hon并联动力头虚拟样机设计与有限元分析毕业论文

1、安徽工业大学毕业设计Exechon并联动力头虚拟样机设计与有限元分析学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化21绪论1.1.课题背景Exechon继承了现有并联机构（PKM存在的优缺点，如，并联机构在连接中的高刚 度，较高的精确度以及灵活性和好的动力性能。新Exechon概念是基于对不超过一个的 自由度（DOF低接头以及利用具有两个刚性自由度，线性的制动器的应用得来的。这 种设计形成了一个坚固的结构即将所施加的弯矩和扭矩传递到机器的各个方向。所述 Exechon设计实际上形成一个棱锥状移动三角架，从机器手腕通过三个2-DOS制动将力 传递到动平台，而制动器通过1 DOF勺接头无刚性损失的

2、与机器手腕连接。由于上关 节的角度的影响，这样一个自由度在下关节（与动平台连接的关节），两个自由度在制 动器中的设计，使得在两个制动器（对称腿中）上部胡克铰最多只有两个自由度，而相 对应的第三个腿上的制动器中的球铰只有三个自由度。其性能的优越性，使得Exechon机器人在运动模拟器、微动机构和微型机构、空间对接机构、并联机床、混联装备、医 学机器、超大型天文调整装备中得到广泛应用。1.1.1国外研究现状第一届Exechon国际会议于2008年7月23-25日在瑞典斯德哥尔摩举行。来自近十个国家近二十家公司的专家与主管参加了会议。与会的艾克斯康公司技术主ThomasAndersson做了 EXE

3、-1200设计的主题发言,正式发布了新型Exechon_1200的设计。新 设计EXE-1200三杆臂长为1200mm,具有相比EXE-700更大的加工轮廓,在大型工件一次性装卡加工上具有更广泛的应用X1200 毎UMExwhen阳2叫在程方向:1.1.1(a)1.1.1(b)1.1.1(c)txechon xiiug 在 丫巧冋Ml丄花Exechon1200加工轮廓IMTS2010美国国际制造技术展览会于 2010年9月13日至18日在美国芝加哥 McCormick展览馆举行。IMTS展会逢双年在芝加哥举行,是美国规模最大的制造技术与 装备展览会，也是国际上规模最大的四大制造技术与装备展览会

4、之一。此次展会上，韩国Hwacheon公司展出了最新开发的基于艾克斯康（EXECHON技术的新一代并联加工 机床。Exechon X300S这是目前EXECHO并联机床结构系列中最小型的一种. X300S型结构轻便,快速,精度高，可达到加速度3-5g,定位精度5卩m,复定位精度1 卩m。在2009年欧洲机床展览会（EM02009期间于意大利米兰举行的第二届 EXECHO国 际会议上,OptikosQ公司发布了 EXECHON联机床自动校正系统。在此之前,并联机床 系统校正是一个较为繁琐的过程，需要逐一测量结构的相关部件，计算参数,并调整最后 装配。使用自动校正系统，则只需与测量臂协同运行并联机

5、床，自动记录数据，由相关程 序脱机完成计算，最后将计算结果参数输入控制系统即完成校正过程，不仅大幅降低校 正过程的复杂性，也大幅提高校正过程的准确性。2010年EXECHO公司近期发布了 EXECHO并联机床结构最新设计。新设计将所有 五个运动轴的驱动电机全部外置，降低了结构重量，增强了结构刚性和运动灵活性，同时 与驱动电机内置相比，大幅降低了驱动电机发热的影响。1.1.2国内研究现状在第十届中国国际机床展览会（简称 CIMT, 2007年4月9日至15日在北京国际展 览中心举行）展出的新一代并联机床 LINKS-EXE700由哈尔滨量具刃具集团（以下简称 哈量集团）引进EXECHO公司并联机

6、床世界最新技术开发制造 （一号展馆001号展台）， 应用SIEMEN开放性通用数控系统与丰富的软件资源和 SANDVII高速数控刀具系统及高 速加工专家分析软件，共同为用户提供高速敏捷并联加工最佳完整解决方案 这是近 年来国际机床领域在并联机床方面具有重大意义的突破，此项新技术新产品新合作已引起国内外广大用户的极大兴趣与关注，也成为国际四大机床名展之一的 CIMT（2007）的 一大亮点。哈量集团新一代并联机床 LINKS-EXE700具有如下特点：一、主结构进一步 简化，活动关节点减少到6个（Tricept为7个，其他并联机床多达十几个），自由度 降为10个（Tricept为18个，其他并联

