一种三并联万向腕关节的理论研究

发布时间：2020-07-05 20:34

【摘要】：并联机构所具有的一系列优点,如刚度高、承载能力强、动态性能好、速度快和结构简单等,引起了国际上的广泛关注,并给予了大量的研究。它是机器人和数控机床发展进化的方向之一。然而,并联机构同时又受到数学模型复杂而难于实现快速的实时控制、机构工作空间相对较小、铰链自身存在间隙和接触刚性差等问题的制约,使得大多数并联机构的研究都停留在原理样机阶段,难于实现产业化。尽快解决应用中所面临的关键瓶颈技术问题,在某些局部领域实现并联机构应用的突破并实现产业化具有十分重要的意义。 本文提出一种基于变型万向节的三并联万向腕关节。它的机械结构决定了其具有较大的工作摆角,并且末端执行器(万向节的输出端)在自转的同时可以靠两个并联杆驱动运动平台而获得所需的工作位姿。因此,本机构既可以应用于机器人的腕关节,又可以应用于数控机床的工作头。本机构研究的目的就是针对目前阻碍并联机构广泛应用的一些关键问题,推出一种新型的并联机构进行理论和实验研究,以寻求并联机构应用的有效途径,为并联机床(机器人)产品化提供理论基础和关键技术,推动制造装备技术的发展。 首先,本文通过查阅大量国内、外相关文献,对并联机构在国内、外的发展现状和趋势,优缺点等进行了详细的综述。阐述了本课题的研究意义。 其次,对本机构进行了相关理论的研究。建立了机构的矢量运动学模型,推导了机构的雅可比矩阵,分析了机构的输入、输出速度以及加速度关系,并且对并联杆的速度、加速度进行了详细分析；运用虚位移原理,建立了机构静力学模型,阐明了机构外力、驱动力以及自身重力之间的关系；运用拉格朗日方程,首次推导了机构动力学模型；以机构静力学研究和刚度理论为基础,首次推导了机构静刚度模型,得到机构刚度矩阵,运用机构刚度矩阵条件数,分析得到机构的刚度性能；首次通过分析机构质量矩阵,研究机构的动力学特性；首次通过分析重力系数,研究了机构的重力特性。 最后,还基于UG对机构进行了三维实体模型设计、机构三维运动仿真；基于MATLAB语言的机构静力学、静刚度、机构重力特性、机构动力学特性的仿真和基于MATLAB/Simulink的机构运动学、动力学仿真；并且对机构进行详细的结构设计,绘制机构二维装配图,零件图。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH112
【图文】：

并联机床是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产物。它同时兼顾了机机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床(可以完成机床的切削任务)，又看作是机床化的机器人(可以完成许多精密的机器人作业)。它能够提供机器人的灵柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的新型机电设备。90年代初，国等工业发达国家先后推出了多种并联机床商业化样机，引起了世界制造业的轰动，誉为“机床结构的重大革命”、‘，21世纪的新一代数控加工设备”[3，4]。并联机床的理论基础是空间并联机构理论，早在1890一1894年，ClerkJ.MaxweA.annhelm就进行了空间机构理论的研究。1916年，EGALTMANN设计了一种一个自由度的空间并联机构，用于在房间之运送物品。Gough于1948年最先提出平台式并联机构，用于轮胎测试(如图1.1)，并于1962与whitehall一起设计了由六个并行线性支链支撑两个平台的轮胎测试机15，6]。

从此以后SteW翻rt平台也称作并联机器人。Fichte:于1986年发表了有关并联机器人理论和实际结构的研究成果后‘，0]，引学和机器人学研究者的普遍兴趣。20世纪80年代，人们对并联机构的应用研究在各种并联机械手、机器人上，这期间出现了DEIJ’A(如图1.3)和HEXA并联机者在90年代中后期都已经成功地进行了商品化。瑞士DEMAURREX的DELI叭到2001年底时己经在世界各地卖出了500台套。1993年，美国德州大学附属自动化与机器人研究院(Automation&RobotiesResnstitute，TheUniversityofTexasatArlington)成功研制出可完成铣、磨、钻、锉、高能束加工的多功能并联加工机械手，形成了现代并联机床的雏形，标志着机床进入了一个崭新的阶段。1994年，在美国芝加哥国际机床展览会上，美国Giddings&Lewis公司首次展riax型并联机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视!川。它是一台以平台

VAMTlY(如图1.11)。哈尔滨工业大学、天津大学在CIMT’99北京国际机床展览会上出了自己研制的并联机床。天津大学设计并与天津市第一机床厂联合研制的并联机(如图1.12)也获得成功并达到实用化水平。东北大学研制的DsXS一70型三杆虚拟轴机是由三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度虚拟轴机床(如1.13)[l6]。其中，两自由度串联机构置于运动平台上，整个机构通过三杆的伸缩和两动轴可实现五轴联动，用以完成多种作业任务。由国防科技大学和香港科技大学联合制的银河一2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的在保持原并联机构的诸多优点，如高刚度，高精度和高的运动速度外，用变异机构扩了机床的运动范围。在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面，我国达到了国际先进水平，中部分成果属国际首创[l7，‘8]。目前正在进行虚拟轴机床系列化、实用化的研究，与多

【引证文献】

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2 陈茂圣;基于三并联万向腕关节和二并联机构的混联机构的误差研究[D];东北大学;2010年

3 王洪涛;一种三并联万向工作台的研究[D];东北大学;2008年

4 程果;三对传力杆空间相交轴RCCR机构的力学分析—传力杆受推力时的影响[D];郑州大学;2012年

5 刘明;三并联万向工作台动静态特性的研究[D];东北大学;2009年

6 万里波;一种基于三并联万向节的卧式数控机床的研究[D];东北大学;2010年

7 李斌;一种基于三并联万向腕关节刃磨机床运动学及其控制系统的研究[D];东北大学;2010年

本文编号：2743101