两种2R1T运动等效并联机构的优化设计及约束性能对比分析

发布时间：2020-05-22 03:03

【摘要】：两转一移(2R1T)三自由度并联机构具有广阔的工程应用前景,是机构学领域和工业领域中被关注的焦点。本文以两种2R1T三自由度并联机构为研究对象开展了运动等效并联机构理论研究,体现了从运动等效机构的演化到运动/力传递性能分析及尺寸优化设计,再到机构间约束性能对比分析的一整套研究思路,在帮助避免领域内出现一些重复性工作的同时也为实际工程应用背景下并联机构的设计提供了尺寸参考和更多潜在的的构型选择。本文首先以2RPU+UPR并联机构为研究对象,对运动等效并联机构的演化机理作出了详细的阐述,给出了演化机理的数学表达形式并且基于演化机理演化出了2RPU+UPR并联机构的多种运动等效并联机构。其次,文章简要介绍了并联机构的运动/力传递指标的概念,基于运动/力传递指标分析2RPU+UPR及其运动等效并联机构的运动/力传递性能,并绘制2RPU+UPR及其运动等效并联机构的传递性能图谱。通过2RPU+UPR并联机构的几何约束关系得到了参数优化设计空间,以全局传递指标与优良传递姿态空间大小为优化指标对机构进行了尺度综合。然后,介绍非过约束并联机构运动/力约束指标,对输入约束指标求解中存在的一些问题以及指标的物理意义进行了探讨。引入冗余驱动并联机构传递性能的分析方法,以其为参考给出过约束并联机构的运动/力约束指标的求解思路。在基于运动/力传递性能的优化尺寸下,绘制2RPU+UPR及其运动等效并联机构的输出约束指标图谱,并求解各机构在无传递奇异姿态空间中的全域约束指标值,对比分析2RPU+UPR机构及其运动等效并联机构之间的约束性能差异。最后,以非对称3PRS并联机构为例对文章体现的针对运动等效机构的整套研究思路进行了回顾与验证。针对非对称3PRS机构及其运动等效并联机构,分析其运动/力传递性能并基于运动/力传递性能对其进行尺寸优化设计,再对比分析其运动/力约束性能,在非对称3PRS机构及其运动等效并联机构中实现兼顾传递与约束性能的构型优选。
【图文】：

自 Stewart 于 1965 年提出一种新型的基于六自由度空间并联机构的飞行模，并联机构以其相较于串联机构而具备的独特的优势，如承载能力强、运、结构紧凑以及高速、高刚度等，一直是大批国内外学者的关注的焦点问题[1，在并联机构的多数应用场合中其实并不需要六个自由度(例如并联机床的多数应用场合下往往不需要绕动坐标系 z 轴的转动)[4]，因此少自由度并联而生。少自由度并联机构相较于六自由度并联机构而言拥有结构更加简单量更少以及工作空间/机构体积比更大等优点，工程应用前景非常广泛。目由度并联机构已经成功广泛应用于工程实际中的案例主要有：法国教授 Cla88 年提出的 Delta 并联机构已被广泛应用在食品、医药、电子等领域中的及分拣作业中，如图 1-1 所示；Neumann[6]教授于同年发明的 Tricept 并联机车零部件加工及装配领域中应用广泛，如图 1-2 所示；由德国 DS Technolo于3PRS并联机构研发的的Sprint Z3动力头[7]在航空航天飞行器的大型结构占据了重要的地位，如图 1-3 所示；艾克斯康公司以 2UPR+SPR 并联机构模块研发的 Exechon[8]机床，如图 1-4 所示。

自 Stewart 于 1965 年提出一种新型的基于六自由度空间并联机构的飞行模，并联机构以其相较于串联机构而具备的独特的优势，如承载能力强、运、结构紧凑以及高速、高刚度等，一直是大批国内外学者的关注的焦点问题[1，，在并联机构的多数应用场合中其实并不需要六个自由度(例如并联机床的多数应用场合下往往不需要绕动坐标系 z 轴的转动)[4]，因此少自由度并联而生。少自由度并联机构相较于六自由度并联机构而言拥有结构更加简单量更少以及工作空间/机构体积比更大等优点，工程应用前景非常广泛。目由度并联机构已经成功广泛应用于工程实际中的案例主要有：法国教授 Cla88 年提出的 Delta 并联机构已被广泛应用在食品、医药、电子等领域中的及分拣作业中，如图 1-1 所示；Neumann[6]教授于同年发明的 Tricept 并联机车零部件加工及装配领域中应用广泛，如图 1-2 所示；由德国 DS Technolo于3PRS并联机构研发的的Sprint Z3动力头[7]在航空航天飞行器的大型结构占据了重要的地位，如图 1-3 所示；艾克斯康公司以 2UPR+SPR 并联机构模块研发的 Exechon[8]机床，如图 1-4 所示。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112

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本文编号：2675342