7、机床多达二、三十个）,在精度、刚度、灵活度 上性能提高并简化制造环节，加工范围覆盖空间（En velope ）得到充分扩展， LINKS-EXE700型为X方向2000毫米，Y方向1000毫米，Z方向500毫米，适应较多门 类零件加工和应用领域，而且可以实现快速进给（X、Y轴方向125米/分，加速度达到 3g, Z轴方向45米/分，加速度1g）,提高加工速率；二、定位方便。对复杂、大型加 工对象一次装夹，建立工件座标，方便、快捷，对同一个大型复杂工件，可实测各基准 位置，建立多个工件座标。由于实现高速度，用激光测头，可在几秒内掠过工件完成上 述工作；三、一次装夹实现五座标轴联动、五面加工（在特

8、殊情况下可六面加工），可 减少工装数量，消除重复装夹误差，减少辅助时间，提高工作效率；四、适于复合角度 加工。汽车、航空工业大型框架类工件复合角度面的加工部件越来越多，使得工装越来越复杂，制造成本越来越高，该机床工件一次装夹即可实现全部复合角部位的加工大大 降低成本；五、与SIEMENS公司合作，采用具有高度开放结构的通用数控系统 SINUMERIK 840D,利用西门子独特的内部坐标变换功能，实现了常规五坐标编程与实时在线仿真， 使得用户的操作与编程更为简便；六、与SANDVIK公司合作，匹配最佳刀具及工艺方案， 解决用户特殊切削加工难题。七、除切削加工外，匹配不同功能部件及装置，可实现多

9、功能加工，可用于航天、航空、汽车、工程机械，实现高速铆接、焊接、装配等；八、 可制成独立装备或集成于大型系统生产线中， 或多台联合使用。这是一项立足中国制造、 运用国际先进技术资源，面向全球市场的世界最新一代并联机床产品。相关各方联合召 开新闻发布会，也代表此项合作成为一种全新的为用户提供完整最佳解决方案的国际 化合作。在2010年4月12-16号于南京国际博览中心举行的中国数控机床展览会上,四川长征机床集团展出了首台基于引进瑞典艾克斯康并联机床技术的300S型并联机床。此次展出的并联机床以移动加工模块的形式安置于移动导轨上，展示出针对复杂多工位 零件加工和大型超长工件加工的一种新型加工理念。

10、1.2展望现阶段，专家们对于Exechon的研究已经趋于成熟，但仍有许多问题亟待解决，女口: 在对刚度分析的问题上，缺乏完备性（多数研究人员进行刚度分析时，所建立的刚度模 型并未考虑到铰链副间隙及预紧力对最终结果的影响，仅考虑了部分杆件、铰链副与驱 动关节等相关组件弹性的影响，这样所建立的模型未考虑铰链间隙和预紧力影响，会直接影响到对机构刚度的大小的预测。）；对刚度的设计过程中，刚度的性 能评价指标仍不够成熟，还须进一步研究。（目前并联机构静刚度性能评价指标不统一， 而且评价指标的物理含义以及适用范围也是大相径庭）；缺乏通用性（不同的研究人员所建立的刚度模型不可通用）。希望有学者们能在不久的将

11、来能解决这些问题。摘要2.1中文摘要本课题对并联机构Exechon机构进行运动学理论建模、分析；实体建模、分析。本 论文研究的主要内容有：运动学的理论建模、运动学逆解的求解、运Solidworks软件对Exechon机构进行实体建模、运动仿真、运用 ANASY软件进行的刚度分析、模态分 析。针对2-TPR&SP并联机构，本文通过对并联机构动平台的自由度数目及其性质分 析，确定了该机构具有三个自由度，分别是沿z轴的平移运动以及绕x、y的转动。我们用运动学逆解推导系统的运动学模型。本文根据已有Exechon实体模型文献对Exechon机构进行了实体设计。在实体建模 的基础上进行了运动仿真，给出了所

12、设计的Exechon样机的加工一定范围内的运动轨迹。应用ANASY对所设计的样机进行了刚度、模态分析，得出了样机的刚度最弱的地 方，与已有材料进行对比分析，基本符合假设。综合以上工作，得出一定的结论。 关键词：并联机构、运动学逆解、实体建模仿真、刚度分析、模态分析2.2 英文摘要(Abstract )In this paper, the parallel kinematics machine named Exechon has been deeply studied and analyzed.We tried to develop the mathematics model、entity mo

13、delof the kinematics machine based on the analysis of stiffness.Themain contentsof this articlecon tai n :the developme nt of kin ematics model、the inv erse kin ematics 、the en tity model of exechon machine 、 the motion simulation of the machine、 analyze thestiffness and modal of the model by ANASYS

14、.Aiming at 2-TPR&SPR,this paper try to analyzed the freedom number and property of the moving platform of the parallelmechanism,confirming the manipulator hasthree degrees of freedom which respectively tran slatio n along axis of z and rotates along axis of x and y .The article developed the en tity

