（机械工程专业论文）基于虚拟样机技术的并联机床系统运动学仿真分析.pdf

摘要 并联机床也称之为并联机器人机床，它是并联机器人技术在机床制造领域 成功应用的范例。并联机床技术已经从理论研究走向实际应用，而少自由度并 联机床是近年来并联机床研究中的一个热点问题。国内外对少自由度的并联机 床的基础理论和应用研究，目前还很不充分。本论文对国内外并联机构及并联 机床的研究现状进行了系统的介绍，并比较详尽地分析和研究了目前较典型的 并联机床的优点、缺点。主要刚绕着对该并联机床的结构分析、位置分析、运 动学、静力学以及模态等几个方面进行了比较全面和系统的分析并实现了该并 联机床的运动仿真。 ( 1 ) 综述了少自由度并联机床在国内外的研究发展现状，以及关键技术的 研究发展。阐明了本课题研究的研究内容以及研究目的意义。 ( 2 ) 介绍了这种4 一r p s 并联机床机构的组成及其特点，计算出了该并联机 床机构的自由度为四，并且与输入数目相等，所以并联机床能够实现确定的指 定运动。其中计算得到的动平台的四个独立自由运动分别为绕着惯性坐标系的x 轴和y 轴方向上的转动，以及沿着x 轴和z 轴方向上的移动。对该并联机床的并联 机构同时判断其输入的合理性，主要运用了矩阵分析法计算得到4 一r p s 型并联 机床并联机构的位置正解和逆解。通过解析分析法分析该并联机构的工作空间。 ( 3 ) 对4 一r p s 型并联机床的进行建模和仿真分析。根据并联机床的零部件 组成特点，利用大型三维p r o e 设计软件对4 一r p s 型并联机床进行建模，并在 p r o e 中实现了一个完整的装配。通过对该并联机床模型的建立总结了在进行建 模过程中应注意的一些问题并在p r o e 中生成三维模型生成相应的文件格式， 通过c a d c a e 软件接口导入到大型仿真分析软件a d a m s 中进行运动学仿真分析。 ( 4 ) 是对4 一r p s 型并联机床的并联机构进行有限元分析。在有限元分析软 件a n s y s 中建立有限元模型，根据并联机床和有限元a n s y s 建模的特点对该并联 机构的三维模型进行了必要的改动，同时也采用了其强大的命令流建模方法， 该方法的最大优点就是便如随时修改。通过有限元分析软件a n s y s 对4 一r p s 型并 联机床的并联机构进行构件刚度、静力学以及模态分析，确定了其固有频率和 振型，并根据并联机床的振型特点，分析了4 一r p s 型并联机床的并联机构的振 动特点。 关键词：并联机床，并联机构，a d a m s ，仿真 a b s t r a c t p a r a l l e lm a c h i n et o o l ，a l s ok n o w na sp a r a l l e lr o b o tm a c h i n e ，i ti sa ne x a m p l eo f s u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fp a r a l l e lr o b o t i ct e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fm a c h i n et o o l m a n u f a c t u r i n g p a r a l l e lm a c h i n et o o lt e c h n o l o g yf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c ht op r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，a n dl e s sd o fp a r a l l e lm a c h i n et o o li sah o ti s s u ei nr e c e n ty e a r s ，p a r a l l e l m a c h i n er e s e a r c h a th o m ea n da b r o a do nt h eb a s i so ff e w e rd e g r e e so ff r e e d o m p a r a l l e lm a c h i n et o o lt h e o r ya n da p p l i e dr e s e a r c hi ss t i l lf a rf r o ms u f f i c i e n t t h i sp a p e r t h ei n t r o d u c t i o no ft h es y s t e mo fp a r a l l e lm e c h a n i s m sa th o m ea n da b r o a da n dt h e p a r a l l e lm a c h i n et o o lr e s e a r c h ，a n dam o r ed e t a i l e da n a l y s i sa n ds t u d yo ft h e a d v a n t a g e so fam o r et y p i c a lp a r a l l e lm a c