考虑运动副间隙影响的平面并联机构动力学研究

发布时间：2020-09-12 21:02

　　随着智能制造装备的应用场景对高精度、高速度、高加速度的多自由度运动能力需求越来越迫切,其核心机构的动力学问题成为决定智能制造装备性能的关键问题,严重影响了其工作精度、运行可靠性和寿命周期。以并联机构为给定功能本体的多自由度智能制造装备,因其具有多条运动支链,每条运动支链又含有多个运动副,运动副具有间隙、磨损、润滑等特性,这些运动副特性均能对装备的高速和高精度运行产生不可忽视的动态影响,因此智能装备中并联机构的运动副特性对动力学性能的影响在装备研究领域重视程度与日俱增。围绕智能装备中并联机构本体的高速、高加速度应用需求,本文以面向电子制造装备研发的3自由度构型的3-PRR平面精密定位平台为研究对象,考虑高速、高加速度下运动副间隙、磨损、润滑特性对机构动力学性能的影响展开理论与实验研究。主要工作内容如下:首先,针对运动副的间隙特性,建立了含运动副间隙的3-PRR并联机构的动力学模型,模型整合了机构的动力学方程、含间隙转动副作用力模型和运动构件受力模型,并改进了Bathe积分算法用于保证长时间历程的数值计算,为后续磨损仿真研究提供了算法前提。进而完成了对含间隙3-PRR并联机构的动力学特性的综合仿真分析;并从间隙尺寸、运动轨迹、材料恢复系数三个方面,定量的对含间隙的3-PRR并联机构动态特性进行了分析。其次,针对运动副的磨损特性,提出了基于Archard模型的运动副高频碰撞磨损模型。针对含间隙3-PRR机构运动副轴颈与轴承相对运动复杂,接触碰撞点磨损不连续的特点,以接触点切向速度的积分计算滑移弧长,结合接触区域接触应力模型,实现单步磨损区域的磨损量建模;然后通过线性插值法,将单步磨损区域的磨损量累加到运动副的圆周上,实现磨损轮廓重构;最后通过动态更新阈值,调控运动副磨损轮廓代入机构动力学方程运算时的动态更新速率。通过比较5种不同运动轨迹对机构运动副磨损的影响,发现轴承的磨损轮廓能够很好的与轴颈相对轴承的运动轨迹对应,并反应出轴承孔轮廓的磨损特征,说明了运动副磨损模型的有效性。同时,通过给不同位置的运动关节的磨损寿命排序,探究了不同关节磨损寿命与运动轨迹的关系。然后,针对运动副的润滑特性,提出了修正系数对Pinkus-Sternlicht(P-S)润滑轴承油膜承载力模型进行修正,进而引入到考虑运动副润滑的3-PRR并联机构的动力学方程。讨论了不同修正系数对修正的油膜承载力模型的非线性影响。通过4种承载力模型的应用对比,说明了修正后的P-S模型在3-PRR并联机构动力学分析中的可行性和优势。进而完成了含润滑关节的3-PRR机构的动力学性能的综合分析,并对比了不考虑润滑的含间隙3-PRR机构的动力学特性。通过比较最大加速度误差值、最大速度误差值、最大轨迹误差值及其所在的角位置,定量地分析了润滑油膜对含间隙3-PRR机构的动力学性能的改善作用。整个建模和分析过程,从数值仿真上描述了考虑运动副润滑的3-PRR并联机构的动力学特性,比单独考虑运动副间隙更接近真实的运动副运动情况。最后,设计了间隙元素可更换的简化转动关节,进而搭建了突出运动副特性的3-PRR机构实验系统和测量系统,并围绕运动关节的间隙特性、磨损特性和润滑特性进行了相关实验,通过实验数据对前述相关模型的准确性进行验证。同时,针对理论和实验研究中发现的问题,对未来的工作进行了展望。本文的工作为以平面并联机构为本体的高速精密装备的动力学性能的研究和开发,提供了重要的模型和方法。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH112

【参考文献】