傳動與滾珠絲桿副螺旋傳動相比它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、減速傳動比大、具有自鎖性、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。在本電動推桿設(shè)計(jì)中，由于對絲桿自鎖性要求較高，傳動速度適中，且要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易。所以選擇滑動絲桿副進(jìn)行傳動比較合適。
DG系列D型電動推桿
該系列電動推桿
結(jié)構(gòu)簡單，噪聲較低。主要應(yīng)用于推拉力較小的工業(yè)設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動的執(zhí)
行機(jī)構(gòu)。如各種風(fēng)道的蝶閥、舞臺設(shè)備等。
● 外形結(jié)構(gòu)：電機(jī)與推桿同軸。
● 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：梯形絲杠副。
● 行程控制：采用外部行程控制裝置或編碼器實(shí)現(xiàn)。
● 過載保護(hù)：采用彈簧與繼電器組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
主要技術(shù)參數(shù)
1. 驅(qū)動電機(jī)：三相異步電機(jī)
2. 最大推力：500kgf
3. 最快速度：94mm/s
4. 最大行程：800mm
5. 機(jī)械連接：雙側(cè)耳軸連接
3.3機(jī)構(gòu)力的計(jì)算
1. 上平臺加載1.4t,從中間位置上升150㎜，平衡機(jī)抵消70％的載荷。
假設(shè)平橫狀態(tài)下桿AE、BD、CF的長度為1m，上、下平臺(圓盤)的半徑:=0.51m；=0.86m，AE與豎直方向的夾角為15度，EF=ED=DF=0.75×m=750×mm，AB=BC=AC=0.35×m=350×mm，∠AˊED=80°。
由幾何關(guān)系知，AE=
AG=AEcos15°=1292.9mm(AG為Aˊ到地面的距離)
取PQ=1125mm, AˊG=AG+150=1442.9mm
tg∠PHQ= ∠PHQ=37.9°,所以∠NHQ=90°-37.9°=52.1°
9800=2FQHSin52.1°FQH=6202.5N
tg∠PMQ= = ∠PMQ=41°
Sin∠PMQ=QM==1714.8mm
Sin∠PHQ=
所以△X=1831.4-1714.8=116.6mm
FQH=6K1△X K1=
FPN= FQH=5K2 K2=
2. 上平臺加載1.4t,從中間位置下降150㎜，平衡機(jī)抵消100％的載荷。
A"G=
∠PMˊQ=∠PMˊQ=49.8°
Sin∠PMˊQ=
△X=QM-Q Mˊ=1714.8-1472.9=241.9mm
14000=2 QMˊSin(90°-49.8°) FQMˊ=10769.2N
K3=
K4=
3. 平衡機(jī)上平臺處于中間位置加載1.4t，右端上仰20°，抵消85％的載荷。
14000%=11900N
11900=FQM"∠QM"J+FPN"Sin∠M"N"P
FQM"Cos∠QM"J= FPN"Cos∠M"N"P
因?yàn)椤螾MQ=41°，所以∠QMN=49°
取∠QM"J=40°，∠M"N"P=60°，代入上面兩個式子得：
FQM"=6040.6N，F(xiàn)PN"=9302.5N
M"O= （M"O為M"到底平面的距離）
∠M"QO=35°，所以M"Q=
MQ=
所以△X1=1918.7-1712.1=206.6mm
FQM"=6K5△X1 K5=
N"P=
△X2= N"P-PN=1961.4-1712.1=249.3mm
所以FPN"=5K6△X2 K6=
4. 平衡機(jī)上平臺處于中間位置加載1.4t，右端向上傾側(cè)20°，抵消80％的載荷。
算法同上述第三種情況，計(jì)算得：
F1=5686N，F(xiàn)2=8756N
，
6FCosθ=947.7，θ=10°
所以F=160.4N=K7△X ，又因?yàn)椤鱔=
所以K7= ；
5FˊCosθ=1751.2，θ=10°
所以Fˊ=355.6N=K8△X , 又因?yàn)椤鱔=
K8=
第4章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間分析
并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間，實(shí)質(zhì)上就是測頭的工作空間。該空間是指在滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動約束和幾何約束的條件下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測頭所能達(dá)到的空間點(diǎn)的所有點(diǎn)集。這些點(diǎn)集可構(gòu)成一個體積，該體積的邊界曲面就是測頭工作空間的邊界。
4.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動學(xué)約束
基本上，并聯(lián)的物理約束有三個，他們是：連桿桿長約束，運(yùn)動副轉(zhuǎn)角約束和連桿桿間干涉。不同于通過限制轉(zhuǎn)動副來限制有效自由度，本節(jié)討論的運(yùn)動學(xué)約束主要是限制運(yùn)動范圍。
4.1.1 連桿桿長約束
連桿在運(yùn)動過程中，其桿長必須滿足條件：
(i=1,2,3)
在上式中l(wèi)min和lmax分別表示連桿的最小桿長和最大桿長。
4.1.2 運(yùn)動副轉(zhuǎn)角約束
同樣，在并聯(lián)工作過程中，必須滿足條件：
0αiαmax (i=1,2,3)
在上式中αmax代表球面副的最大圓錐擺角，αi為基座平面的法向量m與第i條連桿桿長向量li之間的夾角(圖4-1)?？梢员硎境桑?