h i n et o o l ，t h es h o r t c o m i n g s m a i n l y c e n t e r e do nt h ep a r a l l e lm a c h i n et o o ls t r u c t u r a la n a l y s i s ，l o c a t i o na n a l y s i s ，k i n e m a t i c s ， s t a t i c sa n dm o d a la s p e c t so ft h em o r ec o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i ca n a l y s i sa n d m o t i o ns i m u l a t i o no f t h ep a r a l l e lm a c h i n et 0 0 1 ( 1 ) l e s sd o fp a r a l l e lm a c h i n et o o lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u sa th o m e a n da b r o a d ，a sw e l la sk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i l l u s t r a t e st h e s i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c hp r o j e c tr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s e a r c hp u r p o s e s ( 2 ) d e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e4 r p sp a r a l l e lm a c h i n e t o o l ，a n dc a l c u l a t e dt h ed e g r e eo ff r e e d o mp a r a l l e lm a c h i n et o o lb o d i e sf o rf o u r , a n d e q u a lt ot h en u m b e ro fi n p u t s ，s ot h ep a r a l l e lm a c h i n et oa c h i e v ec e r t a i ns p e c i f i e d c a m p a i g n w h i c hc a l c u l a t e d f o u ri n d e p e n d e n ta n df r e em o v e m e n to ft h em o v i n g p l a t f o r mt om o v et h er o t a t i o na r o u n dt h ex a x i sa n dy - a x i sd i r e c t i o no ft h ei n e r t i a l c o o r d i n a t es y s t e m ，a sw e l la sa l o n gt h ex a x i sa n dz a x i sd i r e c t i o n t h e p a r a ll e l m e c h a n i s mo ft h ep a r a l l e lm a c h i n et o o la tt h es a m et i m et oj u d g et h e r a t i o n a l i t yo fi t s i n p u t ，t h eu s eo ft h em a t r i xm e t h o dt oc a l c u l a t et h e4 r p sp a r a l l e lm a c h i n ep a r a l l e l m e c h a n i s mp o s i t i o nf o r w a r ds o l u t i o na n di n v e r s es o l u t i o n a n a l y t i c a la n a l y s i so ft h e p a r a l l e lm e c h a n i s mw o r k s p a c e ( 3 ) t h e4 - r p sp a r a l l e lm a c h i n et o o lf o rm o d e l i n gs i m u l a t i o na n da n a l y s i s c h a r a c t e r i s t i c so f p a r a l l e lm a c h i n et o o lp a r t s ，t h eu s eo f l a r g e s c a l et h r e e d i m e n s i o n a l t h ep r o ed e s i g ns o f t w a