【正文】 工學碩士學位論文6PUSUPS并聯(lián)機床動力學性能分析與研究燕 山 大 學2011年5月國內圖書分類號：TP212國際圖書分類號：工學碩士學位論文6PUSUPS并聯(lián)機床動力學性能分析與研究 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燕山大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學位論文《6PUSUPS并聯(lián)機床動力學性能分析與研究》，是本人在導師指導下，在燕山大學攻讀碩士學位期間獨立進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。對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結果將完全由本人承擔。作者簽字： 日期： 年 月 日燕山大學碩士學位論文使用授權書《6PUSUPS并聯(lián)機床動力學性能分析與研究》系本人在燕山大學攻讀碩士學位期間在導師指導下完成的碩士學位論文。本論文的研究成果歸燕山大學所有，本論文的研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解燕山大學關于保存、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關部門送交論文的復印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權燕山大學，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內容。 保密□，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于 不保密□。（請在以上相應方框內打“√”） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日摘 要摘 要并聯(lián)機床是現(xiàn)代并聯(lián)機器人技術與機床結構技術結合的高科技產品，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)機床是當代科學技術研究發(fā)展最活躍的領域之一，具有良好的應用前景和較高的科研價值。本文針對6PUSUPS并聯(lián)機床進行了相關研究，主要做出的貢獻如下： 簡單敘述了并聯(lián)機床在國內外的發(fā)展狀況，并且詳細闡述了并聯(lián)機床的理論研究現(xiàn)狀及目前的應用，提出了論文選題的意義。描述了6PUSUPS并聯(lián)機床的結構及其特點，推導了廣義坐標系下各運動參數(shù)和笛卡爾坐標系下各運動參數(shù)之間的變換關系，為并聯(lián)機床的動力學建模奠定了基礎。采用拉格朗日法建立了6PUSUPS并聯(lián)機床的動力學方程，利用MATLAB軟件通過典型的運動實例求解機床在不同情況下所需的驅動力和驅動力矩，對機床進行動力學分析，總結了并聯(lián)機床的動力學性能。應用動力學仿真分析軟件ADAMS，建立了6PUSUPS并聯(lián)機床的虛擬樣機模型，并依據(jù)真實情況添加了摩擦力和電機驅動，在ADAMS里完成了動力學仿真，將仿真結果與理論結果進行對比，驗證了動力學模型的正確性。建立并聯(lián)機床的有限元模型并進行模態(tài)分析，求得其固有頻率和固有振型，進而分析出并聯(lián)機床在結構上的薄弱之處，總結了并聯(lián)機床的動態(tài)響應特性。關鍵詞 并聯(lián)機床；廣義坐標；拉格朗日；動力學仿真；虛擬樣機；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)機床研究發(fā)展現(xiàn)狀 2 并聯(lián)機床在國際上的發(fā)展現(xiàn)狀 2 并聯(lián)機床在國內的發(fā)展現(xiàn)狀 4 動力學理論研究現(xiàn)狀綜述 6 課題研究意義和研究內容 8 課題的研究意義 8 課題的主要研究內容 9第2章 并聯(lián)機床運動和靜力學基礎 10 6PUSUPS并聯(lián)機床簡述 10 笛卡兒坐標與廣義坐標 11 笛卡爾坐標系下速度與廣義速度的關系 11 笛卡爾坐標系下加速度與廣義加速度的關系 14 本章小結 15第3章 并聯(lián)機床動力學建模 16 概述 16 動力學建模 16 Lagrange法建模 16 動平臺的動力學計算 17 驅動分支的動力學計算 21 中間約束分支的動力學計算 30 