清华大学毕业设计虚拟轴机床.pdf

清华大学毕业设计论文 1 目 录 第一章 绪论 .拟轴机床的研究历史与现状 . 虚拟轴机床与传统机床的比较 . 虚拟轴机床的发展现状 .术发展的现状与趋势 . . 机械 . . 主要 .文研究内容 .二章 .言 .能概述 . 主要组件 . 用 模、仿真的步骤 .建模功能 . 的零件 . 给零件施加约束和运动 . 给 零件施加作用力 .分析功能 . 的测量 . 使用数据单元和系统单元 . 用 行仿真 . 模型参数化 . 对模型进行参数分析 .其他 . 输入和输出数据 . 关于 .结 .三章 虚拟轴机床的建模与分析 .言 .纸的简化和模型的建立 .虚拟轴机床的运动学、动力学分析 . 运动学正解问题 .华大学毕业设计论文 2 动学逆解问题 . 对力的分析 . 研究虎克铰的轴线不相交，对终端轨迹造成的影响 .结 .四章 利用 .言 .题背景 .面三自由度并联机构的建模和分析 .节 .五章 总结 . 谢 . 考 文 献 .华大学毕业设计论文 3 第一章 绪论 拟轴机床的研究历史与现状 拟轴机床与传统机床的比较 传统机床经过多年的发展，已经日趋完善，数控技术的引入使机床在自动化程度、加工精度 、加工范围等方面都有了很大的提高。但是，机床的基本结构在长时间内仍没有大的改观。由床身、立柱、主轴箱、工作台等几部分串联成的“ C”型结构，其作业空间大，控制相对简单，但是存在如下的固有缺陷： 机床结构布局的非对称性可能导致受力与热变形不均匀。 机床结构件不但承受拉、压载荷，而且还承受弯、扭载荷。因此，为了保证刚度，通常需要建造粗笨的结构支撑件和运动部件，致使机床重量大、价格高、搬运移动困难。这不但需要消耗较多的材料和能源，而且也制约了进给速度和加速度的大幅度提高。 这种机床的机械结构设计导致了空间运动需靠每 个方向运动的相互迭加来实现，易产生误差积累，降低终端精度。刀具或工件之间的相对运动误差通常为各运动坐标误差的线性累加，因此为了提高运动精度，通常需要采用各种精度补偿技术和辅助措施。 由于零部件多、结构复杂，机床的模块化标准化程度受到严重限制 , 并直接影响到整个系统的可靠性。 90 年代中期，机器人技术与机床结构技术的结合产生了一种具有新结构的机床 虚拟轴机床，又称并联机床，其机构原型是基于一种典型的 6 自由度并联机器人 台。它的研究与开发使机床行业面临新的机遇与挑战。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： 刚度重量比大：采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静定的情况下，传动构件理论上为仅受拉压的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。 响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效的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，因而特别适用于各种高速数控作业。 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，以及异型刀具的刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或 相机 等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。 清华大学毕业设计论文 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。 拟轴机床的发展现状 目前，国际学术界和工程界对研究和发展虚拟轴机床非常重视。 1994 年在芝加哥国际机床博览会上，美国 床公司、 司和 足虫”和“变异型”的数控机床和加工中心，引起了轰动。此后，英国 司，俄罗斯 司，挪威 司，日本丰田、日立、三菱等公司，瑞士 究所，瑞典 司，丹麦 司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形状的数控铣床、激光加工中心和水射流机床、坐标测量机和加工中心。