r et om o d e lt h e4 r p sp a r a l l e lm a c h i n e ，a n di np r o e t o a c h i e v eac o m p l e t ea s s e m b l y s u m m a r i z e ss o m eo f t h ei s s u e st h a ts h o u l db en o t e dt h a t n d u r i n gt h em o d e l i n gp r o c e s sa n d t h ep a r a l l e lm a c h i n em o d e li nt h ep r o et og e n e r a t e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lt og e n e r a t et h ea p p r o p r i a t ef i l e f o r m a t ，i m p o r t e di n t ot h e c a d c a es o r w a r ei n t e r f a c ei nt h e l a r g e - s c a l e s i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s k i n e m a t i cs i m u l a t i o na n a l y s i s ( 4 ) t h e4 - r p sp a r a l l e lm e c h a n i s mo f t h ep a r a l l e lm a c h i n et o o la n s y sa n a l y s i s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y sf i n i t e e l e m e n tm o d e l ，b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e lm a c h i n et o o l sa n df i n i t ee l e m e n ta n s y sm o d e l i n g t h r e e 。d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s mm a d et h en e c e s s a r yc h a n g e s ，b u t a l s ou s e si t sp o w e r f u lc o m m a n d - f l o wm o d e l i n gm e t h o d ，t h eb i g g e s ta d v a n t a g eo ft h i s m e t h o di sj u s tl i k eam o d i f i e da ta n yt i m e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s 4 - r p sp a r a l l e lm a c h i n et o o lp a r a l l e lm e c h a n i s mf l e x u r a lr i g i d i t y , s t a t i ca n dm o d a l a n a l y s i st o d e t e r m i n et h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ，a n dt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r a l l e lm a c h i n et o o l ，t h ea n a l y s i so f4 - r p sp a r a l l e lm a c h i n e t o o lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s m k e y w o r d s ：p a r a l l e lm a c h i n et o o l ，p a r a l l e li n s t i t u t i o n s ，a d a m s ；s i m u l a t i o n i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 并联机床本质上是传统机床与机器人相互结合的一种先进机床。国际上从 2 0 世纪6 0 年代着手研究机器人技术，随着世界经济的快速发展，计算机技术迅 速进步，人们对机器人技术的研究取得重大成果，因此并联机床技术也取得飞 速发展，对于一个国家制造业而言，并联机床技术在制造业领域起着很关键的 作用，已然成为不可缺少的重要装备，是衡量一个国家科技技术水平和制造业 发展水平的重要标志。 然而，中国从2 0 世纪7 0 年代开始研究机器人，中国仅仅是停留对模型样机 的研制开发。直- n 1 9 8 5 年，在工业机器人，计算机技术应用的投资，伺服驱动 技术已经变得更加成熟。