三自由度并联机床驱动分支动力学分析
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如 图 ２为处 理后 的 三维模 型经 接 口程序 导入有 限元
软 件 中的示 意 图 。
本文研究 的并 联机床 的机构采用 ３Ｈ Ｓ构型。 ．Ｓ 这种构型结构轻巧 ， 控制简单 ， 这里 Ｈ代表螺旋副 ， ｓ 代表球面副。整个机构主要 由动平 台、 定平 台、 滑鞍
—
丝杠 一支链 组成 。驱 动 分支 的三 维 模 型如 图 １ 所
基金项 目： 华航天工业学 院科研基金资助项 目（ Ｙ ２ ０ —６ 北 Ｋ ． ９０ ） ０
收稿 日期 ： ０ １ ５—０ ２ １ 一Ｏ ４
作者简介 ： 董
旭 （９ １ ， ， １８ 一） 男 讲师 ， 士， 硕 河北保定 市人 ， 主
要从事于机械制造及其 自动化技术的研 究。
一
图 ２ 驱 动分 支 导 入 Ａ Ｓ Ｓ软 件 后 模 型 ＮＹ
床的静力学性能 ， 还应考虑其动力学特性。研究机 床动力学特性必定需要对其进行动力学分析 。动力 学分 析包 括模 态 分析 、 响应 分析 、 时动态 分 析等 谐 瞬
等 。所谓 模 态分 析就 是确 定研 究对 象 的 固有 频率 以
及振型 ， 在承受动态载荷的结构设计 中， 这些参数显 得尤 为重 要 。 了解 了 结构 的 固有 频 率 和 振 动 特性 ， 可以使得设计者避开这些频率或者最大限度地减小 对这 些频 率 上 的激 励 ， 而 消 除过 度 的振 动 ＿ 。同 从 ２ ］
考虑 到机构 中一些 细小部 件对 分析 结果 影 响很
小 ， 以删 除 了零 件 中的一些微 小特 征 ， 所 ］例如 定 位 小孔 ， 位 销 ， 倒 角 。如果 保 留这些 特 征 ， 么在 定 小 那 划分 网格 时候 ， 划分 的精 度等 级需要 设 置很高 ， 定 必 增加了网格的密度和数量 ， 这样会 给计算机处理数 据带来极 大 的 困难 ， 导致 分 析 时 间 成倍 增 加 。所 以
第 ２ 卷第 ４期 １
２ １ 年 ８月 ０１
北华航天工业学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｎｏ ｔ ｈ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆＡｅ ｏ ｐ ｃ ｏ ｒ ａ ｒｈ Ｃ ｉ ａ Ｉ ｓｉ ｅ ｏ ｒ ｓ ａ ｏ ｕ
Ｖｏ ． ０． １ ２１ Ｎ ４
Ａｕ ． ０ １ ｇ ２ １
时 ， 态分 析 也 是 其 它 动 力 学 分 析 ， 如 谐 响应 分 模 例 析、 瞬态 响应分 析 前期 必须 经过 的环 节 。可见 ， 结 对 构部 件进 行模 态分 析有 着重 要 的意义 ［。 ３ ］ １ 并 联 机构 驱动 分支 模型
在保证不 影响分析结果 的前提下 ， 删除细小特征 。
三 自由度并联机床驱 动分支动 力学 分析
董 旭 田 东兴
（ 北华航天． 业 学院 机械工程 系 ，河北 廊坊 ０ ５ ０ ） ３ ２ ６０ ０ 摘 要 ：动力学分析对 于并联 机床的设 计有着重要 的意义 ，本 文应用有 限元软件 ＡＮ Ｙ ，针 对一种三 自由度并 ＳＳ 联机床 ，建立 了并联 机床 驱动分支的有限元模型 ，并 对其进 行 了模态分 析 ，分别获 得 了相应 的 ５阶固有频 率及 其对应 的振 型图 ，其结果可以作为并联机床整机模态分析 的重要参 考。 关键词 ：并联机 床 ；模 态 ；有限元 中图分 类号 ：Ｔ １ Ｈ１２ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１７ —７ ３ （０ １０ ６ ３ ９ ８ ２ １ ）４—０ ０ —０ ０１ ３
１ 一
２１ 年 ８ ０１ 月
北华航天工业学院学报 表 １ 驱动分支各 阶频率值
阶 次
１
第 ２ 卷 １
