六自由度毕业论文未排版 - 图文

分类号 密级 UDC

学 位 论 文

基于激光辅助加工的六自由度并联平台的设计和仿真

作者姓名： 指导教师：

申请学位级别： 学科专业名称： 论文提交日期： 学位授予日期：

评阅人：

李长河 教授 青岛理工大学 学士

学科类别：

工学

机械设计制造及其自动化 2010年6月 2010年6月

论文答辩日期： 答辩委员会主席：

2010年6月

青岛理工大学 2010年3月

独创性声明

本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期：

基于六自由度并联机床的运动学和动力学仿真

摘要

随着产品的多样化、更新频繁、系统复杂化、以及企业间竞争的日趋激烈，

传统的产品设计、实验方法已经很难满足企业当前生存和发展的需要。基于计算机技术的数字化设计方法——虚拟样机技术便应运而生。它是当前设计制造领域的一门新技术，涉及到多体动力学，计算方法与软件工程等学科。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

并联平台是机构学理论、机器人技术和数控技术结合的产物。本文的研究对象是Stewart六杆平台，该平台是用于微细加工机床的工作台，精度要求在微米级。在模型的构建上，采用了三维绘图软件UG，先在UG中完成平台的几何建模，根据平台工作姿态的不同建立了三种运动模型，并在UG的运动仿真模块中完成运动学和动力学仿真，检验动平台的动态性能和动平台运动时的干涉。然后利用ANSYS解算器进行有限元计算分析，得到平台的动静态特性。

通过本文，不但提供了一种全新的微细加工的方法（激光复合微细加工）和平台（Stewart平台），还提供了一种基于虚拟样机技术的并联平台的设计理念，它使传统的设计工作简化，大大缩短了设计时间和成本，并可以得到最优化的设计模型。

关键词： 并联机床 多体动力学 虚拟样机 动力学仿真 动态特性 微铣削

Stewart平台 ANSYS UG

目录

独创性声明························· 学位论文版权使用授权书·················· 摘要···························· 第一章 绪论

1.1 概术························· 1.2 并联平台主要理论研究················· 1.3微细加工技术······················ 1.4 课题研究内容及意义··················

第二章 平台方案设计

2.1 设计要求······················· 2.2 并联机构······················· 2.3 Stewart平台······················ 2.4 基于遗传算法的并联机器人运动学逆解·········· 2.5 工作台设计······················ 2.6 主轴部件设计····················· 2.7 并联平台干涉问题··················· 2.8 控制系统·······················

第三章 动力学仿真

3.1多体系统动力学简介·················· 3.2 虚拟样机仿真技术简介·················

3.3 UG软件简介······················ 3.4 仿真内容······················· 3.5 Stewart平台动力学仿真················· 3.6 本章小结·······················

第四章 有限元仿真分析

4.1 有限元分析方法及应用················· 4.2 有限元分析内容···················· 4.3 并联平台有限元分析方法················ 4.4 应用有限元分析方法的有关原则············· 4.5 平台重要部件的有限元分析··············· 4.6 本章小结·······················

第五章 结论与展望

5.1 结论·························· 5.2 展望··························

参考文献资料························ 致谢·····························

第一章 绪论

1.1概述

为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematic Machine)。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点：

（1）刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。

（2）响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。

（3）环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。

（4）技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。

目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。1994年，美国Giddings & Lewis公司在美国芝加哥IMTS’94国际制造技术展览会上推出VARIAX(变异型)并联机床(图1.1)，举世瞩目，被称为“21 世纪的机床”，这标志着并联机构正式进入机床领域。同期推出的并联机床还有美国Ingersoll公司的Octahedral Hexapod1000(六足虫)(图1.2)和英国Geodetic公司的GDM1000-04X。世界各国的研究机构和企业开始大量投入并联机床的研究与开发，结构创新和理论研究成果，并进行如下简化：

(1)将气浮轴承简化为弹性支承，只考虑其径向刚度；

(2)忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响，视轴承刚度为定值；

(3)将电机的转子及过盈套等效为同密度轴材料，作为主轴的附加分布质量，等效到所在单元的节点上。

本模型采用沿轴旋转面的方式建立实体模型和有限元网格。先建立一个截面，然后沿一根轴线来旋转生成模型和网格。仍然选用SOLID45三维实体结构单元对主轴主体进行网格划分。由于在轴的中间部位作用有转子质量，将轴上附加的转子质量转化为相应轴段的密度增加值，所以需要附加密度，定义两次材料属性，分别生成面模型，在生成体的时候，定义材料与面一样，即生成两种不用的材料。两种材料的弹性模量均为2×105MPa，泊松比均为0．3，材料的密度分别为7800kg／m 和7834．2kg／m 。网格划分后的模型如图4.6所示。