与之相呼应，由美国 家实验室和国家标准局倡议，已于1996 年专门成立了 户协会，并在国际互联网上设立站点。今年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第 47 、 1998 会、 25 届机构学双年会、第 10 届 1994期间，在历次大型国际机床博览会上均有这类新型机床参展，并认为可望成为 21 世纪高速轻型数控加工的主力装备。 目前，我国已将虚拟轴机床的研究与开发列入“九五”科技攻关及“ 863”高课题发展规划，在相关技术基础理论研究方面亦得到国家自然科学基金的资助。从事这方面研究的高校和科研单位有清华大学、天津大学、中科院沈阳自动化所、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学和燕山大学等。尤其是清华 大学 虚拟轴机床原型样机 7 年底研制成功，为进一步开展研究工作创造了有利条件。可以预见， 今后虚拟轴机床必将日益成熟和走向更大范围的应用，从而在某些领域内成为传统机床的补充。当前有一个总趋势：利用计算机越来越快的计算能力，将硬件（包括机械部件）的复杂性向软件（含计算机系统和软件）转移，从而得到构造简单而智能和知识含量更高的机电产品。虚拟轴机床的发展正符合这个大趋势。总之，人们所预言的“ 21 世纪的新一代数控加工设备”正在迅速改变着目前的机床制造业的格局。 术发展的现状与趋势 术概论 一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与清华大学毕业设计论文 5 技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动，它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合运用的新技术。 及以下一些基础技术： 图形处理技术。如二维交互图形技术、三维几何造型技术及其它图形输入、输出技术。 工程分析技术。如有限元分析、优化设计以及面向各种专业的工程分析等。 数据管理与数据交换技术。如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。 除此之外， 术还包括软件设计技术（如窗口界面设计、软件 工程规范等），文档处理技术等。 从以上对 术的叙述可以看出， 及的技术范围很广，通常所说的计算机绘图并不是 全部内涵，而只是 术的基础之一。 械 撑软件 撑软件要解决几何图形设计、工程分析与计算等问题，主要包括： （ 1）图形资源软件 这是一些根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供应用程序调用的图形子程序包或函数库。由于是根据标准研制而成的，因此与计算机硬件无关。利用它们所编写的应用程序原则上可以在具有这些图形资源的任何计算机上运行，因此具有优良的可 移植性。用户在应用开发时不应忽视这部分图形资源的利用，尤其在从事某些深入的应用开发时更是如此。这些图形资源比较流行的有 s 。 （ 2）二、三维绘图软件 这类软件主要解决零部件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或装配图。它们分为交互式绘图和程序调用两种方式，目前主要采用交互式图形系统，在这些系统中也常常提供程 序调用的接口。交互式绘图系统在微机上有众多国产软件，在工作站上大多属于 统中的一个模块，如 件的 块等。 （ 3）几何造型软件 这类软件主要解决零部件的结构设计问题，存储它们的三维几何数据及相关信息。目前大多采用实体造型系统解决一般零部件的造型；采用曲面造型系统解决复杂曲面的造型；正在大力发展参数化特征造型系统，以满足 成的要求。常见几何造型软件有与 14 版配套的 维软件，的三维模块， 的 体造型、 面造型， 的实体造型模块等等。 （ 4）工程分析及计算软件 包括： 清华大学毕业设计论文 6 计算方法库。