六自由度毕业论文未排版 - 图文(3)

如图 4.12

4.7.4.2电主轴的热载荷计算

电主轴的热载荷主要是电动机和前后轴承的生热率。生热率指单位体积的发热量，如下式所示：

=Q／V (1)

式中：Q为热源的发热量；V为热源的体积。 4.7.4.2.1电动机生热率的计算

电主轴额定输出功率P =40W，额定功率损耗P =20W，认为功率损耗全部转化为热量，其中2／3热量由定子产生Q =13.333W，1／3热量由转子产生Q =6.667W。定子铁心和转子铁心均可以视为厚壁圆筒，可以计算出定子和转子的生热率分别为5.451×W／ 和5.461× W／。所以定子的热通量=1.505×W／，转子的热通量=0.804×W／ 4.7.4.2.2轴承生热率的计算

通过计算可以得到，前后轴承的发热量分别为0.503 W和0.421W。计算出

前后轴承的热通量分别为267 W／和336 W／。 4.7.4.3 电主轴的稳态热分析

电主轴的稳态热分析在以下条件下进行： (1)环境温度为Te=25 °； (2)主轴转速为n =12 000 r／min。

热源生热率以及各部分传热系数如下表4.1所示。

表4.1 热源生热率以及各部分的传热系数

进行加载求解，得到电主轴的稳态温度场如图4.13所示。

图4.13 电主轴稳态温度场

从电主轴的稳态温度场中可以看出，定子铁心处温度最高，约为67℃ 。这是因为定子的发热在铁心处积累，且散热条件不好，热量不能快速有效地导出，所以温升较高。前轴承温度约为39℃，后轴承温度约为47℃，即前后轴承温度不高，温升分别为14℃、22℃，温升较小。前后轴承度低，是由于气浮轴承本身摩擦小，发热少。因此在设计散热系统时，应该从加强线圈散热条件着

手。另外刀具切削时，也会产生切削热，所以也要注意刀具散热。

4.8 本章小结

通过对平台重要部件进行结构力学、模态和热学分析，获得其最大节点位移、固有频率、振型及稳态温度场，从而得到重要部件容易失效位置及对平台加工精度的影响，并计算出电主轴的临界转速和热变形较大部位，为进一步的动力学分析和有效控制主轴温升提供了理论依据，并可为优化设计零部件提供参考。

第二章 结论与展望

5.1 结论

本论文以微铣削6-SPS并联平台为研究对象，以虚拟样机技术为基础，考虑具体结构三维特性和材质粘弹特性等，运用三维有限元理论和 ANSYS 及UG软件技术，建立该系统精确的实体和有限元弹性动力学分析模型，基于该模型环境，开展并联平台的运动学、结构力学特性和动力学模态、热态的分析研究，为并联平台的结构优化提供了理论依据。现代的CAD和CAE设计分析这一虚拟样机技术在对平台的分析中得到了充分的运用，由于采用了虚拟样机技术，验证了平台能够实现的功能，并为后续的控制系统的设计提供依据；与以往的平台设计相比，能够在设计的过程对平台进行研究分析，更正设计中的不足之处，以达到降低了成本、减少设计环节中试验次数的目的。论文完成的主要工作和结论如下：

(1)根据并联平台工作原理，采用仿真技术和UG软件建立了并联平台的模型并进行了运动仿真，通过仿真动画，检查了平台各个部件在实现功能的过程中

有无干涉，验证了平台设计的目标——六自由度微铣削加工。在进行运动学仿真的基础上对平台进行了动力学仿真，研究分析了平台在特定运动轨迹下伸缩杆所需驱动力，为气动系统和控制系统的设计提供了依据。

(2) 针对已有的刚性杆件动力学理论及模型在并联平台结构静力学特性等方面的深入研究中表现出的不足，本文运用三维有限元理论和ANSYS 软件技术，针对6-SPS并联平台实体模型，考虑其实际结构特性等的影响，研究并联平台静力学有限元建模方法，建立了该系统精确的有限元线性静力学分析模型。

(3) 运用基于UG 软件平台所建立的6-SPS并联平台的有限元模型，进行了伸缩杆的线性静力学特性分析，研究并联平台杆件的应力、应变分布特性；分析伸缩杆的刚度，为结构优化提供了理论依据；进行了电主轴的模态分析，分析了其各阶振型特点和振动频率。得出以下主要结论：

(a) 杆件应力分布不均，有局部增大的现象，这主要是因为受力不均及截面形状有突变。伸缩杆和动平台连接的销柱的应力主要来源于动平台所受外力；伸缩杆颈部所受应力主要是由于其截面的突变。因此在平台的机构设计中应尽量避免截面突变的机构出现，同时也应该避免连接部件受力过大产生应力集中现象。

(b) 平台的受力随着位姿的不同有相应改变，但变化不太明显；所以在设计平台时，应该以保证平台刚度要求为设计准则，进而达到提高平台精度的目的。 (c) 电主轴的模态特性分析图显示在6675Hz左右时，开始出现明显的共振现象，从电主轴的下部到上部振动幅度越来越大，随后各阶振动加剧，振幅变大，振型更为复杂。综合本文的模态分析结果，可以确定电主轴的临界转速范围，为平台的结构设计提供定性参考。

(d) 从平台伸缩杆的动力学分析和电主轴的热态及模态分析可以看出，平台在正常负荷下工作，电主轴的发热及振动对加工精度影响小，这些因素产生的加工误差是可以接受的。因此，在硬件上可以保证微铣削的精度要求。

5.2 展望

针对当前已有的刚性动力学建模及其对并联机器人研究成果深入研究的局限性， 论文研究运用有限元理论及ANSYS、UG 软件技术进行了并联平台的运动学和动力学研究，并初步开展其结构力学特性等方面的仿真分析研究，获得了一些探索性的结果和结论，由于具有强针对性、高精确性、优越的适时性和近真性等特点，所建有限元弹性静力学分析模型是深入研究并联平台静力学特性的重要而有效的工具，建模及仿真分析方法可推广应用于其他类似的复杂结构系统。

该课题可在以下方面进行更深入的研究：

(1) 由于个人计算机计算能力的限制，不能对整个平台进行全面的有限元分析，并且在分析时简化了模型，因此仿真的真实性不足。 可以考虑把平台工作过程中的所有因素考虑进去做仿真分析。

(2)在进行动力学仿真时，没有考虑各构件之间的连接刚度和阻尼，虚拟样机中的各部件之间基本上是刚性连接，这样软件自动建立的动力学方程与实际情况有很大的区别。

(3) 由于ANSYS有限元软件的制约性，实际系统样机中存在大量的呈复杂空间分布的接触和间隙等高度非线性行为，为进一步精确表达，还需要做相应的模型等效简化研究。

(4) 当前的静力学理论和方法都是建立在线性化基础上的，即不考虑实际系

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