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一种新型立卧转换式三杆混联机床的设计研究

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第1章绪论

1.1金属切削机床的发展

1.2并联机构及其应用

1.3并联机床的现状

1.4并联机床的主要理论研究

1.4.1概念设计

1.4.2运动学

1.4.3工作空间

1.4.4动力学

1.4.5计算机动态仿真

1.5选题意义及论文的主要工作

第2章概念设计与机构综合

2.1并联运动机床的设计方法

2.1.1并联运动机床设计的特点

2.1.2并联运动机床的设计步骤

2.2并联运动机床的概念设计

2.2.1概念设计的主要内容

2.2.2概念设计的流程

2.3并联运动机构的机构综合

2.3.1并联运动机构的自由度

2.3.2并联机构的支链形式

2.3.3并联机构的式

2.3.4并联机构的型

2.3.5并联机构的驱动方式

2.3.6从动链和约束链

2.3.7关节轴线的布置方式

2.4并联机床的配置方式

2.5本章小结

第3章机床的机构运动学分析

3.1机床结构描述

3.2机构的位置反解

3.3平行约束机构的位置分析

3.4机床的输入输出速度及加速度分析

3.4.1输入输出速度映射

3.4.2机构的雅可比矩阵

3.4.3加速度映射关系

3.5并联机床的位置正解

3.5.1位置正解的雅可比方法

3.5.2计算实例

3.6支链的速度和加速度分析

3.7平行机构的速度与加速度分析

3.7.1三个转角的角速度分析

3.7.2三个转角的角加速度分析

3.7.3杆件之间的速度分析

3.7.4杆件的加速度分析

3.8机床的运动学仿真

3.8.1支链构件的运动学仿真

3.8.2平行机构的运动学仿真

3.9本章小结

第4章机床的运动性能及参数优化

4.1机床的工作空间分析

4.1.1工作空间的影响因素

4.1.2并联机构工作空间的确定方法

4.1.3算例

4.2机构的奇异性及灵巧性分析

4.2.1机构的奇异性

4.2.2机构的灵巧性

4.3基于工作空间的机构参数确定

4.3.1尺度综合

4.3.2算例

4.4本章小结

第5章机床的静力学与平衡的研究

5.1机构的静力学正逆解方程

5.2机床的输入输出静力仿真

5.3重力作用下机构的静力研究

5.3.1机构的势能

5.3.2机床自重所需驱动力仿真

5.4机床的静平衡研究

5.4.1平衡方程的建立

5.4.2平衡机构参数的确定

5.4.3优化计算

5.5本章小结

第6章机床的动力学分析

6.1动力学方程的标准形式

6.1.1哥氏项系数V(q,q)

6.1.2笛卡尔空间中的动力学方程

6.2机床的动能与势能

6.2.1动平台的动能与势能

6.2.2三条主动链的动能和势能

6.2.3平行机构的动能和势能

6.3机床的动力学方程

6.3.1系数Mup、Vmup和Gup

6.3.2系数Mlegs、Vmlegs和Glegs

6.3.3系数Mres、Vmres和Gres

6.4算法总结

6.5动力学仿真分析

6.5.1实例仿真分析

6.5.2最大驱动力和最大驱动功率

6.6本章小结

第7章机床的三维运动仿真

7.1仿真的意义和内容

7.2仿真平台简介

7.2.1 SolidWorks简介

7.2.2 VisualNastran Desktop 2001简介

7.3并联机床的仿真

7.3.1零件建模与装配

7.3.2机床的运动仿真

7.4本章小结

结论与建议

参考文献

致谢

附录A:作者简介

附录B:攻读博士学位期间发表的学术论文

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摘要

论文在以前研究的基础上进行了新型并联机床的开发研制工作,研究了一种能够实现立卧转换加工的新构型混联机床的运动学、运动特性、静力学、平衡、动力学以及三维仿真等.具体包括以下内容:(1)研究了并联机构的概念设计和机构综合问题.(2)对所提出的3-TPS(RRR)型混联机床新构型的运动学问题进行了详细地分析.(3)提出了并联机构工作空间的新的搜索算法,分析了3-TPS(RRR)型混联机床的工作空间、奇异性、可操作度和灵巧性等指标.提出了基于机床加工空间的机构参数优化方法,该法以所得并联机构的结构较小为目标,同时兼顾机构的灵巧性以及驱动关节的最大驱动速度和最大驱动加速度.(4)用虚位移原理建立了机构的静力学正反解模型,研究了机床的切削力与关节驱动力之间的关系和机床自重对关节驱动力的影响规律.设计了机床的静平衡机构,并优化求解了平衡机构的结构参数.(5)用拉格朗日方法建立了机床的动力学模型.(6)利用Solidworks和VisualNastran软件对机床进行了三维运动仿真研究.通过仿真验证了机床的工作原理、工作空间的大小和形状以及机构的运动学模型,检查了机构的干涉情况,考察了虎克铰和球铰的转角范围,实测并输出了机床的各运动学指标,将机床的运动渲染成了三维动画.

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