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五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真

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關(guān)鍵詞:混聯(lián)機(jī)床 運(yùn)動(dòng)學(xué) 動(dòng)力學(xué)

     3-TPS混聯(lián)機(jī)床為五自由混聯(lián)機(jī)床,該混聯(lián)機(jī)床是以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),采用串聯(lián)約束的一種新型并聯(lián)機(jī)床?;炻?lián)機(jī)構(gòu)通常是一個(gè)多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。連桿速度和驅(qū)動(dòng)力是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要指標(biāo),它直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇和零件設(shè)計(jì),難以用普通的方法較準(zhǔn)確地分析各個(gè)連桿速度和驅(qū)動(dòng)力的變化。而ADAMS 軟件卻能解決這一復(fù)雜問(wèn)題,它能根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型,自動(dòng)建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程并加以求解。因此運(yùn)用仿真的方法分析混聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)連桿的驅(qū)動(dòng)力和速度具有重要的意義。

       
    1 3 -TPS 混聯(lián)機(jī)床機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

       
      該機(jī)構(gòu)如圖1 所示,由三個(gè)并聯(lián)的伸縮桿組成,各桿分別與固定佼支座(固定平臺(tái))以虎克就聯(lián)接與動(dòng)平臺(tái)相聯(lián)。當(dāng)三桿根據(jù)加工要求分別伸長(zhǎng)或縮短時(shí),使動(dòng)平臺(tái)具有耳, y , z , y' 四個(gè)自由度。若再在旋轉(zhuǎn)刀具的下方安裝一個(gè)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái),此機(jī)床即可以實(shí)現(xiàn)五面體加工。如果再配置自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu),該機(jī)床將進(jìn)化為一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。

        
    2 混聯(lián)機(jī)床三維模型建立及參數(shù)化
       
      2. 1 建立三維模型
       
      目前工業(yè)界的CAD/CAM 軟件有很多,譬如Pro/E 、UG ,但是基于Windows 的SolidWorks 充分利用了有廣泛群眾基礎(chǔ)的Microsoft Windows 圖形用戶(hù)界面。同時(shí)該收件也完全支持參數(shù)化設(shè)計(jì),使得機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能快速地按照其設(shè)計(jì)思想繪制草圖,嘗試i運(yùn)用各種特征與不同尺寸,以及生成實(shí)體模型,接近于實(shí)際物體。另外與ADAMS 軟件有很好的接口,導(dǎo)人方便,因此本文的模型采用SolidWorks 建立。
       
      首先根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的指標(biāo)和圖紙,在二三維軟件SolidWorks 里進(jìn)行三維建模、裝配等一系列過(guò)程,然后以Parasolid 格式將三維模型的幾何、質(zhì)量和約束等關(guān)系導(dǎo)人到ADAMS 軟件中。在理彭文件交換時(shí)采用Parasolid 格式可以前止數(shù)據(jù)丟失,這對(duì)仿真結(jié)果的正確性和有效性有重要的影響。
       
      2.2 模型的參數(shù)化
        

      通過(guò)參數(shù)化建模,可以在參數(shù)設(shè)置中改變其變量。在分析過(guò)程中,只需改變樣機(jī)模型中有關(guān)參數(shù)值,就可以啟動(dòng)地更新整個(gè)樣就模型。機(jī)床三維模型以Parasolid格式導(dǎo)人ADAMS/View后,先需要添如零件的材料,修改零件名稱(chēng),零件之間的約束關(guān)系〈移功副,轉(zhuǎn)動(dòng)劇,鉸接,球接,固定),然后在刀尖添加驅(qū)動(dòng)General motion。 打開(kāi)ADAMS/View 的自檢結(jié)果表,檢查所添加的約束關(guān)系和自由度是否正確,先對(duì)仿真模型進(jìn)行相應(yīng)修改,調(diào)整響應(yīng)結(jié)構(gòu)、裝配位置、零件之前約束關(guān)系,然后進(jìn)有反復(fù)的仿真分析和數(shù)據(jù)處理,最終得到滿(mǎn)意的虛擬樣機(jī)模型。

    3、混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真
       
      混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)位真,就是萬(wàn)尖按照某種切削路徑運(yùn)動(dòng),計(jì)算各構(gòu)件的速度.加速度相受力情況,檢查各機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),是否發(fā)生干涉,考察和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的速度和動(dòng)力特性。
       
