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新型复合加工中心创新设计方法研究

作　者: 程祥
导　师: 黄玉美
学　校: 西安理工大学
专　业: 机械工程
关键词: 车铣磨复合虚拟样机粗精加工机构并联机构滚滑复合奇异位姿工作空间虚拟加工
分类号: TG659
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

创新设计是指采用新技术、新原理、新机构和非常规方法进行的设计，使得所设计的产品在整体或局部是前所未有或前所未知的。只有创新设计才能产生真正具有市场竞争力的创新产品。近年来复合加工中心作为一类新型数控机床倍受人们的关注和重视，论文在具有加工功能复合、粗精加工机构复合、并联与串联原理复合特点的新型复合加工中心的新原理、新机构及虚拟样机仿真软件的开发等方面进行了较为全面的、系统的、深入的并具有一定创新意义的理论和试验研究。论文主要研究的内容如下： 1．论文在对现有的车铣复合加工中心和并联机器人研究分析基础上，创新设计开发出一种全新型11轴6联动复合加工中心，该加工中心具有车铣磨加工功能、粗精加工机构、串联与并联原理混合等特点。 2．研究开发了一种过导向粗精加工机构复合与独立使用的机构模式，精加工机构具有3—5个运动轴，加工时粗精机构独立工作，提高了精加工的精度保持性；粗加工机构又可带动精加工机构移动，扩大了精加工机构的使用范围；过导向原理提高了粗加工机构的抗颠覆力矩的能力。 3．将并联原理引入到车铣磨复合加工中心的创新设计，提出了一种3-PRS三轴并联运动和包含车削C轴的三轴串联运动相结合的串并联复合模式；推导了其3-PRS并联机构的静、动力学逆解，并作了仿真：对3-PRS并联机构的奇异位姿进行了求解，并提出了避免的结构方案；对由搜索得到的3-PRS并联机构的可达工作空间，提出了伪象限方法并借助于三维CAD软件生成了该可达工作空间的三维实体；提出了一种剖切方法对3-PRS并联机构的可达工作空间进行研究得到了该工作空间内的姿态分布。 4．提出了一种空间倾角配置方法，克服了并联机构转动范围小的缺点，研究开发出一种可实现立卧加工的新型3-PRS三轴并联原理主轴头部件，并进行了精度试验。 5．提出了一种过约束滚滑复合原理的新型被动关节，兼有刚度高、精度稳定性好的特点，应用虚拟样机技术对并联机构中的被动关节进行设计和优化，并通过试验和应用进行了验证考核。 6．开发出一种虚拟样机仿真软件——虚拟加工过程仿真软件，在该系统中可以完成创新开发机床的整体建模、各轴行程设定、读入NC代码、执行实时切削过程仿真、实时显示切削过程及最终

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-23
  1.1 概述  10-12
  1.2 虚拟样机技术  12-14
    1.2.1 虚拟样机技术的概念  12-13
    1.2.2 虚拟样机技术现状及应用  13
    1.2.3 虚拟样机技术在本文的应用  13-14
  1.3 复合加工技术  14-15
  1.4 并联机器人技术  15-19
    1.4.1 并联机器人发展历史  16
    1.4.2 并联机器人的研发现状  16-19
    1.4.3 并联机器人现存问题及展望  19
  1.5 数控加工仿真技术  19-21
  1.6 本课题研究的主要内容  21-23
2 新型复合加工中心的方案创新设计研究  23-33
  2.1 概述  23
  2.2 现有结构分析及解决方案  23
  2.3 方案创新设计及数字样机构建  23-29
    2.3.1 各功能部件数字样机建模  23-25
    2.3.2 总体结构布局原理  25-26
    2.3.3 各种方案配置形式  26-29
    2.3.4 总体结构布局的其他形式  29
  2.4 新型复合加工中心的粗精加工机构复合技术  29-30
  2.5 新型复合加工中心开发中采用的关键技术  30-31
  2.6 新型复合加工中心主要参数  31-32
  2.7 本章小结  32-33
3 并联机构被动关节的创新开发与试验研究  33-41
  3.1 概述  33-34
  3.2 滚滑复合被动关节的原理  34-35
  3.3 滚滑复合被动关节的数学模型及优化  35-38
  3.4 试验  38-39
  3.5 应用方法  39-40
  3.6 本章小结  40-41
4 3-PRS并联机构建模与解析  41-70
  4.1 概述  41-43
  4.2 3-PRS并联机构速度、加速度分析  43-49
    4.2.1 3-PRS并联机构位置逆解及被动关节求解  43-45
    4.2.2 3-PRS并联机构运动关联  45
    4.2.3 速度及加速度求解  45-47
    4.2.4 速度及加速度仿真  47-49
  4.3 3-PRS并联机构力学分析  49-56
    4.3.1 静力学分析  49-52
    4.3.2 动力学分析  52-56
  4.4 奇异性分析及验证  56-59
  4.5 3-PRS并联机构的可达工作空间姿态研究  59-64
    4.5.1 可达工作空间求解  59-61
    4.5.2 可达工作空间分析  61-64
    4.5.3 带姿态可达工作空间算例  64
  4.6 3-PRS并联机构工作空间实体生成  64-69
    4.6.1 剖切3-PRS并联机构工作空间  64-65
    4.6.2 用伪象限法处理截面数据  65-68
    4.6.3 工作空间实体生成  68-69
  4.7 本章小结  69-70
5 立卧加工三轴并联主轴头部件的开发与试验研究  70-84
  5.1 概述  70
  5.2 立卧加工三轴并联主轴头机构的倾角参数配置  70-72
  5.3 立卧加工三轴并联主轴头机构的参数优化目标分析  72-73
  5.4 立卧加工三轴并联主轴头机构的参数优化  73-77
    5.4.1 关键参数选择  74-75
    5.4.2 关键参数优化  75-77
  5.5 立卧加工三轴并联主轴头机构模块设计  77-79
  5.6 三轴并联主轴头部件运动精度试验  79-83
    5.6.1 运动精度测量原理  79-80
    5.6.2 实验  80-83
  5.7 本章小结  83-84
6 数控机床功能仿真系统的研究与开发  84-107
  6.1 概述  84-85
  6.2 数控机床功能仿真软件功能及系统结构  85
  6.3 仿真软件开发中的关键技术  85-88
  6.4 虚拟加工仿真软件开发  88-99
    6.4.1 NC代码转换  88-89
    6.4.2 换刀  89
    6.4.3 刀具半径补偿  89-96
      6.4.3.1 刀补建立  91
      6.4.3.2 刀补维持  91-96
      6.4.3.3 刀补撤消  96
    6.4.4 车削加工  96-97
    6.4.5 铣削加工  97
    6.4.6 出错检查  97-99
  6.5 虚拟加工仿真实例  99-105
    6.5.1 仿真加工零件要求及加工代码  100-102
    6.5.2 仿真程序运行关键步骤  102-105
  6.6 本章小结  105-107
7 全文工作总结  107-110
  7.1 研究结论  107-108
  7.2 创新点  108
  7.3 进一步的研究工作  108-110
致谢  110-111
参考文献  111-117
攻读博士学位期间发表的论文及研究成果  117-118
  一、发表论文  117-118
  二、专利申请:  118

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