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并联机床加工船用螺旋桨复杂曲面的动态特性研究

作　者: 赵若愚
导　师: 方喜峰
学　校: 江苏科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 并联机床运动学正解雅克比矩阵含间隙结构刚柔耦合
分类号: U664.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

并联机构具有高速运动性能和可重构设计等优势，在制造领域具有广阔的应用空间。基于并联机构的并联机床在继承了其高速性能等优势的同时，也出现了运动控制困难和误差控制困难等一系列技术难题。本文以6-UPS交叉杆并联机床为研究对象，对并联机床的运动学解算、运动性能分析、含关节间隙的动力学以及刚柔耦合动力学虚拟样机仿真技术等方面进行深入的研究。首先，介绍了本课题的研究背景，总结了并联机床运动学与动力学等关键技术的研究进展与发展趋势，论证了将刚柔耦合动力学分析技术引入到并联机床研究中的必要性与前沿性。其次，采用基于罗德里格斯参数表示旋转矩阵的方法研究了6-UPS交叉杆型并联机床的运动学正解问题，通过分析动平台位置矢量和姿态变量之间的关系，构造出只含有罗德里格斯参数的三元四次方程组，采用牛顿迭代方法完成运动学正解解算过程。然后，通过对机床运动雅克比矩阵的分析，计算得到了交叉杆机构的奇异性轨迹；以雅克比矩阵条件数为灵巧性指标，得到了机构在不同位姿下的灵巧度变化趋势；应用雅克比矩阵特征值对交叉杆机构的静刚度进行分析，通过与一般Stewart机构进行对比，发现两者静刚度系数随坐标值的变化拥有相近似的变化趋势，但交叉杆构型的单项刚度系数的中心对称性更好，在不同位姿下的刚度性能好于一般Stewart机构。接着，考虑将运动副间隙引入到并联机构的动力学分析之中，针对并联机构球铰关节处的间隙变化规律，采用L-N连续接触理论和改进的库伦摩擦定律描述间隙处的相对运动学关系和接触模式的动力学约束关系。在动力学软件仿真平台上，定量分析了不同间隙尺寸、不同加速度下关节间隙对机构动态特性的影响。最后，建立交叉杆并联机床的三维实体模型，对主要运动构件进行有限元分析并导出相关的模态中性文件，在动力学分析软件中建立机床的刚性多体动力学模型，利用柔性处理模块导入模态中性文件，建立机床的刚柔耦合多体动力学模型。之后通过典型运动轨迹仿真对比分析机床重要关节点的运动学与动力学性能，验证了模型的可靠性。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
Contents  11-13
第1章绪论  13-22
  1.1 课题的研究背景和意义  13-16
    1.1.1 课题的研究背景  13-14
    1.1.2 课题的研究意义  14-16
  1.2 课题的国内外研究现状及分析  16-20
    1.2.1 并联机构运动学正解研究现状  16-17
    1.2.2 并联机构运动性能分析研究现状  17
    1.2.3 并联机构刚柔耦合动力学建模研究现状  17-18
    1.2.4 并联机床虚拟样机建模及仿真技术研究现状  18-20
  1.3 课题的来源和主要研究工作  20-22
    1.3.1 课题的来源  20
    1.3.2 主要研究工作和章节安排  20-22
第2章 6-UPS 交叉杆型并联机构运动学正解算法  22-34
  2.1 并联机构中的机构学基础  22-27
    2.1.1 基于罗德里格斯参数的旋转矩阵  22-24
    2.1.2 机构空间方位  24-26
    2.1.3 机构顶点位置分析  26-27
  2.2 运动基本方程  27-28
    2.2.1 相容方程组  27-28
    2.2.2 运动学变量的线性表示  28
  2.3 运动学正解过程  28-33
    2.3.1 消元过程  28-30
    2.3.2 牛顿迭代  30-31
    2.3.3 其它变量的求解  31-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章 6-UPS 交叉杆型并联机构运动性能分析  34-50
  3.1 交叉杆型并联机构的奇异性分析  34-40
    3.1.1 机构的速度雅克比矩阵  34
    3.1.2 机构的力雅克比矩阵  34-35
    3.1.3 机构的奇异轨迹方程  35-36
    3.1.4 三维空间下的奇异性轨迹  36-40
  3.2 交叉杆型并联机构的灵巧性分析  40-43
    3.2.1 机构的雅克比矩阵条件数  41-43
    3.2.2 机构的可操作度  43
  3.3 交叉杆型并联机构的静刚度分析  43-49
    3.3.1 并联机构的一般刚度系数  43-44
    3.3.2 工程学单项刚度系数  44-45
    3.3.3 机构的刚度仿真与对比分析  45-49
  3.4 本章小结  49-50
第4章考虑运动副间隙影响的并联机构动力学分析  50-62
  4.1 含间隙刚体机构的动力学分析方法  50-54
    4.1.1 旋转铰运动副间隙模型  50-51
    4.1.2 含间隙机构的接触碰撞运动模型  51-53
    4.1.3 含间隙机构的连续接触运动模型  53-54
  4.2 间隙处接触力和摩擦力模型  54-55
    4.2.1 间隙处接触理论  54-55
    4.2.2 间隙处摩擦力模型  55
  4.3 含运动副间隙的并联机构动态特性分析  55-61
    4.3.1 机构几何参数与质量特性  56-57
    4.3.2 间隙尺寸对机构动态特性的影响  57-60
    4.3.3 运动参数对机构动态特性的影响  60-61
  4.4 本章小结  61-62
第五章 6-UPS 交叉杆型并联机床刚柔耦合动力学仿真  62-76
  5.1 并联机床虚拟样机方案设计  62-68
    5.1.1 三维 CAD 建模  62-65
    5.1.2 传动件的有限元建模  65-68
  5.2 并联机床刚柔耦合模型的建立  68-71
    5.2.1 刚柔耦合建模总体方案设计  68-69
    5.2.2 刚柔耦合模型的建立  69-71
  5.3 运动学和动力学仿真  71-75
  5.4 本章小结  75-76
总结与展望  76-78
  论文工作总结  76-77
  研究展望  77-78
参考文献  78-82
攻读硕士学位期间取得的研究成果  82-83
致谢  83-84
详细摘要  84-88

并联机床加工船用螺旋桨复杂曲面的动态特性研究

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