图 4.6 网格划分后模型

4.7.3.2约束条件

电主轴单元包括主轴、电机、轴承和壳体。由于壳体为固定件，电机定子固

定在壳体上，故在对主轴单元进行动态特性分析时不必考虑这两者，分析对象只含有旋转件和支承件，即转子轴和前后轴承。电主轴在工作时承受多种载荷，除主轴前端受切削力和弯矩作用外，还有内装电机转子传递给主轴的转矩。主轴在前后轴承的支承下高速旋转，为了计算方便，将其作为空间弹性梁处理，认为轴承只具有径向刚度，不具有角刚度，因此将支承进一步简化为圆柱形约束。后轴承处不约束。忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响，视轴承刚度K为一个不变的常数，则径向位移有三部分组成：轴承径向弹性位移；为轴承外圈与套筒配合处的接触变形；内圈与主轴配合处的接触变形。 4.7.3.3计算结果与分析 4.7.3.3.1模态的计算结果

在频率0HZ~10000HZ范围内获得的约束条件下电主轴的固有频率如下： 模式一 固有频率0HZ 径向膨胀

图4.7 模式一

模式二 固有频率965.1HZ XZ平面摆动

图4.8 模式二

模式三 固有频率966.3HZ XY平面摆动

图4.9 模式三

模式四 固有频率4962HZ Y方向弯曲

图4.10 模式四

模式五 固有频率4969 Z方向弯曲

图4.11 模式五

4.7.3.3. 2计算结果分析

当主轴以临界转速旋转时，主轴的挠度很大，主轴将产生剧烈振动(节点位

移1.2mm左右)，而在临界转速一定范围之外工作时，主轴将趋于平稳运转。模式一频率为零，为刚体振动，可以不用考虑。二、三模式和四、五模式分别相近，可视为重根。根据转速与频率的关系，可以得到该主轴的二阶临界转速57906r/min，而主轴的设计转速为10000 r/min——15000 r/min，远远低于临界转速，所以该主轴是安全的。

4.7.4电主轴的热态分析计算及结果

高速电主轴是高速平台的核心部件，但也是该类平台的主要热源。在高速平台中，电主轴单元各零件的高度和精度都比较高，因切削力引起的加工误差比较小。然而电主轴中电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重降低平台的加工精度。因此，在高速加工中，电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素，并直接限制电主轴转速的提高。所以，高速电主轴的热稳定性问题是该类主轴需要解决的关键问题之一。

4.7.4.1电主轴的有限元模型

电主轴整体上可视为轴对称结构，用电主轴剖面的一半来建立有限元分析模型即可。电动机的定子和转子均可当作厚壁圆筒，定子冷却套上的螺旋槽可等效为环形。在保证计算精度要求的前提下，对模型进行如下简化：电主轴中的后支座不参加有限元建模，忽略所有的螺钉、通气孔、通油孔以及其他一些细小结构。

选择PLANE55单元进行网格划分。PLANE55单元用于三维空间平面或轴对称结构，具有热传导特性，该单元有4个节点，节点自由度为温度。划分后的电主轴有限元模型(如图4.12)。

如图 4.12

4.7.4.2电主轴的热载荷计算

电主轴的热载荷主要是电动机和前后轴承的生热率。生热率指单位体积的发热量，如下式所示：

=Q／V (1)

式中：Q为热源的发热量；V为热源的体积。 4.7.4.2.1电动机生热率的计算

电主轴额定输出功率P =40W，额定功率损耗P =20W，认为功率损耗全部转化为热量，其中2／3热量由定子产生Q =13.333W，1／3热量由转子产生Q =6.667W。定子铁心和转子铁心均可以视为厚壁圆筒，可以计算出定子和转子的生热率分别为5.451×W／ 和5.461× W／。所以定子的热通量=1.505×W／，转子的热通量=0.804×W／ 4.7.4.2.2轴承生热率的计算

通过计算可以得到，前后轴承的发热量分别为0.503 W和0.421W。计算出

前后轴承的热通量分别为267 W／和336 W／。 4.7.4.3 电主轴的稳态热分析

电主轴的稳态热分析在以下条件下进行： (1)环境温度为Te=25 °； (2)主轴转速为n =12 000 r／min。

热源生热率以及各部分传热系数如下表4.1所示。

表4.1 热源生热率以及各部分的传热系数

进行加载求解，得到电主轴的稳态温度场如图4.13所示。

图4.13 电主轴稳态温度场

从电主轴的稳态温度场中可以看出，定子铁心处温度最高，约为67℃ 。这是因为定子的发热在铁心处积累，且散热条件不好，热量不能快速有效地导出，所以温升较高。前轴承温度约为39℃，后轴承温度约为47℃，即前后轴承温度不高，温升分别为14℃、22℃，温升较小。前后轴承度低，是由于气浮轴承本身摩擦小，发热少。因此在设计散热系统时，应该从加强线圈散热条件着