在这种情况下，国家在“七五 科技攻关项目，以支 持该项目的第一，使工业机器人的研究和开发的初始阶段，中国工业机器人的 第一个高潮的形成。 2 0 世纪9 0 年代以来，中国的并联机器人研究和应用并联机床技术迅速发展。 随后，清华大学在第四届的中国机床商品展览会首次展示自主研发的中国第一 台并联机床。因此才有更多的单位来研究和开发并联机床。 本节首先对并联机床的发展概况、应用前景以及存在的问题等情况进行了 简要综述，然后针对本课题用到的虚拟样机仿真技术作以介绍，最后阐述本课 题的研究目的、意思和内容。 1 2 并联机床的国内外发展与优缺点 并联机床的出现，是全世界制造业领域在技术发展道路上的一个重要的里 程碑，是对传统机床的一个全方位的挑战和延伸，它具备众多优点，具有十分 广泛的研究价值和市场前景，因此在国际学术界和机械工程领域行业十分重视 对并联机床的研究和开发，并联机床已然成为国内外的研究热点问题，特别是 从九十年代初以来，已经投入大量人力和物力在不断开发并推出了各式各样的 并联机床产品样机。 武汉理1 大学硕士学位论文 1 2 1 并联机床在国外发展的状况 在1 9 6 5 年，s t e w a r t 1 4 发表的文章as i xd e g r e eo ff r e e d o mp l a t f o r m ， 迅速在工程领域引起了强烈的轰动。文章中提出的是一种新型的空间并联机构， 它分别是由上下两个平台( 动静平台) 和6 个相同的并联伸缩杆组成，并且每个 伸缩杆都和上下两个平台之间是通过两个球铰链连接，称为s t e w a r t 平台，如图 1 1 所示。 图卜l s t e w a r t 平台并联机构 经过3 0 多年的不断完善和发展，s t e w a r t 平台已经演变出各式各样的并联机 床产品样机，并已在许多科研和工业领域得到广泛应用。在国际上并联机床技 术发展已经比较成熟了，并且已经取得了很多重大成果，被称为“2 1 世纪的机 床”v a r i a x 虚拟轴机床是在1 9 9 4 年由美国的g i d d i n g s 和l e w i s 公司在 i m t s 9 4 博览会上推出，瞬间引起世界各地广泛的关注，如图i - i 所示。同时这也 是最早展示出的具有一定影响力的并联机床。在后来1 9 9 7 年的德国e m 0 9 7 机床博 览会和1 9 9 9 年巴黎e m 0 9 9 机床博览会上，相继展示了很多著名的并联机床模型， 其巾如图卜2 展示的是德国的m i k r o m a t 公司生产的6 x 型高速立式加工中心。瑞士 联邦技术学院自主开发研制的h e x a g l i d e 并联机床如图卜3 所示，瑞典n e o s r o b o t i c s 公司生产出的t r i c e p t 6 0 0 型并联机床 2 8 等等如图卜4 所示。 图卜2v a r i x 虚拟轴机床 图卜3m i k r o m a t 公司并联机床 2 武汉理工大学硕_ 上学位论文 图卜4h e x a g l i d e 并联机床 图卜5t r i c e p t6 0 0 型并联机床 在2 1 世纪这个变化发展灵活多变的大环境下，新一代的新型的并联机床由 于它的很多优点，具有极其广泛的市场前景，在这种情况下由美国的h e x e l 公司、 麻省理工学院( m i t ) 、美国国家标准与技术研究院( n i s t ) 、橡树岭国家实验 室( o r n l ) 、s n l n m 和s n l c a ) 等六个著名的公司来从事并联机床的研发项目，并 已经取得的巨大的成果。 1 2 2 并联机床在国内发展的状况 由于我国国情的原因，对于国外技术的引进比较落后，同时在国内专家学 者对并联机床研究没有太多的投入，总体起步比较晚，但发展比较迅速。在1 9 9 1 年，就由燕山大学研究并制造出我国的第一台并联机床机器人样机如图卜6 所 示。随着科学技术的不断进步，五年之后，在1 9 9 6 年，清华大学 2 3 也推出了 国内第一台v a m t i y 的虚拟轴并联机床如图卜7 所示，它是继美国在1 9 9 4 年推出 的世界第一台v a r i a x 虚拟轴并联机床之后，我国取得重大成果。由此国内对并 联机床的研究更加重视，随后更多的单位和企业开始投资，在1 9 9 8 年东北大学 就顺利成功研制出五轴联动三杆的并联机床d s x 5 7 0 如图卜8 所示以及由河北工 业大学自主研制的并联机床如图l 1 2 所示。 并联机床出现是对全世界制造业领域产生了巨大影响甚至改变了传统机床 的加工制造业方式。因此我国非常重视并联机床技术的研究，已经将并联机床 研究纳入到九五科技攻关项目、8 6 3 高科技技术发展规划以及教育部2 11t 程重 点建设项目中，同时在政府部门的有力支持、国家自然科学基金的不断资助， 且吸引各大企业的机床精英骨千的参与来共同开发研制。 武汉理工大学硕上学位论文 图卜6 燕山大学的并联机器人图卜7 清华大学的并联机构 图卜8 东北大学研制的并联机床图卜9 河北工业大学的并联机床 1 2 3 并联机床的优缺点 2 l 世纪是并联机床高速发展的时代，并联机床相比传统机床是有比较大优 势，但其并不能取代传统机床的作用和地位，它是对传统机床的一个延伸和发 展。