基于MATLAB和UG的并联机床设计分析虚拟平台的研究

　　0　引言

　　DrStewart在1965年发表的论文A Platform withSixDegrees ofFreedom中提出的并联机构,现在称为Stewart平台[1-3]。并联机构承载能力强、结构刚度大、负载与自重比大;与传统串联机构相比,容易实现多自由度,精度高,动态性能好,运动速度和加速度都可以比较大。并联机构主要应用于飞行仿真器、并联机床、运动仿真器等领域。特别是在并联机床领域,以并联机构为基本构型的并联机床在要求高精度、高速度的军工、船舶、航空航天、电子技术等领域发挥了巨大的作用。工业应用领域的需求推动了并联机构的研究,并联机构的研究已经成为当前科学研究热点。

　　并联机床的研制需要耗费巨大的财力、物力,并且存在很大的风险性,促使了加紧对并联机床虚拟设计分析平台的研究与搭建[4-5]。

　　1　并联机床虚拟设计分析平台的国内外的发展

　　国外对并联机床虚拟设计分析平台的研制已经基本可以满足工业领域的需求,在虚拟环境下可以实现并联机床的模型构建,可以对模型中的参数,如杆长和驱动器的种类型号、机床的总体平台类型等进行设定,并可以实现虚拟加工仿真,进而生成数控加工代码。图1所示为虚拟的并联机床设计与分析环境的系统构成,图2所示为虚拟并联机床设计分析环境下的机床模型构建,在机床模型建立中可以对模型中的参数,如杆长和驱动器的种类型号、机床的总体平台类型等进行设定[6-12]如图3所示。

　　在虚拟设计平台中可以实现虚拟加工仿真,图4所示为实际加工与虚拟加工的对比,图4(a)所示为实际加工,图4(b)所示为虚拟加工。图5所示为搭建成功的虚拟加工平台。国外对并联机床的虚拟设计分析环境的研究已经非常成功,对新型并联机床的发展起到了开创性的作用,节约了开发成本,降低了开发研制的高风险性,极大地推动了并联机床的研制和发展。

　　国内受各种因素的制约,在这方面的研究还基本上是一个空白。我国对并联机床的研究开始于20世纪90年代,并联机床的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略等几个领域。其中并联机床的机构学与运动学分析主要研究并联机床的运动学问题、奇异位形、工作空间分析等方面。动力学分析及控制策略的研究主要是对并联机床进行动力学分析和建模,并且研究利用各种可能的控制算法,对并联机器实施控制,从而达到期望的控制效果。经过十几年的基础理论研究,一些理论已经趋于成熟,研制搭建虚拟设计分析平台的理论基础已经初步具备。

　　2　虚拟平台系统的设计

　　2·1　总体结构

　　在六轴并联机床的研究的基础上,充分发挥MATLAB的科学运算能力,实现对空间机构的结构单元及拓扑结构特征分析;使用UG强大的三维建模与分析平台系统构成运动仿真技术,通过在UG中调用MATLAB的计算结果,实现对并联机床的精确仿真;同时采用C语言作为MATLAB与UG的数据通讯桥梁,搭建出基于MATLAB和UG的并联机床设计分析的虚拟平台。图6所示为虚拟平台系统的构成示意图。