本文由Yang Qi、Xinqi Tao、Xiaofei Ren和Hong Wang共同撰写，发表于2024年7月9日的《IEEE Access》期刊上。研究团队来自天津职业技术师范大学机械工程学院和教务处。该研究得到了天津市科技计划项目（22JCYBJC01670和21JCZDJC00820）以及天津大学科技发展基金（2020KJ105）的支持。

研究背景与目的

随着航空航天、新能源等领域高端设备的不断发展，大型结构件（如航天器外壳、风力涡轮叶片等）的制造需求日益增加。这些大型结构件的表面通常由不同硬度的材料组成，形状复杂，传统的加工方法难以实现高精度和高效率的定位与磨削。现有的加工方法主要有三种：1）手工操作，效率低且精度难以保证；2）将工件拆卸后使用数控机床加工，但机床的行程有限，无法满足超大型工件的加工需求；3）结合机器人技术，实现工件的原位加工。其中，第三种方法具有更高的灵活性和加工刚性，能够在不拆卸工件的情况下进行高精度加工。

为了进一步提高原位加工机器人的定位精度和加工刚性，本文提出了一种全对称并联定位机构（fully-symmetrical parallel positioning mechanism）的构型综合方法。该机构采用并联拓扑结构，能够有效保证定位精度和加工刚性，适用于大型复杂结构件的原位加工。

研究方法与流程

本文基于有限瞬时螺旋理论（Finite and Instantaneous Screw, FIS）进行构型综合。FIS理论结合了数值和几何方法，能够有效描述机构的运动特性。研究流程包括以下几个步骤：

1. 运动特性分析：首先，基于有限螺旋理论，描述了磨削操作所需的运动特性，确定了机构的期望运动。
2. 标准构型生成：在初始构型的基础上，通过添加单自由度因子，生成了标准类型的支链结构（Type I和Type II）。
3. 等效变换与扩展：通过螺旋三角积的性质，对标准构型进行等效变换和位移操作，生成了衍生类型（Derived Type）和扩展类型（Expanded Type）的支链结构。
4. 可行性验证：通过有限螺旋的合成算法或变换性质，验证了这些构型的可行性。
5. 机构配置：根据实际需求，选择了三种可行的支链结构，配置了三种全对称并联定位机构。

主要结果

通过构型综合，本文生成了多种新的拓扑结构，具体包括： - 标准构型：Type I和Type II两种标准构型，分别对应不同的支链结构。 - 衍生构型：通过对标准构型的等效变换，生成了多种衍生构型，如Derived Type I和Expanded Type I。 - 扩展构型：通过改变标准构型中旋转和移动因子的位置，生成了扩展构型，如Expanded Type II。

最终，本文选择了三种可行的支链结构，配置了三种全对称并联定位机构，并通过虚拟样机验证了其可行性。这些机构能够满足大型结构件原位加工的高精度和高刚性需求。

结论与意义

本文的研究为大型结构件的原位加工提供了一种新的全对称并联定位机构构型综合方法。通过基于FIS理论的构型综合，本文生成了多种新的拓扑结构，为后续的机构设计和优化提供了理论依据。具体贡献包括： 1. 理论创新：基于FIS理论，提出了一种新的构型综合方法，能够有效描述机构的运动特性。 2. 构型多样性：生成了85种可行的支链结构，涵盖了4自由度和5自由度的构型。 3. 实际应用：配置了三种全对称并联定位机构，能够满足大型结构件原位加工的高精度和高刚性需求。

研究亮点

1. 创新性方法：本文首次将FIS理论应用于3T1R（三平移一旋转）并联机构的构型综合，填补了该领域的研究空白。
2. 构型多样性：通过构型综合，生成了多种新的拓扑结构，为后续的机构设计提供了丰富的选择。
3. 实际应用价值：配置的全对称并联定位机构能够有效提高大型结构件原位加工的精度和刚性，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

本文还详细讨论了构型综合过程中涉及的螺旋三角积性质、等效变换方法以及可行性验证流程，为相关领域的研究者提供了宝贵的参考。此外，本文还通过虚拟样机验证了所配置机构的可行性，进一步增强了研究的实用性。

本文的研究为大型结构件的原位加工提供了一种新的解决方案，具有重要的理论意义和实际应用价值。