并联机床优点 1 1 具体体现： ( 1 ) 并联机床刚度高。其中刚度重量比定义是在单位重量下机构具有高的 承载能力。在静态情况下，在理论上系统构件是只受拉压的二力杆，并且是由 多杆共同承受，因此系统构件的压力和变形量都很非常小，从而结构比较稳定， 高刚性。 ( 2 ) 并联机床结构数目少能模块化设计。相比传统的串联机床，并联机床的 构件数目少，结构单一，制造成本低。同时很多零部件是通用组件，便如模块 化设计。 ( 3 ) 并联机床加工速度高反应灵敏。并联机床有较高动态响应品质，在加工 过程中，刀具能够快速达到很高的加工进给速度和加速度，实现了并联机床的 高速度加工过程。 ( 4 ) 并联机床加工精度高。相比传统串联机床在生产过程中误差大且精度低 4 武汉理工大学硕士学位论文 缺点，并联机床能很好弥补这一点，并联机床在加工过程它的每个驱动伸缩杆 长都能单独的对动平台末端的位姿起关键作用，并且造成的误差是耦合的，具 有的几何误差有相互抵消的效果，因此并联机床的加工精度高。 ( 5 ) 并联机床功能齐全和灵活。并联机床具有和强的适应性，它的动平台上 的就是一个万能刀具库，在不用种类和技术要求的加工对象下，在动平台上装 备各种刀具来完成进行多自由度和多坐标钻、磨、铣、抛光等加工。如果在装 配特殊刀具如高能束源等，还能完成更加精密装配和特种加工等作业。 鉴如上面介绍的并联机床的很多优点，它的产生是全世界制造业领域的一 次变革，国内外都很重视，但同时由于还有某些在技术上不够成熟，限制了并 联机床的发展，即日前阶段国内外对并联机床的研究过程中发现，并联机床也 存在很多不足之处，具体表现如下： ( 1 ) 并联机构的逆解问题比较简单，而正解却相当复杂。目前还没有很有 效的运动学求解方法来针对并联机构的正解，导致其正解问题求解比较复杂， 然而却有高效的求解方法针对并联机构的逆解，所以这一点是相对传统机床的 不同之处，也是难点之处。例如：在典型的s t e w a r t 平台求解过程中，当已知它 的六根伸缩杆的长度时，就能唯一确定其动平台的相对位置，从而计算出刀具 的运动轨迹，当我们在已知刀具的运动轨迹情况下要确定动平台的相对位姿时， 要求解各伸缩杆的长度就会出现方程多解的情况，这样让系统在控制运算方面 比较困难。 ( 1 ) 并联机床的共振问题。在理论研究计算下，并联机床的伸缩杆是只受 轴向压力和拉力，但在现实操作中，各种力的作用比较复杂受其影响，在仿真 分析中可以看到伸缩杆的应频带宽度比传统机床振动频带的相应宽度要大很 多，从而不可避免的在使用过程中会出现共振现象，共振的振动频率问题是亟 待解决的。 ( 2 ) 并联机构的关键构件没有实现标准化以及系列化。目前阶段国内外并 联机床技术发展不是很成熟，其标准化、系列化还需要解决。 ( 3 ) 受热补偿的问题。受热补偿是并联机床造成精度误差的主要来源，它 制约着并联机床的高效发展。 ( 4 ) 并联机床在特定环节上的仿真与分析是不够完善的，还没有形成统一 和集成化的设计环境。 5 武汉理工大学硕上学位论文 1 3 虚拟样机技术概述 随着国内外市场竞争的日趋激烈，人们对产品的需求都是向着多元化并行 方向不断发展，这就需要企业在研制开发生产产品的过程中，必须使得产品周 期越来越短，同时随着计算机科学技术的快速发展，用户在利用计算机技术对 产品进行初期设计、过程分析和研究开发成为一种可能，在这种大的环境背景 下，虚拟样机技术应运而生并得到迅速发展。 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，简称v p ) 是在2 0 世纪8 0 年代才开始 兴起的，它是一种完全基于计算机软件技术的崭新概念，目前虚拟样机技术应 用广泛存在于各个领域，但还处于稳步发展阶段。因此现在国内外都在对虚拟 样机技术进行深入研究，同时也取得了一些成果。虚拟样机技术是由计算机辅 助设计( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、系统机械设计、性能测试分析以及计 算技术的可视化等几大部分构成。从系统的角度上来看，虚拟样机技术可以贯 穿整个周期，分别采用分析不同类型所需的计算机软件工具将产品开发团队的 设计和研究人员联系起来，以完成新产品的初步设计、具体分析设计、产品的 可制造性完成分析。从设计的模式来看，它改变传统机床的制造模式即从传统 对零部件设计进行检测和实验到现在虚拟样机的整个系统实验模式的转换，因 此，在产品优化设计的早期阶段，就开展对整个系统的提前设计工作，这样很 大程度上提高了系统的可靠性。而且更新了产品开发过程、缩短开发剧期、降 低成本、提高了产品设计质量。它还具有良好的可控制性、可多次重复、安全、 经济、不受外界环境限制等优点。 