20080402硕士论文开题报告模板

项目号
1
内容
时间
相关软件的熟悉和XXXX项 2000.10～ 2001.5 目的静刚度预估 ANSYS分析平台建立 开题报告 继承已有理论、完善静刚 度的数学模型 静刚度及相关实验 进一步研究存在的理论问 题 论文及答辩 2001.6～ 2001.8 2001.6 2001.9～ 2001.12 2002.1～ 2002.2 2002.3～ 2002.4 2002.5～ 2002.6
2.1.1 牛顿－欧拉法
从上述的文献研究表明： 并联机械手在操作空间的动力学描述比 在关节空间中简单 并联机械手采用并联传动进给机构，并 反映在其动力学模型中，先求解各支链 动力学，再分析末端执行器动力学方程， 因此可利用并行算法有效地提高计算效 率
源自文库.1.2 拉格朗日法
Pang和Shahinpoor（1994）：构造了Stewart 型并联机器人操作机的动力学逆解模型，并在 给定末端执行器运动轨迹的前提下，探讨了结 构和惯性参数对伺服电机驱动力的影响 Lebret、Liu和Lewis（1992）：通过科氏力和 离心力的合理描述导出了用于鲁棒和自适应控 制算法收敛性判据的反螺旋矩阵
＋
整机结构弹性变形引起 的终端位移
整机结构静刚度
3.1.1 传动子系统的静刚度分析
虚功原理：
T s1 T s 2 s T J 3 T s 4 s T 5 T s 6

T

T

F M
l
i 1
6
i fi
f i k i l i
2.2 静刚度分析文献综述
对Stewart平台的静刚度的研究和应用在80 年代已经出现 （1）Gaillet和Reboullet（1983年）：提出 了一种类似于Stewart平台结构的力和力 矩的传感器系统 （2）Kerr （1989年）：对这种传感器的 性能和有关设计做了进一步的阐述 （3）Ferraresl （1995）：通过实验和数 值仿真研究了该类传感器的频率特性
3.1 静刚度数学模型的建立
基本假设： a 在线性系统假设 b 在小变形的前提
静载荷
弹性传动系统 刚性机架
机床结构、材料
弹性机架 刚性传动系统
动平台位姿
支 链
横 梁
立 柱
传动子系统弹性变形引起 的终端位移
由虚功原理和运动学理 论建立子系统刚度和整 机刚度的映射关系
机架结构子系统弹性变形 引起的终端位移
3.1.3 相关应用
研究机床静刚度在作业空间的分布规律， 以静刚度作为优化目标，提出加工轨迹 和控制的优化策略 研究机床结构和几何尺寸（例如铰链点 布置，腿的尺寸，立柱、横梁的截面形 状尺寸等）对静刚度的影响，这对于机 床的设计有指导意义
3.2 基于ANSYS的分析平台
ANSYS的结构分析模块： 静态分析（Static Analysis） 模态分析（Modal Analysis） 谐分析（Harmonic Analysis） 瞬态动力分析（Transient Dynamic Analysis） 谱分析（Spectrum Analysis） 屈曲分析（Buckling Analysis） APDL语言
3.3 并联机床的静刚度实验
X
Y
主轴
工件
F
工作台
电涡流位移传感器s1
4 研究任务和论文进度
研究任务 建立基于ANSYS的分析平台，利用ANSYS对五坐标 串并混联机床的静刚度进行预估 在已有的理论模型的基础上，考虑机床机架弹性 变形，建立更加完善的机床静刚度数学模型 利用该静刚度模型，以静刚度作为目标，提出一 种加工轨迹的控制和优化策略 研究部件的物理结构和机构尺寸对机床静刚度的 影响，为机床设计提供参考 完成并联机床的静刚度实验
2.1.4 刚体动力学小结
建模过程已经不存在任何技术问题，研 究工作主要针对以下几个方面 （1）构造形式简洁的动力学模型 （2）研究模型的完备性 （3）给定机械手末端执行器运动轨迹，以 减小伺服电机驱动力为目标，优化并联 机械手的结构和惯性参数
2.2 静刚度分析文献综述
静刚度：机床抵抗恒定载荷的能力，是 机床重要性能指标之一 动刚度：机床抵抗变载荷的能力

