考虑运动副间隙的平面三自由度并联机构研究

发布时间：2019-01-24 19:57

【摘要】：随着现代制造技术的发展,机械系统需要有更高的效率、更高的精度和更长的寿命。在影响机械系统性能的众多因素中,运动副间隙已经成为国内外机械工程领域迫切需要解决的问题之一。在实际机构中运动副间隙不可避免的存在,并且随着运行时间的增加其尺寸会不断增大,由运动副间隙引起的系统运动精度、动力学特性及稳定性等问题逐渐凸显。并联机构具有刚度大、运动精度高和动态性能好等特点,但由于运动副间隙等因素的存在,机构的优势并未能完全发挥。因此对考虑运动副间隙的并联机构进行研究,具有重要的理论价值和实际指导意义。本文以平面三自由度3-RRR并联机构为研究对象,系统地分析在考虑运动副间隙时,机构的运动学和动力学性能,并提出采用冗余驱动实现间隙抑制,进行实验验证。主要进行以下几方面的研究:考虑平面3-RRR并联机构的多处运动副间隙,将运动副间隙简化为虚拟连杆模型。基于机构的运动学约束方程,推导出了运动副间隙与机构定位误差之间的传递方程,得到一种线性误差传递关系。绘出了机构最大误差在工作空间的分布,揭示出误差分布与机构雅可比矩阵条件数之间的联系。完成了对平面3-RRR并联机构的刚体动力学建模。采用参考点坐标,得到的系统运动方程具有拓展性,便于将运动副间隙处碰撞力引入到方程中。对考虑间隙的平面转动副进行了详细描述,将碰撞力、摩擦力及润滑多种因素考虑在内,采用Bathe两步积分法求解所建立的方程。结果显示运动副间隙对3-RRR机构动力性能影响明显,增加了运动副处碰撞力,导致末端平台加速度产生波动,降低了系统的稳定性。为了对考虑运动副间隙的3-RRR机构性能有更全面的认识,深入分析了十种不同因素对系统性能的影响,分别是:运动副间隙大小、运动副间隙分布位置、运动副间隙数量、材料杨氏模量、材料恢复系数、材料摩擦系数、润滑情况、动平台运动轨迹、运动速度和负载大小。以平台加速度均方差定量化作为评价指标,结果表明各种因素对系统影响程度不同,其中运动副尺寸、摩擦力和运行速度影响最为明显。完成了对考虑运动副间隙的3-RRR机构的弹性动力学建模。建模时将驱动杆视为刚性杆而从动杆视为弹性杆,刚性杆采用绝对自然坐标法描述,弹性杆采用绝对节点坐标法描述,降低了系统坐标维数。同时针对实际机构中存在的转动副深沟球轴承,进行了详细的几何建模和碰撞模型描述。结果显示杆件弹性降低了运动副碰撞力,缓解了动平台加速度波动。基于对考虑运动副间隙的3-RRR机构分析,提出了一种运动副间隙抑制策略。采用3-RRR机构的一种冗余形式4-RRR机构,实现机构在任意位置和姿态下的静力平衡。通过预紧从动杆,使运动副间隙等效在从动杆上,从而有效降低了间隙的影响。之后考虑驱动关节处的回程间隙,对冗余4-RRR机构进行了驱动力优化。结果显示,通过4-RRR机构抑制间隙后,机构的运动学性能和动力学性能均得到改善。最后,对平面4-RRR机构进行了运动学定位实验。首先得到间隙抑制前机构运动误差在工作空间的分布。然后通过运动副间隙抑制策略,有效提高了系统定位精度和重复定位精度。之后采用误差补偿,进一步提高了系统精度。实验验证了基于冗余机构的间隙抑制策略的有效性。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112

【参考文献】