[论文解读] Kinematic and Dynamic Analysis of the 2-DOF Spherical Wrist of Orthoglide 5-axis

Raza Ur-Rehman, Stéphane Caro+2 more|ArXiv.org|Apr 1, 2009

Robotic Mechanisms and Dynamics参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文针对Orthoglide五轴机床中的2-DOF球面腕部，进行了全面的运动学与动力学分析。该并联运动学机构结合了Delta型三自由度平移操作臂与球面腕部，利用CAD导出的几何与惯性参数，评估了在各种轨迹、切削力及刀具长度下的性能表现，最终根据动态轨迹下所需的转矩与速度，提出了初步的执行器选型。

ABSTRACT

This paper deals with the kinematics and dynamics of a two degree of freedom spherical manipulator, the wrist of Orthoglide 5-axis. The latter is a parallel kinematics machine composed of two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three-dof translational parallel manipulator that belongs to the family of Delta robots, and ii) the Agile eye; a two-dof parallel spherical wrist. The geometric and inertial parameters used in the model are determined by means of a CAD software. The performance of the spherical wrist is emphasized by means of several test trajectories. The effects of machining and/or cutting forces and the length of the cutting tool on the dynamic performance of the wrist are also analyzed. Finally, a preliminary selection of the motors is proposed from the velocities and torques required by the actuators to carry out the test trajectories.

研究动机与目标

• 分析Orthoglide五轴机床中2-DOF球面腕部的运动学与动力学行为。
• 评估腕部在真实加工条件下的性能表现，包括切削力与不同刀具长度的影响。
• 利用CAD软件确定腕部的几何与惯性参数，以实现精确建模。
• 确定在动态载荷下执行测试轨迹所需的执行器要求（转矩与速度）。
• 基于腕部机构的动力学性能需求，支持初步电机选型。

提出的方法

• 利用从CAD软件中提取的精确几何与惯性参数，对球面腕部进行建模。
• 进行正向与逆向运动学分析，以确定腕部末端执行器的位置、速度与加速度。
• 应用动力学建模，计算在不同测试轨迹下执行器的转矩与力。
• 模拟外部切削力与刀具长度变化对腕部动力学的影响。
• 通过多个测试轨迹评估性能，以分析工作空间、灵活性与动态响应特性。
• 利用结果估算所需执行器输出，从而实现初步电机选型。

实验结果

研究问题

• RQ1 切削力与刀具长度如何影响2-DOF球面腕部的动力学性能？
• RQ2 为精确跟踪预设测试轨迹，所需的执行器转矩与速度分别是多少？
• RQ3 腕部的运动学结构如何影响其灵活性与工作空间特性？
• RQ4 几何与惯性参数的精度对动力学建模结果有何影响？
• RQ5 如何估算执行器需求，以支持实时控制与机床集成？

主要发现

• 腕部的动力学性能显著受到切削力与切削刀具长度的影响。
• 计算得出与轨迹相关的执行器转矩与速度，从而实现对合适电机的初步选型。
• 基于CAD提取的几何与惯性参数，实现了腕部运动学与动力学的精确建模。
• 在多种测试轨迹下的性能评估揭示了动态载荷的差异，尤其在高力条件下更为明显。
• 研究表明，在精密加工中，必须将刀具长度与外部力纳入执行器尺寸设计的考量。
• 该动力学模型为Orthoglide五轴机床的控制系统设计与实时性能优化提供了基础。