目前，在国内外虚拟样机技术 7 及其应用软件能完成的任务如下： ( 1 ) 可以在不同的条件下，虚拟样机的应用软件能实现实体、载荷以及运动 约束的机械系统三维建模； ( 2 ) 可以直接在应用软件中对整体样机的静力学、运动学和动力学模拟仿真 分析，得到完整的虚拟样机的整体性能分析状况： ( 3 ) 可以对样机部分零部件进行的静力学、运动学和动力学模拟仿真分析， 得到它们在不同位姿下的运动和动力学性能分析报告，实现可视化效果； ( 4 ) 可以在虚拟样机仿真分析的前提下，再通过其他有限元分析技术对机械 系统整体和各个零部件进行补充分析，得到更优化的结果； ( 5 ) 可以同其他领域的仿真分析软件，进行共同调试、实验和仿真分析，获 6 武汉理工大学硕士学位论文 得更加准确的结果； 由于虚拟样机技术的广泛应用和可观的市场前景，在国际上虚拟样机技术 已经成功的匹配了商业软件，其中由美国的m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 研制开发的a d a m s 机械系统仿真软件最为著名。a d a m s 仿真软件作为一个虚拟样 机技术的应用软件，一方面一般用户就可以使用该软件很容易进行系统机构的 静力学、运动学和动力学仿真分析；此外，a d a m s 仿真软件同样也可以作为虚拟 样机技术分析的开发工具，它具有开放接口和开放性的程序结构，能作为其他 特殊类型虚拟样机技术分析的开发平台。使用a d a m s 仿真软件能非常容易建立 起虚拟样机，一般用户可以直接通过他的可视化的交互的图形界面以及它 自带的内容丰富的仿真单元库，来建立系统机构的模型， a d a m s 仿真软件同其他先进的c a d 软件如u g ，p r o e ，s o li d w o r k s 等以及 c a e 分析软件如a n s y s 分析软件，它们之间是可以通过特殊文件格式进行互 相导入并转换，同时能够保持和原来数据基本相同。通过运用a d a m s 仿真软 件对机械系统进行前期的建模分析，加上它同时是支持产品设计的并行工 程环境，因此能够为一件产品的研制开发节省大人力和物力，这也是虚拟 样机技术最显著的特点。再者还可以运用a d a m s 仿真软件建立起参数化模 型，在进行产品结构设计，研究分析以及实验和优化设计，整个过程都可 以建立系统参数，因此a d a m s 仿真软件也是个很好的二次开发工具。 在产品研制开发过程中，工程师们就可以通过a d a m s 软件 1 1 2 对系 统作虚拟样机的建模仿真分析就能达到很好的效果： ( 1 ) 缩短产品的整个开发周期。 ( 2 ) 降低企业工程制造成本和减少测试费用。 ( 3 ) 在产品研发制造之初，就能随时修改不足之处并完善设计方案。 ( 4 ) 在产品研发过程中，大大了减少物理样机数量。 ( 5 ) 整个开发周期过程中用虚拟样机进行模拟的仿真分析避免了在实 物样机测试中出现的危险性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图卜l o虚拟样机设计流程示意图 由图卜1 0 所示可知，对一个机械系统的产品进行虚拟样机设计，首先必须 通过尺寸关系构建虚拟样机的三维实体模型，其次通过虚拟样机应用软件具有 的功能对整机模型或零部件进行静力学、运动学以及动力学的分析，甚至要同 其他软件共同开发调试，进行必要的有限元分析，来获得我们所需要的相关性 能测试数据，与此同时，我们也要对机械系统的控制体系做设计分析，综合建 模和控制系统的设计，进行最后的仿真分析，得到产品的可行性和可制造性参 数，完成产品的研发过程。而此过程中，关键的技术就是虚拟样机模型的建立、 仿真分析以及数据处理，它们要贯彻到整个新产品研发的全过程中。 目前国内外非常重视虚拟样机技术的应用，它渗透到很多行业，关系到一 个国家的基础工业的进步和发展，具体集中在工程机械行业、汽车制造行业、 国际航空航天工业、造船业以及机械电子等相关领域中。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题的研究背景和意义 纵观国内外机械工程行业的发展变化，在这个科学技术飞速发展的年代， 每当一件新产品新设备的革新，都会带领制造生产行业的跨越式发展和进步， 同时也使得机械制造行业不断在生产加工能力和产品质量上大大提高，而且明 显降低了生产制造成本和生产周期。然而就传统机床而言，它生产设备的总体 结构是由一系列在床身上直接把立柱、主轴箱、工作台及其他部件串联形成非 对称的结构布局。经过这几十年的发展变化传统机床在结构布局上没有多大的 变化，其尽管如此，传统机床的生产加工作业范围大，灵活度也很高，有其独 特的优点，任然是机械制造业中不可缺少的加工设备，但也存在很多的缺陷： ( 1 ) 由于传统机床本身结构布局的特点，它的非对称性结构直接导致在生产 加工过程中的受力和热变形的不均匀； ( 2 ) 传统机床的零部件不仅承受拉力和压缩载荷，同时承受弯曲和扭转载 荷。因此，为了确保构件的刚度要求，往往是在结构上直接构建支撑架和运动 部件。这就不仅消耗更多的原料和能源，同时大幅降低了运动部件的进给速度； ( 3 ) 传统机床的误差比较大，主要体现在刀具与工件间的相对运动上，这产 生的误差往往为各个运动坐标的线性叠加； ( 4 ) 传统机床的结构布局复杂，体型笨重，各类零部件很多，使得整个机床 系统的可靠性大幅度降低。 传统机床结构和布局的缺陷直接制约着其快速发展，目前传统机床已经进 入到了发展的颈瓶，虽然在制造业领域还是不可或缺，但发展空间有很大的局 限性，为了满足瞬息万变的市场需求，首要任务是减轻机床的体重，改善机床 的生产加工环境的，因此必须有新的设备来完善弥补传统机床的不足之处。