大型船用螺旋桨加工混联设备及并联机构关键技术研究

发布时间：2017-10-14 15:19

  本文关键词：大型船用螺旋桨加工混联设备及并联机构关键技术研究

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【摘要】：传统串联机床在加工螺旋桨等复杂曲面零件时捉襟见肘，并联机床是其有益补充，而混联机床则是并联机床的进一步发展。混联机床结合了两者的主要优点，具有刚度高、承载能力强、工作空间大、可重组性强等特点，是一种很有应用前景的多坐标数控机床形式。本文通过借鉴BJ-04-02(A)型交叉杆并联机床的支链构成形式以及应用比较成功的串联机床形式，设计了一种适于大型船用螺旋桨加工的混联设备，并对该交叉杆并联机床的位置正反解、速度、加速度、奇异性、工作空间、灵巧度以及机床结构参数优化等方面进行了研究，而且运用虚拟样机技术对其进行仿真分析。 首先，针对串联机床和并联机床的不足，借鉴两者的优点，通过构型综合，设计了一种大型船用螺旋桨加工混联设备。该设备可以一次装夹就完成整个螺旋桨的加工，避免重复定位误差，提高加工效率和精度。 其次，采用四元素和广义逆法对交叉杆型6-UPS并联机床的运动学正解进行了研究，并且通过构造12个恒等式采用降次消元法对其一般形式的6-UPS并联机构的位置正解也做了研究。 然后，在运动学反解的基础上，采用Gosselin提出的并联机构的末端执行器三点法推导了BJ-04-02(A)型并联机床量纲一致性的新型雅克比矩阵，基于旋量理论研究了该机床的自由度、速度、加速度及奇异位形等运动性能。 接着，采用三维搜索的方法得到了交叉杆并联机床的工作空间形状并分析了铰链转角对工作空间的影响，基于新型雅克比矩阵获得了机床工作全域灵巧度指数分布，探究了机床的各结构参数对其工作空间和灵巧度的影响规律，基于工作空间和全域灵巧度指标对机床进行了结构参数优化设计，工作空间增加了0.40倍，全域灵巧度指数提高了0.26倍，，达到了预期目标。 最后，依据物理样机通过UG建立了相应的虚拟样机，将其导入到ADAMS中经过修饰处理、添加约束、施加驱动后进行运动仿真分析，得到位置正反解、电机驱动函数、铰链转角变化范围、驱动关节速度到末端执行器速度的映射关系以及驱动关节和被动关节受力情况等。
【关键词】：螺旋桨加工 混联设备 6-UPS并联机床 运动学 优化设计 虚拟样机
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U671;U664.33
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 课题的研究背景和意义15-17
• 1.1.1 研究背景15
• 1.1.2 研究意义15-17
• 1.2 课题的国内外研究现状及分析17-23
• 1.2.1 螺旋桨加工研究现状17-19
• 1.2.2 混联结构机床构型设计研究现状19-21
• 1.2.3 并联机构运动学正解研究现状21-22
• 1.2.4 并联机构运动性能分析研究现状22-23
• 1.3 课题研究用到的数学工具及主要软件简介23-26
• 1.3.1 李群李代数23-24
• 1.3.2 旋量理论24-25
• 1.3.3 四元素25-26
• 1.3.4 相关软件26
• 1.4 课题的来源和主要研究内容26-27
• 1.4.1 课题的来源26
• 1.4.2 主要研究内容和章节安排26-27
• 第二章 大型船用螺旋桨双向对称加工混联机床设计27-38
• 2.1 引言27
• 2.2 背景技术27-29
• 2.3 混联机床方案设计29-37
• 2.3.1 机床零部件组成、安装及运动形式30-32
• 2.3.2 加工可能性、合理性及优越性分析32-33
• 2.3.3 具体实施方式33-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 6-UPS 并联机构位置正解研究38-57
• 3.1 引言38
• 3.2 数学基础38-43
• 3.3 一般 6-UPS 并联机构位置正解43-49
• 3.3.1 一般 6-UPS 并联机构描述43-44
• 3.3.2 变量代换44-45
• 3.3.3 12 个恒等关系式45-48
• 3.3.4 降次消元法48-49
• 3.4 交叉杆型 6-UPS 并联机构位置正解49-56
• 3.4.1 四元素的基本概念50
• 3.4.2 四元素表示旋转和移动50-51
• 3.4.3 四元素在并联机床中的应用51-53
• 3.4.4 基于四元素的交叉杆型并联机床运动学正解53-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 交叉杆型 6-UPS 并联机床运动性能分析57-70
• 4.1 运动逆解与自由度分析57-60
• 4.2 新型雅克比矩阵60-62
• 4.3 速度分析62-65
• 4.3.1 封闭向量求导法62-64
• 4.3.2 旋量法64-65
• 4.4 加速度分析65-67
• 4.5 奇异性分析67-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第五章 交叉杆型 6-UPS 并联机床结构参数优化设计70-88
• 5.1 工作空间性能指标70-75
• 5.1.1 约束条件70-71
• 5.1.2 求解方法71
• 5.1.3 工作空间形状71-73
• 5.1.4 铰链对工作空间的影响73-75
• 5.2 灵巧度指标75-77
• 5.2.1 全域灵巧度性能度量指标75-76
• 5.2.2 灵巧度分布76-77
• 5.3 机床结构参数对工作空间与灵巧度的影响规律77-82
• 5.4 最小二乘法曲线拟合82-85
• 5.4.1 最小二乘法82
• 5.4.2 机床 WVI 与 GDI 相对于其结构参数曲线拟合82-85
• 5.5 机床结构参数优化设计85-87
• 5.6 本章小结87-88
• 第六章 交叉杆型并联机床虚拟样机仿真研究88-106
• 6.1 模型建立88-90
• 6.2 添加约束90-91
• 6.3 定义驱动91-93
• 6.4 运动学仿真分析93-102
• 6.4.1 位置反解过程93-95
• 6.4.2 位置正解过程95-97
• 6.4.3 电机驱动函数97-98
• 6.4.4 铰链转角变化98-101
• 6.4.5 速度和加速度101-102
• 6.5 动力学仿真分析102-105
• 6.5.1 被动关节受力分析102-104
• 6.5.2 主动关节受力分析104-105
• 6.6 本章小结105-106
• 总结与展望106-108
• 工作总结106-107
• 研究展望107-108
• 参考文献108-114
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果114-115
• 致谢115

【参考文献】

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本文编号：1031776