由于驱动分支模型是装 配体 ， 在将其导人 Ａ ． Ｎ Ｓ 软 件 以后 ， 鞍 、 动 杆 、 铰等零 件相 互 独立 ， ＹＳ 滑 驱 球 这些零件之间没任何约束关系。根据驱动分支机构 实 际的运 动特 征 ， 略非 线 性 因素 ， 用 ＡＮ ＹＳ中 忽 调 Ｓ 的布尔运算在球和球面与滑鞍 接触处需要设置 出相同的网格形式 ， 使其产生重合 的节点 ， 这样 再将 球 铰 的 中心 点释 放 两 个 转 动 的 自 由度 ， 便可模 拟 出球 面副 Ｌ。 ６ ］ 做好这些工作以后 ， 就可以进行单元划分 。首先 定 义单元属 Ｉ 包括实常数 、 元 的类 型 、 陛， 单 材料 的弹性 模量、 泊松比、 密度等信息。Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 软件提供 了很多 种单元类型 ， 由于在结构力学分析 中， 适合采用三维 实体单元来处理 Ｃ Ｄ软件转换过来的模型。所以在 Ａ 分析中采用了“ ｌ４ ” ｓｉ ５单元 ， ｏｄ 这种单元适合建立 固体 力学模型分析。此并联机构材料为 ４ 号钢， ５ 该材料
图 １ 并 联 机 床 驱 动分 支 三 维 模 型
示 。并 联 机构 驱 动 分 支 中包 括 滑 鞍 、 动杆 、 铰 。 驱 球 驱 动杆 件两 端通 过球 铰分 别 与动平 台和滑鞍 连 接 。
２ 有 限元模 型
由于驱 动分 支 机 构 为 装 配 体 ， ＡＮＳ Ｓ软 件 在 Ｙ 中建模 比较繁 琐 ， 其 是 铰链 处 的装 配 问题 较 难 处 尤 理 ， 以 本 文 应 用 Ｐ ｏＥ软 件 建 模 ， 过 该 软 件 与 所 Ｒ／ 通
的密度为 ７５ ８０千克 ／ 立方米 ， 模量为 １９Ｅ ａ 弹性 ．６ ５ ＭＰ ，
０ 引 言
并联机床 由于具 有高 刚度 、 高速 高效、 构简 结
单 、 块 化 程 度 高 等 优 点 ， 到 学 术 界 的 广 泛 关 模 受 注 … 。在设 计并 联 机床 结 构 的过 程 中 ， 要 考 虑 机 除
ＡＮ ＹＳ 件 的接 口将模 型导 人到有 限元软件 中 ， Ｓ 软 从 而进行 模 态分 析 。 Ｊ
软 件 中的示 意 图 。
本文研究 的并 联机床 的机构采用 ３Ｈ Ｓ构型。 ．Ｓ 这种构型结构轻巧 ， 控制简单 ， 这里 Ｈ代表螺旋副 ， ｓ 代表球面副。整个机构主要 由动平 台、 定平 台、 滑鞍
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丝杠 一支链 组成 。驱 动 分支 的三 维 模 型如 图 １ 所
基金项 目： 华航天工业学 院科研基金资助项 目（ Ｙ ２ ０ —６ 北 Ｋ ． ９０ ） ０
收稿 日期 ： ０ １ ５—０ ２ １ 一Ｏ ４
作者简介 ： 董
旭 （９ １ ， ， １８ 一） 男 讲师 ， 士， 硕 河北保定 市人 ， 主
要从事于机械制造及其 自动化技术的研 究。
一
图 ２ 驱 动分 支 导 入 Ａ Ｓ Ｓ软 件 后 模 型 ＮＹ
床的静力学性能 ， 还应考虑其动力学特性。研究机 床动力学特性必定需要对其进行动力学分析 。动力 学分 析包 括模 态 分析 、 响应 分析 、 时动态 分 析等 谐 瞬
等 。所谓 模 态分 析就 是确 定研 究对 象 的 固有 频率 以
及振型 ， 在承受动态载荷的结构设计 中， 这些参数显 得尤 为重 要 。 了解 了 结构 的 固有 频 率 和 振 动 特性 ， 可以使得设计者避开这些频率或者最大限度地减小 对这 些频 率 上 的激 励 ， 而 消 除过 度 的振 动 ＿ 。同 从 ２ ］
考虑 到机构 中一些 细小部 件对 分析 结果 影 响很
小 ， 以删 除 了零 件 中的一些微 小特 征 ， 所 ］例如 定 位 小孔 ， 位 销 ， 倒 角 。如果 保 留这些 特 征 ， 么在 定 小 那 划分 网格 时候 ， 划分 的精 度等 级需要 设 置很高 ， 定 必 增加了网格的密度和数量 ， 这样会 给计算机处理数 据带来极 大 的 困难 ， 导致 分 析 时 间 成倍 增 加 。所 以
第 ２ 卷第 ４期 １
２ １ 年 ８月 ０１
