基于动力学分析的改进型Delta并联机构运动可靠性建模技术

发布时间：2017-12-24 04:04

本文关键词：基于动力学分析的改进型Delta并联机构运动可靠性建模技术　出处：《东北大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：Delta并联机构是R.Clavel在1988年提出的,是一种具有3个平动自由度的高速并联机构,也是目前商业应用最成功的并联机构之一。它广泛应用于食品、药品的包装和电子产品的装配。Delta并联机构的最大缺点就是存在多个球铰,加工难度大,精度难以保证。L.W.Tsai于1995年发明了一种简化的3自由度Delta并联机构,该机构的最大特点是它具有3个移动自由度,各运动副均是转动副,工作空间大,定位精度高,累积误差小,刚度高,在工业领域具有很好的应用前景。机构运动可靠性是机构在规定的使用条件下,在规定的使用期内,精确、及时、协调地完成规定机械运动的能力。如今,提高产品的运动可靠性已经成为提高产品质量的关键。并联工业机构之所以没有在对运动精度要求高的工业领域内广泛应用是因为其运动可靠性尚且达不到更高的要求。在并联机构运动中由于构件尺寸形位误差,转动副间隙误差,力作用下的构件弹性变形,主动关节刚度等因素的影响,机构运动末端的轨迹会偏离理想轨迹。因此,需要在分析并联机构动力学和构件受力后弹性变形的基础上,揭示机构误差传递机理,并考虑各个原始输入误差的随机性,建立机构运动可靠性数学模型,给出评价机构运动可靠性高低的量度和计算方法。运动可靠性是机构运动精度高低的更本质的衡量指标。运动可靠性分析是机构优化设计和误差补偿的基础。可见研究基于动力学特性的刚柔混合体并联机构运动可靠性具有重要的现实意义。本文就是以这种改进型Delta并联机构为研究对象,具体研究内容如下：(1)对机构运动学进行详尽的分析。利用矢量法推导机构的位置反解；利用坐标变换消元法推导机构的位置正解,并结合软件仿真实现求解多解取舍问题。利用泰勒展开式将机构的位置方程展开,高效地推导出机构的Jacobian矩阵,然后在机构运动方程的基础上,利用矢量法及其运算规律找出机构末端运动平台质心点、各个杆件质心点、各个关节点的速度和角速度与输入组合角速度的映射关系。(2)利用虚位移原理得到机构静力状态下输入驱动力矩与外载荷之间的关系式,并利用能量法和矢量法将机构各个构件的自身重力加入机构的静平衡关系式中。采用拆杆法和虚位移原理相结合,有效地对机构所有关节的约束力进行求解,同时也找到影响机构静平衡驱动力矩的一些因素。利用虚位移原理建立运动中机构系统的动力学方程,找到输入驱动力矩与外载荷、各个构件重力、惯性力／惯性力矩之间的关系表达式,同时列出了机构运动中各个关节的约束力表达式。(3)利用机构势能的Hessian矩阵来定义机构的刚度,并建立机构的连续刚度模型,在模型中不仅考虑驱动铰链、被动铰链刚度和各个部件重力对机构刚度的影响,还考虑机构位姿变化和在广义外力下各个杆件弹性变形对刚度的影响,并利用机构刚度性能判定指标对机构刚度性能进行判定。提出基于动力学构件弹性变形的机构刚度分析和评价机构刚度特性的新思路,在动力学分析的基础上,利用叠加原理计算出每个杆件约束反力、惯性力作用下的拉压和弯曲组合弹性变形。然后,通过坐标变换法计算出机构的综合弹性变形,进而分析出机构的刚度特性。(4)利用空间向量链分析法,分离出机构末端姿态误差和位置误差,建立机构末端位置误差与构件几何误差的映射显函数。此外,在动力学分析的基础上,考虑主动关节刚度引起的变形传递到机构末端执行器过程中各个构件的惯性力、惯性力矩等动力学因素的影响,得到主动关节刚度误差模型。然后,建立考虑机构动力学因素的机构构件弹性变形误差模型。(5)利用Monte Carlo方法,通过将随机抽样试验得到的原始误差代入由尺寸形位误差、基于动力学分析的主动关节刚度和杆件弹性变形误差组成的综合误差模型,得到机构位置误差统计特征量,进而对改进型Delta并联机构运动位置可靠度进行概率分析。给出改进型Delta并联机构运动位置可靠性灵敏度分析方法。根据机构各种误差源误差传递的特点,采用构造响应面函数的方法分别计算出机构主动臂、从动杆和连接轴的尺寸误差,各个支链的布置位置误差,以及主动臂、两类连接轴姿态误差的均值、方差可靠性灵敏度。此外,基于ADAMS二次开发功能,建立机构运动可靠性分析的仿真模块,结合ADAMS软件自带的ADAMS/flex模块产生柔性体,通过替换原有的刚性体,建立刚柔混合体模型,从而解决构件弹性变形仿真问题。建立基于Monte Carlo法的ADAMS仿真模块需要的参数化样机模型,编程得到符合正态分布的随机误差参数化变量,随机生成具有不同误差的仿真模型,然后将一些刚性构件替换为柔性构件,仿真后对末端执行器的运动轨迹进行分析,借助软件自动进行机构运动可靠性分析计算。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112

【参考文献】