本文關(guān)鍵詞： 并聯(lián)激光切割機(jī)床 豎式6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu) 運(yùn)動學(xué)分析 性能分析 激光加工試驗(yàn)　出處：《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：本文研究了目前的激光加工設(shè)備,發(fā)現(xiàn)驅(qū)動激光加工頭均采用傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu),具有剛度差、笨重復(fù)雜、累積誤差大等缺點(diǎn)。而并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為串聯(lián)機(jī)構(gòu)的對偶機(jī)構(gòu),具有剛度大、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、高速性能好等優(yōu)點(diǎn)。為此,提出以并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為激光加工頭的驅(qū)動系統(tǒng),開發(fā)了豎式6-PUS并聯(lián)激光切割機(jī)床,實(shí)現(xiàn)了對空間復(fù)雜曲面的切割加工。論文首先對豎式6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)正解和奇異性進(jìn)行了分析。首次將6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置變量和姿態(tài)變量進(jìn)行了解耦,推導(dǎo)出了其半解析化的正解表達(dá)式。根據(jù)推導(dǎo)的奇異軌跡解析表達(dá)式,分析了各姿態(tài)角對位置奇異的影響,得到增大姿態(tài)角會減小位置空間的規(guī)律。將無奇異姿態(tài)球半徑作為衡量機(jī)構(gòu)姿態(tài)能力(姿態(tài)空間)大小的指標(biāo),研究了機(jī)構(gòu)參數(shù)和位置參數(shù)對姿態(tài)能力的影響;得出位置偏離中心越遠(yuǎn)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)能力越差的結(jié)論,并進(jìn)一步導(dǎo)出姿態(tài)能力與偏離距離的近似線性關(guān)系表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,分別從反解和正解的角度分析了6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間。對6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的力傳遞性能和整體剛度做了分析;基于此,利用“性能圖譜和優(yōu)質(zhì)尺度域”的機(jī)構(gòu)尺度綜合理論對豎式6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了優(yōu)化的機(jī)構(gòu)參數(shù);并以運(yùn)動/力傳遞性能為評價(jià)指標(biāo),對優(yōu)化前和優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)做了分析比較,結(jié)果表明,優(yōu)化后機(jī)構(gòu)的靜平臺半徑與連桿長度的尺寸相接近,可顯著提高機(jī)構(gòu)的運(yùn)動/力傳遞性能,同時(shí)滿足了優(yōu)質(zhì)工作空間的設(shè)計(jì)要求�；趦�(yōu)化的機(jī)構(gòu),進(jìn)行了豎式6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的激光切割機(jī)床虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和動力學(xué)分析。采用動力學(xué)分析軟件RecurDyn對其進(jìn)行運(yùn)動仿真得到了多種典型運(yùn)動條件下所需的驅(qū)動力,為樣機(jī)的電機(jī)選型提供依據(jù);并利用MFBD多柔體動力學(xué)分析技術(shù),對機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真,獲得了機(jī)構(gòu)在不同運(yùn)動模式下的最大應(yīng)力、應(yīng)變值,為實(shí)際樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。最后搭建了豎式6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的激光切割機(jī)床樣機(jī),并進(jìn)行了平板切割和曲面切割實(shí)驗(yàn)。通過平板切割的單因素試驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn),探討了各工藝因素對切割質(zhì)量的影響,并得到了切割碳鋼薄板的較佳工藝參數(shù)。最后通過曲面切割,考察機(jī)床的固有特性(剛度、各向異性等)對加工精度的影響,為機(jī)床的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。
[Abstract]:In this paper, the current laser processing equipment has been studied. It is found that the traditional series mechanism is used to drive the laser machining heads, which has the advantages of poor stiffness and heavy complexity. The parallel mechanism has the advantages of large stiffness, simple structure, high precision and good high-speed performance. Using parallel mechanism as the driving system of laser machining head, a vertical 6-PUS parallel laser cutting machine tool is developed. In this paper, the kinematics positive solution and singularity of vertical 6-PUS parallel mechanism are analyzed firstly. The position and attitude variables of 6-PUS parallel mechanism are firstly analyzed. Decoupling is performed. The semi-analytic positive solution expression is derived and the influence of attitude angles on position singularity is analyzed according to the derived analytic expression of singular locus. The rule that increasing the attitude angle will reduce the position space is obtained. The influence of the mechanism parameters and the position parameters on the attitude capability is studied by taking the spherical radius of the non-singular attitude as the index to measure the attitude capability of the mechanism (attitude space). A conclusion is drawn that the attitude capability of the mechanism farther away from the center is worse, and the approximate linear relationship between attitude capability and deviation distance is derived. On the basis of this, an approximate linear relationship between attitude capability and deviation distance is derived. The workspace of 6-PUS parallel mechanism is analyzed from the point of view of inverse solution and forward solution respectively. The force transfer performance and overall stiffness of 6-PUS parallel mechanism are analyzed. Based on this, the mechanism scale synthesis theory of "performance map and high quality scale domain" is used to optimize the design of the vertical 6-PUS parallel mechanism, and the optimized mechanism parameters are obtained. Taking the performance of motion / force transfer as the evaluation index, the mechanism before and after optimization is analyzed and compared. The results show that the radius of the static platform of the optimized mechanism is close to the dimension of the length of the connecting rod. It can significantly improve the kinematic / force transfer performance of the mechanism and meet the design requirements of the high quality workspace. The virtual prototype design and dynamic analysis of laser cutting machine tool for vertical 6-PUS parallel mechanism are carried out, and several typical kinematic conditions are obtained by using dynamic analysis software RecurDyn to simulate its motion. The driving force you need. It provides the basis for the motor selection of the prototype. Using the MFBD multi-flexible body dynamics analysis technology, the rigid-flexible hybrid system simulation is carried out, and the maximum stress and strain value of the mechanism under different motion modes are obtained. Finally, a prototype of laser cutting machine with vertical 6-PUS parallel mechanism is built. Through the single factor experiment and orthogonal experiment, the influence of each technological factor on the cutting quality is discussed. The optimum technological parameters of cutting carbon steel sheet are obtained. Finally, the influence of the inherent characteristics (stiffness, anisotropy, etc.) of the machine tool on the machining accuracy is investigated through curved surface cutting, which provides the basis for the further optimization of the machine tool.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG485

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本文編號：1453006