基于虚拟样机的五自由度混联机床的研究

论文摘要

并联机床具有高精度、高速度、高刚度等优点,能够进行加工、测量、装配与物料搬运等操作。因此,并联机床是机床业发展的主要方向之一,在制造领域具有广阔的应用前景。本课题研究的五自由度混联机床是在三并联万向腕关节和二并联机构的基础上提出的一种新型机构,该混联机床是多功能机床,可以根据不同的加工要求更换末端执行器,不仅能够进行钻、磨、镗、铣削等加工,而且还可以进行刀具刃磨。本文结合虚拟样机技术对混联机床进行了运动学、工作空间、动力学和刚柔耦合分析。具体工作如下：(1)查阅了大量的相关文献,论述了并联机床的国内外现状和发展趋势,并介绍了虚拟样机技术的形成与发展以及它在工程中的应用。(2)介绍了混联机床的结构特点,并对其进行了位置分析。运用Pro/E软件对混联机床进行了三维建模,在ADAMS中建立了混联机床的虚拟样机模型。并对其进行了运动学正解仿真和逆解仿真,得到了运动仿真曲线。(3)在虚拟样机环境下对工作空间进行了仿真,绘制出了工作空间的三维图。同时还分析了机床结构参数对工作空间的影响,分别对不同二并联杆长和三并联杆长的情况下的工作空间进行了仿真,并对其进行了比较。(4)运用拉格朗日方法建立了混联机床的动力学数学模型,并在虚拟样机环境下进行了动力学仿真,得到了机床速度、加速度与电机驱动力的关系曲线图,还对机床空载时做曲线运动时的动力学进行了仿真分析。(5)运用ANSYS软件把混联机床中的二并联杆件进行了柔性化处理,生成了MNF模态中性文件,将柔性体导入到原来的模型,建立了刚柔耦合模型。通过铣削加工误差仿真得到了误差曲线,并把载荷文件导入到了ANSYS中,得到了柔性杆件在铣削仿真中的弹性变形情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机床概述
• 1.1.1 国外发展现状
• 1.1.2 国内发展现状
• 1.1.3 并联机床发展趋势
• 1.2 虚拟样机技术概述
• 1.2.1 虚拟样机技术的形成与发展
• 1.2.2 虚拟样机技术的工程应用
• 1.2.3 虚拟样机设计流程
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 混联机床虚拟样机建模与运动学仿真
• 2.1 机构位置分析
• 2.1.1 机构介绍
• 2.1.2 位置逆解
• 2.1.3 末端执行器位置方程
• 2.2 混联机床虚拟样机建模
• 2.2.1 三维模型的建立
• 2.2.2 Pro/E与ADAMS之间的数据转换
• 2.3 运动学仿真
• 2.3.1 运动学正解仿真
• 2.3.2 运动学逆解仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 混联机床的工作空间求解
• 3.1 工作空间的约束条件
• 3.2 工作空间虚拟样机求解法
• 3.3 机床结构参数对工作空间的影响
• 3.3.1 二并联杆长对工作空间的影响
• 3.3.2 三并联杆长对工作空间的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 混联机床的动力学分析与仿真
• 4.1 混联机床动力学分析
• 4.1.1 机床各部件的动能
• 4.1.2 机床各部件的势能
• 4.1.3 系统的动力学方程
• 4.2 虚拟样机动力学仿真
• 4.2.1 虚拟样机动力学建模与求解
• 4.2.2 仿真结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 混联机床刚柔耦合分析
• 5.1 刚柔耦合建模
• 5.1.1 柔性体的建立
• 5.1.2 柔性体的导入
• 5.2 铣削加工误差仿真
• 5.2.1 柔性杆变形带来的误差分析
• 5.2.2 加工误差仿真
• 5.2.3 柔性杆的变形情况
• 5.3 铣削实验
• 5.3.1 实验条件
• 5.3.2 实验内容
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