空间多闭环过约束机构受力机理分析

发布时间：2020-05-21 16:23

【摘要】：空间多闭环过约束机构因过约束的存在具有承载能力大、精度高等优点,在机器人、航空航天、医疗等众多领域得到了广泛应用。但也因过约束的存在空间多闭环过约束机构的受力问题属于静不定问题,加大了此类机构受力分析的难度和复杂性。本文将空间多闭环过约束机构分为被动过约束并联机构、主动过约束并联机构和被动输入过约束机构,对空间过约束机构的受力问题展开系统地研究,主要研究内容如下:针对四面体构架式可展天线机构的多环耦合特性,基于并联机构自由度分析理论和拆杆-复原-等效的思想提出了一种空间多闭环耦合机构的自由度分析方法。应用提出的拆杆等效法分析了3RR-3RRR四面体多闭环机构的自由度,为后续进行受力分析奠定基础,同时将该方法推广应用于其它几种空间多闭环耦合机构的自由度分析问题中。将存在公共约束或并联冗余约束的一般过约束并联机构称为被动过约束并联机构。根据分支变形特点将被动过约束并联机构分为分支刚度解耦和分支刚度耦合机构。考虑分支杆的拉伸、扭转和弯曲复合变形推导了分支过约束力螺旋系柔度矩阵的解析表达式,分别提出了求解两类被动过约束并联机构受力问题的方法,建立了驱动力螺旋、非过约束力螺旋、过约束力螺旋幅值与外载荷、系统弹性变形之间的解析关系式,揭示了分支刚度对被动过约束并联机构受力分配的影响机理。应用提出的受力分析方法对分支刚度解耦机构2RPU+SPR和分支刚度耦合机构3-RRC进行了受力分析。根据分支在重力作用下是否产生了沿过约束力螺旋方向的附加约束力/力偶,将考虑重力作用下被动过约束并联机构的受力分为两种情况。以分支刚度解耦并联机构2RPU+SPR、分支刚度耦合并联机构3-RRC、平面被动过约束并联结构3-RR、空间被动过约束并联结构7-SS为例,给出了考虑重力作用时两种情况下被动过约束并联机构的受力分析方法。将采用可控驱动元件(如电机)且存在冗余驱动的并联机构称为主动过约束并联机构。以2SPS+P主动过约束并联机构为例,研究了考虑系统弹性变形条件下主动过约束并联机构满足的位移协调关系;建立了2SPS+P机构分别采用全位置控制、全力控制、力/位混合控制时,分支驱动力、输出位移、外载、分支刚度之间的关系,并搭建实验平台展开了实验研究。将采用不可控驱动元件(如扭簧)且存在冗余驱动的机构称为被动输入过约束机构。以被动输入过约束机构3RR-3RRR为例,建立了扭簧刚度与机构展开运动之间的关系,分析了扭簧数量、刚度对3RR-3RRR机构驱动力矩的影响,并基于动力学仿真软件Adams进行了仿真验证。基于加权广义逆理论推导了被动过约束并联机构、主动过约束并联机构和被动输入过约束机构静不定力学问题的加权广义逆解与驱动力/力矩、约束力/力偶幅值之间的关系,并揭示了加权广义逆解的物理意义。加权广义逆的应用为空间多闭环过约束机构提供了一种简便、快速的受力分析方法。
【图文】：

锻造操作机,并联机构

当并联机构的各支撑分支提供给动平台的约束中存在公共约束或并联冗余约束时，这类并联机构称为过约束并联机构[1,2]，即这类机构中存在起重复限制作用的约束。由于过约束力/力偶的大小由外载荷和系统刚度决定，不能主动分配，又将这类过约束并联机构称为被动过约束并联机构[3,4]。被动过约束并联机构因过约束的存在具有刚度高、承载能力大的优点，可在重载场合发挥重要作用，，近年来受到了越来越广泛的关注。德国 SMS-MEER 公司生产的几款锻造操作机(见图 1-1 和图 1-2)，其悬挂机构采用平行 4-SS (S 表示球副)被动过约束并联机构；一种微跟踪伺服装置采用了 3-RRR(R 表示转动副)球面过约束机构[5]；XT700—国内研发的新型并联机床(见图 1-3)，本体采用了三自由度被动过约束并联机构 2UPR+SPR[6](U 和 P 分别表示虎克铰和移动副)；n-SS(n≥7)型大量程六维力传感器[7,8]亦采用的是被动过约束并联机构构型，例如，7-SS 并联结构六维力传感器(见图 1-4)；3-RRC(C 表示圆柱副)[9,10]、4-UPU[11]、2RPU+UPU[12]、3-PRRR[13]等少自由度并联机构也属于被动过约束并联机构，还有“GG 问题”中提到的多种古典过约束机构[14]156-194。

锻造操作机,并联机构

当并联机构的各支撑分支提供给动平台的约束中存在公共约束或并联冗余约束时，这类并联机构称为过约束并联机构[1,2]，即这类机构中存在起重复限制作用的约束。由于过约束力/力偶的大小由外载荷和系统刚度决定，不能主动分配，又将这类过约束并联机构称为被动过约束并联机构[3,4]。被动过约束并联机构因过约束的存在具有刚度高、承载能力大的优点，可在重载场合发挥重要作用，近年来受到了越来越广泛的关注。德国 SMS-MEER 公司生产的几款锻造操作机(见图 1-1 和图 1-2)，其悬挂机构采用平行 4-SS (S 表示球副)被动过约束并联机构；一种微跟踪伺服装置采用了 3-RRR(R 表示转动副)球面过约束机构[5]；XT700—国内研发的新型并联机床(见图 1-3)，本体采用了三自由度被动过约束并联机构 2UPR+SPR[6](U 和 P 分别表示虎克铰和移动副)；n-SS(n≥7)型大量程六维力传感器[7,8]亦采用的是被动过约束并联机构构型，例如，7-SS 并联结构六维力传感器(见图 1-4)；3-RRC(C 表示圆柱副)[9,10]、4-UPU[11]、2RPU+UPU[12]、3-PRRR[13]等少自由度并联机构也属于被动过约束并联机构，还有“GG 问题”中提到的多种古典过约束机构[14]156-194。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112

【参考文献】