T
T LT diag(k1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 )L M
F
( RP s1 ) T 1 ( RP2 s 2 ) T ( RP s 3 ) T 3 ( RP4 s 4 ) T ( RP s 5 ) T 5 T ( RP s 6 ) 6
2.2 静刚度分析文献综述
对于并联操作手，其静刚度特性是动平台位姿的函数， 相关的研究比传感器的应用要复杂 （1）Gosselin：针对多类平面并联机构型与Stewart 平台构型，建立了仅考虑传动支链弹性变形时操作 力与末端变形的映射模型 （2）Khasawneh：借助奇异值理论研究了给定末端 位姿后，沿任意方向的刚度及其极值间的比例关系 （3）Clinton ：利用结构矩阵方法，建立基于 Stewart平台构型的六自由度并联磨床的刚度模型
1.8065
1.7287
1.8341
1.7691
0.7194
0.7111
-200
-200
1.9528
1.8743
1.6873
1.6228
0.7247
0.7156
表1 数学推导结果和有限元结果的比较
3.1.2 机架子系统
拟采用的方法：结构力学中的结构矩阵 和有限元法的相关理论和方法，也就是 将立柱和横梁视为三维梁单元，再通过 变形协调和相关的物理几何约束求解子 系统的刚度矩阵
有限 元结 果
数学 推导 结果
有限 元结 果
0
0
1.7400
1.6747
1.7403
1.6751
0.6700
0.6648
200
200
1.6805
1.6155
1.9623
1.8842
0.7141
0.7063
-200
200
1.8422
1.7773
1.8000
1.7218
0.7197
0.7110
200
-200
r RP li si Bi i
RP li si li si i
J L
L l1
l 2
l3
l 4
l 5
l 6 T
F M K kui kd i ki kui kd i
2.4 问题的提出
一般的研究并没有考虑由于机架弹性变 形对刚度的影响 在模型一般经过大量得简化，因此上述 的研究中缺少实验环节 现有的模型难以为实际的加工提供有效 的控制策略或者为机床设计提供适当的 优化措施
3 课题研究内容及技术路线
并联机床的静刚度模型的建立 基于ANSYS的分析平台 并联机床的静刚度实验
2 3 4
5 6 7
谢谢大家！
施加载荷 静刚度分析：立柱底部的自由度载荷 受力点的点载荷 模态分析：只需要施加自由度载荷 选择求解器 静刚度分析： 模态分析：
3.2.3 后处理子模块
ANSYS中有两个后处理器：通用后处理 器POST1和时间历程处理器POST26，利 用它们可以访问分析结果数据库，以图 形显示和数据列表两种方式输出结果
3.2.1 前处理子模块
单元类型选择 动平台：选用三自由度的实体单元SOLID92 立柱、横梁和上下腿：选用三维六自由度的梁单 元BEAM189 铰链的模拟 铰链点的位置：定义关键点和硬点 运动约束：耦合自由度 参数化设计 结构参数：铰链位置、动平台位姿 部件的几何参数：
3.2.2 求解子模块
2.2 静刚度分析文献综述
从近两年来相关的IEEE会议录中可以看到， 对于并联机器人和并联机床的静刚度研究 又有新的发展 （1）Svinin等（2001）：研究了并联机器 人中预加内力对刚度的影响，并通过刚度 矩阵进一步研究了机器人的稳定性问题 （2）黄田等（2001）：针对一种三坐标并 联机床提出了机架的弹性变形对机床静刚 度的影响
K J T diag(k1 , k2 , k3 , k4 , k5 , k6 ) J
Eui Aui kui lu i
kd i
Edi Adi ld i
X坐 标 (mm)
Y坐 标 (mm)
X向位移（μ m）
Y向位移（μ m）
Z向位移（μ m）
数学 推导 结果
有限 元结 果
数学 推导 结果
并联机床的静刚度预估
——硕士生开题报告 研究生： 导 师：
从四个方面进行汇报
课题背景 国内外研究现状和发展趋势 课题研究内容 研究任务和论文进度安排
1.课题背景
并联机床实质是机床技术和机器人技术相结合的 产物，其原型是Stewart并联机器人，后来又 演化出许多新的构型。 因而它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既 可以看作是机器人化的机床，可以完成机床的 切削任务；又可以看作是机床化的机器人，可 以完成许多精密的机器人作业，是集多种功能 于一体的新型机电设备。
2.2 静刚度分析文献综述
小结： （1）静刚度的分析中，刚度矩阵的求算是 一个关键 （2）对于Stewart平台型的并联机器人， 机架弹性变形往往不考虑，对于进行切 削作业的并联机床，这是不合适的
2.3 结构动力学分析的文献综述
弹性动力学的建模 有关并联机床弹性动力学建模的研究在国 际上尚处于刚起步阶段，相应的理论还 很不成熟，所构造的模型过于复杂，不 利于探讨结构的几何和物理参数对机床 动态特性的影响
2.1.3 虚功原理法
Huang：分别将各运动构件视为刚体， 利用虚功原理和影响系数法建立Stewart 平台动力学模型 Tsai（2000年）：提出连杆雅可比矩阵 的概念，并据此导出形式更加简洁的 Stewart平台机械手的动力学方程
2.1.4 刚体动力学小结
几种方法的比较 牛顿－欧拉法：尽管牛顿—欧拉法物理意义明确，但 因需要首先求出铰链内力 拉格朗日法：可导出标准形式的动力学模型，但由于 涉及到大量的偏微分推导和运算，过程过于繁复 虚功原理：操作空间与关节空间速度和加速映射关系 的解析形式可以比较容易的从雅可比矩阵和海赛矩 阵直接推导出，并由此可方便地导出各运动构件的 广义速度和广义力
2.国内外研究现状和发展趋势
刚体动力学分析 静刚度分析 结构动力学分析
2.1 刚体动力学分析文献综述
动力学正解问题：已知伺服电机驱动力， 求末端执行器的运动特性 动力学逆解问题：给定末端执行器的位 姿、速度和加速度，反求伺服电机驱动 力
2.1.1 牛顿－欧拉法
Sugimoto（1987） ：利用牛顿—欧拉法和旋 量代数理论构造了Stewart并联机械手动力学 逆解模型 Ji（1993）：研究了腿的惯性在不同情况下对 驱动力的影响 Dasgupta和Mruthyunjaya（1998和1999年）： 考察了离心力、科氏力、重力和粘性摩擦力等 因素，利用牛顿－欧拉法进一步完善了 Stewart并联机械手的动力学模型，