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混联机床中并联机构的动力学特性分析方法的研究

王世军  
【摘要】:并联机床是一种具有良好应用前景的新一代制造装备,是机器人技术在机床领域的延伸,是传统机床与现代机器人技术相结合的产物。在机器人应用领域迅速扩大的同时,机器人领域内知识也在不断更新。当前的机器人研究不少是以刚体动力学为根本理论的前提下进行研究的,或者只考虑构件的弹性变形,而未考虑关节结合部的变形。但是,用作机床的机器人系统则向着高速、重载、高刚度,部件向着轻质的方向发展,构件的弹性变形增大,造成了其与机器人运动平稳性、准确性的矛盾,从而突出了机器人各部件弹性变形的影响。因此,传统的机器人的研究方法显然已经不适合于当前并联机床的研究。 并联机床的研究才刚刚展开,目前主要的研究内容涉及刚体动力学、弹性体动力学、加工过程稳定性、加工精度等几个方面。其中并联机床中并联机构动态特性的研究具有紧迫的现实意义,是并联机床在工程应用中亟待解决的关键技术问题之一。6PM2是西安理工大学自动化研究所开发的一台混联机床,是在并联机床基础上研制的新型机床,3-RPS并联机构是其核心部件。本文结合该机床主要进行了以下几个方面的研究工作: 1.建立了基于梁模型的并联机构的模型,以及非线性弹性关节刚度和载荷的测量方法,在此基础上分析了在不同载荷作用下的关节受力。 2.建立了计及接触非线性弹性的关节实体建模方法,并建立了相应的接触单 西安理工大学博士学位论文 元刚度矩阵。该单元能够利用现有的结合部实验数据建立实体模型,能够 计及法向的非线性刚度和剪切刚度与法向面压的祸合关系。 3.建立了具有圆柱接触表面的转动关节实体建模方法,研究了曲面接触由于 数值离散而产生的剪涨特性并提出了相应的解决方案。 4.建立了计及关节非线性.弹性接触的并联机构的有限元模型,分析比较了使 用三种不同关节模型建立的整机模型静态、动态特性的差异:不考虑关节 接触特性的固结模型,考虑关节接触的刚性接触模型和考虑关节非线性弹 性接触的弹性接触模型。对并联机构的刚度进行了实验研究,并将实验结 果与不同模型的计算结果做了比较。 关键词:混联机床,关节,非线性,整机分析,有限元,接触


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