15、 model of the parallelkin ematics mach ine of execho n accord ing to the exist ing paper.Then the model was applied to motion simulation, giving the trajectory in a certain range .Next ,we analyzed the stiffness and the modal of the model by ANASYS the getti ng the weak ness area of the model. Compa

16、redto the existing data,we got the conclusion that the model is in round figures close to the sta ndard.Key words： Parallel Kinematics machine,inverse Kinematics model, Entity model, Stiff ness an alysis,Modal an alysis运动学分析2.1运动学建模2.1.1引言机构运动学分析是研究Exechon诸多内容中的关键性问题。机构运动学分析法一般 分为运动学逆解和运动学正解两大方法。本文中

17、主要使用运动学逆解的方法研究机构， 所谓运动学逆解是指在时间驱动下用三条腿相对静平台伸长的长度的函数耦合后得出 相应的动平台的位置，从而确定机构的位姿。根据现在已有的研究方法，解决运动学逆 解问题常用的方法主要有数值法和解析法两种。(1) 解析法(An alysis Method)。它是利用消元法消掉机构的约束方程中的其它 未知数，使方程中仅含一个未知数的多项式。解析法的种类有偶矩阵法、矢量代数法、 矩阵法、几何法、螺旋代数法等。解析法是不需要设定初始值的，可以得到全部的解，可以定量表示输入输出误差，还可避免奇异的问题，所以说解析法不管在理论研究还是 实际应用中都有着重大的意义。(2) 数值法

18、(Numerical Method)。它指的是对一组非线性方程进行求解， 该非线 性方程是由矢量环方程对某些具体结构通过代数处理直接导出来的， 从而求得与输入位 移对应的动平台的位置和姿态。两种方法相比较解析法更为精确有效，但是该方法存在数学推导比较繁琐，对数值 的精确度比较敏感等缺点。而数值法在实际工程中可以得到复杂问题的近似解。该方法适用于各种不同类型的并联机构的求解，用数值法进行计算简单，但是它的计算速度确 实有些慢，数值法求解最后得到的结果和搜索路径与选取的初始值有关，因而不易获得所有解。两种方法各有优缺。2.1.2、建模本文研究的2-TPR&SP机构如图2.1.21所示,由定平台、动

19、平台和连接两平台的两 条结构相同的TPR支链和一条SPR支链组成。TPR支链一端用转动铰(R)与动平台连接, 另一端用胡克链(T)与固定平台连接;SPR支链一端用转动铰(R)与动平台连接,另一端 用球铰链(S)与固定平台连接,三支链中带有下划线的移动铰(P)表示其为主动副。该机构为三自由度位置机构，在动平台上配以二自由度转头即构成五自由度混联机构Exech on。二自由度转动头图2.1.21 Exechon 机构的模型为建立分析模型，建立如图2.1.22的机构简图Bxyz Auvw分别为静平台与动平台相 应的坐标系。 B1B2B3 ：4A2 A均为等腰直角三角形， AA2A3 B1B2B3均为

20、直角。A为AA3的中点，B为B1B3的中点。ai为从中点A指向A的单位矢量（i=1 2 3）bi是从中点B指向Bi的单位矢量。在动平台上以 A为坐标原点建立相对坐标系A_uvw， u为从A指向A2的轴，v轴沿AA,w垂直于A构成的平面。B-xyz是静平 台上以B为原点建立的固定坐标系，x轴沿B指向B2， y轴沿B1B3，z轴垂直于Bi构成 的平面。其中A为动平台与三条腿连接的铰链中心线的中点，B1 B3分别为两个虎克铰的中心，而B2为球铰的中心点。坐标系Auvw相对于坐标系B - xyz的姿态可以通过RPY旋转角（绕x轴旋转角,再绕y轴旋转v角,最后绕z轴旋转 角）构成的旋转矩阵描述）图 2.

21、1.22其中，sv - sin v， cv - cos ：， u, v,在Bxyz中的量度。此处是对相对坐标系位置进行计算，即坐标变换的一个过程。C%日-ss日屮 +ss屮Rot =S%日屮 +cc 屮S%6c寧-cs屮-S&血屮cc屮（1）=1u vw w,分别为坐标系Auvw中3个坐标轴的单位矢量Auvw在运动过程中相对于固定坐标系 Bxyz的（以下 Rot简化为R）2.2运动学位置逆解221位置仿真求解在运动学逆解中，动平台参考点 A的位置矢量可以由r = x, y, zT来确定。三条 腿q i =1 2 3也可以由位置逆解来解决。如图，2.2.1在Bxyz下构造如下的位置方 程。图 2

