2PRU-（2PRR）U并联机构运动学及性能分析

发布时间：2017-08-22 05:39

  本文关键词：2PRU-（2PRR）U并联机构运动学及性能分析

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【摘要】：随着并联机构理论与技术的发展，并联机构在工业制造领域得到了广泛应用。由于少自由度并联机构相比6自由度并联机构具有结构简单、造价低、易于控制等优点，从而成为机构研究领域的热点。在此背景下，本文提出一种新型的1T2R三自由度并联机构，并进行了运动学及性能的分析与研究，具体内容如下： 1)运用螺旋理论知识对2PRU-(2PRR)U并联机构的自由度进行分析，得出本机构具有1T2R三个自由度。采用u-v-w欧拉角对机构动平台的位姿进行描述，根据机构之间的位置关系得出动平台绕w轴转动的角γ恒为0，因此本文采用（Pz, θ, ψ）三个参数来描述动平台原点的位姿。 2)根据机构的结构简图，采用几何作图法，推导出机构的位置正逆解方程组，其中逆解有16组解，排除干涉的解后，共有12组可行解。在工程应用中，可根据能量消耗最小原则选出一组最优解。 3)根据刚性连杆两端点沿杆方向的运动速度相同的特性，推导出并联机构驱动输入与末端执行器输出之间的速度映射矩阵（雅可比矩阵）。分析计算雅可比矩阵行列式的值，得出机构的奇异位形的位置及特点，其中有2种边界奇异、1种局部奇异和4种结构奇异。 4)根据机构的奇异性特点，确定机构动平台的最大摆动能力，通过分析成对U铰、连杆之间的干涉以及驱动滑块的工作范围对摆动能力的影响，确定修正后的摆动能力并基于MATLAB软件采用数值搜索法对机构的工作空间进行搜索并绘制相关图谱。通过图谱分析，得出机构的工作空间为上下端面是部分球面的一个柱体。 5)在一定模型假设的基础上，根据虚功原理推导出机构的静刚度与承载能力的计算公式。根据机构的驱动输入与末端执行器输出之间的映射关系，推导出机构灵巧度值的计算公式。通过分析实例的计算结果及绘制的相关图谱，发现机构工作在奇异位形时其性能较差，在中心位置时性能较好。 6)以并联机构的工作空间、静刚度、灵巧度及承载能力为优化目标，，运用归一化法及加权法将多目标问题转换成单目标问题，并以此作为遗传算法的适应度函数，采用自适应遗传算法对机构进行尺寸优化。根据优化结果，利用SolidWorks软件建立机构的三维模型，通过ADAMS软件模拟仿真并验证上述运动学分析结果。
【关键词】：2PRU-(2PRR)U并联机构 运动学 机构性能 自适应遗传算法 优化
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题的研究背景及现实意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 并联机构发展概述11-12
• 1.2.2 三自由度并联机构的研究现状12-17
• 1.3 本课题主要研究内容17-18
• 第2章 2PRU-(2PRR)U 并联机构的构型及位置分析18-31
• 2.1 机构结构描述与坐标系建立18
• 2.2 机构自由度分析18-22
• 2.3 牵连运动分析22-23
• 2.4 并联机构位置分析23-30
• 2.4.1 位置逆解24-27
• 2.4.2 位置正解27-28
• 2.4.3 实例分析28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 2PRU-(2PRR)U 并联机构的速度与奇异性分析31-39
• 3.1 速度分析31-35
• 3.2 奇异位形分析35-38
• 3.2.1 边界奇异35-36
• 3.2.2 局部奇异36
• 3.2.3 结构奇异36-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第4章 2PRU-(2PRR)U 并联机构的工作空间分析39-49
• 4.1 摆动能力分析39-40
• 4.2 末端执行器工作点位置40-41
• 4.3 干涉分析41-47
• 4.3.1 虎克铰的干涉分析41-46
• 4.3.2 滑块与定平台间产生的干涉46-47
• 4.3.3 连杆间的干涉47
• 4.4 机构可达工作空间47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 2PRU-(2PRR)U 并联机构的性能分析49-59
• 5.1 静刚度分析49-53
• 5.1.1 静刚度理论基础49-51
• 5.1.2 实例分析51-53
• 5.2 灵巧度分析53-55
• 5.2.1 灵巧度理论基础53-54
• 5.2.2 实例分析54-55
• 5.3 承载能力分析55-58
• 5.3.1 承载能力理论基础55-56
• 5.3.2 实例分析56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第6章 2PRU-(2PRR)U 并联机构的尺寸优化与运动仿真59-69
• 6.1 基于遗传算法的并联机构的尺寸优化59-64
• 6.1.1 机构尺寸参数的编码与解码59-61
• 6.1.2 机构尺寸参数优化的适应度函数61
• 6.1.3 遗传算法的具体操作61-63
• 6.1.4 算法流程63-64
• 6.2 并联机构优化结果64-66
• 6.3 基于 ADAMS 的并联机构的模拟仿真66-68
• 6.3.1 并联机构仿真模型的建立66-67
• 6.3.2 并联机构自由度的验证67
• 6.3.3 并联机构位置正逆解的验证67-68
• 6.4 本章小结68-69
• 第7章 总结与展望69-71
• 7.1 总结69-70
• 7.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 附录：攻读学位期间主要学术成果76

【参考文献】

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本文编号：717380