解决各种数学计算问题，如 优化方法库及常用零部件优化模型库。 通用或专用的有限元分析及其前后置处理程序，如 。 机构分析及机构综合软件。机构分析是要确定机构的位置、轨迹、速度、加速度等运动学规律及节点力、弹簧力等动力学性能，常用软件有 构综合是根据产品要求自动设 计出一种机构。 系统动态分析软件。广泛采用模态分析法，分析系统的噪声、振动等问题。 目前， 撑软件中，二、三维交互式绘图系统技术已经成熟，并被广泛应用。以实体建模为基础的 成系统将三维实体造型、三维装配、模拟仿真、机构运动分析、数控编程等模块集成在一起，提供功能强大的解决问题的能力，是当前 撑软件的主流。以特征建模、变量化设计为特点，具有内部统一数据模型的 成系统正在不断发展，特征建模、变量化设计等技术已能局部实现，但整体系统尚需完善。遵照 准，以统一产品数 据模型为核心，以产品数据管理（ 平台，以国际互联网为集成环境的高级 成系统尚不成熟，许多技术尚待解决，是未来追求的目标。 术的发展趋势 （ 1）特征造型技术 目前， 统大都以实体造型为核心。实体造型的突出优点是计算机内真正存储了物体的三维几何与拓扑信息，这使物体体积、面积、重心、惯性矩等的自动计算、隐藏线隐藏面的消除、有限元网格划分、碰撞干涉检验、 体造型的主要缺点是只存储了形体的几何形状信息，缺乏产品开发在 命周期所需的全部信息，诸如材料、工艺信息、尺寸精度、表面粗糙度、装配要求等信息，因此不能构成符合 准的产品模型，导致 成的先天困难。 特征造型是在 术的发展和应用达到一定水平、要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。它是以实体模型为基础用具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的信息模型，这些基本单元有槽、凹坑、凸台、孔、壳、壁等。以这些形状特征为载体，加上工艺、精度、材料、管理等信息进行造型，其特点如下： 建 立的零部件模型不仅包括了几何信息，还包括了 需的信息，形成了真正符合 准的产品信息模型，从而为 并行工程环境下的 成打下了良好的基础。 能以工程人员所熟悉的方式进行设计，比实体造型有更高的设计效率。 （ 2）变量设计技术 变量设计是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程驱动可以是几何关系，也可以是工程计算条件。清华大学毕业设计论文 7 约束结果的修改受到约束方程驱动。变量设计是参数化技术设计发展的必然趋势，几何图形或几何体均通过一定的尺寸约束来定义， 因此，改变某些尺寸参数即可生成新的图形或物体，而且 2D、 3一技术给 来巨大的活力和创造力。 （ 3）智能化 术 现有 术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在着另一类符号推理型工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策、以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智能技术，特别是专家系统技术，与传统的 术结合起来，形成智能化 统是机械展 的必然趋势。 术智能化过程中，要注意发展新的设计理论与方法，特别是并行设计理论以及概念设计的理论，它们都是当今 论研究的热点。只有在新的理论指导下才有可能建立新一代智能 统，才能解决目前还不能有效解决的诸如并行设计、方案设计、创新设计等问题。另外还需要继续深入研究机械设计型专家系统中的一些基本理论及技术问题，如知识表达、知识获取、推理机制等。 （ 4） 成 为适应设计与制造自动化的要求，特别是计算机集成制造系统（ 要求，进一步提高集成水平是 统发展的一个重要方向。成包括信息及物理设备两方面的集成。从信息集成的角度看，所谓集成是指在 模块间信息的提取、交换、共享和处理的集成，即信息流的整体集成。为此，必须在以下几方面提高水平。 