工學(xué)碩士學(xué)位論文(已修改)

　

【正文】 工學(xué)碩士學(xué)位論文6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)性能分析與研究燕 山 大 學(xué)2011年5月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TP212國(guó)際圖書分類號(hào)：工學(xué)碩士學(xué)位論文6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)性能分析與研究 Classified Index: TP212.: Dissertation for the Master Degree in EngineeringANALYSIS AND INVESTIGATION ON DYNAMIC CHARACTERISTICS OF A 6PUSUPS PARALLEL MACHINE TOOL Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Speciality: University: Li Cong Prof. Zhao Yongsheng Master of Engineering Mechatronic Engineering Yanshan University燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)性能分析與研究》，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在燕山大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。作者簽字： 日期： 年 月 日燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書《6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)性能分析與研究》系本人在燕山大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸燕山大學(xué)所有，本論文的研究?jī)?nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解燕山大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門送交論文的復(fù)印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)燕山大學(xué)，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于 不保密□。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要摘 要并聯(lián)機(jī)床是現(xiàn)代并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)與機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的高科技產(chǎn)品，具有高精度、高速度、高加速度、高剛性、高柔性、重量輕等優(yōu)異性能。并聯(lián)機(jī)床是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，具有良好的應(yīng)用前景和較高的科研價(jià)值。本文針對(duì)6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行了相關(guān)研究，主要做出的貢獻(xiàn)如下： 簡(jiǎn)單敘述了并聯(lián)機(jī)床在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，并且詳細(xì)闡述了并聯(lián)機(jī)床的理論研究現(xiàn)狀及目前的應(yīng)用，提出了論文選題的意義。描述了6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，推導(dǎo)了廣義坐標(biāo)系下各運(yùn)動(dòng)參數(shù)和笛卡爾坐標(biāo)系下各運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的變換關(guān)系，為并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)建模奠定了基礎(chǔ)。采用拉格朗日法建立了6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)方程，利用MATLAB軟件通過典型的運(yùn)動(dòng)實(shí)例求解機(jī)床在不同情況下所需的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，總結(jié)了并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)性能。應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，建立了6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床的虛擬樣機(jī)模型，并依據(jù)真實(shí)情況添加了摩擦力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在ADAMS里完成了動(dòng)力學(xué)仿真，將仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的正確性。建立并聯(lián)機(jī)床的有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析，求得其固有頻率和固有振型，進(jìn)而分析出并聯(lián)機(jī)床在結(jié)構(gòu)上的薄弱之處，總結(jié)了并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。關(guān)鍵詞 并聯(lián)機(jī)床；廣義坐標(biāo)；拉格朗日；動(dòng)力學(xué)仿真；虛擬樣機(jī)；模態(tài)分析IAbstractAbstractParallel Machine Tool (PMT) is the hightech product bined with robot technology and machine tools. PMT possesses the distinguished advantages of high precision, high acceleration, high velocity, high stiffness, high flexibility and low weight. PMT is one of the most active fields in contemporary science technology. It has bright future and high scientific research value. This paper studies the correlated problems of the 6PUSUPS PMT mainly. The main contents are shown as follows:In the beginning of this paper, the development of PMT domestic and abroad is introduced. The status of theory study about PMT and its application is mentioned in detail. With that, the significance of the topic is presented at last.The paper introduces the position and characteristics of 6PUSUPS parallel manipulator. The transform relationship between motion parameters in generalized coordinate system and motion parameters in Cartesian coordinate system is got, which paves the way for the dynamic modeling of the PMT. The dynamic equation of 6PUSUPS PMT is set up by Lagrange method. With the MATLAB software, the driving forces and driving torques required under different conditions through some typical motions are solved and the inverse dynamics of the PMT is analyzed.With the ADAMS software, the virtual prototype model of 6PUSUPS PMT is created. The friction model is established and the dynamic simulation is carried out. Then pared the simulation results and theoretical results and ensured the validity of dynamics analysis. The finite element modal of the 6PUSUPS PMT is established and the modal analysis is carried out. Then the nature frequency and vibration modes of the PMT are got. According to the results obtained from modal analysis, the weakest taches of the PMT structure is found and the dynamic characteristics of the of the 6PUSUPS PMT is got.Keywords Parallel Machine Tool。 