22、.2.1r = biqiWj - q i = 1, 2, 3( 2)由公式(2)可得qiW 二 r a其中w是支链i的单位矢量，ai bi分别为A, Bi的位置矢量，同时，在动坐标系Auvw 以及固定坐标系Bxyz中aibi又分别可以表示为a 艮為b Rbbi (由于坐标系Bxyz是固定的，所以bi二RA是固定值，仅与 B1B2B3的外接半径有关)又因为B1B2B3与A1A2A3均为等腰直角三角形，所以可得aa.aa.b, =b(0, -1, Ofa=b(1, 0, 0Tb3=b(O, 1, of印=a(0, -1, 0T a2=a(1, 0, 0T a3=a(0, 1, 0f 同时 bi b

23、cos , sin , 0丁aa cos i, sin , 0T其中 -180 90 i， i =1, 2, 3a b分别为=A1A2A3与B1B2B3的外接圆半径。设第i个转动副轴线的单位矢量为di di二Rdio ;其中dio为动平台上三个铰链的中心 轴线的单位矢量在动坐标系 Auvw中的量度， 如图可知d1 = d 1, 0, 0Td2 二 d0,1, 0T d3 二d-1, 0,0Tdj =d sin , cos1, 0T-18090 i i =1,2,3同时r _b =qwi _a已知轴线di (di = Rd io垂直于平面AABi ,所以di与(F-b正交。 即_- T - Tr

24、 -bi di = r -bi Rd：。=0 i =1, 2, 3也就是sinb AcosiV (r b )(4)将式i=1, 2, 3带入（3）得到如下uTr -buy = 0(5)uTr buy = 0(6)vTr - bvx =0(7)将（5）（ 6）两式相减，可得uy = 0，即sincos v - 0(8)将式（8）带入（5）（ 6）可写为xcoscos)-zsin-0(9)x bcos sin sinsincos 广 y sin sinsincoscos亠 z(cossin) = 0（10） 已知sin ：:cosv - 0 ,贝U可知cosv-0或者sin =0。当ccs- 0时

25、恒有z = 0成立，显然不符合机构的实际情况，因此符合式（8）的条件仅为sin=0即=0, n(11)这样，及二的求解方式有两种，式(9)( 10)分别可以写为(1) ： =0,xcos v - zsin v - 0(12)xb sinsin* ycos zcossin - 0(13)由式(12)得(14)(15)v - arctan(x z)=-arctany(x -b)sin r zcos-(2)当n,(16)(17)(18)-xcos v - zsin v - 0- x-b sin nsin -ycos zcosnsin=0由式(16)得v - - arctan(x z)- arctan

26、 (19)(x -b)sin r zcos)对于给定的参考点A的位置矢量r = x, y, zT，可以由式(14)式(15)以及式 (18)式(19)确定不同二下的旋转矩阵Rot，由此可以由下式求腿长：qr+b-aj = r+b_ RaiO(i = 1 2 3)( 20)2.3并联机构位置逆解仿真根据上节并联机构的逆解的求解，本节对上述理论的求解进行了数值仿真， 主要参数如表2-1表2-1并联机构逆解仿真主要参数a(mm)b(mm)r105290(100,200, 600)表2-2机构的姿态角及杆长呼(rad )日(rad )屮(rad )(q q2 q3)00.1651-0.3427(577

27、.3 729.26 750.2)n-0.16510.3427(645.45 815.24 870)图2.31=0时位置逆解图图2.32=180时位置逆解图2.4小结本章首先对2-TPR&SPF并联Exechon机构进行了运动学建模，采用矢量代数法对该 机构的位置逆解进行了深入分析， 并得到了部分数值，并通过计算对结果进行仿真，可 以说，本章是研究该机构的基础。实体建模3.1引言本章主要用来创建Exechon机的有限元模型，该模型将用于后续流程的结构分析, 本文创建的模型以X700为例，具体尺寸及结构将在本章进行详细叙述。本文建模的主要用SolidWorks （三维实体建模软件）软件是根据已有的

28、文献中给 出的Catia CAD莫型进行结构的用途分析，随后，在已有图形的基础上进行设计。模型 建立以满足设计要求为前提，以满足装配要求为方法，尽可能靠近已有实体。3.2实体创建图3.2为Exechon的SolidWorks CAD模型图，其主要组件结构的 CAD模型必须 适用于FEA（有限元分析）。Actuator 2Roller screwActuator 1 (Axl) *Inner gimbafcActuator 3Outer gimbal axle图3.2X700理想模型Motor housingMounting blockOuter gimbalWrist housingSpindle housingSpindle321 丝杠结构(Roller screw )丝杠的作用显而易见，在腿的运动时使制动器可以沿其运动， 所以此处尺寸对接下 来设计的诸多零件如，制动器内部的滑动关