一种大摆角五轴联动混联机床的构型设计及性能分析

发布时间：2018-11-27 20:18

【摘要】：和传统的串联机床对比,并联机床有较高的刚度重量比、响应速度快、加工精度也比普通的机床要高、而且它的柔性较好,同时也具有机构工作空间狭小、灵活程度低、加工范围窄的缺点,因而在一定程度上阻碍了其在工程领域的应用和发展。混联机床兼有并、串联机床的优点,同时也避免了各自构型的劣势,已成为并联机床未来发展的一种趋势。考虑到并联机构与串联机构在构型方面有着对偶的关系,将二者进行合理的组合,提出一种由空间三自由度并联机构和二自由度运动平台构成的混联机构新构型,并将该构型作为机床的本体构建了一种大摆角五轴联动混联机床,在此基础上,对其运动学、动力学以及误差精度等工作性能进行了深入的研究与分析,解决了现有并/混联机床在保证刚度前提下刀具摆角受限的问题,有效拓展了刀具的工作空间。主要研究内容如下:1、对大摆角五轴联动混联机床的构型设计进行了分析。针对传统并联机构在高刚度下摆角受限的缺点,提出一种由空间三自由度混联机构和二自由度运动平台构成的五轴联动混联机床构型,运用螺旋理论对机构的运动原理及其自由度进行了分析,利用一种基于螺旋系线性相关性和约束反螺旋概念的判别法对各个驱动杆件的驱动合理性进行了判别。结果表明,本文提出的大摆角五轴联动混联机床的构型,可实现五自由度运动,且结构合理、并联模块属于少自由度的构型,各杆件运动驱动合理。2、对大摆角五轴联动混联机床的运动学性能进行了研究。首先运用闭环矢量法对并联模块进行运动学建模,对刀具位姿参数进行解耦性分析,获得了其位置逆解,在此基础上,分别运用数值法和神经网络法分析机床驱动角的位置正解,基于运动影响系数对速度和加速度进行运动学仿真分析,采用数值搜寻法,以位置逆解为条件来求得机床刀具加工的空间。通过mat lab数值算例,对以上结果进行了仿真分析验证。研究表明,该机床的加工稳定性良好,工作空间相对较大,摆角可达(7)-40~90(8)??范围,且加工过程中未发生奇异点现象。3、对大摆角五轴联动混联机床的动力学性能进行研究。以驱动分支运动和动平台运动之间的映射关系为基础,采用凯恩方法分别对各个驱动杆件和动平台进行动力学建模给出了机床并联模块的动力学方程,对凯恩方程进行求解分析。运用Adams、mat lab等仿真软件对机床进行动力学模拟仿真研究,分析机床各个驱动杆件以及动平台的受力情况,验证了理论分析的准确性。研究表明机床各个驱动杆受力合理,动平台工作性能良好。4、对大摆角五轴联动混联机床虚拟样机的操作误差进行研究与分析。将机床并联模块的各个驱动支链作为假定的单开支链,采用误差独立作用原理建立并联模块的误差模型,求出杆长误差、滑块上铰接点位置误差、动平台铰接点位置误差与机床动平台位置误差的映射关系。经过对模拟仿真算例的运算,分析误差影响因子对机床动平台运动精度的影响规律。结果表明,该机床的结构及其尺寸参数符合机械加工的精度需要,动平台的输出误差处于合理范围,该误差模型的创建为该机床的结构优化设计以及误差补偿提供了理论依据。
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【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG502.1

【参考文献】