对称并联机构构型优选及尺度综合的自动化方法

发布时间：2017-04-20 12:11

  本文关键词：对称并联机构构型优选及尺度综合的自动化方法，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：对称并联机构具有各向同性、高承载、高刚度等优点,他们广泛应用于航空薄壁构件的加工中。所在实验室设计了基于并联机构的大型铣削装备,但其核心Exechon和Tricept机构均为国外专有,如何开发一套具有自主产权的新机构,是打破国外独有专利的关键。新机构的设计需要对对称并联机构构型进行创新,涉及机构拓扑分析,构型优选和尺度综合等内容。由于并联机构的空间复杂性,目前新机构设计主要依靠经验和手工分析,导致拓扑层面难以完全遍历,构型优选缺乏统一的自动化方法,尺度和结构参数无法同步设计等问题。而且至今尚未有一套对并联机构从拓扑和尺度综合到结构参数设计优化进行计算机自动化实现的理论或程式。针对于此,本文以对称并联机构为研究对象,在构型优选和尺度综合的自动化方面做了初步的尝试。本文设计了一种对称并联机构构型优选及尺度综合的自动化方法,通过建立对应的基于图论的数字化模型,以及基于粒子群算法的构型优选模型和尺度结构参数同步优化模型,实现了对称并联机构从拓扑到尺度到结构参数的自动优化分析设计,为并联机构的设计和优化提供了一个快捷而又有效的工具。本文的主要成果总结为以下几个方面:1)建立了对称并联机构的图论模型及其数字化表达模型;实现了机构构型到构型矩阵的映射;建立了基于广义邻接矩阵的自由度分析模型和拓扑遍历模型;完成了三自由度和六自由度对称并联机构的自动构型拓扑遍历。2)建立了基于运动旋量的运动副轴线程序化表示方法,实现对初始化的三维对称并联机构的任意轴线重新配置;运用旋量理论,实现了任意初始化构型的速度雅可比自动计算;建立了基于粒子群算法的并联机构构型优选模型;通过构型优选实例,验证了本文方法的有效性,为并联机构的优化设计提供了进一步的参考指导。3)考虑构件本身的承载受力因素,设计了一个通用的并联机构尺度-结构参数同步优化模型;建立了基于嵌套粒子群算法的同步优化方法,通过外层粒子群进行尺度优化,内层粒子群进行结构优化;基于弹性力学理论,同时引入结构匀载条件,通过弹性力学分析完成了Tricept机构的尺度和结构参数同步优化。本文形成了一套针对对称并联机构构型分析与尺度综合的自动化方法,可以对并联机构的拓扑、尺度、结构等设计和分析进行计算机自动化实现,整个过程无需人工繁琐的计算,程序产生的最后结果可以为设计者提供有价值的参考信息或者直接应用到实际中去。该平台为新型并联机构的开发和优化提供了可参考的方案,同时也大大提高了构型设计与分析的效率。
【关键词】：并联机构 构型优选 尺度综合 优化
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 符号表10-16
• 第一章 绪论16-25
• 1.1 研究背景16-18
• 1.2 国内外研究现状18-23
• 1.2.1 图论在机构综合中的应用18-19
• 1.2.2 并联机构构型综合方法19-20
• 1.2.3 并联机构性能评价指标20-21
• 1.2.4 机构尺度综合和结构优化方法21-22
• 1.2.5 优化算法在机构设计与分析中的应用22-23
• 1.3 本文研究内容23-25
• 第二章 基于图论的对称并联机构构型自动生成25-40
• 2.1 图论在机构分析中的应用25-31
• 2.2 对称并联机构构型的图论模型31-36
• 2.2.1 空间机构拓扑图的定义31-32
• 2.2.2 对称并联机构的拓扑图32
• 2.2.3 对称并联机构拓扑图的代数表示与性质32-36
• 2.2.4 构型拓扑函数36
• 2.3 基于广义邻接矩阵的自由度分析36-37
• 2.4 基于广义邻接矩阵的拓扑遍历37-39
• 2.4.1 三自由度对称并联机构拓扑遍历38
• 2.4.2 六自由度对称并联机构拓扑遍历38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 基于粒子群算法的构型优选40-67
• 3.1 运动副轴线的旋量表示40-45
• 3.1.1 线矢量及旋量的定义40-41
• 3.1.2 运动副轴线的旋量表示41-42
• 3.1.3 构型运动副轴线初始化42-45
• 3.2 速度雅可比的自动计算45-50
• 3.2.1 广义速度雅可比的计算45-49
• 3.2.2 少自由度并联机构速度雅可比49-50
• 3.3 基于粒子群算法的构型优选50-66
• 3.3.1 平面机构构型优选51-57
• 3.3.2 空间对称并联机构构型优选57-66
• 3.3.3 结论66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 机构尺度与结构参数同步优化67-84
• 4.1 尺度与结构参数同步优化67-68
• 4.2 尺度与结构同步优化模型68-73
• 4.2.1 同步优化设计变量68-71
• 4.2.2 尺度与结构优化目标71-72
• 4.2.3 同步优化约束条件72-73
• 4.2.4 同步优化函数模型73
• 4.3 同步优化算法73-76
• 4.3.1 算法设计流程74-75
• 4.3.2 外层粒子群尺度优化75
• 4.3.3 内层粒子群结构优化75-76
• 4.4 实例分析：TRICEPT机构尺度与结构同步优化76-83
• 4.4.1 机构的运动学分析76-78
• 4.4.2 机构的弹性动力学分析78-81
• 4.4.3 低阶固有频率分析81
• 4.4.4 同步优化模型设定81-82
• 4.4.5 结果分析82-83
• 4.5 本章小结83-84
• 第五章 结论与展望84-87
• 5.1 全文总结84-86
• 5.1.1 研究成果84-85
• 5.1.2 技术成果85-86
• 5.2 研究展望86-87
• 参考文献87-91
• 附录91-95
• 附录A91-94
• 附录B94-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利96

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本文编号：318671