=cos
圖4-1 運(yùn)動副轉(zhuǎn)角約束
上式中， l==(b-p) (i=1,2,3),
m==(p-p)(p-p).
4.1.3 連桿桿間干涉
由于3個并聯(lián)連桿與基座之間的連接關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動副，三個連桿只能在各自的約束平面內(nèi)運(yùn)動，因而不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
4.2 確定并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間的基本方法
為了描述并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測頭的工作空間，可取若干個適當(dāng)?shù)钠叫衅矫孀鳛楣ぷ骺臻g的剖面。這些平面與工作空間的交即是工作空間在這些剖面上的邊界曲線。若取一系列這樣的剖面，就可得到一系列的邊界曲線。這些邊界曲線的集合就可構(gòu)成一個完整的工作空間邊界
例如，取一平行于XOBY的平面X1ZjY1作為工作空間的剖面(如圖4-2所示)，該平面距坐標(biāo)原點(diǎn)OB的距離Zj(Zmin Zmax)。然后，在該平面上取一極角φi，作一極線ρ那么極線ρ與邊界曲線的交點(diǎn)ρi即為測頭在該極線上所能達(dá)到的最遠(yuǎn)點(diǎn)。因此，只要能在此極線上找到ρi，即可算出該邊界點(diǎn)在坐標(biāo)系OB-XYZ中的空間坐標(biāo)，即(ρicosφi，ρi sinφi，Z)。
圖4-2 量空間剖面選取及邊界曲線的確定
由此可以看出，通過上述方法處理后，即可將工作空間邊界點(diǎn)的計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為對ρi的一維搜索問題。當(dāng)求得一個邊界點(diǎn)后，令極線的極角增加Δφ，再按上述方法搜索出另一個邊界點(diǎn)。當(dāng)極角φi由0°開始增加到360°時，就可得到該剖面上完整的邊界曲線。作完一個剖面后，增加Zj，再重復(fù)同樣方法，直到Zj由Zmin變化到Zmax為止，這樣就可求出并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測頭的整個工作空間邊界。
第5章 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)三維建模
5.1設(shè)計(jì)結(jié)果
經(jīng)過一個學(xué)期的調(diào)研、設(shè)計(jì)，我們的并聯(lián)機(jī)床實(shí)驗(yàn)臺課題終于有了雛形，能夠?qū)崿F(xiàn)相對較為粗糙并聯(lián)運(yùn)動。對于初出茅廬的我們來說，是個很大的鼓舞，畢竟是自己設(shè)計(jì)出來的東西，雖然問題考慮的不盡周全，許多地方都存在著這樣或那樣的缺陷，這是由于我們的經(jīng)驗(yàn)還太少，需要各位老師的諒解。
5.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)solidworks三維建模
在設(shè)計(jì)與畫CAD的同時，我們同步進(jìn)行著solidworks的立體零部件的創(chuàng)建。最終，我們將全部的零件組裝在一起，構(gòu)成一個并聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺的整體模型。并對并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了局部仿真，但由于驅(qū)動設(shè)置的不夠成熟，并聯(lián)機(jī)構(gòu)還達(dá)不到作者與合伙人所設(shè)想的完美運(yùn)動方案。
第6章 Adαms建模過程
6.1 Adams軟件介紹
6.1.1 Adams軟件簡介
ADAMS軟件，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件銷售總額近8千萬美元、占據(jù)了51%的份額。
ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。
ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。
ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成，如表3-1所示。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。
表6-1 ADAMS軟件模塊
基本模塊
用戶界面模塊
ADAMS／View
求解器模塊
ADAMS／Solver
后處理模塊
ADAMS／PostProcessor
擴(kuò)展模塊
液壓系統(tǒng)模塊
ADAMS/Hydraulics
振動分析模塊
ADAMS/Vibration
線性化分析模塊
ADAMS/Linear
高速動畫模塊
