六自由度毕业论文未排版 - 图文(2)

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，并进行如下简化：

(1)将气浮轴承简化为弹性支承，只考虑其径向刚度；

(2)忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响，视轴承刚度为定值；

(3)将电机的转子及过盈套等效为同密度轴材料，作为主轴的附加分布质量，等效到所在单元的节点上。

本模型采用沿轴旋转面的方式建立实体模型和有限元网格。先建立一个截面，然后沿一根轴线来旋转生成模型和网格。仍然选用SOLID45三维实体结构单元对主轴主体进行网格划分。由于在轴的中间部位作用有转子质量，将轴上附加的转子质量转化为相应轴段的密度增加值，所以需要附加密度，定义两次材料属性，分别生成面模型，在生成体的时候，定义材料与面一样，即生成两种不用的材料。两种材料的弹性模量均为2×105MPa，泊松比均为0．3，材料的密度分别为7800kg／m 和7834．2kg／m 。网格划分后的模型如图4.6所示。

图 4.6 网格划分后模型

4.7.3.2约束条件

电主轴单元包括主轴、电机、轴承和壳体。由于壳体为固定件，电机定子固

定在壳体上，故在对主轴单元进行动态特性分析时不必考虑这两者，分析对象只含有旋转件和支承件，即转子轴和前后轴承。电主轴在工作时承受多种载荷，除主轴前端受切削力和弯矩作用外，还有内装电机转子传递给主轴的转矩。主轴在前后轴承的支承下高速旋转，为了计算方便，将其作为空间弹性梁处理，认为轴承只具有径向刚度，不具有角刚度，因此将支承进一步简化为圆柱形约束。后轴承处不约束。忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响，视轴承刚度K为一个不变的常数，则径向位移有三部分组成：轴承径向弹性位移；为轴承外圈与套筒配合处的接触变形；内圈与主轴配合处的接触变形。 4.7.3.3计算结果与分析 4.7.3.3.1模态的计算结果

在频率0HZ~10000HZ范围内获得的约束条件下电主轴的固有频率如下： 模式一 固有频率0HZ 径向膨胀

图4.7 模式一

模式二 固有频率965.1HZ XZ平面摆动

图4.8 模式二

模式三 固有频率966.3HZ XY平面摆动

图4.9 模式三

模式四 固有频率4962HZ Y方向弯曲

图4.10 模式四

模式五 固有频率4969 Z方向弯曲

图4.11 模式五

4.7.3.3. 2计算结果分析

当主轴以临界转速旋转时，主轴的挠度很大，主轴将产生剧烈振动(节点位

移1.2mm左右)，而在临界转速一定范围之外工作时，主轴将趋于平稳运转。模式一频率为零，为刚体振动，可以不用考虑。二、三模式和四、五模式分别相近，可视为重根。根据转速与频率的关系，可以得到该主轴的二阶临界转速57906r/min，而主轴的设计转速为10000 r/min——15000 r/min，远远低于临界转速，所以该主轴是安全的。

4.7.4电主轴的热态分析计算及结果

高速电主轴是高速平台的核心部件，但也是该类平台的主要热源。在高速平台中，电主轴单元各零件的高度和精度都比较高，因切削力引起的加工误差比较小。然而电主轴中电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的，由此引起的热变形如果处理不当会严重降低平台的加工精度。因此，在高速加工中，电主轴的热态特性成为影响加工精度的一个主要因素，并直接限制电主轴转速的提高。所以，高速电主轴的热稳定性问题是该类主轴需要解决的关键问题之一。

4.7.4.1电主轴的有限元模型

电主轴整体上可视为轴对称结构，用电主轴剖面的一半来建立有限元分析模型即可。电动机的定子和转子均可当作厚壁圆筒，定子冷却套上的螺旋槽可等效为环形。在保证计算精度要求的前提下，对模型进行如下简化：电主轴中的后支座不参加有限元建模，忽略所有的螺钉、通气孔、通油孔以及其他一些细小结构。

选择PLANE55单元进行网格划分。PLANE55单元用于三维空间平面或轴对称结构，具有热传导特性，该单元有4个节点，节点自由度为温度。划分后的电主轴有限元模型(如图4.12)。

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