三杆并联机床力学和运动学仿真分析与研究

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并联机床(PMT)是近几十年来新兴起的一种数控机床。由于并联机床具有一些传统式串联机床所没有的优点,比如刚度性能高、承载能力强、高加工精度以及结构制造成本低等优点,故它将成为新世纪数控加工机床的主力军。  本文首先对并联机床的发展历史、国内外研究现状、机构的优缺点及选题背景等几方面作了简单的介绍。然后以东北大学研制的三自由度并联机床为研究对象,对并联机床的机构组成、静力学特性、刚度特性、动力学特性及实体建模等方面进行了详细地研究,以下是本论文研究的主要具体内容:  对3-TPT并联机床机构位置及静力学进行了分析。首先利用该机构特点求出位置的反解方程,并推导出其正解方程;基于虚功原理并结合该机构的雅克比矩阵建立了静力学方程。之后在Matlab环境中对机构位置的正反解进行了仿真,得到杆长的变化是连续的且没有突变,以及并联机器人的承载能力强。  运动学分析,首先根据3-TPT并联机构的特点,计算出该并联机构的自由度;然后运用运动学理论,在MATLAB环境下对该机构的位置正逆解、速度和加速度进行求解仿真。  3-TPT并联机床动力学分析。首先利用拉格朗日法得到各杆移动副的轴向驱动力方程,然后就空间螺旋线和钢坯修磨轨迹两种典型轨迹规划的动力学问题进行了分析。结果表明运动平台按梯形式速度作业时会发生一定的振动;上下平台的半径差和平行机构的重量都对运动平台的速度及加速度有影响。  在误差特性分析上,根据误差独立作用原理,就杆长误差以及虎克铰位置误差对其运动平台位置误差的影响建立了误差模型,并用MATLAB软件对其进行了仿真分析。当运动平台处在不同位置时,对并联机床的位置误差进行蒙特卡洛模拟。  对3-TPT并联机床进行实体建模与仿真。首先概述了ADAMS仿真软件,然后在ADAMS/View环境中对其主要零部件进行了建模,进而构建该机构的动态模型,之后仿真了空间螺旋线运动轨迹。结果表明机构位置逆解的准确性及虚拟样机模型符合我们设计的配合关系。  通过对以上内容的研究分析,结果表明:3-TPT并联机床理论设计的可行性,并联机器人的承载能力强及刚度大等优点,上下平台的半径差和平行机构质量对研究动力学问题有影响。3-TPT并联机床不存在奇异位形,并且拥有良好的运动灵巧性和稳定性。在正常工作状态下,该机床的工作空间连续、均匀没有空洞。相较一般传统机床,该机床的累积误差较小,拥有良好的精度。这些为机床结构的进一步优化以及机床实时控制打下了基础。
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