并聯(lián)機床的靜剛度預(yù)估 ——碩士生開題報告

1、并聯(lián)機床的靜剛度預(yù)估——碩士生開題報告,研究生： 導(dǎo) 師：,從四個方面進行匯報,課題背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢課題研究內(nèi)容研究任務(wù)和論文進度安排,1.課題背景,并聯(lián)機床實質(zhì)是機床技術(shù)和機器人技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其原型是Stewart并聯(lián)機器人，后來又演化出許多新的構(gòu)型。因而它同時兼顧了機床和機器人的諸多特性，既可以看作是機器人化的機床，可以完成機床的切削任務(wù)；又可以看作是機床化的機器人，可以完成許多精密的機器人作業(yè)，是集

2、多種功能于一體的新型機電設(shè)備。,2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,剛體動力學(xué)分析靜剛度分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析,2.1 剛體動力學(xué)分析文獻綜述,動力學(xué)正解問題：已知伺服電機驅(qū)動力，求末端執(zhí)行器的運動特性 動力學(xué)逆解問題：給定末端執(zhí)行器的位姿、速度和加速度，反求伺服電機驅(qū)動力,2.1.1 牛頓－歐拉法,Sugimoto（1987） ：利用牛頓—歐拉法和旋量代數(shù)理論構(gòu)造了Stewart并聯(lián)機械手動力學(xué)逆解模型 Ji（1993）：研究了腿的慣性

3、在不同情況下對驅(qū)動力的影響Dasgupta和Mruthyunjaya（1998和1999年）：考察了離心力、科氏力、重力和粘性摩擦力等因素，利用牛頓－歐拉法進一步完善了Stewart并聯(lián)機械手的動力學(xué)模型，,2.1.1 牛頓－歐拉法,從上述的文獻研究表明：并聯(lián)機械手在操作空間的動力學(xué)描述比在關(guān)節(jié)空間中簡單 并聯(lián)機械手采用并聯(lián)傳動進給機構(gòu)，并反映在其動力學(xué)模型中，先求解各支鏈動力學(xué)，再分析末端執(zhí)行器動力學(xué)方程，因此可利用并行算法有效

4、地提高計算效率,2.1.2 拉格朗日法,Pang和Shahinpoor（1994）：構(gòu)造了Stewart型并聯(lián)機器人操作機的動力學(xué)逆解模型，并在給定末端執(zhí)行器運動軌跡的前提下，探討了結(jié)構(gòu)和慣性參數(shù)對伺服電機驅(qū)動力的影響 Lebret、Liu和Lewis（1992）：通過科氏力和離心力的合理描述導(dǎo)出了用于魯棒和自適應(yīng)控制算法收斂性判據(jù)的反螺旋矩陣,2.1.3 虛功原理法,Huang：分別將各運動構(gòu)件視為剛體，利用虛功原理和影響系數(shù)法建立

5、Stewart平臺動力學(xué)模型Tsai（2000年）：提出連桿雅可比矩陣的概念，并據(jù)此導(dǎo)出形式更加簡潔的Stewart平臺機械手的動力學(xué)方程,2.1.4 剛體動力學(xué)小結(jié),幾種方法的比較牛頓－歐拉法：盡管牛頓—歐拉法物理意義明確，但因需要首先求出鉸鏈內(nèi)力 拉格朗日法：可導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)形式的動力學(xué)模型，但由于涉及到大量的偏微分推導(dǎo)和運算，過程過于繁復(fù) 虛功原理：操作空間與關(guān)節(jié)空間速度和加速映射關(guān)系的解析形式可以比較容易的從雅可比矩陣和海賽矩

6、陣直接推導(dǎo)出，并由此可方便地導(dǎo)出各運動構(gòu)件的廣義速度和廣義力,2.1.4 剛體動力學(xué)小結(jié),建模過程已經(jīng)不存在任何技術(shù)問題，研究工作主要針對以下幾個方面（1）構(gòu)造形式簡潔的動力學(xué)模型（2）研究模型的完備性 （3）給定機械手末端執(zhí)行器運動軌跡，以減小伺服電機驅(qū)動力為目標(biāo)，優(yōu)化并聯(lián)機械手的結(jié)構(gòu)和慣性參數(shù),2.2 靜剛度分析文獻綜述,靜剛度：機床抵抗恒定載荷的能力，是機床重要性能指標(biāo)之一動剛度：機床抵抗變載荷的能力,2.2 靜剛度分析

7、文獻綜述,對Stewart平臺的靜剛度的研究和應(yīng)用在80年代已經(jīng)出現(xiàn)（1）Gaillet和Reboullet（1983年）：提出了一種類似于Stewart平臺結(jié)構(gòu)的力和力矩的傳感器系統(tǒng) （2）Kerr （1989年）：對這種傳感器的性能和有關(guān)設(shè)計做了進一步的闡述 （3）Ferraresl （1995）：通過實驗和數(shù)值仿真研究了該類傳感器的頻率特性,2.2 靜剛度分析文獻綜述,對于并聯(lián)操作手，其靜剛度特性是動平臺位姿的函數(shù)，相關(guān)的研

