一种新型3UPS+1RPU混联机床的刚度与动态特性研究

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混联机床同时具备串联、并联机床各自的优势,还可以解决单纯串联、并联机床所造成的局限性,因此是未来机床研究发展的一个重要方向。本文是以3UPS+1RPU并联机构作为混联机床的主体机构,然后将其串联到y轴方向的滑行导轨上,从而构建出一种新型的五自由度混联机床。首先,对各类型支链的特点和支链组成方式进行研究,并通过对几类支链组成方式比较,构造出一种新型3UPS+1RPU并联机构;运用螺旋理论分析讨论了该机构的自由度性质,然后运用修正的G-K公式求解得出自由度数目,在此基础上又选取了合理的主动输入副;最后构型出一种以3UPS+1RPU并联机构作为机床主体机构的五自由度混联机床。其次,运用旋转变换矩阵表达式表示出并联机构各个杆件坐标系之间的关系,从而求解得到位置反解;然后利用影响系数法来求解得出动平台中心点的速度、加速度表达式;并采用极限搜索法和基于MATLAB/SimMechanics的仿真法分别求解出该机构的可达工作空间;最后,采用雅可比代数法进行奇异性研究。然后,运用虚功原理法对3UPS+1RPU并联机构的动力学性能进行分析研究;通过ADAMS软件对该机构的运动学性能进行仿真研究,得知该机构具有较好的运动学性能;最后对该机构进行了动力学仿真研究,获得驱动电机各个参数随时间的变化曲线,为实际应用选取电机提供了理论参考。再次,对该混联机床进行刚度研究,首先构建该机床的有限元模型,通过仿真获得该混联机床在五种不同位姿下的变形云图与刚度值,通过对仿真结果进行分析得出了混联机床刚度随位姿变化的规律,并且找出了混联机床刚度的薄弱部位,这对于提高机床的加工精度具有重要的意义。最后,利用ANSYS软件进行模态分析,获得混联机床在不同位姿下的低阶固有频率与振型,并找到了机床易产生共振的部位;通过谐响应分析获得机床动平台的振动位移特性,并找出了该机床应避免的敏感频率范围。然后进行瞬态动力学分析,获得不同位姿下混联机床在冲击载荷作用下的变形量。最后得出结论:极限位姿下混联机床动态特性最差,所以在机床加工零件的过程当中,应尽量避免达到极限位置,从而使机床保持较好的动态特性。
摘要第4-6页
abstract第6-7页
1 绪论第11-20页
    1.1 选题背景及意义第11-12页
        1.1.1 选题背景第11-12页
        1.1.2 选题意义第12页
    1.2 国内外研究现状及分析第12-18页
        1.2.1 并/混联机床研究现状及分析第12-15页
        1.2.2 并联机构研究现状及分析第15-18页
    1.3 本文主要研究内容第18-19页
    1.4 本章小结第19-20页
2 新型混联机床的构型设计第20-30页
    2.1 引言第20页
    2.2 并联机构的构型设计第20-23页
        2.2.1 并联机构支链的类型第20-22页
        2.2.2 四自由度并联机构的构型方式第22页
        2.2.3 四自由度并联机构的构型选择第22-23页
    2.3 3UPS+1RPU并联机构的自由度分析第23-26页
        2.3.1 坐标系建立第23-24页
        2.3.2 自由度分析第24-26页
    2.4 3UPS+1RPU并联机构驱动输入选取第26-28页
    2.5 新型混联机床的构型设计第28-29页
    2.6 本章小结第29-30页
3 新型混联机床主体机构的运动学研究第30-47页
    3.1 引言第30页
    3.2 3UPS+1RPU并联机构的运动学分析第30-33页
        3.2.1 位置反解分析第30-33页
        3.2.2 位置正解分析第33页
    3.3 3UPS+1RPU并联机构速度、加速度分析第33-36页
        3.3.1 速度分析第33-35页
        3.3.2 加速度分析第35-36页
    3.4 UPS+1RPU并联机构的工作空间研究第36-44页
        3.4.1 工作空间概述第36-37页
        3.4.2 结构对工作空间的影响第37-38页
        3.4.3 极限搜索法求解工作空间第38-41页
        3.4.4 基于SimMechanics模块求解工作空间第41-44页
    3.5 3UPS+1RPU并联机构的奇异性分析第44-46页
        3.5.1 奇异位形概述第44页
        3.5.2 奇异位形分析第44-46页
    3.6 本章小结第46-47页
4 新型混联机床主体机构的的动力学研究第47-60页
    4.1 引言第47页
    4.2 虚功原理第47-48页
    4.3 动力学分析第48-51页
    4.4 驱动力分析第51-52页
    4.5 仿真分析第52-59页
        4.5.1 创建虚拟样机第53页
        4.5.2 运动学仿真分析第53-56页
        4.5.3 动力学仿真分析第56-59页
    4.6 本章小结第59-60页
5 新型混联机床的刚度研究第60-67页
    5.1 引言第60页
    5.2 有限元模型的建立第60-62页
        5.2.1 建立几何模型第61页
        5.2.2 建立有限元模型第61-62页
    5.3 混联机床刚度分析结果第62-66页
    5.4 本章小结第66-67页
6 新型混联机床的动态特性研究第67-83页
    6.1 引言第67页
    6.2 混联机床的模态分析第67-75页
        6.2.1 模态分析基本原理第67-69页
        6.2.2 混联机床的模态分析第69-74页
        6.2.3 模态分析结果第74-75页
    6.3 混联机床的谐响应分析第75-80页
        6.3.1 谐响应分析基本原理第75页
        6.3.2 混联机床的谐响应分析第75-79页
        6.3.3 谐响应分析结果第79-80页
    6.4 混联机床的瞬态动力学分析第80-82页
        6.4.1 瞬态动力学分析基本原理第80页
        6.4.2 混联机床的瞬态动力学分析第80-82页
        6.4.3 瞬态动力学分析结果第82页
    6.5 本章小结第82-83页
7 总结与展望第83-85页
    7.1 全文总结第83-84页
    7.2 展望第84-85页
参考文献第85-92页
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果第92-93页
致谢第93-94页
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