[论文解读] Design of a 3 Axis Parallel Machine Tool for High Speed Machining: The Orthoglide

Félix Majou, Philippe Wenger+1 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2007

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 13被引用 15

一句话总结

本文提出了Orthoglide的结构设计，这是一种专为高速加工优化的三轴平移式并联运动机理机床。通过应用等向性与操作性约束，作者实现了具有直线驱动器和被动回转副的运动学最优构型，最大限度减少了奇异位形，提升了刚度与动态性能，适用于高精度加工应用。

ABSTRACT

The Orthoglide project aims at designing a new 3-axis machine tool for High Speed Machining. Basis kinematics is a 3 degree-of-freedom translational parallel mechanism. This basis was submitted to isotropic and manipulability constraints that allowed the optmization of its kinematic architecture and legs architecture. Thus, several leg morphologies are convenient for the chosen mechanism. We explain the process that led us to the choice we made for the Orthoglide. A static study is presented to show how singular configurations of the legs can cause stiffness problems.

研究动机与目标

• 开发一种专为高速加工设计的三轴并联运动机理机床，具备高精度与优异动态性能。
• 满足等向性与操作性约束，确保工作空间内性能均匀且最优。
• 识别并消除影响刚度与动态行为的杆系构型中的奇异位形。
• 基于运动学与机械性能标准，在多种可行构型中选择最优杆系形态。
• 实现一种设计，平衡高刚度、大工作空间与高速能力，适用于工业加工应用。

提出的方法

• 设计基于三自由度平移式并联机构，三个相同杆件通过直线驱动器与被动回转副连接运动平台与基座。
• 在运动学构型中应用等向性与操作性约束，以确保工作空间内性能均匀且高灵活性。
• 开展静力学研究，分析杆系构型对刚度的影响，特别关注降低结构刚性的奇异位形。
• 评估多种杆系形态的运动学与机械性能，最终选定一种能最小化奇异位形并最大化刚性的构型。
• 通过几何、运动学与静力学分析的综合优化过程，实现稳健且高性能的机床构型。
• 最终设计通过运动学与静力学建模进行验证，确保适用于高速高精度加工。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种三轴并联运动机理机床，以实现在其工作空间内具有等向性性能与高操作性？
• RQ2 在多个候选构型中，哪种杆系形态能提供最优刚度并最小化奇异位形？
• RQ3 必须满足哪些运动学约束，以确保在高速加工应用中具备高动态性能与高精度？
• RQ4 杆系构型中的奇异位形如何影响机床的结构刚度与整体性能？
• RQ5 在并联运动机理构型中，工作空间大小、等向性与刚度之间存在哪些设计权衡？如何解决这些权衡？

主要发现

• 优化后的Orthoglide设计实现了高程度的等向性与操作性，确保在整个工作空间内性能一致。
• 所选杆系构型有效避免了奇异位形，并与其它构型相比显著提升了结构刚度。
• 静力学研究证实，某些杆系构型因奇异位形导致刚度下降，这些缺陷通过几何优化得以消除。
• 最终设计在大工作空间、高刚度与高动态性能之间表现出良好平衡，适用于高速加工。
• 采用直线驱动器与被动回转副的集成设计，实现了精确、高速的运动，且背隙与磨损极小。
• 该方法成功识别出一种满足高速高精度加工严苛要求的运动学最优构型。