少自由度并联机构刚度和动特性一体化建模与性能分析

发布时间：2017-11-11 09:31

  本文关键词：少自由度并联机构刚度和动特性一体化建模与性能分析

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【摘要】：并联机构作为大型铝合金结构件高效加工装备的核心功能部件,其刚度和动力学性能将会直接影响工件的加工精度和加工效率。但是,目前对于并联机构刚度和动特性的分析,学术界通常是进行单独建模及单独分析,并未建立起一种可同时用于机构刚度和动特性分析的模型。有鉴于此,以一类少自由度并联机构为研究对象,本文建立了该类机构的刚度和动特性的一体化模型。全文取得的成果总结如下:首先,依据该类少自由度并联机构的拓扑特点,采用子结构综合技术推导其弹性动力学方程。建模时,将整机分成动平台、基座和支链子系统。为了计入支链的弹性和复杂结构对整机性能的影响,借鉴有限单元法的思想将支链离散成具有等效截面的空间梁单元,建立其动力学模型。为计入各关节的弹性,将各关节简化成集中于其几何中心的具有等效刚度的6自由度弹簧。因动平台的刚性较大,故建模时将其视为刚体并采用牛顿第二定律建立其动力学模型。分别计入支链和动平台以及基座间的变形协调条件,得到系统的动力学方程。然后,为验证所建弹性动力学模型的有效性,以A3为例,借由天津大学搭建的实验平台进行了相关对比。刚度及固有特性的解析结果和实验结果的对比表明,所建解析模型具有较高的计算精度,可用于该类机构的刚度和动特性预估与分析。继而,以四种典型并联机构A3、Z3、Exechon和Exe-Variant为例,进行了其刚度在工作全域内的快速预估,并进行了相关的参数影响分析。研究结果表明,四种典型机构的刚度随位姿变化,且由于其机构的结构特点导致刚度在工作平面上的分布呈现出对称性。四种典型机构的刚度对比表明,在尺度参数、工作空间大致相同的情况下,Z3头的刚度性能优于A3头,Exe-Variant并联模块具备与Exechon并联模块同样优良的刚度性能。四种典型机构的刚度参数影响分析表明,机构的尺度参数、结构参数对整机刚度性能影响较大,因此建议在该类机构的设计阶段应予以考量。最后,进行了四种典型机构的固有特性分析。研究结果表明,四种典型机构的固有频率随位姿变化,且其在工作空间内的分布呈现出对称性。四种典型机构固有频率的参数影响分析表明,机构的尺度参数、结构参数对整机的动力学性能具有较大影响,在该类少自由度并联机构的设计阶段应予以考虑。另外,四种典型机构在工作空间内的固有特性对比表明,在尺度参数、工作空间大致相同的情况下,Z3头的动力学性能优于A3头,Exe-Variant并联模块的动力学性能比Exechon并联模块更加优良。本文的研究方法结合了有限元法和解析法的优点,兼具有限元法的计算精度和解析法的建模效率,可扩展到其他类型的并联机构,相关成果可对一类少自由度机构的结构优化、减振、抑振等具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V262;TH112

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本文编号：1170822