近 年来，经过全球机床制造行业的不断探索和研究新型结构装备，已经在机床结 构技术上取得突破性进展，在2 0 世纪9 0 年代诞生聚集了科技含量高、新型的、 机电一体化的产品设备一并联机床。 并联机床( p a r a l l e lm a c h i n et o o l s ) 原型是并联机器人操作机，它是集合 了空间机构学、数控制造技术、机械制造以及机器人技术等多门学科相结合的 技术含量高度密集的产物。 现在国内外的研究学者要亟待解决的问题是要合理评估并联机床的工作能 力，在现有的理论机基础上来分析并联机构的静力学、运动学以及动力学性能 9 武汉理工大学硕士学位论文 这些关键技术问题。然而并联机床的结构和布局是多样性的，整个运动参数的 差异性很大，同时并联机构的动态特性、工作空间的范围和形状是比较复杂的， 因此基于虚拟样机技术的并联机床的整体建模仿真分析就不可或缺，虚拟 样机技术是贯穿在整个并联机床研究开发设计的全过程中的，它囊括了并联机 床的三维实体建模、运动仿真分析及其运动系统控制等关键技术。目前，国内 外的虚拟样机技术发展应用已经相对的成熟，但涉及到并联机床上的研究却很 少，虚拟样机技术能够为并联机床的研制开发提供全面的虚拟仿真设计环境、 虚拟设计、运动学仿真和生产加工仿真的虚拟原型样机模型。 虚拟样机技术能实现虚拟产品的快速研究设计和开发，为并联机床的设计 提供虚拟原型仿真的环境，同时也为研究者提供了高效的设计方法和机床工作 性能分析以及其具有可视性的仿真演示平台。并联机床的研究的市场前景和价 值不可估量，这是一项有很强综合性意思和实际价值的研究项目。 在实际的应用过程中三个自由度和六个自由度的并联机构往往是不能满足 要求的。例如，一个五轴联动的并联数控机床，需要五个自由度的运动方能实 现空间自由曲面的高精度加工。 本课题以4 一r p s 型并联机床为研究对象，该并联机构具有四个自由度，即 具有两个转动自由度和两个移动自由度，并且此并联机构的结构简单，易于制 造和控制，如果使工作台再多实现一个移动自由度，此并联机床就成为了五轴 联动机床，所以本课题研究的四自由度的并联机床的并联机构具有极其广泛的 市场价值和运用前景。 本文通过大型c a d c a m c a e 软件p r o e 软件建立了三维实体模型，并利用 虚拟样机a d a m s 仿真软件进行了运动学仿真分析，同时运用大型有限元a n s y s 分 析软件对整个并联机构进行模态分析，确定其固有频率和振型。 1 5 本文的主要研究内容 本课题主要研究的是基于虚拟样机技术的并联机床系统运动学仿真分析， 是以4 一r p s 型并联机床为研究对象。该并联机构还具有机构相对简单，结构对 称等特点。 全文具体内容如下： 第l 章为绪论部分。综述了并联机床在国内外的发展状况以及优缺点的问 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 题，简单介绍了虚拟样机技术概况及其应用软件a d a m s 仿真分析软件，同时阐述 了本课题的研究背景和意义。 第2 章为4 一r p s 型并联机床机构分析。构建了新型的4 一r p s 型并联机床的并 联机构模型，绘制了此机构位置简图，计算了该并联机构的自由度，同时判断 了其的输入的合理性，运用了矩阵分析法计算得到4 一r p s 型并联机床并联机构 的位置正解和逆解。 第3 章为h t p s 型并联机床的建模仿真和分析。根据并联机床的零部件组成 特点，利用大型三维p r o e 设计软件对4 _ i t p s 型并联机床进行建模，总结了并联 机床进行建模过程中应注意的一些问题并对p r o e 中生成三维模型生成相应的 文件格式，通过软件接口导入到仿真分析软件a d a m s 中进行运动学仿真分析。 第4 章为4 一r p s 型并联机床的a n s y s 分析。首先建立有限元模型，根据并联 机床和a n s y s 有限元建模的特点对该并联机构的三维模型进行了必要的改动，在 a n s y s 中建立了并联机构的有限元模型。用a n s y s 对4 一r p s 型并联机床的并联机 构进行构件刚度、静力学以及模态分析，确定了其固有频率和振型，并根据并 联机床的振型特点，分析了并联机床的并联机构的振动特点。 第5 章为本文总结和展望。总结全文的工作，并就该并联机床的进一步研究 工作进行了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章4 - r p s 型并联机床机构分析 2 1 引言 近二三十年来，国内外对并联机床的研究越来越重视，鉴于该机床的很多 优点，并联机床具有复杂变化的结构特点，众多的研究者们纷纷开发研究设计 出各种样式的并联机构，现在已经很多著名的典型的并联机构得到广泛的应用， 具体集中在工程机械行业、汽车制造行业、国际航空航天工业、造船业以及机 械电子等相关领域中。 本文主要研究的对象是4 一r p s 型并联机床，通过对该并联机构进行结构设 计和分析。构建4 一r p s 型并联机床的运动学模型，进行对4 - r p s 并联机床中并联 机构的结构特征和动平台位姿性能描述。 