基于拓扑结构和换刀动作特性的加工中心运动方案设计方法研究

论文摘要

本论文内容以图论和组合理论为基础,运用机构配置矩阵、树图以及功能分析等方法主要针对四轴、五轴加工中心研究其机构拓扑结构、换刀动作及其运动链结构。将拓扑结构特性、换刀动作特性以及运动链设计特点三部分基础内容相融合,提出以加工中心为典型机构的开链机构运动方案系统化设计方法。首先针对现有的加工中心做广泛的资料收集和分析整理,以机构配置矩阵和图论理论分析了加工中心的拓扑结构和换刀动作,提出拓扑结构特性和换刀动作特性。运用功能分析法揭示ATC换刀的基本规律,根据换刀动作和方向性提出换刀动作类型以及动作顺序,作为加工中心动作综合以及运动方案设计的基础。接着利用构型码和形状创成函数从机构运动链的角度研究加工中心运动链的设计需求和限制条件,将其同加工中心拓扑结构特性以及换刀动作特性相融合并转化为基于树图的特殊化规则以及设计限制条件,进而提出加工中心运动方案设计方法,并以实例详细说明设计方法和设计步骤,系统地得出加工中心的运动方案。在加工中心运动链分析过程中,详细分析了五轴加工中心的运动链构成类型及不同类型的优、缺点,并简单讨论了其工作空间问题。本文对加工中心自动换刀装置的各种换刀时间的计量和标示方法也做了详细讨论,并提出了合理、实用的换刀时间计量和标示方法。本设计方法的第一步是给出一个或多个合乎设计需求的现有加工中心机构,当作设计的原始机构。分析此类型现有机构,并归纳出其拓扑结构、动作特性和运动链设计条件;第二步是根据坐标系统和基于图论理论的机构树图定义,将加工中心机构以树图方法来表示;第三步是根据机构的一般化方法,将具有各种不同机件和运动副的机构树图转化成只具有连杆和一般化运动副的一般化树图;第四步是根据图论理论,找出具有所需连杆数和运动副数的所有树图,给出树图目录;第五步是根据机构的拓扑结构特征和运动链设计限制条件所制定出的特殊化规则,将所需要的连杆类型和运动副类型特殊化到每一个树图上去,并将不合乎设计要求的树图删除,从而得到所有的特殊化树图;第六步是根据运动以及动作特征所制定的动作设计程序,将所需的连杆间的相对运动形态分配到每一个可行特殊化树图上去,并将不符合设计需求的机构删除,最后得到可行的运动方案。根据本研究所提出的运动方案系统化设计方法,主要以四轴加工中心实例来说明设计方法的整个过程。得到无换刀臂四轴轮鼓式刀库加工中心,其七杆和八杆的机构运动方案数分别为20个和70个,其中的R副可特殊化为A轴或B轴;对

论文目录

• 摘 要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 机械产品方案设计述评
• 1.3 本文的主要研究工作及内容安排
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 本文的章节安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 基本概念与理论基础
• 2.1 图论相关概念及术语
• 2.2 加工中心机构运动方案的图形表示
• 2.3 开链机构与闭链机构
• 2.4 运动副排列与组合
• 2.5 本章小结
• 第三章 加工中心拓扑结构
• 3.1 坐标系统
• 3.1.1 标准坐标系
• 3.1.2 机床坐标系
• 3.2 加工中心机构组成
• 3.2.1 主轴头
• 3.2.2 运动轴
• 3.2.3 刀库
• 3.2.4 换刀机构
• 3.2.5 各基本运动轴运动与 ATC 换刀动作顺序
• 3.3 加工中心拓扑结构
• 3.3.1 拓扑结构矩阵
• 3.3.2 机构配置矩阵
• 3.3.3 机构树图
• 3.4 拓扑结构特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 ATC 换刀动作类型的综合研究
• 4.1 换刀动作表达与分析
• 4.1.1 换刀动作简图
• 4.1.2 机构配置矩阵表示法
• 4.1.3 树图表示法
• 4.2 待换刀具与主轴的空间方位关系
• 4.3 换刀动作特性
• 4.4 ATC 换刀时间
• 4.4.1 ATC 换刀时间计量方法
• 4.4.2 如何合理给出ATC 换刀时间
• 4.5 本章小结
• 第五章 加工中心运动链设计
• 5.1 运动链图及形状创成函数
• 5.2 加工中心运动链结构分类
• 5.2.1 根据带动工件和带动刀具轴的顺序分类
• 5.2.2 根据旋转轴所在位置分类
• 5.3 四轴、五轴加工中心运动链设计
• 5.3.1 四轴加工中心
• 5.3.2 五轴加工中心
• 5.4 加工中心工作空间探讨
• 5.4.1 工作空间利用因子
• 5.4.2 可加工体积
• 5.5 加工中心选用标准
• 5.5.1 五轴加工中心应用
• 5.5.2 轴的配置选择
• 5.5.3 ATC 的选用
• 5.5.4 卧式或立式加工中心的选用
• 5.6 本章小结
• 第六章 加工中心机构运动方案设计方法
• 6.1 设计方法
• 6.2 现有机构
• 6.2.1 无换刀臂加工中心
• 6.2.2 有换刀臂加工中心
• 6.3 机构树图
• 6.4 一般化树图
• 6.5 树图目录
• 6.6 树图的特殊化
• 6.6.1 无换刀臂加工中心树图特殊化
• 6.6.2 有换刀臂加工中心树图特殊化
• 6.7 机构目录
• 6.7.1 无换刀臂加工中心机构运动动作特殊化
• 6.7.2 有换刀臂加工中心机构运动动作特殊化
• 6.8 本章小结
• 第七章 无换刀臂加工中心运动方案设计实例
• 7.1 现有机构
• 7.2 机构树图
• 7.3 一般化树图
• 7.4 树图目录
• 7.5 特殊化树图目录
• 7.6 机构目录
• 7.7 本章小结
• 第八章 有换刀臂加工中心机构运动方案设计
• 8.1 现有机构
• 8.2 机构树图
• 8.3 一般化树图
• 8.4 树图目录
• 8.5 特殊化树图目录
• 8.6 机构目录
• 8.7 机构树图的派生运动方案
• 8.8 本章小结
• 第九章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 A
• 附录 B
• 致谢
• 攻读博士学位期间录用和发表的论文
• 学位论文原创性声明
• 学位论文版权使用授权书
• 学位论文出版授权书