手。另外刀具切削时，也会产生切削热，所以也要注意刀具散热。

4.8 本章小结

通过对平台重要部件进行结构力学、模态和热学分析，获得其最大节点位移、固有频率、振型及稳态温度场，从而得到重要部件容易失效位置及对平台加工精度的影响，并计算出电主轴的临界转速和热变形较大部位，为进一步的动力学分析和有效控制主轴温升提供了理论依据，并可为优化设计零部件提供参考。

第二章 结论与展望

5.1 结论

本论文以微铣削6-SPS并联平台为研究对象，以虚拟样机技术为基础，考虑具体结构三维特性和材质粘弹特性等，运用三维有限元理论和 ANSYS 及UG软件技术，建立该系统精确的实体和有限元弹性动力学分析模型，基于该模型环境，开展并联平台的运动学、结构力学特性和动力学模态、热态的分析研究，为并联平台的结构优化提供了理论依据。现代的CAD和CAE设计分析这一虚拟样机技术在对平台的分析中得到了充分的运用，由于采用了虚拟样机技术，验证了平台能够实现的功能，并为后续的控制系统的设计提供依据；与以往的平台设计相比，能够在设计的过程对平台进行研究分析，更正设计中的不足之处，以达到降低了成本、减少设计环节中试验次数的目的。论文完成的主要工作和结论如下：

(1)根据并联平台工作原理，采用仿真技术和UG软件建立了并联平台的模型并进行了运动仿真，通过仿真动画，检查了平台各个部件在实现功能的过程中

有无干涉，验证了平台设计的目标——六自由度微铣削加工。在进行运动学仿真的基础上对平台进行了动力学仿真，研究分析了平台在特定运动轨迹下伸缩杆所需驱动力，为气动系统和控制系统的设计提供了依据。

(2) 针对已有的刚性杆件动力学理论及模型在并联平台结构静力学特性等方面的深入研究中表现出的不足，本文运用三维有限元理论和ANSYS 软件技术，针对6-SPS并联平台实体模型，考虑其实际结构特性等的影响，研究并联平台静力学有限元建模方法，建立了该系统精确的有限元线性静力学分析模型。

(3) 运用基于UG 软件平台所建立的6-SPS并联平台的有限元模型，进行了伸缩杆的线性静力学特性分析，研究并联平台杆件的应力、应变分布特性；分析伸缩杆的刚度，为结构优化提供了理论依据；进行了电主轴的模态分析，分析了其各阶振型特点和振动频率。得出以下主要结论：

(a) 杆件应力分布不均，有局部增大的现象，这主要是因为受力不均及截面形状有突变。伸缩杆和动平台连接的销柱的应力主要来源于动平台所受外力；伸缩杆颈部所受应力主要是由于其截面的突变。因此在平台的机构设计中应尽量避免截面突变的机构出现，同时也应该避免连接部件受力过大产生应力集中现象。

(b) 平台的受力随着位姿的不同有相应改变，但变化不太明显；所以在设计平台时，应该以保证平台刚度要求为设计准则，进而达到提高平台精度的目的。 (c) 电主轴的模态特性分析图显示在6675Hz左右时，开始出现明显的共振现象，从电主轴的下部到上部振动幅度越来越大，随后各阶振动加剧，振幅变大，振型更为复杂。综合本文的模态分析结果，可以确定电主轴的临界转速范围，为平台的结构设计提供定性参考。

(d) 从平台伸缩杆的动力学分析和电主轴的热态及模态分析可以看出，平台在正常负荷下工作，电主轴的发热及振动对加工精度影响小，这些因素产生的加工误差是可以接受的。因此，在硬件上可以保证微铣削的精度要求。

5.2 展望

针对当前已有的刚性动力学建模及其对并联机器人研究成果深入研究的局限性， 论文研究运用有限元理论及ANSYS、UG 软件技术进行了并联平台的运动学和动力学研究，并初步开展其结构力学特性等方面的仿真分析研究，获得了一些探索性的结果和结论，由于具有强针对性、高精确性、优越的适时性和近真性等特点，所建有限元弹性静力学分析模型是深入研究并联平台静力学特性的重要而有效的工具，建模及仿真分析方法可推广应用于其他类似的复杂结构系统。

该课题可在以下方面进行更深入的研究：

(1) 由于个人计算机计算能力的限制，不能对整个平台进行全面的有限元分析，并且在分析时简化了模型，因此仿真的真实性不足。 可以考虑把平台工作过程中的所有因素考虑进去做仿真分析。

(2)在进行动力学仿真时，没有考虑各构件之间的连接刚度和阻尼，虚拟样机中的各部件之间基本上是刚性连接，这样软件自动建立的动力学方程与实际情况有很大的区别。

(3) 由于ANSYS有限元软件的制约性，实际系统样机中存在大量的呈复杂空间分布的接触和间隙等高度非线性行为，为进一步精确表达，还需要做相应的模型等效简化研究。

(4) 当前的静力学理论和方法都是建立在线性化基础上的，即不考虑实际系

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