基于六自由度并联机床的运动学和动力学仿真摘要 随着产品的多样化、更新频繁、系统复杂化、以及企业间竞争的日趋激烈，传统的产品设计、实验方法已经很难满足企业当前生存和发展的需要基于计算机技术的数字化设计方法——虚拟样机技术便应运而生它是当前设计制造领域的一门新技术，涉及到多体动力学，计算方法与软件工程等学科它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据并联平台是机构学理论、机器人技术和数控技术结合的产物本文的研究对象是Stewart六杆平台，该平台是用于微细加工机床的工作台，精度要求在微米级在模型的构建上，采用了三维绘图软件UG，先在UG中完成平台的几何建模，根据平台工作姿态的不同建立了三种运动模型，并在UG的运动仿真模块中完成运动学和动力学仿真，检验动平台的动态性能和动平台运动时的干涉然后利用ANSYS解算器进行有限元计算分析，得到平台的动静态特性通过本文，不但提供了一种全新的微细加工的方法（激光复合微细加工）和平台（Stewart平台），还提供了一种基于虚拟样机技术的并联平台的设计理念，它使传统的设计工作简化，大大缩短了设计时间和成本，并可以得到最优化的设计模型。
关键词： 并联机床 多体动力学 虚拟样机 动力学仿真 动态特性 微铣削 Stewart平台 ANSYS UG目录独创性声明·························学位论文版权使用授权书··················摘要····························第一章 绪论1.1 概术·························1.2 并联平台主要理论研究·················1.3微细加工技术······················ 1.4 课题研究内容及意义··················第二章 平台方案设计 2.1 设计要求······················· 2.2 并联机构······················· 2.3 Stewart平台······················ 2.4 基于遗传算法的并联机器人运动学逆解·········· 2.5 工作台设计······················ 2.6 主轴部件设计····················· 2.7 并联平台干涉问题··················· 2.8 控制系统·······················第三章 动力学仿真3.1多体系统动力学简介·················· 3.2 虚拟样机仿真技术简介················· 3.3 UG软件简介······················ 3.4 仿真内容······················· 3.5 Stewart平台动力学仿真················· 3.6 本章小结·······················第四章 有限元仿真分析 4.1 有限元分析方法及应用················· 4.2 有限元分析内容···················· 4.3 并联平台有限元分析方法················4.4 应用有限元分析方法的有关原则············· 4.5 平台重要部件的有限元分析··············· 4.6 本章小结·······················第五章 结论与展望5.1 结论·························· 5.2 展望··························参考文献资料························致谢·····························第一章 绪论1.1概述为了提高对生产环境的适应性，满足快速多变的市场需求，近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tool)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematic Machine)。
并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机与实现等同功能的传统五坐标数控机床相比，并联机床具有如下优点： （1）刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力 （2）响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业 （3）环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工装备机械手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业 （4）技术附加值高：并联机床具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报 目前，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机1994年，美国Giddings & Lewis公司在美国芝加哥IMTS’94国际制造技术展览会上推出VARIAX(变异型)并联机床(图1.1)，举世瞩目，被称为“21 世纪的机床”，这标志着并联机构正式进入机床领域。
同期推出的并联机床还有美国Ingersoll公司的Octahedral Hexapod1000(六足虫)(图1.2)和英国Geodetic公司的GDM1000-04X世界各国的研究机构和企业开始大量投入并联机床的研究与开发，结构创新和理论研究成果大量涌现1994年后，在历届大型国际机床博览会 (EMO、IMTS、JIMTOF、CIMT)上均有这类新型机床参展 图1.1 Gridding&Lewis公司并联机床 图1.2 Ingersoll公司的OctahedralHexapodFig.1.1Parallel machine tool Fig.1.2 Parallel machine tool of G&L company of Ingersoll 1997年在德国汉诺威国际机床博览会EMO’97和1999年巴黎国际机床博览会EMO’99上，有很多并联机床参展，有瑞士联邦技术学院研制的HexaGlide并联机床，如图1.3所示；德国Mikromat公司生产的6X型高速立式加工中心，如图1.4所示；瑞典Neos Robotics公司生产的Tricept 845和600型并联机床，如图1.5所示；美国Hexal公司生产的Hexabot并联机床，如图1.6所示；俄罗斯Lapik公司生产的TM-750型Stewart数控机床，如图1.7所示；美国Ingersoll公司生产的虚轴机床OctahedralHexapod600。
图1.3 瑞士联邦技术学院研制的HexaGlide 图1.4 Mikromat公司的并联机床Fig.1.3 HexaGlide in Switzerland Federal Fig.1.4 Parallel Machine Tool of Institute of Technology Mikromat Company 图1.5 瑞典Neos Robotics公司生产的并联机床Fig.1.5 Parallel Machine Tools in NR in Sweden 图1.6 Hexal公司并联机床 图1.7 Laptik公司TM-750加工中心Fig.1.6 PMT of Hexal Company Fig.1.7 TM-750 machining center of Laptik Company其中，瑞典 Neos Robotics 公司生产的 Tricept 600和805型并联机床已售出100多台。
波音、沃尔沃、大众、通用、Opel、Aicoa、英国航空航天公司，以及美国别克公司(中国)均购置了这种机床，用于航空航天铝结构件，复合材料的高速铣削，汽车大型模具制作，激光切割和离子束表面改性等，已经取得显著的经济效益2001年，在德国汉诺威欧洲机床展览会(EMO’2001)上，展出的并联机床主要有Starrag-Heckert公司德国Heckert工厂的SKM400三杆卧式加工中心，德国 DECKEL MAHO公司的三杆加工中心 TriCenter，法国RA公司的URANE SX 三杆并联卧式机床(图1.8)，德国Cross Huller Hille公司有自校验功能的混联机床 Specht X Perimental(图1.9)，德国汉诺威大学生产工程及机床研究所(IFW)的用于修理大型模具的可移动的混联两杆加工单元DUMBO，德国斯图加特大学制造技术中心(ZFS)的五面加工并联机床Paralix(图1.10)，西班牙FATRONIK技术中心的 Ulyses 三杆卧式加工机床(图1.11) 图1.8法国RA公司的URANE SX 图1.9 Cross Huller Hille公司的Specht X PerimentalFig.1.8 URANE SX of RA Company Fig.1.9 Specht X Perimental of Cross Huller Hille 图1.10 德国ZFS的Paralix 图1.11西班牙 Fatronic 公司 UlysesFig.1.10 Paralix PMT of ZFS Company Fig.1.11 Ulyses PMT of Fatronic Company 国内早在80年代初燕山大学就开始对并联机构进行系统地研究。
到北京第5届中国国际机床展览会（CIMT’97）时，俄罗斯Lapik公司展出了加工、测量两用的TM-750型并联机床，引起了中国许多科研院所、大学以及工厂的极大兴趣，使他们看到了并联机床的应用前景，并在随后的一段时间里有力地促进了中国并联机床的研究工作从1998年开始，我国的各个研究单位取得了一系列标志性成果清华大学和天。