新型五坐标混联动力头动态优化设计

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1、新型五坐标混联动力头动态优化设计DynamicDesignofaNovel5-AxisHybridKinematicMachineHead领域：机械工程研究生：申贞指导教师：宋轶民教授企业导师：王淑旺高级工程师天津大学机械工程学院二O一二年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献

2、均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日我是爱天大的！！学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要近年来，以Tricept、SprintZ3为代表的一类并/混

3、联构型装备已成功应用于发达国家的飞机制造业。面向国家飞机制造业发展的重要需求，本文以新型五坐标混联动力头Tricept-IV为典型对象，深入研究其主进给模块(3-UPS/UPP机构)的动态设计方法，内容涉及机构逆运动学分析、弹性动力学建模、固有特性分析、动态响应求解与动态优化设计等。本文主要研究成果如下：1.逆运动学分析。应用矢量法建立3-UPS/UPP机构的逆运动学分析模型，根据末端参考点的期望运动，求解各主动关节的位置、速度、加速度与各支链的角速度、角加速度，进而获得各单元节点的刚体运动。2.弹性动力学建

4、模。应用运动弹性动力学理论分别建立各支链及动平台的运动微分方程，进而借助弹性变形协调条件组集系统运动微分方程。为提高模型精度，各支链均离散为空间梁单元，其主动移动副与连架虎克铰链的处理则分别应用了节点自由度耦合技术与斜交支座原理。3.固有特性分析与动态响应求解。通过无阻尼固有特性分析，揭示了系统低阶固有频率与正则振型的空间分布特征。以运动学分析为基础，应用数值积分法(Newmark法)求解系统时域动态响应，计算单元等效应力并研究了运动过程中各构件最大动应力的变化规律。4.动态优化设计。在上述研究的基础上，以机

5、构总质量最小为设计目标，以各构件截面参数为设计变量，计及机构运动误差与各构件强度约束，应用序列二次规划(SQP)最终实现了3-UPS/UPP机构的动态优化设计。上述研究工作为开发具有我国自主知识产权且动态性能优良的新型五坐标混联动力头奠定了理论基础。关键词：并联机构，运动弹性动力学，固有特性，动态响应，动态优化设计IABSTRACTInrecentyears,hybridkinematicmachinetools,suchasthewell-knownTriceptrobotandSprintZ3head,h

6、avebeenfoundsuccessfulapplicationsintotheaircraftmanufacturingindustry.Tomeetthegreatdemandofdomesticaircraftmanufacturing,anovel5-axishybridkinematicmachineheadnamedTricept-IVistakenastheobjectofthisthesis.Thedynamicdesignmethodologyofits3-UPS/UPPparallelm

7、oduleispresented,whichincludestheinversekinematicanalysis,kineto-elastodynamicmodeling,inherentcharacteristicsanalysis,dynamicresponsesolution,anddynamicoptimumdesign.Thefollowingworkhasbeenaccomplished:1.Inversekinematicanalysis.Withtheaidofvectormethod,th

8、einversekinematicmodelisformulated.Accordingtothedesiredmovementoftheendpoint,theposition,velocityandaccelerationoftheactivejointsandtheangularvelocityandaccelerationofthelimbsarecalculated.Andthenther