平面并联机构与电主轴耦合系统动态性能分析

论文摘要

并联机床是一种新型的机床,又称为虚拟轴机床,近年来并联机床技术取得了突破性的进展。并联机床的实质是机器人技术与机床结构技术结合的产物。并联机床的加工精度是其性能优劣的主要指标之一,随着现代制造业的发展,人们对并联机床的加工精度要求越来越高,加工精度问题已成为并联机床能否应用于实际加工的关键。因此,研究影响并联机床加工精度的因素,分析并联机床的动态性能,提高并联机床的加工精度对并联机床的商品化和产业化有着十分重要的意义。在总结国内外并联机床研究现状的基础上,对平面并联机床的动态性能进行了分析研究。首先,从运动学基本理论出发,深入研究了并联机床的运动学求解、误差分析、误差建模等方面的问题;其次,从动力学理论出发,对平面并联杆件结构和电主轴进行动力学建模,并采用扩阶方法得到了耦合系统的动力学模型,同时对几种典型激励作用下耦合系统的振动响应进行了仿真分析;最后,对平面并联机构与电主轴耦合系统的动态性能进行了系统的分析和评价。本文完成的主要工作如下:(1)分析了并联机床误差的基本分类和误差的主要来源,指出分析平面并联机床动态性能的关键是要体现平面并联机构和主轴耦合的特点。因此通过应用有限单元法和转子动力学理论分别建立了平面并联杆件结构和电主轴单元的动力学模型,进而采用扩阶法得到耦合系统的动力学模型。(2)基于耦合系统的动力学模型,对简谐激励作用下耦合系统各关键点处的稳态响应进行了仿真计算,得到相应的幅频特性,由此对平面并联机床的动态性能进行初步评价。结果表明,在20Hz以上的频率范围,并联杆件系统发生了较明显的振动变形,导致主轴发生较为强烈的振动,从而使平面并联机床的动态性能大幅降低。(3)分别在平面并联机床为刚性和弹性两种情况下,对脉冲、阶跃、斜坡、简谐激励等作用下主轴的瞬态响应进行了仿真分析,对平面并联机构与电主轴耦合系统的动态性能进行了系统的评价。结果表明,在上述几种激励作用下,并联杆件产生的弹性变形导致主轴的振幅显著增大,主轴的运动范围也远大于刚性平面并联杆件时的情况。(4)分别研究了平面并联机构和电主轴的刚度、阻尼参数变化对平面并联机构与电主轴耦合系统振动响应的影响。结果表明,耦合系统的振动响应主要受平面并联杆件刚度和阻尼的影响,并联杆件的截面尺寸(决定杆件刚度的重要因素)和阻尼越大,平面并联机床的加工精度就越高;相比较而言,主轴的刚度和阻尼的变化对平面并联机床的加工精度的影响非常小。(5)对平面并联机构的时域响应进行了测试,通过实验数据的分析处理得到了并联杆件系统的幅频特性。与仿真结果作对比,验证了理论建模和仿真分析的正确性。本文的创新点在于:首先,提出了将并联杆件结构和主轴作为动力耦合系统进行研究的构想;其次,采用扩阶技术建立了平面并联杆件结构与电主轴耦合系统的动力学模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 选题目的及意义
• 1.2 并联机床研究现状
• 1.2.1 并联机床在国外的研究现状
• 1.2.2 并联机床在国内的研究现状
• 1.2.3 平面并联机床在国内外的研究现状
• 1.3 平面并联机床动态性能的分析与评价
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 平面并联机床分析的基本方法
• 2.1 并联机床的误差分类
• 2.2 并联机床的误差来源
• 2.3 并联机床分析的基本方法
• 2.3.1 有限单元法
• 2.3.2 平面杆件结构的有限单元法
• 2.3.3 空间杆件结构的有限单元法
• 2.4 弹性力学基础
• 2.4.1 弹性力学概述
• 2.4.2 弹性力学问题的基本解法
• 2.5 本章小结
• 第三章 平面并联机构与电主轴耦合系统动力学建模
• 3.1 平面并联机构动力学模型的建立
• 3.2 电主轴动力学模型的建立
• 3.3 平面并联机构与电主轴耦合系统动力学建模
• 3.4 本章小结
• 第四章 平面并联机构与电主轴耦合系统的响应分析
• 4.1 在正弦激励作用下耦合系统的稳态响应分析
• 4.1.1 平面并联杆件结构结点处的稳态响应
• 4.1.2 平面并联机床轴承座处的稳态响应
• 4.1.3 平面并联机床主轴的稳态响应
• 4.2 平面并联机床在各种激励作用下的瞬态响应分析
• 4.2.1 平面并联机床在脉冲激励作用下的瞬态响应
• 4.2.2 平面并联机床在阶跃信号激励作用下的瞬态响应
• 4.2.3 平面并联机床在斜坡激励作用下的瞬态响应
• 4.2.4 平面并联机床在简谐激励作用下的瞬态响应
• 4.3 刚度对平面并联机构与电主轴耦合系统响应的影响
• 4.3.1 平面并联杆件的刚度对耦合系统响应的影响
• 4.3.2 主轴刚度对耦合系统响应的影响
• 4.4 阻尼对平面并联机构与电主轴耦合系统响应的影响
• 4.4.1 平面并联杆件的阻尼对耦合系统响应的影响
• 4.4.2 主轴阻尼对耦合系统响应的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 平面并联机构动态性能的试验研究
• 5.1 幅频特性测试
• 5.1.1 测试设备
• 5.1.2 分析装置
• 5.2 测试系统的标定
• 5.2.1 加速度传感器的标定
• 5.2.2 力传感器的标定
• 5.3 试验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论、创新点与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读硕士学位期间的成果与奖励