一类三自由度柔性并联机构分析与研究

发布时间：2017-03-18 07:03

  本文关键词：一类三自由度柔性并联机构分析与研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着计算机技术、集成制造技术的发展,高精密加工领域的需求不断增长,柔性并联机构成为了并联机构研究中的热点领域,其中基于柔性铰链的刚柔耦合机器人凭借微动空间、高分辨率、高精度的优点逐渐引起越来越多学者的研究和应用。本文将设计一类两种具有二维转动、一维移动的三自由度柔性并联机构,该两种并联机构为相同运动副的不同摆放位置,具有相同的自由度运动,但是却具有不同的运动学、静力学特性,以及不同的静刚度和精度特征指标。为了更细致地研究,可以提供更为全面的工程应用,本文将两个并联机构除了纵向的由浅入深的各项研究,还进行了横向的综合对比分析。本文将刚性机构柔顺化,设计了刚柔耦合的柔性并联机构3-SPR和3-RPS,基于伪刚体模型理论,运动螺旋理论对两种并联机构进行了自由度分析和转轴分析,并且求解了机构的约束关系及位置逆解,通过对比分析二者的不同运动特性。对两机构进行了相同的尺寸和姿态设计,除了运动副位置不同以外,二者设计尺寸均一致。建立了三维建模和拓扑模型,对柔性铰链进行了结构选择设计,分析了柔性铰链的角位限制;基于以上尺寸设计,运用边界极限搜索法,通过MATLAB编程求解了两者的工作空间,得到了三维模拟云图,可以直观的看到由运动副不同位置引起的两机构同自由度运动而工作空间不同的特性。经过对比,为工程应用提供理论基础。基于静力学研究了运动副不同分布对并联机构的影响,通过螺旋分析法,分析求解了两个机构的等效驱动力和等效约束力,建立了静力学平衡方程,对比分析了不同的静力学特性;此外,求解了二机构的完全雅克比矩阵。对柔性铰链进行了刚度分析,并建立两个机构的整体刚度模型,并通过有限元仿真,验证了设计满足刚度需求;最终,分析了两个机构不同的静刚度特性。最后,对于精度研究,分析了精度的影响因素,建立了误差映射关系模型,求解了映射矩阵;对两个机构进行了频率特性分析,建立了动力学约束条件和动力学方程,并且对机构进行了模态分析,求解了两机构的固有频率,并且通过仿真验证,对两个机构进精度的对比分析;此外,创新地分析了环境温度对精度影响,以及通过驱动器温度热力耦合进行了仿真研究及优化。本文研究了机构的运动学、静力学、静刚度、精度问题,又横向的通过多项指标,对比分析了同类两种柔性机构不同特性,为工程应用提供了理论基础。
【关键词】：柔性并联机构 运动学 静力学 静刚度 精度
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 课题的研究背景及意义11-14
• 1.2.1 课题的研究背景11-12
• 1.2.2 课题的意义12-14
• 1.3 微动并联机构的国内外研究现状14-16
• 1.4 研究的理论方法及理论根源16-17
• 1.5 本文研究的主要内容17-18
• 1.6 论文创新点18-19
• 第2章 柔性并联机构的的运动学分析19-32
• 2.1 引言19-20
• 2.2 并联机构自由度及转轴分析20-24
• 2.2.1 3-SPR并联机构自由度及转轴分析20-22
• 2.2.2 3-RPS并联机构自由度及转轴分析22-24
• 2.3 并联机构位置反解24-31
• 2.3.1 3-SPR并联机构的位置反解24-28
• 2.3.2 3-RPS并联机构的位置反解28-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 柔性并联机构的工作空间分析32-45
• 3.1 引言32
• 3.2 工作空间概述32-33
• 3.3 工作空间分析因素及条件的确定33-37
• 3.3.1 影响工作空间的因素33-34
• 3.3.2 柔性铰链关节的临界转角及驱动器进给量34-37
• 3.4 3-RPS和 3-SPR并联机构的工作空间的求解37-43
• 3.4.1 3-RPS柔性并联机构工作空间的求解38-40
• 3.4.2 3-SPR柔性并联机构工作空间的求解40-43
• 3.5 两机构的对比总结43-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 柔性并联机构的静力学分析45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 并联机构的静力学分析45-50
• 4.2.1 3-SPR柔性并联机构的静力学分析45-48
• 4.2.2 3-RPS柔性并联机构的静力学分析48-50
• 4.3 约束力及驱动力软件仿真50-52
• 4.4 对比分析52
• 4.5 机构雅克比矩阵的求解及虚功原理的静力学分析52-58
• 4.5.1 3-SPR机构的雅克比矩阵52-56
• 4.5.2 3-RPS机构的雅克比矩阵56-58
• 4.6 本章小结58-59
• 第5章 柔性并联机构构型和静刚度分析59-73
• 5.1 引言59-60
• 5.2 柔性机构的构型设计60-66
• 5.2.0 柔性铰链材料的选择60-61
• 5.2.1 柔性铰链的加工方法61
• 5.2.2 柔性铰链的设计和刚度分析61-66
• 5.2.3 机构的整体支链及构型66
• 5.3 柔性并联机构的静刚度分析66-68
• 5.3.1 并联机构静刚度分析的理论基础。66-67
• 5.3.2 并联机构静刚度分析理论建模67-68
• 5.4 基于有限元思想的刚度分析法68-72
• 5.4.1 基于Ansys Workbench的静刚度有限元分析69-71
• 5.4.2 结果对比分析71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 第6章 柔性并联机构的精度分析73-96
• 6.1 引言73-74
• 6.2 微动并联机构的误差映射。74-76
• 6.2.1 误差映射关系的分析74
• 6.2.2 误差映射矩阵的求解74-76
• 6.3 微动并联机构的频率特性分析76-87
• 6.3.1 系统的动力学方程76-81
• 6.3.2 频率特性分析81-82
• 6.3.3 有限元的仿真分析82-87
• 6.4 热力学的精度分析87-95
• 6.4.1 环境温度场影响精度的理论计算88-89
• 6.4.2.基于有限元的热力耦合89-92
• 6.4.3 热力耦合的多目标优化92-95
• 6.5 本章小结95-96
• 总结与展望96-98
• 致谢98-99
• 参考文献99-102
• 作者简介102
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果102-103

【参考文献】

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本文编号：254071