驅動力的計算 37 6PUSUPS并聯(lián)機床的動力學方程 41 6PUSUPS并聯(lián)機床動力學計算實例 41 平動算例 41 姿態(tài)變化算例 42 本章小結 44第4章 并聯(lián)機床虛擬樣機建模與動力學仿真 45 概述 45 6PUSUPS并聯(lián)機床虛擬樣機建模 46 創(chuàng)建實體模型 46 創(chuàng)建約束和驅動 46 定義摩擦力 48 6PUSUPS并聯(lián)機床虛擬樣機動力學仿真 49 機床的平動分析 50 機床的姿態(tài)變化分析 51 本章小結 55第5章 并聯(lián)機床的模態(tài)分析 56 動態(tài)特性研究的意義 56 模態(tài)分析的相關理論 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)分析功能簡介 58 6PUSUPS并聯(lián)機床模態(tài)分析步驟 58 有限元模型的建立 59 模態(tài)求解 61 模態(tài)計算結果分析 62 6PUSUPS并聯(lián)機床模態(tài)結果分析 62 結論及建議 64 本章小結 64結 論 65參考文獻 66攻讀碩士學位期間承擔的科研任務與主要成果 71致 謝 72作者簡介 73第1章 緒論第1章 緒 論 概述為了滿足日益發(fā)展的市場需求，適應不斷變化的生產環(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床制造業(yè)的高度重視，其中當屬90年代中期問世的并聯(lián)機床(Parallel Machine Tool)的開發(fā)最具有突破性進展。并聯(lián)機床剛問世時曾經(jīng)被稱為六條腿機床，六足蟲，現(xiàn)在也叫做虛擬軸機床[14]。并聯(lián)機床基于空間并聯(lián)機構，充分利用機器人技術和計算機數(shù)字控制技術，部分硬件被軟件取代，部分機械傳動被新型電氣裝置和電子器件取代，是機器人技術在機床制造領域中的創(chuàng)造性應用[5]。并聯(lián)機床是現(xiàn)代并聯(lián)機器人技術與傳統(tǒng)機床相結合的新型數(shù)控加工設備，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)機床具有十分廣泛的應用前景，其研究、開發(fā)對機床自身的發(fā)展具有很大的理論和現(xiàn)實意義，是目前國際上在并聯(lián)機器人和先進加工設備領域的一個新的發(fā)展方向，被認為是“20世紀機床結構設計的重大革命突破”﹑“21世紀新一代的數(shù)控加工裝備” [67]。相比于傳統(tǒng)串聯(lián)機床，并聯(lián)機床具有如下優(yōu)點：(1)并聯(lián)機床的并聯(lián)機構可實現(xiàn)多自由度聯(lián)動，執(zhí)行機構的運動更加靈活,方便復雜曲面的精密加工；(2)執(zhí)行構件的加工精度得到很大提高；(3)運動構件數(shù)少，結構簡單，因此維修量小，維修更加方便，成本大大降低；(4)反解運算更加簡單,便于控制系統(tǒng)的開發(fā)；(5)傳動機構僅受拉壓力，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，便于可重組設計，具有很強的環(huán)境適用性；(7)移動部件質量小，響應速度快，動態(tài)性能得到有效的改善，適于各種高速數(shù)控作業(yè)；(8)硬件簡單,軟件復雜,技術附加值更高，經(jīng)濟回報更好[8]。因此，并聯(lián)機床是新一代機床結構的研究熱點，具有很好的發(fā)展前景。 并聯(lián)機床研究發(fā)展現(xiàn)狀 并聯(lián)機床在國際上的發(fā)展現(xiàn)狀由于并聯(lián)機床具備了上述優(yōu)點和良好的應用前景，引起了世界各國的學術界和機床制造界的極大興趣和高度重視，他們都非?？春貌⒙?lián)機床的市場潛力和應用前景，紛紛競相開始了并聯(lián)機床的研究與開發(fā)。1994年在美國芝加哥IMTS’94國際制造技術展覽會上，美國的Giddingamp。Lewis公司推出了VARIAX型并聯(lián)機床(圖11)，這在當時的工程界引起了巨大的轟動，被稱贊為“21世紀的新一代數(shù)控加工設備”，標志著并聯(lián)機床的正式問世；還有美國Ingersoll公司的第一代八面體六足蟲并聯(lián)機床，即Octahedral Hexapod(圖12)也是在同期推出的并聯(lián)機床。此后，世