三平动解耦并联机构弹性动力学研究

发布时间：2020-07-20 19:41

【摘要】：并联机构因其所具备的高刚度、高精度、高承载性能及其结构紧凑等优点,近年来被广泛的应用于各大领域中,随着在生产过程中对机器人的需求,运动速度快、减轻系统运动构件的质量已成为并联机构的发展趋势。但高速、轻量化条件下运动的并联机器人会由于各个支链的弹性变形以及连接构件的运动副存在间隙而引起系统的振动从而产生运动误差,降低系统的稳定性。基于上述背景,本文对一种三平动解耦并联机构进行了弹性动力学的综合研究。首先,为研究支链柔性化对并联机构输出运动特性的影响,本文以3-CPaRR空间解耦并联机构为研究对象,通过该机构各支链的空间位置关系及其机构特性,建立了其运动学关系,并对该机构的解耦特性进行了证明;基于空间矩形梁单元模型、有限元理论和Lagrange方程,通过各支链间的运动协调关系及动力学约束条件分别建立了单支链柔性化条件下和三支链均柔性化条件下的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型,并对理论模型进行了数值仿真,讨论了不同条件下,系统动平台上的输出运动规律;为验证理论建模的有效性,基于UG、Ansys和Adams软件对3-CPaRR解耦并联机构展开了虚拟样机仿真验证。其次,基于空间位置矢量模型,根据该并联机构的空间结构特性,分别建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,并进一步的建立了各支链转动关节处含间隙的运动学模型;基于Lankarani-Nikravesh接触力模型和Coulomb摩擦力模型建立各支链转动副处存在关节间隙时的法向、切向力学模型,并将各被动关节处由于间隙的存在而产生的力向驱动关节处进行转化,从而建立了含关节间隙的3-CPaRR解耦并联机构的弹性动力学模型;最后通过实例分析讨论了单支链柔性化条件下含间隙和三支链柔性化含间隙条件下以及不同的关节间隙量对该并联机构输出运动特性的影响。最后,基于3-CPaRR解耦并联机构的弹性动力学方程,对组成系统支链的驱动构件进行了动力学分析,并基于梁单元矩形截面模型,利用第四强度理论,对3-CPaRR解耦并联机构的驱动构件动应力进行了讨论;基于系统弹性动力学模型,通过该并联机构系统特征方程,对系统的固有频率及其影响因素进行了分析,分别讨论了组成系统支链构件的物理及几何参数与固有频率之间的关系;基于上述对该并联机构动态特性的研究,采用粒子群优化算法,对系统构件的相关参数进行了优化,从而提高了系统的稳定性,降低机构的输出运动误差。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112
【图文】：

串联机器人

大国到制造强国转变，为此，中国提出“中国制造 2025”。其中智能制造已经渗工业生产的日常中，工业机器人在智能制造领域中占有了不可或缺关键地位，人市场份额达 80%[1]，且在各个领域中都具有一定的应用，目前，机器人技术及工业生产、军事领域、医疗卫生、工农业、海洋渔业、服务业等领域[2]。其个领域的关键技术，现已发展成为一门多学科交叉的综合技术行业。机器人技发展已经成为一项衡量一个国家科学技术发展水平的关键指标，机器人技术的不仅从一定程度上解放了部分劳动生产力，其更提高了国家工业科技水平的不仅带动了制造业和装备业的发展，而且还代表着国家工业自动化发展水平[3]串联机器人如图 1-1 所示，其存在转动惯量大、负载低、重复精度低等缺点，大与误差累积原理导致其难以实现高精度的作业。并联机器人如图 1-2 所示，比，其具有较多的一些优点，如机构刚度大、工作过程中承受外部载荷的能力较结果的累积误差相对较小等[4]。并联机器人因其支链结构多空间闭环布置，其相对较多，且组成系统的各条支链之间相互耦合，从而使并联机构在运动过程整个系统的机构产生形变，导致系统的控制和机构末端输出的动态特性发生不等问题[5]。

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对于多体系统动力学的研究多集中在理想刚向着高速、高精度、轻量化方向的发展，仅对其进行刚足并联机构在实际的工作条件下的要求。在高速重载条会由于在运动过程中的弹性变形而使整个系统的稳定性[8]。因此，本章对一种三平动解耦并联机构展开了弹性构的空间位置运动学关系；其次，基于有限元理论、L动平台动力学约束条件建立其弹性动力学模型；然后，分析；最后，通过 Adams 与 Ansys 软件进行虚拟样机解耦并联机构的描述耦并联机构的结构特征并联机构的结构简图如图 2-1 所示，该机构的定平台支执行机构分别是由支链一、支链二、支链三组成，且每2,3)通过圆柱副与固定机架铰接，被动构件BCi i、C Di i、接，动平台通过转动副与构件D Ei i( i = 1,2,3)连接。

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