并聯(lián)機(jī)床的靜剛度預(yù)估 ——碩士生開題報(bào)告

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

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

3、在不同情況下對(duì)驅(qū)動(dòng)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(jìn)一步完善了Stewart并聯(lián)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型，,2.1.1 牛頓－歐拉法,從上述的文獻(xiàn)研究表明：并聯(lián)機(jī)械手在操作空間的動(dòng)力學(xué)描述比在關(guān)節(jié)空間中簡(jiǎn)單 并聯(lián)機(jī)械手采用并聯(lián)傳動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，并反映在其動(dòng)力學(xué)模型中，先求解各支鏈動(dòng)力學(xué)，再分析末端執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)方程，因此可利用并行算法有效

4、地提高計(jì)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(jī)器人操作機(jī)的動(dòng)力學(xué)逆解模型，并在給定末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡的前提下，探討了結(jié)構(gòu)和慣性參數(shù)對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的影響 Lebret、Liu和Lewis（1992）：通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(tái)動(dòng)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(jiǎn)潔的Stewart平臺(tái)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程,2.1.4 剛體動(dòng)力學(xué)小結(jié),幾種方法的比較牛頓－歐拉法：盡管牛頓—?dú)W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(dòng)力學(xué)模型，但由于涉及到大量的偏微分推導(dǎo)和運(yùn)算，過(guò)程過(guò)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(yùn)動(dòng)構(gòu)件的廣義速度和廣義力,2.1.4 剛體動(dòng)力學(xué)小結(jié),建模過(guò)程已經(jīng)不存在任何技術(shù)問(wèn)題，研究工作主要針對(duì)以下幾個(gè)方面（1）構(gòu)造形式簡(jiǎn)潔的動(dòng)力學(xué)模型（2）研究模型的完備性 （3）給定機(jī)械手末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡，以減小伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)力為目標(biāo)，優(yōu)化并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和慣性參數(shù),2.2 靜剛度分析文獻(xiàn)綜述,靜剛度：機(jī)床抵抗恒定載荷的能力，是機(jī)床重要性能指標(biāo)之一動(dòng)剛度：機(jī)床抵抗變載荷的能力,2.2 靜剛度分析

7、文獻(xiàn)綜述,對(duì)Stewart平臺(tái)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(tái)結(jié)構(gòu)的力和力矩的傳感器系統(tǒng) （2）Kerr （1989年）：對(duì)這種傳感器的性能和有關(guān)設(shè)計(jì)做了進(jìn)一步的闡述 （3）Ferraresl （1995）：通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)綜述,對(duì)于并聯(lián)操作手，其靜剛度特性是動(dòng)平臺(tái)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(duì)多類平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)型與Stewart平臺(tái)構(gòu)型，建立了僅考慮傳動(dòng)支鏈彈性變形時(shí)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(tái)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(xiàn)綜述,從近兩年來(lái)相關(guān)的IEEE會(huì)議錄中可以看到，對(duì)于并聯(lián)機(jī)器

9、人和并聯(lián)機(jī)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(jī)器人中預(yù)加內(nèi)力對(duì)剛度的影響，并通過(guò)剛度矩陣進(jìn)一步研究了機(jī)器人的穩(wěn)定性問(wèn)題 （2）黃田等（2001）：針對(duì)一種三坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床提出了機(jī)架的彈性變形對(duì)機(jī)床靜剛度的影響,2.2 靜剛度分析文獻(xiàn)綜述,小結(jié)：（1）靜剛度的分析中，剛度矩陣的求算是一個(gè)關(guān)鍵 （2）對(duì)于Stewart平臺(tái)型的并聯(lián)機(jī)器人，機(jī)架彈性變形往往不考慮，對(duì)于進(jìn)行切削作業(yè)的并聯(lián)機(jī)床，這是不合

10、適的,2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的文獻(xiàn)綜述,彈性動(dòng)力學(xué)的建模有關(guān)并聯(lián)機(jī)床彈性動(dòng)力學(xué)建模的研究在國(guó)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(guò)于復(fù)雜，不利于探討結(jié)構(gòu)的幾何和物理參數(shù)對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的影響,2.4 問(wèn)題的提出,一般的研究并沒(méi)有考慮由于機(jī)架彈性變形對(duì)剛度的影響在模型一般經(jīng)過(guò)大量得簡(jiǎn)化，因此上述的研究中缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 現(xiàn)有的模型難以為實(shí)際的加工提供有效的控制策略或者為機(jī)床設(shè)計(jì)提供適當(dāng)?shù)膬?yōu)化措施,3 課題研究?jī)?nèi)容及技術(shù)

11、路線,并聯(lián)機(jī)床的靜剛度模型的建立基于ANSYS的分析平臺(tái)并聯(lián)機(jī)床的靜剛度實(shí)驗(yàn),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(dòng)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(jī)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?jiǎn)卧?，再通過(guò)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(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)和幾何尺寸（例如鉸鏈點(diǎn)布置，腿的尺寸，立柱、橫梁的截面形狀尺寸等）對(duì)靜剛度的影響，這對(duì)于機(jī)床的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義,3.2 基于ANSYS的分析平臺(tái),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(dòng)力分析（Transient Dynamic Analysis）譜分析（Spectrum Analysis）屈曲分析（Buckling Analysis） APDL語(yǔ)言,3.2.1 前處理子模塊,單元類型選擇 動(dòng)平臺(tái)：選用三自由度的實(shí)體單元SOLID92立柱、橫梁和上下腿：選用三維六自由度的梁?jiǎn)卧狟EAM189 鉸鏈的模擬鉸鏈點(diǎn)的位置：定義關(guān)鍵點(diǎn)和硬點(diǎn)運(yùn)動(dòng)約束：耦合自由度參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)：鉸鏈位置、動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)的點(diǎn)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(gè)后處理器：通用后處理器POST1和時(shí)間歷程處理器POST26，利用它們可以訪問(wèn)分析結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，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(jī)床的靜剛度實(shí)驗(yàn),,,4 研究任務(wù)和論文進(jìn)度,研究任務(wù)建立基于A