Generalized coordinate。 Lagrange method。 Dynamic simulation。 Virtual prototype。 Modal analysis75目 錄目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒 論 1 概述 1 并聯(lián)機(jī)床研究發(fā)展現(xiàn)狀 2 并聯(lián)機(jī)床在國(guó)際上的發(fā)展現(xiàn)狀 2 并聯(lián)機(jī)床在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 動(dòng)力學(xué)理論研究現(xiàn)狀綜述 6 課題研究意義和研究?jī)?nèi)容 8 課題的研究意義 8 課題的主要研究?jī)?nèi)容 9第2章 并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)和靜力學(xué)基礎(chǔ) 10 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床簡(jiǎn)述 10 笛卡兒坐標(biāo)與廣義坐標(biāo) 11 笛卡爾坐標(biāo)系下速度與廣義速度的關(guān)系 11 笛卡爾坐標(biāo)系下加速度與廣義加速度的關(guān)系 14 本章小結(jié) 15第3章 并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)建模 16 概述 16 動(dòng)力學(xué)建模 16 Lagrange法建模 16 動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算 17 驅(qū)動(dòng)分支的動(dòng)力學(xué)計(jì)算 21 中間約束分支的動(dòng)力學(xué)計(jì)算 30 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 37 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床的動(dòng)力學(xué)方程 41 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床動(dòng)力學(xué)計(jì)算實(shí)例 41 平動(dòng)算例 41 姿態(tài)變化算例 42 本章小結(jié) 44第4章 并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)力學(xué)仿真 45 概述 45 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)建模 46 創(chuàng)建實(shí)體模型 46 創(chuàng)建約束和驅(qū)動(dòng) 46 定義摩擦力 48 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真 49 機(jī)床的平動(dòng)分析 50 機(jī)床的姿態(tài)變化分析 51 本章小結(jié) 55第5章 并聯(lián)機(jī)床的模態(tài)分析 56 動(dòng)態(tài)特性研究的意義 56 模態(tài)分析的相關(guān)理論 57 模態(tài)分析的定義 57 模態(tài)分析基本分析原理 57 ANSYS WORKBENCH軟件模態(tài)分析功能簡(jiǎn)介 58 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床模態(tài)分析步驟 58 有限元模型的建立 59 模態(tài)求解 61 模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析 62 6PUSUPS并聯(lián)機(jī)床模態(tài)結(jié)果分析 62 結(jié)論及建議 64 本章小結(jié) 64結(jié) 論 65參考文獻(xiàn) 66攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果 71致 謝 72作者簡(jiǎn)介 73第1章 緒論第1章 緒 論 概述為了滿足日益發(fā)展的市場(chǎng)需求，適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)環(huán)境，新一代多功能的制造裝備系統(tǒng)的探索和研制正受到全球機(jī)床制造業(yè)的高度重視，其中當(dāng)屬90年代中期問世的并聯(lián)機(jī)床(Parallel Machine Tool)的開發(fā)最具有突破性進(jìn)展。并聯(lián)機(jī)床剛問世時(shí)曾經(jīng)被稱為六條腿機(jī)床，六足蟲，現(xiàn)在也叫做虛擬軸機(jī)床[14]。并聯(lián)機(jī)床基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，充分利用機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，部分硬件被軟件取代，部分機(jī)械傳動(dòng)被新型電氣裝置和電子器件取代，是機(jī)器人技術(shù)在機(jī)床制造領(lǐng)域中的創(chuàng)造性應(yīng)用[5]。并聯(lián)機(jī)床是現(xiàn)代并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)床相結(jié)合的新型數(shù)控加工設(shè)備，具有很多優(yōu)異性能如精度高、剛度高、速度快、柔性好、靈活性好、推力大、重量輕等。并聯(lián)機(jī)床具有十分廣泛的應(yīng)用前景，其研究、開發(fā)對(duì)機(jī)床自身的發(fā)展具有很大的理論和現(xiàn)實(shí)意義，是目前國(guó)際上在并聯(lián)機(jī)器人和先進(jìn)加工設(shè)備領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向，被認(rèn)為是“20世紀(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大革命突破”﹑“21世紀(jì)新一代的數(shù)控加工裝備” [67]。相比于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)床，并聯(lián)機(jī)床具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)并聯(lián)機(jī)床的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多自由度聯(lián)動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)更加靈活,方便復(fù)雜曲面的精密加工；(2)執(zhí)行構(gòu)件的加工精度得到很大提高；(3)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此維修量小，維修更加方便，成本大大降低；(4)反解運(yùn)算更加簡(jiǎn)單,便于控制系統(tǒng)的開發(fā)；(5)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)僅受拉壓力，承載能力高，剛度重量比大；(6)模塊化程度高，布局形式多種多樣，便于可重組設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的環(huán)境適用性；(7)移動(dòng)部件質(zhì)量小，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能得到有效的改善，適于各種高速數(shù)控作業(yè)；(8)硬件簡(jiǎn)單,軟件復(fù)雜,技術(shù)附加值更高，經(jīng)濟(jì)回報(bào)更好[8]。因此，并聯(lián)機(jī)床是新一代機(jī)床結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。 并聯(lián)機(jī)床研究發(fā)展現(xiàn)狀 并聯(lián)機(jī)床在國(guó)際上的發(fā)展現(xiàn)狀由于并聯(lián)機(jī)床具備了上述優(yōu)點(diǎn)和良好的應(yīng)用前景，引起了世界各國(guó)的學(xué)術(shù)界和機(jī)床制造界的極大興趣和高度重視，他們都非常看好并聯(lián)機(jī)床的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景，紛紛競(jìng)相開始了并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)。1994年在美國(guó)芝加哥IMTS’94國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)上，美國(guó)的Giddingamp。Lewis公司推出了VARIAX型并聯(lián)機(jī)床(圖11)，這在當(dāng)時(shí)的工程界引起了巨大的轟動(dòng)，被稱贊為“21世紀(jì)的新一代數(shù)控加工設(shè)備”，標(biāo)志著并聯(lián)機(jī)床的正式問世；還有美國(guó)Ingersoll公司的第一代八面體六足蟲并聯(lián)機(jī)床，即Octahedral Hexapod(圖12)也是在同期推出的并聯(lián)機(jī)床。此后，世