ADAMS/Animation
試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊
ADAMS/Insight
耐久性分析模塊
ADAMS/Durability
數(shù)字化裝配回放模塊
ADAMS/DMU Replay
接口模塊
柔性分析模塊
ADAMS/Flex
控制模塊
ADAMS/Controls
圖形接口模塊
ADAMS/Exchange
CATIA專業(yè)接口模塊
CAT/ADAMS
Pro/E接口模塊
Mechanical/Pro
專業(yè)領(lǐng)域模塊
轎車模塊
ADAMS/Car
懸架設(shè)計(jì)軟件包
Suspension Design
概念化懸架模塊
CSM
駕駛員模塊
ADAMS/Driver
動力傳動系統(tǒng)模塊
ADAMS/Driveline
輪胎模塊
ADAMS/Tire
柔性環(huán)輪胎模塊
FTire Module
柔性體生成器模塊
ADAMS/FBG
經(jīng)驗(yàn)動力學(xué)模型
EDM
發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)模塊
ADAMS/Engine
配氣機(jī)構(gòu)模塊
ADAMS/Engine Valvetrain
正時鏈模塊
ADAMS/Engine Chain
鐵路車輛模塊
ADAMS/Rail
6.1.2 ADAMS軟件基本模塊
（1）用戶界面模塊（ADAMS/View）
ADAMS/View是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，將圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動畫顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、X-Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。
ADAMS/View采用簡單的分層方式完成建模工作。采用Parasolid內(nèi)核進(jìn)行實(shí)體建模，并提供了豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力/力矩庫，并且支持布爾運(yùn)算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數(shù)。除此之外，還提供了豐富的位移函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)、接觸函數(shù)、樣條函數(shù)、力/力矩函數(shù)、合力/力矩函數(shù)、數(shù)據(jù)元函數(shù)、若干用戶子程序函數(shù)以及常量和變量等。ADAMS/View模塊界面如圖3-1所示。
圖3-1 ADAMS/View模塊
ADAMS/View新版采用了改進(jìn)的動畫/曲線圖窗口，能夠在同一窗口內(nèi)可以同步顯示模型的動畫和曲線圖；具有豐富的二維碰撞副，用戶可以對具有摩擦的二維點(diǎn)－曲線、圓－曲線、平面－曲線、以及曲線－曲線、實(shí)體－實(shí)體等碰撞副自動定義接觸力；具有實(shí)用的Parasolid輸入/輸出功能，可以輸入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把單個構(gòu)件、或整個模型、或在某一指定的仿真時刻的模型輸出到一個Parasolid文件中；具有新型數(shù)據(jù)庫圖形顯示功能，能夠在同一圖形窗口內(nèi)顯示模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇某一構(gòu)件或約束(運(yùn)動副或力)后顯示與此項(xiàng)相關(guān)的全部數(shù)據(jù)；具有快速繪圖功能，繪圖速度是原版本的20倍以上；采用合理的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)向器，可以在一次作業(yè)中利用一個名稱過濾器修改同一名稱中多個對象的屬性，便于修改某一個數(shù)據(jù)庫對象的名稱及其說明內(nèi)容；具有精確的幾何定位功能，可以在創(chuàng)建模型的過程中輸入對象的坐標(biāo)、精確地控制對象的位置；多種平臺上采用統(tǒng)一的用戶界面、提供合理的軟件文檔；支持lntel Windows NT平臺的快速圖形加速卡，確保ADAMS/View的用戶可以利用高性能OpenGL圖形卡提高軟件的性能；命令行可以自動記錄各種操作命令，進(jìn)行自動檢查。
（2）求解器模塊 (ADAMS/Solver)
ADAMS/Solver是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是ADAMS產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問題。
ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運(yùn)動副、運(yùn)動激勵，高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時可求解運(yùn)動副之間的作用力和反作用力，或施加單點(diǎn)外力。
ADAMS/Solver新版中對校正功能進(jìn)行了改進(jìn)，使得積分器能夠根據(jù)模型的復(fù)雜程度自動調(diào)整參數(shù)，仿真計(jì)算速度提高了30%；采用新的S12型積分器（Stabilized Index 2 intergrator），能夠同時求解運(yùn)動方程組的位移和速度，顯著增強(qiáng)積分器的魯棒性，提高復(fù)雜系統(tǒng)的解算速度；采用適用于柔性單元(梁、襯套、力場、彈簧-阻尼器)的新算法，可提高S12型積分器的求解精度和魯棒性；可以將樣條數(shù)據(jù)存儲成獨(dú)立文件使之管理更加方便，并且spline語句適用于各種樣條數(shù)據(jù)文件，樣條數(shù)據(jù)文件子程序還支持用戶定義的數(shù)據(jù)格式；具有豐富的約束摩擦特性功能，在Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等約束中可定義各種摩擦特性。
（3） 后處理模塊（ADAMS/Postprocessor）
MDI公司開發(fā)的后處理模塊ADAMS/Postprocessor，用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動畫等。既可以在ADAMS/View環(huán)境中運(yùn)行，也可脫離該環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。如圖3-2所示。
ADAMS/Postprocessor的主要特點(diǎn)是，采用快速高質(zhì)量的動畫顯示，便于從可視化角度深入理解設(shè)計(jì)方案的有效性；使用樹狀搜索結(jié)構(gòu)，層次清晰，并可快速檢索對象；具有豐富的數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出功能；具有靈活多變的窗口風(fēng)格，支持多窗口畫面分割顯示及多頁面存儲；多視窗動畫與曲線結(jié)果同步顯示，并可錄制成電影
文件；具有完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能：如均值、均方根、極值、斜率等；具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能，能夠進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算、反向、偏置、縮放、編輯和生成波特圖等；為光滑消隱的柔體動畫提供了更優(yōu)的內(nèi)存管理模式；強(qiáng)化了曲線編輯工具欄功能；能支持模態(tài)形狀動畫，模態(tài)形狀動畫可記錄的標(biāo)準(zhǔn)圖形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm， *.avi 等；在日期、分析名稱、頁數(shù)等方面增加了圖表動畫功能；可進(jìn)行幾何屬性的細(xì)節(jié)的動態(tài)演示。
圖3-2 ADAMS/Postprocessor模塊
ADAMS/Postprocessor的主要功能包括：ADAMS/Postprocessor為用戶觀察模型的運(yùn)動提供了所需的環(huán)境，用戶可以向前、向后播放動回，隨時中斷播放動畫，而且可以選擇員佳觀察視角，從而使用戶更容易地完成模型排錯任務(wù)；為了驗(yàn)證ADAMS仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)的有效性．可以輸入測試數(shù)據(jù)，并測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖比較，還可對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、對輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；用戶可以對多個模擬結(jié)果進(jìn)行圖解比較，選擇合理的設(shè)計(jì)方案；可以幫助用戶再現(xiàn)ADAMS中的仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以提高設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量；可以改變圖表的形式，也可以添加標(biāo)題和注釋；可以載入實(shí)體動畫，從而加強(qiáng)仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)的表達(dá)效果；還可以實(shí)現(xiàn)在播放三維動畫的同時，顯示曲線的數(shù)據(jù)位置，從而可以觀察運(yùn)動與參數(shù)變化的對應(yīng)關(guān)系。
