1、国际图书分类号：621.3工学硕士学位论文6PUS-UPS 并联机床动力学性能分析与研究Classified Index: TP212U.D.C.: 621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringANALYSIS AND INVESTIGATION ON DYNAMIC CHARACTERISTICS OF A 6PUS-UPS PARALLEL MACHINE TOOLCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Speciality:University:Li CongProf
2、. Zhao YongshengMaster of EngineeringMechatronic EngineeringYanshan University燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6PUS-UPS 并联机床动力学性能分析与研究 ，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字： 日期： 年 月 日燕山大学硕士学位论文使用授权书6PUS-UPS 并
3、联机床动力学性能分析与研究 系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要I摘 要并联机床是现代并联机器人技术与机床结构技术结合的高科技产品，具
4、有高精度、高速度、高加速度、高刚性、高柔性、重量轻等优异性能。并联机床是当代科学技术研究发展最活跃的领域之一，具有良好的应用前景和较高的科研价值。本文针对 6PUS-UPS 并联机床 进行了相关研究，主要做出的贡献如下： 简单叙述了并联机床在国内外的发展状况，并且详细阐述了并联机床的理论研究现状及目前的应用，提出了论文选题的意义。描述了 6PUS-UPS 并联机床的结构及其特点，推导了广义坐标系下各运动参数和笛卡尔坐标系下各运动参数之间的变换关系，为并联机床的动力学建模奠定了基础。采用拉格朗日法建立了 6PUS-UPS 并联机床的动力学方程，利用MATLAB 软件通过典型的运动实例求解机床在不
5、同情况下所需的驱动力和驱动力矩，对机床进行动力学分析，总结了并联机床的动力学性能。应用动力学仿真分析软件 ADAMS，建立了 6PUS-UPS 并联机床的虚拟样机模型，并依据真实情况添加了摩擦力和电机驱动，在 ADAMS 里完成了动力学仿真，将仿真结果与理论结果进行对比，验证了动力学模型的正确性。建立并联机床的有限元模型并进行模态分析，求得其固有频率和固有振型，进而分析出并联机床在结构上的薄弱之处，总结了并联机床的动态响应特性。关键词 并联机床；广义坐标；拉格朗日；动力学仿真；虚拟样机；模态分析燕山大学工学硕士学位论文IIAbstractParallel Machine Tool (PMT)
6、is the high-tech product combined with robot technology and machine tools. PMT possesses the distinguished advantages of high precision, high acceleration, high velocity, high stiffness, high flexibility and low weight. PMT is one of the most active fields in contemporary science technology. It has
7、bright future and high scientific research value. This paper studies the correlated problems of the 6PUS-UPS PMT mainly. The main contents are shown as follows:In the beginning of this paper, the development of PMT domestic and abroad is introduced. The status of theory study about PMT and its appli
8、cation is mentioned in detail. With that, the significance of the topic is presented at last.The paper introduces the composition and characteristics of 6PUS-UPS parallel manipulator. The transform relationship between motion parameters in generalized coordinate system and motion parameters in Carte
9、sian coordinate system is got, which paves the way for the dynamic modeling of the PMT. The dynamic equation of 6PUS-UPS PMT is set up by Lagrange method. With the MATLAB software, the driving forces and driving torques required under different conditions through some typical motions are solved and
10、the inverse dynamics of the PMT is analyzed.With the ADAMS software, the virtual prototype model of 6PUS-UPS PMT is created. The friction model is established and the dynamic simulation is carried out. Then compared the simulation results and theoretical results and ensured the validity of dynamics
11、analysis. The finite element modal of the 6PUS-UPS PMT is established and the modal analysis is carried out. Then the nature frequency and vibration modes of the PMT are got. According to the results obtained from modal analysis, the AbstractIIIweakest taches of the PMT structure is found and the dy
12、namic characteristics of the of the 6PUS-UPS PMT is got.Keywords Parallel Machine Tool; Generalized coordinate; Lagrange method; Dynamic simulation; Virtual prototype; Modal analysis燕山大学工学硕士学位论文IV目 录V目 录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 概述 11.2 并联机床研究发展现状 21.2.1 并联机床在国际上的发展现状 21.2.2 并联机床在国内的发展现状 41.3 动力
13、学理论研究现状综述 61.4 课题研究意义和研究内容 81.4.1 课题的研究意义 81.4.2 课题的主要研究内容 9第 2 章 并联机床运动和静力学基础 102.1 6PUS-UPS 并联机床简述 102.2 笛卡儿坐标与广义坐标 112.2.1 笛卡尔坐标系下速度与广义速度的关系 112.2.2 笛卡尔坐标系下加速度与广义加速度的关系 142.3 本章小结 15第 3 章 并联机床动力学建模 163.1 概述 163.2 动力学建模 163.2.1 Lagrange 法建模 163.2.2 动平台的动力学计算 173.2.3 驱动分支的动力学计算 213.2.4 中间约束分支的动力学计算
14、 303.2.5 驱动力的计算 373.2.6 6PUS-UPS 并联机床的动力学方程 413.3 6PUS-UPS 并联机床动力学计算实例 413.3.1 平动算例 413.3.2 姿态变化算例 423.4 本章小结 44第 4 章 并联机床虚拟样机建模与动力学仿真 454.1 概述 454.2 6PUS-UPS 并联机床虚拟样机建模 46燕山大学工学硕士学位论文VI4.2.1 创建实体模型 464.2.2 创建约束和驱动 464.2.3 定义摩擦力 484.3 6PUS-UPS 并联机床虚拟样机动力学仿真 494.3.1 机床的平动分析 504.3.2 机床的姿态变化分析 514.4 本章小结 55第 5 章 并联机床的模态分析 565.1 动态特性研究的意义 565.2 模态分析的相关理论 575.2.1 模态分析的定义 575.2.2 模态分析基本分析原理 575.2.3 ANSYS WORKBENCH 软件模态分析功能简介 585.3 6PUS-UPS 并联机床模态分析步骤 585.3.1 有限元模型的建立 595.3.2 模态求解 615.4 模态计算结果分析 625.4.1 6PUS-UPS 并联机床模态结果分析 625.4.2 结论及建议 645.5 本章小结 64结 论 65参考文献 66攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 71致 谢 72作者简介 73