在几何造型方面必须实现从传统的实体造型到参数化特征造型的转变，以便统建立完备的、统一的、符合某种标准的产品信息模型（包括几何、工艺、加工、管理等信息），使 节能从该模型中获取所需信息，并最终将 计模型转换成制造模型。 统必须有自 己统一的数据库及其管理系统。该数据库的结构要以产品信息模型为基础，使 统内的各模块都从这个统一数据库进行信息存取。 解决好不同 统间产品模型数据的转换问题。目前大多数商用系统用的是初始图形交换规范 该逐步向国际标准 拢。 集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件，如件，面向对象的各种应用软件等，使整个系统功能更为完善。 解决好网络通讯及管理问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作。 （ 5）产品数据交换的标准化 电子化的产品模型要求在不 同地域的设计部门间、在同一地域的设计、工艺、加工部门间、在制造厂与供应商之间、在不同 统间顺利进行产品数据的交换，为此必须制定数据交换的标准。当前流行的数据交换规范主要有 清华大学毕业设计论文 8 美国国家标准化研究所（ 布为美国标准，它只能传输工程图（几何图形、尺寸标注、说明等），不能描述定义产品的全部信息。 国际标准化组织 布，其目标是要统一产品数据的表达与交换。它的精髓在于描述整个产品的信息，而不仅仅是描述其几何形状，因此这种描述与表达支持了产品整个生命周期中各活动对信息的需求。今后的趋势将是 于主导地位。 要 件功能比较 功能 模功能 具备各种建模功能，功能强大 具备各种建模功能，功能强大 具备各种建模功能 功能一般，不适于复杂模型的建造。 功能强大的有限元分析软件 机构分析 内置块，通过件格式与合 内置块，能实现大部分机构分析功能 具备基本功能 最强大的机构分析软件，可分析力和运动 动力学分析 含有限元分析模块，支持弹性动力学和热力学分析 功能较少 包含有限元功能 可进行机构的动力学分析，计算力和加速度等变量 可作动力学和热力学分析 运动过程仿真 可模仿真实运动进行动态干涉检验，仿真中不能施加力。 可作干涉检查，仿真中不能施加力 可作机构运动仿真，与似 可作机构运动仿真，仿真中可以施加力，不能做干涉检验。 切削成型仿真 内嵌，可完成切削仿真 有 置处理模块，不能完成切削机理的分析 具备基本功能模块 无 与其它软件的接口 提供与其他软件的标准有 不祥 支持 及与其他软件有较好的接清华大学毕业设计论文 9 接口 口 二次开发 能提供多层次的二次开发环境，可用 C、 C+开发 能提供二次开发环境，可用 开发 能提供二次开发环境 提供二次开发接口，提供一些函数，可用 C、发 版本信息 ，虚拟制造实验室有工作站 微机版和工作站版2000i ，最高为 文研究内容 通过上述对常用 件的比较，可以看出 机构的运动学、动力学分析方面有着强大的功能，而虚拟轴机床机构运动的复杂性正可以利用供的这些功能进行分析，并可以方便、快捷地得到可视化的结果。 本文研究内容主要包括两部分，一是对 件的学习，分析 及各种功能如何去实现（第二章）；二是实际应用 虚拟轴机床进行建模和一些初步 的运动学、动力学分析（第三章）。另外还利用 一并联机构的奇异现象进行了分析讨论（第四章）。 清华大学毕业设计论文 10 第二章 能分析 言 美国 s (s)公司生产的软件，它为用户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析。和其它 件相比， 有十分强大的运动学和动力学分析功能 。 本章将对 主要功能进行详细的分析，包括使用 行建模、分析的基本过 程， 建模功能， 分析功能，以及 何与其它 件进行数据交换等内容。 能概述 主要组件 列软件包括 组件。虚拟制造实验室中的 本包含的组件如表 2示。 户可以用其建造机械系统的模型，并在计算机上模拟机械系统的各种运动。同时，用户还可以对模型进行运动学和动力学分析，定义多个设计参数，观察在不同条件下模 型的运行状况，得到最优解。 件 组件主要功能 供强大的建模仿真集成环境，并可对模型进行参数化分析，用测试数据验证模型。是 列软件的主要模块。 