      在仿真三桿速度和驅(qū)動(dòng)力時(shí),銑削加工可分為兩種情況:第一種是空載,根據(jù)機(jī)床刀具以最大速度為0.5 m/s 和加速度運(yùn)動(dòng)為1g時(shí),測(cè)得三桿最大速度和驅(qū)運(yùn)動(dòng)力;第二種是刀具勻速進(jìn)結(jié)v = 0. 4 m/s ,同時(shí)受到銑削力的作用。銑刀選擇立銑刀,工件材料:碳鍋,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Fz = 9. 8CFz a0.86 af0.72 d0-0.86 αpZ = 9. 8 *65.2 *3. 150.86*0. 10.72 *63-0.86 x 15 x6 =1076.75 N 。經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真可知第一種的驅(qū)動(dòng)力大于第二種驅(qū)動(dòng)力,所以研究第一種情況是有重要參考價(jià)值的?,F(xiàn)在以第一種情況進(jìn)行仿真,圖2 是刀具的最大速度(0.5 m/s) 和加速度(1 g) 是以正弦和余弦曲線進(jìn)給。在ADAMS 中給定位移運(yùn)動(dòng)方程以刀具沿X 方向運(yùn)動(dòng)為倒,道有設(shè)置如下:
       
      TraX: disp( time) =α-25cos( 19. 8time) ;
      TraY: disp ( time) = b + 0 o time;    
      TraZ : disp ( time)=c +0 o time;
       
      其中(α , b , c) 是刀尖點(diǎn)坐標(biāo)。
       
      在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真時(shí),刀具在不同的位置和進(jìn)給方向,各個(gè)桿都會(huì)產(chǎn)生不同的速度和驅(qū)動(dòng)力。


        
      機(jī)床在極限條件下進(jìn)行進(jìn)給,并使刀具走遍工作空間內(nèi)的所有點(diǎn),各桿件速度和驅(qū)動(dòng)力的最大值,就是所需的最大速度和驅(qū)動(dòng)力。工作空間(400, 400, 400) 如圖3所示,單位mm 。


      工作空間搜索具體方法如下:第一步:初設(shè)置刀尖點(diǎn)1 坐標(biāo)(200 , 200 , -200) ,從1 點(diǎn)分別沿±X , ±Y ,±Z 六個(gè)方向平移,在ADAMS 軟件的后置處理中記錄各桿件速度和驅(qū)動(dòng)力,如圖4 和圖5 所示,然后比較其大小,找到此點(diǎn)的最大值:第二步:改變刀尖點(diǎn)坐標(biāo),增量~X=~Y=~Z =10 mm ,重復(fù)第一步方法,直到刀尖點(diǎn)坐標(biāo)移到點(diǎn)5 ( -200 ,+200 , 200)位置上。第三步:統(tǒng)計(jì)工作空間內(nèi)刀尖坐標(biāo)變化后的所有測(cè)盤(pán)值,找到空間內(nèi)每個(gè)桿件上速度和驅(qū)動(dòng)力最大值,以及速度與驅(qū)動(dòng)力乘積的最大值。經(jīng)過(guò)ADAMS/Measure 測(cè)得刀具沿±Y 方向運(yùn)動(dòng)時(shí),桿L2在點(diǎn)1 速度最大;桿L1在點(diǎn)2 速度最大:刀具沿+Z 方向運(yùn)動(dòng)時(shí),桿L2在點(diǎn)3速度最大;如圖6 所示。刀具沿+Z 方向運(yùn)動(dòng)時(shí),桿L1在工作空間點(diǎn)2 驅(qū)動(dòng)力最大;桿L1在點(diǎn)1 聰動(dòng)力最大;桿L3在點(diǎn)4 驅(qū)動(dòng)力最大。如圖7 所示。

     


        
        通過(guò)仿真結(jié)果獲得各桿件最大速度和最大驅(qū)動(dòng)力的值。

    4  三桿驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的確定
       
      n = △L· (60 o i) /p
      v =△L
       
      n--電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
      i--傳動(dòng)比
      p--絲杠導(dǎo)程
      V--桿件速度
      △L--桿件在單位時(shí)間的伸縮量
       
      由式(1 )(2) 可得出:通過(guò)桿件的最大速度可以估算出電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。
        
     
      P ? 10-3 ( kW)

      F--桿件的合力
      P--電動(dòng)撓的功率
       
      由式(3) 可以估算出電動(dòng)機(jī)的最大功率。當(dāng)傳動(dòng)比i =0. 5 ,p =6 * 10-3 時(shí),各桿件電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和最大驅(qū)動(dòng)力的值如表2 所示。


        
    5 結(jié)語(yǔ)
       
       通過(guò)對(duì)3-TPS 混聯(lián)機(jī)床在ADAMS 軟件中仿真分析,在混聯(lián)機(jī)床以最大速度0.5 m/s ,最大部速度lg 的條件下進(jìn)給時(shí),獲得了三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的速度變化范圍以及三個(gè)桿的驅(qū)動(dòng)力變化情況。通過(guò)分析仿真的結(jié)果,可見(jiàn)機(jī)床的三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿速度變化均勻平穩(wěn),驅(qū)動(dòng)力的變化也比較平穩(wěn)。以多體系就運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的ADAMS 用來(lái)仿真分析混聯(lián)機(jī)床是可行的;仿真結(jié)果為構(gòu)建五軸混聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的速度規(guī)劃以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇提供重要參考。 


    (審核編輯: 智匯張瑜)

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