本文的分析内容主要是针对并联机床的并联机构的运动学分析，因为在整 个并联机床的各项性能研究的过程中，运动学分析是整个设计研发过程的基础， 也是该机构的最重要的研究内容，而首先是运动学分析中包括的主要内容，位 置分析也是整个并联机构分析设计的基础，位置分析即并联机构的位置正解问 题和位置逆解问题，做好前期的位置分析是后面针对并联机构中主要运动部件 ( 如伸缩杆、动平台等) 的位移分析、速度和加速度分析及其精度分析等过程 的前提条件，是并联机构研究中必不可少的组成部分。但在并联机构和串联机 构中对位置分析的研究比较而言，它们在正解和逆解问题上分析的难易程度是 不一样，并联机构的逆解问题容易而正解比较困难，串联机构的情况正好相反。 2 2 坐标变换相关的基本概念 2 2 1 平移变换 平移变换 9 如下图2 一l 所示，设原坐标系为【o ；x ，y 】与新坐标系【0 ；x 。，y i 】为 两平面的直角坐标系。新坐标系【o t ；x ，y 。】由原坐标系【o ；x ，y 】平移后得到的，新 坐标系的原点o i 相对于原坐标系【0 ；x ，y 】的坐标为：( j c 0 ，y o ) 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一l 平移变换 设该平面上任意一点m 的原坐标值为( x ，y ) ， 坐标之间的关系可表示为： ix = 五+ x o 气 【y = m + x 新坐标值为：( 而，咒) ，则它们 ( 2 一1 ) 为了便如观察和书写方便，可以将式( 2 2 ) 写成矩阵方程的形式： ( ； = ( 三： ( i ) + ( 芰) c 2 - 2 ， 则式( 2 - 2 ) 描述的是同一点在坐标系变换平移后，在新旧坐标下坐标值的 转换关系。 2 2 2 旋转变换 旋转变换 9 如下图2 - 2 所示。【0 ；x ，y 】与 o ；x ，y l 】为两平面的直角坐标系， 它们共一个坐标原点0 ，新坐标系【0 。；x 。，y 。】由原坐标系【0 ；x ，y 】绕坐标原点0 向逆 时针方向旋转0 角度后得到。由图2 - 2 可知，坐标轴x 与x 夹角为0 。取向量e 一， e ：为原坐标系x 轴和y 轴方向上的单位向量，而向量e 。，c t 2 为新坐标系x l 轴和 y 。轴方向上的单位向量。 ，( 1 图2 2 旋转变换 设此平面上任意一点m 的原坐标值为( x ，力，新坐标值为( 五，乃) ，则两坐标 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 之问的转化关系式为： 盼( e w l ，e i l 凇龇匀 协3 ， 其中，( c ：，e j ) ( f = l ，2 ；j = 1 ，2 ) 表示两坐标系下单位向量的内积，其值为： e l le 1 ) = c o s ， e i l ，e 2 ) 、= s i n 臼( 2 - 4 ) e 1 2 , e 1 ) = 一s i n o c t 2e 2 ) = c o s 0 将式( 2 4 ) 其代入到式( 2 - 3 ) 得： ( i ) = ( 一c s o ；s n 0 臼s i n s o 臼， r 。y x ) c2 5 ， 同理，根据( 而，m ) 到( x ，j ，) 的逆变换公式可知，可以认为是新坐标系【0 ；x ，y 】 由原坐标系【o i ；x 。，y ，】绕坐标原点0 向顺时针旋转。角度后得到，由此看来新坐标 系与原坐标系只是相对而言，没有绝对的新坐标系和原坐标系之分。显然，只 要将式( 2 5 ) 中的0 换成一p ，就可得到两者之间的变换关系式： ( 鞘篇嚣) 亿6 ， 式( 2 6 ) 描述了坐标系绕原点作旋转运动后，同一点在新旧坐标系下的坐 标变换关系式。 2 2 3 一般变换 一般变换 9 如下图2 - 3 所示，【0 ；x ，y 】与 0 1 ；x ，y 。】分别为平面的两直角坐标 系，【0 1 ；x ：，y ：】为辅助坐标系。在原坐标系 o ；x ，y 】中，取绕着坐标轴x 和y 方向 的单位向量为e l , e ：在新坐标系【o i ；x i ，y l 】中，取e t l , c f 2 为分别为x l 、y 。方向的单 位向量；取0 1 在辅助坐标系【0 ；x ，y 】中坐标值为( ，) 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 t a x j 图2 3一般变换 由图2 - 3 知：坐标轴x 与x 。夹角为0 。新坐标系【0 ；x ，y 】到原坐标系【0 。；x 。，y 。】 的变换可以通过平移与旋转两步来实现：( 1 ) 将老坐标系【0 ；x ，y 】平移到辅助坐 标系【0 。；x ：，y ：】；( 2 ) 再将辅助系【0 。；x ：，y ：】绕0 。向逆时针旋转e 角度即可得到新 坐标系【0 l ；x l ，y i 】。 取平而上任意一点m 在原坐标系、辅助坐标系、新坐标系下的坐标值为分 别为：o ，y ) 、( 屯，y 2 ) 、“，m ) ， 辅助坐标系【0 ；x ：，y ：】是由原坐标系【o ；x ，y 】平 移得到的，则根据式( 2 2 ) 得： = + 亿7 ， 辅助坐标系【0 ；x ：，y ：】与新坐标系 0 。；x 。，y ，】的关系为旋转变换得到的，则根 据式( 2 - 6 ) 得： 盼瞄等心 协8 ， 将( 2 - 8 ) 代入( 2 7 ) 化简得到： 姒：；= 心+ 协9 ， 式( 2 9 ) 描述了坐标系通过一般变换后，同一点在新旧