基于重载的3-PRS并联机构的设计

发布时间：2017-04-30 06:00

  本文关键词：基于重载的3-PRS并联机构的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以国家科技重大专项（2009ZX04007-011）“高档数控机床与基础制造装备”为背景，对基于重载的3-PRS并联机构设计的相关特性进行分析。 首先，对3-PRS并联机构进行运动学分析建模，，以Z-X-Z欧拉角描述动平台的姿态，并求解获得3-PRS并联机构的运动学逆解、正解以及雅可比矩阵。 其次，结合3-PRS机构的特征，并基于其运动学逆解，提出了其工作空间的定义方法。该分析以奇异位形确定工作空间的边界，利用TT变换并运用极限边界搜索算法搜索了3-PRS并联机构的工作空间，并进行了工作空间相对于一些关键参数的灵敏度分析，最后对3-PRS机构进行尺度综合分析，从而为该机构的运动学设计奠定了基础。 再次，对3-PRS并联机构的静刚度进行建模分析，在刚度分析建模过程中将丝杠-螺母系统和连杆系统作为弹性结构进行分析，建立局部刚度矩阵。基于虚功原理，推导了3-PRS并联机构的刚度模型得到整体刚度矩阵，并采用刚度矩阵的最大与最小特征值对其刚度性能进行分析，得到整个工作空间内的刚度性能分布。另外给出了特定位姿下仿真实例，并采用有限元模型对理论方法进行验证。 最后，为了保证在加工工程中设备对工件所施加的轴向力恒定，对3-PRS并联机构的力/位控制方案进行了设计。这个轴向力的大小与焊缝质量具有密切的关系。根据搅拌摩擦焊的工艺要求，完成力传感器的选型与布制，并对其受力情况进行理论分析；采用Kalman滤波方法完成了信号采集系统中滤波器的设计；对应用于FSW的3-PRS并联机构力/位控制策略进行分析设计；并利用C++编写了力/位控制软件。
【关键词】：3-PRS 并联机构 运动学 工作空间 静刚度 力/位控制
【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;TG659
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题的研究背景和意义10-14
• 1.1.1 课题的来源10
• 1.1.2 课题的意义10-14
• 1.2 课题的国内外研究现状14-17
• 1.2.1 并联机构的运动学分析14-15
• 1.2.2 并联机构的工作空间分析15-16
• 1.2.3 并联机构的刚度分析16
• 1.2.4 力/位控制的研究16-17
• 1.3 3-PRS 并联机构应用于重型搅拌摩擦焊所存在的问题17-18
• 1.4 本文各章节内容18-20
• 第二章 3-PRS 并联机构运动学分析20-38
• 2.1 引言20
• 2.2 3-PRS 并联机构的基本描述20-25
• 2.2.1 机构描述及坐标系的建立20-22
• 2.2.2 欧拉旋转变换22-25
• 2.3 3-PRS 并联机构反向运动学分析25-31
• 2.3.1 关节位置表述25-26
• 2.3.2 运动约束条件26-28
• 2.3.3 3-PRS 并联机构运动学反解28-29
• 2.3.4 速度映射模型与雅克比矩阵29-31
• 2.4 3-PRS 并联机构正向运动学分析31-36
• 2.4.1 3-PRS 并联机构正向运动学建模31-34
• 2.4.2 3-PRS 并联机构正向运动学求解34-36
• 2.4.3 运动学正解的筛选36
• 2.5 本章小结36-38
• 第三章 3-PRS 并联机构工作空间、灵活度分析38-55
• 3.1 引言38
• 3.2 工作空间的定义38
• 3.3 3-PRS 并联机构的可达姿态空间分析38-43
• 3.3.1 T &T 角描述方法38-41
• 3.3.2 3-PRS 并联机构的可达姿态空间41-43
• 3.4 3-PRS 并联机构的灵活度分析43-46
• 3.4.1 灵活度的性能指标43-46
• 3.4.2 全局条件数46
• 3.5 3-PRS 并联机构的尺寸综合46-53
• 3.5.1 设计参数空间47-49
• 3.5.2 3-PRS 并联机构的可达姿态能力分析49-53
• 3.5.3 3-PRS 并联机构尺寸优化步骤53
• 3.6 本章小结53-55
• 第四章 3-PRS 并联机构的静刚度分析55-72
• 4.1 引言55
• 4.2 刚度的概念55-56
• 4.3 3-PRS 并联机构的关节刚度建模56-59
• 4.3.1 连杆刚度矩阵的建立56-58
• 4.3.2 驱动丝杠系统的刚度建模58-59
• 4.4 3-PRS 并联机构整体刚度矩阵的建立59-60
• 4.5 3-PRS 并联机构静刚度的评价指标60-63
• 4.6 3-PRS 并联机构静刚度的仿真分析63-71
• 4.6.1. 解析法建模仿真分析63-66
• 4.6.2. 有限元建模仿真分析66-68
• 4.6.3. 基于 ANSYS 的 3-PRS 并联机构的刚度分析68-71
• 4.7 本章小结71-72
• 第五章 3-PRS 并联机构的力/位控制策略分析72-92
• 5.1 引言72
• 5.2 机器人力控制概述72
• 5.3 基于 FSW 的 3-PRS 并联机构力/位控制系统的设计72-91
• 5.3.1 力传感器的安装布置72-74
• 5.3.2 滤波器的设计74-78
• 5.3.3 应用于 FSW 的力/位控制方案78-80
• 5.3.4 力/位控制软件的介绍80-82
• 5.3.5 力/位控制实验82-91
• 5.4 本章小结91-92
• 第六章 总结与展望92-94
• 6.1 完成工作总结92-93
• 6.2 后续工作展望93-94
• 参考文献94-98
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文98-99
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目99-100
• 致谢100-102

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