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一种2UPS-UPR并联机床的设计理论与关键技术研究

赵亮  
【摘要】:并联机床作为并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物,是从上个世纪末开始出现的一种新型制造装备。与传统机床相比,并联机床具有刚度重量比大、响应速度快、环境适应性强、技术附加值高、适合复杂曲面加工等特点,因此在制造领域具有很广泛的应用前景。其中,少自由度并联机床以其自身的优点已成为并联加工装备发展的重要趋势。 世界上许多国家已经对并联机床的研究投入了大量的人力物力,也取得了许多的研究成果,但目前对并联机床的研究总体上还是处于研发、试制和试用阶段。我国在并联机床的研究方面也取得了一些阶段性成果,但目前我国已开发的大多数并联机床尚未达到实用产品水平,均存在动态刚度和加工精度低的共同问题。这反映出国内对并联机床理论、设计与应用等方面的关键技术研究与国外相比较仍有较大差距。因此,系统地研究并联机床设计理论,切实解决设计中的关键技术难题,为并联机床设计提供理论基础,对推动我国并联机床的产业化有着及其重要的意义。 本文以一种新型2UPS-UPR并联机床的研制为主要研究内容,围绕并联机床设计基本理论,从运动学设计、动力学设计、刚度设计、结构动力学建模及数字化样机仿真等方面进行了深入的研究,具体包括以下内容: (1)对2UPS-UPR并联机床运动学设计进行了研究。根据机床的结构,对机床的并联机构和平行约束机构进行了运动学分析,给出了并联机构和平行约束机构的位置正、逆解,机床的雅可比矩阵,平行约束机构各构件的速度。在此基础上,对机床工作空间的影响因素和工作空间的构成进行了分析,最后,分析并得到了机床结构参数和运动参数对工作空间影响的规律以及机床设计变量对尺度综合性能指标影响的变化规律。 (2)对2UPS-UPR并联机床刚体动力学优化设计进行了研究。首先,通过拉格朗日方程建立了机床刚体动力学模型,以此为基础建立了以获得机床3根驱动杆中最大驱动力的最小值为目标的动力学参数优化设计的数学模型,并通过仿真分析得出了机床设计变量对动力学设计指标的影响规律。然后,从更有实际意义的部分平衡角度出发,给出了基于平行约束机构的动力平衡结构,提出了采用线性加权法建立的动力平衡优化数学模型,并利用MATLAB软件进行了优化求解和计算比较,证明了动力平衡结构对平衡平行约束机构的震动力和震动力矩所起到的良好作用。 (3)对2UPS-UPR并联机床静刚度进行了分析与优化设计。在建立机床整机的刚度模型基础上,给出了各轴向静刚度的计算公式并进行了仿真分析与计算,得出了各轴向静刚度在工作空间的分布规律及典型工况下轴向静刚度数值。然后,分别从轴向刚度和并联机床刚度矩阵的条件数这两个方面定义了机床静刚度性能设计指标,通过利用MATLAB软件进行仿真分析,给出了机床设计变量对这两个设计指标的影响规律并经分析证明了这两个设计指标在衡量机床静刚度性能的一致性,完成了静刚度优化设计。 (4)对2UPS-UPR并联机床结构动力学建模和机构固有频率求解进行了研究,建立了机床整体机构的结构动力学方程,给出了子空间迭代法求解机床结构前5阶固有频率的计算步骤并计算出机床在典型位置时一阶固有频率值。 (5)利用2UPS-UPR并联机床数字化样机在ANSYS Workbench Enviroment中对机床进行了静刚度和模态仿真分析,得到了机床在三个典型位置点时的x、y和z三个方向静刚度值并经分析证明了静刚度仿真结果与理论分析结果是一致的。通过模态仿真并分析所得到的机床固有频率和振型,证明了该机床有比较稳定的动态特性。 (6)对机床的驱动杆和主轴部件进行了结构设计,给出了驱动杆部件设计参数的计算过程和主轴部件运动干涉的判别条件,得到了驱动杆和主轴部件的实体模型和装配图,并依此加工制造出相应的零部件。 (7)利用2UPS-UPR并联机床物理样机进行了静刚度实验和模态分析实验研究,得到了该机床在典型位置时的静刚度数值和一阶固有频率,从而验证了机床静刚度理论研究与仿真分析和机床模态仿真分析的正确性。另外,通过与前期研制的3-TPT并联机床进行比较,证明了2UPS-UPR并联机床比3-TPT并联机床有着更加良好的运动性能、刚度性能和精度性能。 本文对2UPS-UPR并联机床运动学设计、动力学设计、静刚度设计等若干问题的研究成果,为该并联机床物理样机的研发提供了基础性的理论依据和数据参考。同时,也为其它构型的并联机床设计提供了借鉴。然而,由于并联机床动态特性设计的复杂性和数字化样机技术的迅速发展,为完善和发展2UPS-UPR并联机床的设计理论,还需在该机床动态特性设计和机床数字化样机参数设计等方面做大量的深入研究工作。


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