8、究比傳感器的應(yīng)用要復(fù)雜（1）Gosselin：針對多類平面并聯(lián)機構(gòu)型與Stewart平臺構(gòu)型，建立了僅考慮傳動支鏈彈性變形時操作力與末端變形的映射模型 （2）Khasawneh：借助奇異值理論研究了給定末端位姿后，沿任意方向的剛度及其極值間的比例關(guān)系（3）Clinton ：利用結(jié)構(gòu)矩陣方法，建立基于Stewart平臺構(gòu)型的六自由度并聯(lián)磨床的剛度模型,2.2 靜剛度分析文獻綜述,從近兩年來相關(guān)的IEEE會議錄中可以看到，對于并聯(lián)機器

9、人和并聯(lián)機床的靜剛度研究又有新的發(fā)展 （1）Svinin等（2001）：研究了并聯(lián)機器人中預(yù)加內(nèi)力對剛度的影響，并通過剛度矩陣進一步研究了機器人的穩(wěn)定性問題 （2）黃田等（2001）：針對一種三坐標(biāo)并聯(lián)機床提出了機架的彈性變形對機床靜剛度的影響,2.2 靜剛度分析文獻綜述,小結(jié)：（1）靜剛度的分析中，剛度矩陣的求算是一個關(guān)鍵 （2）對于Stewart平臺型的并聯(lián)機器人，機架彈性變形往往不考慮，對于進行切削作業(yè)的并聯(lián)機床，這是不合

10、適的,2.3 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的文獻綜述,彈性動力學(xué)的建模有關(guān)并聯(lián)機床彈性動力學(xué)建模的研究在國際上尚處于剛起步階段，相應(yīng)的理論還很不成熟，所構(gòu)造的模型過于復(fù)雜，不利于探討結(jié)構(gòu)的幾何和物理參數(shù)對機床動態(tài)特性的影響,2.4 問題的提出,一般的研究并沒有考慮由于機架彈性變形對剛度的影響在模型一般經(jīng)過大量得簡化，因此上述的研究中缺少實驗環(huán)節(jié) 現(xiàn)有的模型難以為實際的加工提供有效的控制策略或者為機床設(shè)計提供適當(dāng)?shù)膬?yōu)化措施,3 課題研究內(nèi)容及技術(shù)

11、路線,并聯(lián)機床的靜剛度模型的建立基于ANSYS的分析平臺并聯(lián)機床的靜剛度實驗,3.1 靜剛度數(shù)學(xué)模型的建立,基本假設(shè)： a 在線性系統(tǒng)假設(shè) b 在小變形的前提,,3.1.1 傳動子系統(tǒng)的靜剛度分析,虛功原理：,,,,,,,表1 數(shù)學(xué)推導(dǎo)結(jié)果和有限元結(jié)果的比較,3.1.2 機架子系統(tǒng),擬采用的方法：結(jié)構(gòu)力學(xué)中的結(jié)構(gòu)矩陣和有限元法的相關(guān)理論和方法，也就是將立柱和橫梁視為三維梁單元，再通過變形協(xié)調(diào)和相關(guān)的物理幾何約束求解子系統(tǒng)的剛

12、度矩陣,3.1.3 相關(guān)應(yīng)用,研究機床靜剛度在作業(yè)空間的分布規(guī)律，以靜剛度作為優(yōu)化目標(biāo)，提出加工軌跡和控制的優(yōu)化策略 研究機床結(jié)構(gòu)和幾何尺寸（例如鉸鏈點布置，腿的尺寸，立柱、橫梁的截面形狀尺寸等）對靜剛度的影響，這對于機床的設(shè)計有指導(dǎo)意義,3.2 基于ANSYS的分析平臺,ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊：靜態(tài)分析（Static Analysis）模態(tài)分析（Modal Analysis）諧分析（Harmonic Analysis）瞬態(tài)

13、動力分析（Transient Dynamic Analysis）譜分析（Spectrum Analysis）屈曲分析（Buckling Analysis） APDL語言,3.2.1 前處理子模塊,單元類型選擇 動平臺：選用三自由度的實體單元SOLID92立柱、橫梁和上下腿：選用三維六自由度的梁單元BEAM189 鉸鏈的模擬鉸鏈點的位置：定義關(guān)鍵點和硬點運動約束：耦合自由度參數(shù)化設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)：鉸鏈位置、動平臺位姿部件

14、的幾何參數(shù)：,,3.2.2 求解子模塊,施加載荷靜剛度分析：立柱底部的自由度載荷 受力點的點載荷模態(tài)分析：只需要施加自由度載荷 選擇求解器靜剛度分析：模態(tài)分析：,3.2.3 后處理子模塊,ANSYS中有兩個后處理器：通用后處理器POST1和時間歷程處理器POST26，利用它們可以訪問分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫，以圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種方式輸出結(jié)果,3.3 并聯(lián)機床的靜剛度實驗,,,4 研究任務(wù)和論文進度,研究任務(wù)建立基于A