考虑关节效应与构件柔性的四自由度并联机构动力学性能研究

发布时间：2018-03-31 06:24

本文选题：并联机构　切入点：关节效应　出处：《西安理工大学》2017年博士论文

【摘要】：并联机构由于承载能力强、精度高、刚度大和高速等一系列优点在加工机械、航天模拟器、食品包装以及医学领域等具有广泛的应用。然而,在并联机构的研制过程中,制造和装配误差以及构件变形导致了运动副中存在间隙,引起了关节元素之间的接触碰撞和磨损现象,并严重退化了并联机构的动态性能。因此,定量分析间隙关节与构件柔性对并联机构动态性能的影响和预测间隙关节磨损量是目前需要解决的难题。论文针对关节效应与构件柔性对一种新型四自由度并联机构动态性能退化问题进行了系统研究。利用构型演变与螺旋理论综合出一种能实现3转动1移动的4-SPS/CU四自由度并联机构,建立了该并联机构运动学模型和工作空间模型,并基于Grassmann线几何理论与螺旋理论研究了该机构的奇异位形,为该并联机构的设计制造提供了理论依据。为了确定四自由度4-SPS/CU并联机构关节的力传递效果,采用拆杆法对该并联机构进行了静力学分析,通过局部转换矩阵去掉了局部自由度对应的力矩平衡方程,获得了该并联机构所有关节反力,说明了对机构静力学平衡方程中局部自由度预处理的重要性,为该类并联机构的静力学分析提供了理论依据。为了预测关节摩擦效应对该并联机构驱动力的影响,以“Coulomb+viscous”摩擦模型为基础,利用牛顿-欧拉法建立了该并联机构考虑关节摩擦效应的动力学模型,为该并联机构驱动器的选择提供了参考。另外,在该并联机构的球面副中引入间隙模型,为了考虑接触变形量与接触刚度之间的耦合关系,利用球面间隙副元素之间的非线性刚度系数改进了Flores接触力模型,从多体系统动力学的角度建立了该并联机构考虑球面副间隙关节的动力学模型;仿真结果表明球面副间隙的存在严重的影响了该并联机构的动力学性能等结论。为了给考虑构件柔性与间隙关节的并联机构动力学研究奠定理论基础,首先,以空间四杆机构为例,在球面副中引入非规则磨损间隙,提出了一种近似计算间隙球面副元素之间接触面积的方法,通过修正的Lankarani-Nikravesh接触力模型与近似接触面积获得了间隙球面副元素之间的接触应力,利用有限元方法验证了该近似接触面积模型与接触力模型的正确性;并基于Archard磨损模型预测了球面副的磨损深度,为间隙球面副的磨损预测提供了一种更加直接的方法。其次,在考虑间隙关节的情况下同时引入构件柔性特征,基于绝对节点坐标法,视平面五杆机构中的连杆为二维剪切梁,基于Archard磨损模型预测了该机构中间隙转动副的磨损深度。考虑到磨损对转动副元素之间接触刚度的影响,利用非线性的接触刚度系数修正了Flores接触力模型中的Hertz接触刚度系数,并对比分析了多间隙与多柔性构件对间隙转动副磨损深度与该机构动力学性能的影响,相比考虑单个柔性构件与单个间隙关节的机构系统动力学研究,该模型的仿真结果更加接近实际情况,进一步改善了该机构系统的动力学仿真精度。最后,基于绝对节点坐标法,视4-SPS/CU并联机构的上平台为薄板单元,考虑连接上平台与驱动链的某个球面副为间隙球面副。为了预测间隙球面副的3D磨损深度,将法向接触力,切向接触速度和所提出的近似接触面积在全局坐标系中进行分解,并基于Archard磨损模型分别计算了间隙球面副在3个不同方向上的磨损深度,获得了该并联机构中间隙球面副的3D磨损深度与磨损轮廓;并对比分析了上平台是否为柔性构件时对间隙球面副3D磨损现象的影响。分析结果表明间隙球面副的3D模型不但提高了磨损预测精度,而且为空间间隙关节提供了一种新的磨损预测策略。
[Abstract]:In order to predict the influence of joint friction effect on the dynamic performance of the parallel mechanism , this paper presents a dynamic model of the parallel mechanism considering the dynamic performance of the parallel mechanism . In order to predict the coupling relation between the contact deformation and the contact stiffness , a new method for determining the contact area between the joint elements is established . In order to predict the contact area between the contact deformation and the contact stiffness , the paper presents a method for approximating the contact area between the contact deformation and the contact stiffness . In order to predict the 3D wear depth of the gap spherical pair , the 3D wear depth and the wear profile of the gap spherical pair in three different directions are calculated . The results show that the 3D model of the gap spherical pair not only improves the wear prediction accuracy , but also provides a new wear prediction strategy for the space gap joint .

【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH112

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