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1、分类号：分类号：TH113 密密 级：级：公公 开开 U D C ： 单位代码：单位代码： 10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于基于 KED 方法的高速空间并联坐标测量方法的高速空间并联坐标测量 机弹性动力学研究机弹性动力学研究 李云峰李云峰 申申请请学学位位级级别别：硕士学位硕士学位 领领域域名名称称：机械工程机械工程 指指导导教教师师姓姓名名：陈陈 修修 龙龙 职职 称：称：副副 教教 授授 副副指指导导教教师师姓姓名名：朱朱 苏苏 宁宁 职职 称：称：高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一三年五月二零一三年五月 论文题目：论文题目：
2、基于基于KED 方法的高速空间并联坐标测量机弹性方法的高速空间并联坐标测量机弹性 动力学研究动力学研究 作者姓名：作者姓名：李李 云云 峰峰 入学时间：入学时间：2011 年年 9 月月 领域名称：领域名称：机械工程机械工程 研究方向：研究方向：先进设计与制造技术先进设计与制造技术 指导教师：指导教师：陈陈 修修 龙龙 职职 称：称：副副 教教 授授 朱朱 苏苏 宁宁 高级工程师高级工程师 论文提交日期：论文提交日期：2013 年年 5 月月 论文答辩日期：论文答辩日期：2013 年年 6 月月 8 日日 授予学位日期：授予学位日期： RESEARCH ON ELASTIC DYNAMICS
3、OF HIGH-SPEED SPACE PARALLEL COORDINATE MEASURING MACHINE WHICH BASED ON KED METHOD A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Li Yunfeng Supervisor: Associate Professor Chen Xiulong College
4、 of Mechanical and Electronic Engineering May 2013 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名：硕士生签名： 日日 期：期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fu
5、lfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date: 摘摘 要要 现代并联坐标测量机正朝着高速、
6、轻型、精密和低噪声的方向发展，也正是由于这 一特点，使得测量机轻质构件很容易发生弹性变形，这不仅影响了测量机的轨迹精度， 还破坏了系统的稳定性，同时也降低了机器的使用寿命。因此对测量机进行弹性动力学 行为分析显得尤为重要。本文以空间并联坐标测量机为研究对象，对其弹性动力学建模， 动力学行为分析等进行了较系统的研究。主要内容如下： 首先，分析该测量机的结构特点，确定该机构自由度数，对机构的五个支链进行运 动学分析。 其次，根据测量机机构的精度要求和特性利用有限元的方法将机构的柔性构件划分 单元，根据 KED 分析理论建立计入几何非线性因素和不计入几何非线性因素的单元的 弹性动力学方程。分析支链上
7、各个单元之间的约束关系，并据此将各个单元的弹性动力 学方程装配成支链的的弹性动力学方程。求解系统的运动学约束条件和动力学约束条件， 建立系统的广义坐标，进而将支链的弹性动力学方程装配成系统的弹性动力学方程，完 成测量机系统的弹性动力学模型的建立。 最后，对弹性动力学行为进行了仿真分析，规划了三个运动轨迹，利用 MATLAB 软件，给出了动平台产生的输出位移误差、速度误差、加速度误差的变化情况，给出了 测量机机构构件在运动过程中动应力的变化情况以及频率的变化情况，并对计入非线性 因素和未计入非线性因素对结果的影响做出比较。通过数值仿真结果表明本文所建非线 性弹性动力学模型合理，非线性的因素对结果
8、有一定的影响。 关键词：关键词：坐标测量机;弹性动力学;非线性;应力;KED 方法 ABSTRACT The elastic deformation of lightweight components of measuring machine is occured as parallel coordinate measuring machine is developing into high-speed,lightweight,precise and low-noise one.The elastic deformations not only affect trajectory accura
9、cy,destroy the system stability,but also reduce productivity and machine life.Therefore, the research on parallel coordinate machine is of great significance. In this thesis, high-speed space PCMM is taken as object of study.Dynamic modeling and analysis,numerical analysis are performed.The main con
10、tent in this thesis are listed as follows: Firstly,structural characteristics of the 4-UPS-UPU high-speed space PCMM is analyzed.The degree of freedom is determined.The kinematics analyses of the five driving limbs are taken. Secondly,According to the accuracy requirement and characteristic the spat
11、ial beam element is used to discretize the flexible driving limbs by using finite element method. Based on the KED analysis theory the dynamic equations of element are derived which is included in the geometric non-linear factors and not included in the geometric non-linear factors.From constraint a
12、mong elements, the dynamic equations of branches are derived. Establishing the generalized coordinates of the system,the overall system elastic dynamic equation of the PCMM is obtained by assembling the dynamic equations of branches.And then selected the method of solving elastic dynamics equation.
13、Finally, Based on trajectory numerical simulation analysis is taken.By MATLAB software the displacement error, velocity, acceleration of the PCMM are analyzed,The change of dynamic stress and the change of frequency are also given.And the influence on the results which included in the nonlinear and
14、not included in the nonlinear factors to make a comparison.The calculated numerical results show that the effectiveness and correctness of the nonlinear elastic dynamic models,nonlinear factors have certain influence on the result. Key words:coordinate measuring machine;elastodynamics;nonlinear;stre
15、ss;KED method 目目 录录 1 绪 论1 1.1 测量机的国内外发展状况 .1 1.2 并联机构的弹性动力学研究现状 .1 1.3 课题研究意义 .3 1.4 本文研究的主要内容3 2 高速空间并联坐标测量机的运动学分析5 2.1 引言5 2.2 坐标测量机结构分析5 2.3 坐标测量机的运动学分析6 2.4 本章小结12 3 高速空间并联坐标测量机的弹性动力学建模13 3.1 引言13 3.2 单元弹性动力学方程的建立13 3.3 支链弹性动力学方程的建立20 3.4 系统弹性动力学方程的建立24 3.5 本章小结33 4 高速空间并联坐标测量机动力学行为的数值仿真分析34 4.
16、1 引言34 4.2 方程求解34 4.3 动平台的运动特性分析36 4.4 驱动杆的动应力分析43 4.5 频率特性分析57 4.6 非线性特性分析60 4.7 本章小结65 5 结论与展望66 5.1 主要结论66 5.2 工作展望66 致 谢67 参考文献68 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况72 Contents 1 Introduction.1 1.1 Current research of measuring machine at home and abroad1 1.2 The elastodynamics research of parallel institutions .1 1.3 Research significance of subject3 1.4 Main content of the subject.3 2 Kinematic analysis of high-speed PCMM5 2.