北华航天工业学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｎｏ ｔ ｈ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆＡｅ ｏ ｐ ｃ ｏ ｒ ａ ｒｈ Ｃ ｉ ａ Ｉ ｓｉ ｅ ｏ ｒ ｓ ａ ｏ ｕ
Ｖｏ ． ０． １ ２１ Ｎ ４
Ａｕ ． ０ １ ｇ ２ １
时 ， 态分 析 也 是 其 它 动 力 学 分 析 ， 如 谐 响应 分 模 例 析、 瞬态 响应分 析 前期 必须 经过 的环 节 。可见 ， 结 对 构部 件进 行模 态分 析有 着重 要 的意义 ［。 ３ ］ １ 并 联 机构 驱动 分支 模型
在保证不 影响分析结果 的前提下 ， 删除细小特征 。
三 自由度并联机床驱 动分支动 力学 分析
董 旭 田 东兴
（ 北华航天． 业 学院 机械工程 系 ，河北 廊坊 ０ ５ ０ ） ３ ２ ６０ ０ 摘 要 ：动力学分析对 于并联 机床的设 计有着重要 的意义 ，本 文应用有 限元软件 ＡＮ Ｙ ，针 对一种三 自由度并 ＳＳ 联机床 ，建立 了并联 机床 驱动分支的有限元模型 ，并 对其进 行 了模态分 析 ，分别获 得 了相应 的 ５阶固有频 率及 其对应 的振 型图 ，其结果可以作为并联机床整机模态分析 的重要参 考。 关键词 ：并联机 床 ；模 态 ；有限元 中图分 类号 ：Ｔ １ Ｈ１２ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１７ —７ ３ （０ １０ ６ ３ ９ ８ ２ １ ）４—０ ０ —０ ０１ ３
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２１ 年 ８ ０１ 月
北华航天工业学院学报 表 １ 驱动分支各 阶频率值
阶 次
１
第 ２ 卷 １
由于驱动分支模型是装 配体 ， 在将其导人 Ａ ． Ｎ Ｓ 软 件 以后 ， 鞍 、 动 杆 、 铰等零 件相 互 独立 ， ＹＳ 滑 驱 球 这些零件之间没任何约束关系。根据驱动分支机构 实 际的运 动特 征 ， 略非 线 性 因素 ， 用 ＡＮ ＹＳ中 忽 调 Ｓ 的布尔运算在球和球面与滑鞍 接触处需要设置 出相同的网格形式 ， 使其产生重合 的节点 ， 这样 再将 球 铰 的 中心 点释 放 两 个 转 动 的 自 由度 ， 便可模 拟 出球 面副 Ｌ。 ６ ］ 做好这些工作以后 ， 就可以进行单元划分 。首先 定 义单元属 Ｉ 包括实常数 、 元 的类 型 、 陛， 单 材料 的弹性 模量、 泊松比、 密度等信息。Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 软件提供 了很多 种单元类型 ， 由于在结构力学分析 中， 适合采用三维 实体单元来处理 Ｃ Ｄ软件转换过来的模型。所以在 Ａ 分析中采用了“ ｌ４ ” ｓｉ ５单元 ， ｏｄ 这种单元适合建立 固体 力学模型分析。此并联机构材料为 ４ 号钢， ５ 该材料
图 １ 并 联 机 床 驱 动分 支 三 维 模 型
示 。并 联 机构 驱 动 分 支 中包 括 滑 鞍 、 动杆 、 铰 。 驱 球 驱 动杆 件两 端通 过球 铰分 别 与动平 台和滑鞍 连 接 。
２ 有 限元模 型
由于驱 动分 支 机 构 为 装 配 体 ， ＡＮＳ Ｓ软 件 在 Ｙ 中建模 比较繁 琐 ， 其 是 铰链 处 的装 配 问题 较 难 处 尤 理 ， 以 本 文 应 用 Ｐ ｏＥ软 件 建 模 ， 过 该 软 件 与 所 Ｒ／ 通
的密度为 ７５ ８０千克 ／ 立方米 ， 模量为 １９Ｅ ａ 弹性 ．６ ５ ＭＰ ，
０ 引 言
并联机床 由于具 有高 刚度 、 高速 高效、 构简 结
单 、 块 化 程 度 高 等 优 点 ， 到 学 术 界 的 广 泛 关 模 受 注 … 。在设 计并 联 机床 结 构 的过 程 中 ， 要 考 虑 机 除
ＡＮ ＹＳ 件 的接 口将模 型导 人到有 限元软件 中 ， Ｓ 软 从 而进行 模 态分 析 。 Ｊ