五轴摩擦焊机床并联头结构设计及分析

摘要

搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法,在铝、铜等有色金属合金结构件制造中得到了广泛的应用。搅拌摩擦焊过程中机床承受的载荷较大,采用并联形式的结构是一种提高机床承载能力和刚度的有效手段。
　　本文所研究摩擦焊机床采用并联+串联的混联结构,即采用3-PRS并联机构构成并联主轴头用于实现主轴的Z轴移动和A、C轴转动,附加X、Y两轴移动的工作台。该混联结构具有作业空间大、结构简单的特点,可以方便的实现五坐标轴运动。本文针对并联主轴头开展了研究,包括3-PRS并联机构的运动学分析、并联主轴头的结构方案设计和主要零件的有限元分析。
　　首先进行了3-PRS并联机构的运动学分析。阐述了并联机构运动学理论基础,对3-PRS并联机构进行了自由度分析;研究了该机构所受的物理约束,在此基础上推导了机构的逆解计算公式;同时还对该机构进行了受力分析,建立了机构各驱动轴以及支撑杆的受力与动平台所受外力之间的关系式。
　　在运动学分析基础上,进行了并联主轴头的结构方案设计。根据机构的受力特点和活动范围要求对并联运动头球面副的构成形式进行了选择;分析了并联运动头基本结构参数对机构受力的影响,并确定了机构的主要结构参数;结合机构的受力分析,对并联运动头的丝杠、导轨、轴承等主要机械元器件进行了选型计算。
　　最后对并联主轴头主要机械元件进行了有限元分析。对并联头机械机构进行了三维建模;进行了结构整体静强度分析,研究了工作过程中主轴受力对机构精度的影响;对动平台、十字轴支架、十字轴、支撑杆以及外框架等主要零件进行了强度分析;进行了机构模态分析,确定了机构主要模态的频率和振型;对受力集中的零件进行了疲劳寿命预测;考虑了环境温度变化对并联运动头加工精度的影响,对其进行了热-结构耦合分析。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 国内搅拌摩擦焊技术发展状况

1.3 国内外并联机构研究和应用状况

1.4 论文主要研究内容

第2章 并联机构运动学分析

2.1 并联机构学理论基础

2.2 并联机构基本描述

2.3 并联运动头位姿描述

2.4 并联机构位置逆解计算

2.5 机构受力分析

2.6 本章小结

第3章 并联运动头结构设计方案

3.1 并联运动头设计方案

3.2 并联运动头基本结构参数设计

3.3 并联运动头各支路运动副分析

3.4 并联运动头主要元件选型计算

3.5 本章小结

第4章 并联运动头静力分析

4.1 并联运动头模型简化

4.2 并联运动头静强度分析

4.3 主要零件静强度分析

4.4 本章小结

第5章 并联运动头稳定性分析

5.1 并联运动头模态分析

5.2 十字副轴疲劳分析

5.3 并联运动头热-结构耦合分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