圖3-3 Αdαms虛擬仿真步驟框圖
6.2 Adams 建模過程
由于該機(jī)構(gòu)是研究五點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律，所以在建模時只考慮與鉸鏈機(jī)構(gòu)有關(guān)的因素具體來講，有調(diào)模板、動模板、靜模板、拉桿、鉸鏈機(jī)構(gòu)（四個）、油缸的行程。為了分析的方便，把油缸和機(jī)構(gòu)四用同一個機(jī)構(gòu)來代替。此外還把一些起虛約束作用的機(jī)構(gòu)去掉。
6.2.1 啟動ADAMS
雙擊桌面上ADAMS/View的快捷圖標(biāo),打開ADAMS/View。在歡迎對話框中選擇“Import a file”，在 “Start in” 中確定工作目錄，如G：盤；然后在“File Import” 對話框輸入相應(yīng)的信息
歡迎對話框 “File Import” 對話框
6.2.2 設(shè)置工作環(huán)境
在“Setting” 菜單下定義“Gravity” 和“Units”。 重力名稱（Gravity）欄中選擇“Earth Normal (-Global Y)”；在單位名稱（Units）欄中選擇“MMKS –mm,kg,N,s,deg”。
6.2.3 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副、移動副、移動驅(qū)動、固定約束
（1） 選擇ADAMS/View約束庫中的旋
轉(zhuǎn)副（Joint: Revolute）圖標(biāo)，參數(shù)選擇
2 Bod-1 Loc和Normal To Grid。在ADAMS/
View工作窗口中先用鼠標(biāo)左鍵選擇，調(diào)模板
與后肘桿、后肘桿與前肘桿、前肘桿與動模
板、后肘桿與連桿、連桿與十字頭之間添加
。添加結(jié)果如右圖所示。
（2） 選擇ADAMS/View約束庫中的
旋轉(zhuǎn)副（Joint: Translational）圖標(biāo),參
數(shù)選擇2 Bod-1 Loc和Pick feature。油缸與
調(diào)模板、拉桿與動模板需要添加。
如右圖所示。
移動副
（3） 選擇ADAMS/View約束庫中的固
定副（Joint: Fixed）圖標(biāo)，參數(shù)選擇
2 Bod-1 Loc和Normal To Grid。在ADAMS/
View工作窗口中先用鼠標(biāo)左鍵選擇，與大地之間添加.
固定副
（4）在ADAMS/View驅(qū)動庫中選擇旋轉(zhuǎn)驅(qū)動
（Trans Joint Motion）按鈕，在Speed一欄中
輸入100，100表示移動驅(qū)動每秒鐘移動100mm。在
ADAMS/View工作窗口中，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊油缸上的
移動副，一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動創(chuàng)建出來，圖中顯亮的部分
為移動驅(qū)動 。
移動驅(qū)動
6.3 仿真結(jié)果
根據(jù)上述分析計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表示，調(diào)試無誤后得到運(yùn)行結(jié)果。
（2）規(guī)律線圖.
（3） 結(jié)果分析
從上圖示可以發(fā)現(xiàn)，反映出來的運(yùn)動規(guī)律到運(yùn)行結(jié)束時能較平穩(wěn)地停下來，對機(jī)器的沖擊載荷較小。所以在Αdαms 軟件中, 利用原機(jī)構(gòu)特性分析的數(shù)學(xué)模型, 將優(yōu)化結(jié)果數(shù)值作為其初始值, 就可直接繪出經(jīng)過優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)特性曲線。?
結(jié) 論
本文著重介紹了虛擬環(huán)境下三自由度并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動建模和仿真。首先說明一下本文研究內(nèi)容所涉及到的學(xué)術(shù)背景，并闡述了“虛擬樣機(jī)”等名詞的內(nèi)涵；接下來詳細(xì)討論了三自由度并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)虛擬樣機(jī)的幾何模型，包括幾何建模、形象建模和幾何造型等過程，從而完成虛擬樣機(jī)的幾何模型設(shè)計(jì)；之后又繼續(xù)研究三自由度并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動模型.
參考文獻(xiàn)
[1] John A. Bosch. Coordinate Measuring Machines
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