大的数学分析器，可以自动求解机械系统的运动方程。 以集成到其它图形用户界面（ ，如 用这些软件建模并 传到 仿真，再将仿真结果传回这些 。 加的 块，使用户能在模型中加入柔性件，从而得到更真实的仿真结果。 于创建、分析汽车模型的模块。 于创建、分析铁路模型的模块 DIs 的动画包，可以运行仿真的动画结果。 表 2 - 1 件及主要功能 清华大学毕业设计论文 11 造、分析、显示 型的结果，是不属于标准 列的独立产品。 加的 块，使用户能在模型中加入复杂的控制系统。 处理程序用于创建人体模型。 用 模、仿真的步骤 用 行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步骤，如图 2示。 各步骤简述如下： 一、 建造模型 建模包含三部分工作： 1、 创建零件 图 2模分析的基本步骤 清华大学毕业设计论文 12 有两种途径：通过 零件库来创建各种简单的运动单元（零件）；用 入复杂的 体 (会影响运行速度 )。 2、 给模型施加约束和运动 3、 给模型施加 各种作用力 二、 测试模型 定义测量量，对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确。 三、 校验模型 导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。 四、 模型的细化（ 经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元，如在运动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等，使模型与真实系统更加近似。 五、 模型的重新描述（ 为方便设计，可以加入各种参数对模型进行描述，当用户对模型进行了更改，这些参数自动发生变化，使相关改动自动执行。 六、 优 化模型 对模型进行参数分析，优化设计。 七、 定制用户自己的环境 用户可以定制菜单、对话框，或利用宏使许多重复工作可以自动进行。 建模功能 有较为强大的实体建模功能，能够对零件质量、质心、惯性矩等进行自动计算，并能加入材料、色泽等特征信息。对于外形不是很复杂的零件，用 模较为方便。 的零件 模型中的零件具有质量、惯量 (可以运动。在仿真中，所有力和约束都必须施加在零件上。 供了完整的零件库，用户可以通过零件库创建三种不同类型的零件，包括： 刚体 具有质量和各种惯量的零件，不能变形。 柔性零件 具有质量、惯量，且在力的作用下可以发生变形的零件。基本的 以创建离散的柔性连接件，如截面为方形、圆形或工字形的梁，更多柔性件的创建和使用需要用到 块。 质点 只具有质量的零件，质点没有外形，也没有惯量特征和角速度。 另外， 供了一个特殊的零件 地面（ 用户创建清华大学毕业设计论文 13 模型时， 自动为用户 创建它。“ 件没有质量及初始速度，不会增加系统的自由度，全局坐标系就建立在“ 。 当零件建好后， 以自动算出零件的质量（零件的体积乘以零件材料的密度）、质心位置及沿各个轴的惯性矩、惯性积。当然，用户也可以自己指定这些量。 零件施加约束和运动 约束定义了零件（刚体、柔性体、质点）是如何相互连接及零件之间如何相对运动的。 提供的约束模型库包括以下四种约束（含运动）： 理想关节（ 具有实际的相配物，如转动关 节（铰链）或平动关节（滑块）。 原始关节（ 对相对运动进行限制，如限制一个零件的运动必须与另一个零件相平行，可能没有实际的相配物。 接触（ 定义在仿真过程中，当零件相互接触时如何反应，包括凸轮副，接触力等。 运动生成器（ 定义各种相对运动，用以驱动模型。 加入约束可以减少系统的自由度数， 的每种约束都减少不同的自由度数。例如，一个旋转铰链去掉了三个平动自由度和两个转动自由度，使两个零件之间只有 沿共同轴线转动的自由度。这种只允许一种运动的约束叫做单自由度关节， 也提供了二自由度和三自由度的关节，如球铰限制了三个平动自由度，允许三个转动自由度，属于三自由度关节。当进行仿真时，分析器 够自动计算模型系统总的自由度数及是否存在冗余约束。 