四自由度并联工作台虚拟设计与仿真

论文摘要

并联机床是空间多环机构在机床制造业上的创造性应用,是并联机构与现代机床技术相结合的产物,它可与传统数控机床形成很强的互补。并联机床虽然具有结构简单、刚度大、质量轻、响应速度快等优点,但是随着并联机构理论技术的发展,其制造成本高、工作空间与外形尺寸比不合理等缺点也逐渐暴露出来,且很难实现对具有空间任意角度平面零件(如网架节点球)的加工。根据当前国内外已有的并联机构的结构形式和其优缺点,基于并联机构理论,本文提出了一种新型并联机构——四自由度并联工作台,这种并联工作台可以与铣、镗、加工中心等机床组合使用,满足对具有任意角度平面零件的加工要求,对于扩大机床加工功能和提高机床工作效率有着重要意义。论文的主要工作包括以下几个方面:(1)通过对并联机构的分析,应用并联机构理论,研究确定了并联工作台的结构布局,简述了其工作原理,建立了工作台的运动学正解和逆解模型,并分析了影响其工作空间大小的因素。(2)结合ZH5132型数控钻、铣加工中心工作空间的大小,确定了工作台的机构参数;根据已有并联机构零部件的结构特点和加工的实际要求,研究确定了并联工作台零部件的结构,提出一种新型伸缩杆结构,该伸缩杆由步进电机驱动,通过齿轮减速器把动力传给滚珠丝杆,再通过滚珠螺母和伸缩套筒实现伸缩作用。(3)运用全参数化三维画图软件Pro/E4.0对工作台主要零部件进行了三维建模,并进行了虚拟装配和干涉检查,得到了并联工作台的虚拟样机。(4)通过机械系统动力学仿真软件ADAMS对工作台虚拟样机进行运动学仿真分析,来验证并联工作台各个零部件之间相互位置关系和尺寸的合理性,通过实体仿真进一步验证工作台结构的合理性和可操作性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 本课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 并联机床的国内外研究现状
• 1.3.2 虚拟设计与仿真技术的国内外研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 并联工作台机构构型和运动学分析
• 2.1 并联机构的构成
• 2.1.1 并联机构的命名方法
• 2.1.2 常用运动副的类型
• 2.1.3 典型的并联机构
• 2.2 四自由度并联工作台
• 2.2.1 并联工作台的提出
• 2.2.2 并联工作台的结构布局
• 2.2.3 工作台的自由度
• 2.3 工作台的正解和逆解数学模型
• 2.3.1 坐标系与坐标变换概述
• 2.3.2 坐标系的建立
• 2.3.3 运动学正解
• 2.3.4 运动学逆解
• 2.4 工作空间分析
• 2.4.1 工作空间的约束条件
• 2.4.2 工作空间的确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 工作台主要部件结构和尺寸的研究确定
• 3.1 工作台原始参数的选定
• 3.2 工作台主要部件结构确定与计算
• 3.2.1 铰链
• 3.2.2 杆件
• 3.2.3 LM 滚动导轨智能组合单元
• 3.2.4 电动机的选择
• 3.3 本章小结
• 第4章 并联工作台虚拟设计与装配
• 4.1 虚拟设计
• 4.1.1 虚拟设计的优点
• 4.1.2 虚拟设计与传统CAD 设计的区别
• 4.2 并联工作台实体建模
• 4.2.1 Pro/Enginee14.0 软件的特点
• 4.2.2 实体建模的优点
• 4.2.3 工作台主要零部件的实体建模
• 4.3 工作台的虚拟装配
• 4.3.1 工作台装配的方法
• 4.3.2 设置装配约束的原则
• 4.4 并联工作台装配体干涉检查
• 4.5 本章小结
• 第5章 并联工作台的仿真分析
• 5.1 虚拟样机技术的基本概念
• 5.2 虚拟样机技术的应用及其特点
• 5.2.1 虚拟样机技术的应用
• 5.2.2 虚拟样机技术的特点
• 5.3 ADAMS 仿真软件简介
• 5.3.1 ADAMS 软件的功能及组成
• 5.3.2 ADAMS 软件主要模块简介
• 5.4 基于ADAMS 的并联工作台仿真分析
• 5.4.1 并联工作台三维模型的导入
• 5.4.2 ADAMS 仿真环境的参数设置
• 5.4.3 模型各构件物理特性的设置
• 5.4.4 添加运动约束
• 5.4.5 施加载荷
• 5.4.6 并联工作台运动学仿真结果
• 5.5 仿真验证
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表的学术论文