[论文解读] The Design of a Novel Prismatic Drive for a Three-DOF Parallel-Kinematics Machine
本文提出一种新颖的非同轴共轭凸轮机构，作为三自由度并联运动机床（Orthoglide）的移动型执行器，以滑动-凸轮传动取代滚珠丝杠，实现纯滚动接触以降低摩擦与磨损。优化设计在最小滚子-销钉变形（9.76 μm）和低压力角变化下，实现88.03%的使用系数，提升了高速切削应用中的精度与耐久性。
The design of a novel prismatic drive is reported in this paper. This transmission is based on Slide-O-Cam, a cam mechanism with multiple rollers mounted on a common translating follower. The design of Slide-O-Cam was reported elsewhere. This drive thus provides pure-rolling motion, thereby reducing the friction of rack-and-pinions and linear drives. Such properties can be used to design new transmissions for parallel-kinematics machines. In this paper, this transmission is optimized to replace ball-screws in Orthoglide, a three-DOF parallel robot optimized for machining applications.
研究动机与目标
- 将Orthoglide并联机器人中的滚珠丝杠替换为更高效、低摩擦的驱动系统。
- 解决滚珠丝杠的局限性，如高磨损、点接触及复杂运动部件。
- 开发基于滑动-凸轮机构的移动驱动装置，实现纯滚动运动，以提升承载能力并降低摩擦。
- 优化凸轮轮廓与设计参数，确保几何可行性、凸性及避免根切。
- 实现高使用系数与低压力角变化，以保障在机械加工应用中可靠、高精度运行。
提出的方法
- 滑动-凸轮机构采用安装在直线运动从动件上的多个滚子，通过凸轮与滚子轴承之间的纯滚动接触传递动力。
- 输入-输出函数定义为 s(ψ) = (p/(2π))ψ - p/2，其中 p = 50 mm，确保凸轮每转一圈实现50 mm的位移。
- 利用Aronhold-Kennedy定理施加几何约束，推导u-v坐标系中的凸轮轮廓方程，参数b₂、b₃与δ由运动学关系确定。
- 将压力角μ作为关键性能指标进行分析，设计目标为在保持几何可行性的前提下，最小化其最大绝对值。
- 采用非同轴共轭凸轮结构，三个凸轮以120°间隔分布，通过在不同凸轮间切换驱动角色，实现连续动力传递。
- 采用梁理论对滚子-销钉变形进行建模，最大变形vLmax由材料属性（E = 2×10⁵ MPa）、载荷（τ = 1.2 Nm）与几何参数计算得出。
实验结果
研究问题
- RQ1如何设计基于凸轮的移动执行器，以替代如Orthoglide这样的三自由度并联机器人中的滚珠丝杠？
- RQ2为确保完全凸性、无根切的凸轮轮廓并实现纯滚动接触，必须满足哪些几何与运动学约束？
- RQ3如何优化压力角分布以提升承载能力并减少应力与磨损？
- RQ4在滚子半径、凸轮轮廓与变形之间如何实现最优平衡，以在保持精度的前提下最大化使用系数？
- RQ5非同轴共轭凸轮机构如何实现多凸轮阶段之间的连续、平稳动力传递？
主要发现
- 最优设计采用 η = 0.37，对应滚子半径 a₄ = 9 mm，最大滚子-销钉变形为 9.76 μm。
- 最大压力角为32.95°，最小为17.75°，使用系数为88.03%，表明具有高机械可靠性。
- 非同轴结构通过避开凸轮轮廓的高应力区域，降低峰值压力角，改善载荷分布。
- 该机构每完成一次凸轮全转实现50 mm位移（p = 50 mm），与原始Orthoglide滚珠丝杠螺距一致。
- 采用三个以120°间隔分布的凸轮，确保连续动力传递，并在主驱动凸轮间实现平滑切换。
- 当 η = 0.33 及以下时，设计可实现100%使用系数，但变形过大（147.02 μm），不适用于精密应用。
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