零件施加作用力 供多种力的模型，包括各种方向力和力矩，重力，弹簧阻尼器等等。定义力时，可以指定力是平动的还是转动的，受力物体，施力物体，力的作用点、大小和方向。对于不同类型的 力，指定力的大小也有不同的方法，如弹簧力，可以简单定义弹性系数和阻尼系数，也可以用 置的函数表达式定义力。内置函数包括：位移、速度、加速度函数，可使力和运动相关；力的函数，使力和其他力相关，如库仑摩擦力和正压力相关；数学函数，如呈正弦、余弦规律变化的力；插补曲线函数（ 力由曲线上的各点数据决定，如马达的力矩 撞函数（ 力的作用如同一个压簧阻尼器（ 当物体间歇接触 时，阻尼器或开或关。 清华大学毕业设计论文 14 分析功能 有强大的运动学动力学分析功能，本节将介绍 竟能够进行那些分析，及如何实现这些分析。 的测量 在用 拟仿真过程中或过程之后，可以定义一些测量量。模型中几乎所有的特性量都可以被测量，如弹簧提供的力，物体间的距离、夹角等。在定义了这些测量量后，当进行仿真时， 动显示出测量量的曲线图，使用户可以看到仿真和测量的结果。在 ，测量分为两类，一类是先定义好的，一类是用户可以 自己定义的。 定义的测量（ 预定义的测量包括： 对实体对象的测量（ 可以测量模型中关于零件、力、约束的各种特征量。 对点的测量（ 可以测量关于点的各种特征量，如该点在全局坐标系中的位置，或作用在点上的合力等。 点到点的测量（ 可以测量一个点相对另一个点的运动学特征量，如相对速度、相对加速度。 对姿势的测量（ 可以测量用已知描述方法描述的不同坐标系下的位姿，已知的描述方法包括绕固定坐标系连续转动的方法、数法、 数法等等。 对角度的测量（ 可以测量空间任意三点所组成的角度，也可以测量两个向量间的角度。 范围的测量（ 可以测量其它测量量的统计量，如其它测量量的最大值、最小值及平均值。 表 2222体列出各种预定义的测量所能测的特征量。 对象 可测量的特征量 零件 质心位置；质心速度；质心加速度；质心角速度；质心角加速度；动能；平动动能；转动动能；平动动量；对质心的转动动量；势能增量 质点 质心位置；质心速度；质心加速度；动能；平动动能；转动动能；势能增量 弹性体 质心位置；质心速度；质心加速度；质心角加速度；表 2 - 2 可测量的实体特征量 清华大学毕业设计论文 15 动能；平动动能；转动动能；平动动量；对质心的转动动量；势能增量；应变势能（ 力，力矩，弹簧阻尼器等 单元力（ ；单元扭矩（ ；平动位移；平动速度；平动加 速度；角速度；角加速度 约束 约束上的力；扭矩；平动位移；平动速度；平动加速度；角速度；角加速度； 曲线 凸轮副 压力角；单元力（ 接触点位置 运动 功耗（ 单元力（ ；单元扭矩（ ；平动位移；平动速度；平动加速度；角速度；角加速度 力向量，力矩向量，一般力 单元力（ ；单元扭矩（ 对象 可测量的特征量 刚体坐标系的原点 点上的合力；点上的合力矩；某一位置的合力；某一位置的合力矩；平动位移；平动速度；平动加速度；角速度；角加速度 柔性体上的坐标原点 点上的合力；点上的合力矩；某一位置的合力；某一位置的合力矩；平动位移；平动速度；平动加速度；角速度；角加速度；角应变；角应变速度；角应变加速度；平动应变；平动应变速度；平动应变加速度 对象 可测量的特征量 任意两坐标系间，任意两点间 平动位移；平动速度；平动加速度；角速度；角加速度； 对象 可测量的特征量 任意模型对象 ； y, 按任何顺序绕绝对坐标系或相对坐标系（如 ）的旋转角度，大写表示 X、 Y、 Z 绕绝对坐标系旋转，小写 x、 y、z 表示绕相对坐标系旋转； 数； 数；方向余弦 表 2 - 4 可测量的点到点的特征量表 2 - 5 可测量的姿势的特征量 表 2 - 3 可测量 的点的特征量清华大学毕业设计论文 16 用户自定义的测量 用户自定义的测量（ 括： 是用户定义的设计表达式，表达 式中可含有 的任意变量， 仿真中或仿真后对其进行求算。 是用户自己定义的函数表达式（ 表达式中可以使用用户在 自定义的任何子程序，同时可以使用高效的 述语言（ 。 仿真中进行求算。 分析器。 用数据单 元和系统单元 为便于分析计算，