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随着制造业水平的日益发展,先进材料加工的方法越来越受到人们的重视,其中,激光冲击强化技术在材料性能提高方面有着显著的效果。目前用于激光冲击强化加工的位姿调整平台多为串联机械臂形式或者是简单的三自由度单向叠加的串联平台,无法应用于大型复杂曲面的工件位姿调整工作。本文提出了一种可实现大型复杂曲面工件位姿调整的五自由度混联工作平台,不仅拥有串联平台工作空间大的优势,同时也具有并联平台载重能力强、反解易得等优点。本论文有关基于混联机构应用于大型复杂曲面工件激光冲击强化加工的位姿调整平台的研究将为航空制造、汽车制造、船舶材料加工、医疗工业等诸多领域复杂曲面工件的激光冲击强化提供了可能,研究具备十分重要的理论意义与巨大的市场应用前景。
本文的研究内容主要包括:
首先,提出了三种位姿调整混联工作台主体并联机构部分的方案,通过优选得到最佳方案。基于拓扑机构学理论,综合提出了应用于位姿调整平台主体机构的三种不同的方案;通过分别对三种并联机型进行仿真,利用ADAMS进行初步的建模分析,对照预定机型的要求,初选出两种合适的机型;然后分别对初选出的两种机型利用D-H矩阵方法进行运动学分析,并通过ADAMS进行运动学仿真,通过位置方程、速度及加速度的对比优选出合适的主体并联机构。本文优选出的机型为:PRC+CRCR+PU机型。
其次,在得到整体混联平台并加以分析验证的基础上,提出了复杂曲面工件加工过程中难点的解决方案。通过串联组合与优选出的主体并联机构组成用于位姿调整的五自由度混联平台:P-P-{PRC+CRCR+PU};基于拓扑机构学理论对该混联平台进行分析;提出了在实际工程应用中工件通过逆向工程得到模型再达到期望位姿的解决方案,并通过ADAMS的模拟仿真验证了任意曲面工件的参数化过程的可行性以及空间任意位姿寻点方法的正确性。
再次,研究了混联平台的工作空间及奇异位型。在机构位置反解模型的基础上利用蒙特卡罗的方法,得到混联位姿调整平台的工作空间,并通过MATLAB实现了工作空间的可视化;通过判断机构速度约束方程的Jacobian方阵是否为零的方法分析了机构的奇异位型,得出了在工作空间内没有奇异位型的存在。
最后,加工得到五自由度混联位姿调整平台的原理样机并进行了相关试验。通过各零件的加工及组合装配制造出一台五自由度位姿调整平台的原理样机;利用水平仪等试验仪器验证了机构的位置方程,并计算出了相应的误差率,表明该位姿调整平台可实现并且具有良好的位置特性。