交叉杆式6轴并联机床误差及刚度特性的研究

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1、万方数据Ph．D．DissertationResearchonErrorandStifhlessCharacteristicofCross．Link6．DOFParallelMachineToolSupervisedbyP￥oj．SunYuandProf．LiuYuanweiNanjingUniversityofScience＆TechnologyOctober,2013万方数据声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何

2、教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：阻心：鱼年月日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：年月日万方数据博士论文交叉杆式6轴并联机床误差及刚度特性研究摘要本文针对交叉杆式6自由度并联机床(BJ．04—02(A))的误差及刚度特性问题，考虑误差、刚度与刀具平

3、台所处位姿的相关性，从运动学位置反解分析、工作空间(位置空间、姿态空问)分析、铰链间隙与刀具平台位姿误差的传递映射关系、静刚度的分布特性、基于刚体动力学的连杆驱动力分析五个方面开展相关研究。本文主要完成了以下几方面的工作：基于螺旋理论，利用指数式正向位置映射模型，进行BJ．04．02(A)并联机床的完整位置反解分析，推导所有主动移动及被动转动关节变量的解析表达式。利用虚拟三维装配模型，使刀具平台处于参考位姿，获取各关节的运动螺旋，分别建立各支链上关节变量与刀具平台位姿量间的指数式映射表达式。基于Paden—Kahan子问题，导出该机床的完

4、整位置反解表达式，计算由参考位姿运动至任意给定位姿时所有36个关节变量。对四类典型轨迹下关节变量的变化规律进行计算及分析。考虑驱动杆伸缩行程、转动副转角范围、交叉杆之间几何干涉三种约束条件，对BJ．04．02(A)并联机床的工作空间进行分析。首先计算参考姿态下的所有可达位置点，然后计算各点处刀具平台的最大全域可偏角，并据此获取对应于不同偏摆角度的位置空间。针对参考姿态及不同的最大全域可偏角，分别计算球体形状、圆柱体形状、长方体形状的推荐工作空间。基于欧拉坐标系与惯性系间的变换关系，将基于欧拉角(进动、章动、自旋)的旋转变换与基于绕惯性系三

5、个坐标轴(可等效为绕空间轴转动)的旋转变换相结合，建立含位姿量的误差映射关系式和刚度矩阵。在推导铰链间隙与刀具平台位姿误差的传递映射关系时，用欧拉角描述理想状态下的位姿，用绕空间轴转动描述间隙引起的位姿变化，并将铰链间隙折算为杆长变化量。在推导刚度矩阵时，用欧拉角描述无载荷作用下的位姿，用绕空间轴转动描述载荷作用引起的位姿变化。计算并分析工作空间内误差、刚度的分布特性，包括：在某一层内的分布特性、随层的z坐标的变化特性、随刀具平台偏摆方向的变化特性、随刀具平台偏摆角度的变化特性。基于牛顿．欧拉法，对BJ一04—02(A)并联机床进行刚体动

6、力学分析，推导连杆驱动力的解析表达式。对典型运动轨迹下驱动力的变化规律进行分析，结合切削力测试试验，获取切削力对驱动力的影响。在BJ一04一02(A)并联机床上进行加工误差测试，并与理论分析结果进行对比分析，验证理论模型的正确性。关键词：并联机床，工作空间，位置反解，误差，刚度，动力学万方数据竖主堡塞一．窒墨堑垫!塾堑壁塑壁堡薹垦堕!壁壁丝至!生AbstractToaddressthetwoissuesoferrorandstiffnessforcross—links6-DOFsparallelmachinetoolBJ．04—02(A)

7、，thecharacteristicthatbotherrorandstiffnessarerelatedtothepose(positionandorientation)ofcutterplatformisconsidered．Somekeythemes，suchasfullinversepositionanalysis，workspace(positionspaceandorientationspace)analysis，mappingbetweeniointclearanceandposeerror,distributionofst

8、aticstiffness，drivingforceanalysisbasedonrigid-bodydynamics，areresearched．Themainresearchworksin