考虑不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计

发布时间：2018-06-26 13:29

  本文选题：并联机构 + 不确定性　； 参考：《山东理工大学》2015年硕士论文

【摘要】：长久以来,不确定性因素就存在于并联机构的设计加工装配等过程中,从而对并联机构的综合性能产生影响。尤其在并联机构多目标优化设计中,不确定性因素一开始就影响着设计变量,进而随着设计变量传播到多个目标函数中,使不确定性因素在多目标函数中积累,导致多目标函数的可靠性降低。虽然对多目标优化设计研究起步较早,不确定性研究也逐步升温,但几乎没有理论将两者结合进行研究。由于六自由度并联机构本身的复杂程度较大,建模、理论计算难度大等原因,其多目标优化设计难度较大,加之将不确定性因素考虑在并联机构设计中的难度更大、研究甚少。本文对新型3-PRRS六自由度并联机构进行研究,考虑设计变量中存在的不确定性因素影响,结合多目标优化设计理论与可靠性设计方法,充分考虑3-PRRS并联机构在设计变量的不确定性进行多目标可靠性优化设计研究。本文的研究工作如下:第一,对3-PRRS并联机构进行运动学研究,建立矢量方程得到运动学反解,并采用解析方法得到机构全部正解。得到机构雅克比矩阵,利用变量代换化简推导了机构位形奇异轨迹的解析表达式,并利用Matlab仿真软件得到机构位形奇异轨迹的三维可视图。充分分析影响工作空间的各个因素,通过三维极坐标搜索法利用Matlab软件编程得到工作空间三维图,初步分析了机构结构尺寸与工作空间的关系,利用影响系数法得到了该并联机构的雅克比矩阵和Hessian矩阵,并通过虚功原理分析了3-PRRS并联机构的逆动力学,并对其进行Matlab数值计算和Adams仿真验证,确保理论分析的正确。第二,介绍了不确定性理论的基础知识,利用概率方法定量地处理并联机构多目标优化设计中的不确定性因素,通过考虑3-PRRS并联机构中存在的随机不确定性问题运用概率论的知识建立了可靠性优化设计模型。建立了基于Isight的不确定性多目标可靠性设计方法。第三,综合考虑3-PRRS六自由度并联机构的工作空间、全域灵巧度指标、线加速度和角加速度性能指标等方面的要求,构建该机构多目标确定性优化模型。然后充分分析3-PRRS并联机构在设计制造中所涉及到的随机不确定性,基于Isight优化软件集成Matlab软件,建立了考虑随机不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计模型,通过确定性优化结果和考虑不确定性的优化结果对比得到了可靠性高的最优解。
[Abstract]:For a long time, uncertainty exists in the design, processing and assembly of parallel mechanism, which has an impact on the comprehensive performance of parallel mechanism. Especially in the multi-objective optimization design of parallel mechanism, the uncertainty factors affect the design variables at the beginning, and then with the design variables spread to multiple objective functions, the uncertainty factors accumulate in the multi-objective functions. The reliability of multiobjective function is reduced. Although the research on multi-objective optimal design started earlier and the uncertainty research gradually increased, there is almost no theory to combine the two studies. Due to the complexity of the six-degree-of-freedom parallel mechanism, the difficulty of modeling and theoretical calculation, the multi-objective optimization design is more difficult, and the uncertainty factor is more difficult to consider in the design of parallel mechanism. In this paper, a novel 3-PRRS 6-DOF parallel mechanism is studied. Considering the influence of uncertain factors in the design variables, the multi-objective optimization design theory and reliability design method are combined. The multi-objective reliability optimization design of 3-PRRS parallel mechanism is studied in the uncertainty of design variables. The research work of this paper is as follows: firstly, kinematics of 3-PRRS parallel mechanism is studied, vector equation is established to obtain inverse kinematics solution, and all positive solutions of the mechanism are obtained by analytic method. The Jacobian matrix of the mechanism is obtained, and the analytical expression of the singularity locus of the mechanism is derived by using variable substitution simplification, and the 3D visual diagram of the singularity locus of the mechanism is obtained by using Matlab simulation software. All the factors affecting the workspace are fully analyzed, and the three-dimensional map of the workspace is obtained by using Matlab software by means of the three-dimensional polar coordinate search method. The relationship between the structure size of the mechanism and the workspace is preliminarily analyzed. The Jacobian matrix and Hessian matrix of the parallel mechanism are obtained by using the influence coefficient method. The inverse dynamics of the 3-PRRS parallel mechanism is analyzed by the virtual work principle, and the numerical calculation and Adams simulation are carried out to ensure the correctness of the theoretical analysis. Secondly, the basic knowledge of uncertainty theory is introduced, and the uncertainty factors in multi-objective optimization design of parallel mechanism are quantitatively dealt with by probability method. By considering the stochastic uncertainty in 3-PRRS parallel mechanism, the reliability optimization design model is established by using the knowledge of probability theory. An uncertain multi-objective reliability design method based on Isight is established. Thirdly, considering the workspace, global dexterity index, linear acceleration and angular acceleration performance of 3-PRRS 6-DOF parallel mechanism, a multi-objective deterministic optimization model is constructed. Then, the random uncertainty involved in the design and manufacture of 3-PRRS parallel mechanism is fully analyzed. Based on the integration of Matlab software with Isight optimization software, the multi-objective reliability optimization design model of 3-PRRS parallel mechanism considering random uncertainty is established. The optimal solution with high reliability is obtained by comparing the deterministic optimization results with the uncertain optimization results.
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112

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本文编号：2070529