新型三转动并联机构虚拟样机设计及综合性能分析

论文摘要

本文面向航空航天、机器人等领域对空间转动机构的需求,在国家自然科学基金的资助下,对天津大学提出的一类新型空间三转动并联机构3-PSS/S的设计理论与方法进行了较为深入的研究,内容涉及运动学分析、虚拟样机设计与工作空间分析、静/动态特性预估等。主要研究成果如下:1.运动学分析。借助螺旋理论推导了该机构自由度数目与类型。利用闭环矢量法建立了机构位置/速度/加速度分析模型,并利用速度雅克比矩阵分析了该机构的奇异性。2.虚拟样机设计及工作空间分析。根据3-PSS/S机构的拓扑结构,确定该机构样机的初步机械结构,并在Solidworks软件平台下开发其虚拟样机。明确该机构的可达工作空间,并通过搜索满足主动副位移、铰链转角、连杆干涉等工程约束的机构工作空间边界,进而分析了机构尺度参数对工作空间的影响。利用COSMOSMotion插件进行虚拟样机运动仿真与干涉检验,验证了运动学分析的正确性。3.静/动态特性预估。借助商用有限元软件建立了3-PSS/S机构虚拟样机的有限元模型,并分析了处于典型位姿的虚拟样机的整机静刚度及模态,指出影响机构动、静态特性的关键零部件,为虚拟样机的详细机械设计提供指导。上述研究成果为该机构的原型样机建造奠定了坚实基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 运动学分析
• 1.2.2 工作空间分析
• 1.2.3 动静态特性预估
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 3-PSS/S 机构运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 机构简介
• 2.3 机构自由度分析
• 2.3.1 PSS 支链的约束
• 2.3.2 S 支链的约束
• 2.3.3 机构的自由度
• 2.4 机构坐标系建立及姿态描述
• 2.5 机构位置逆解
• 2.6 机构速度逆解
• 2.7 机构加速度逆解
• 2.8 机构奇异性分析
• 2.8.1 第一类奇异
• 2.8.2 第二类奇异
• 2.9 小结
• 第三章 3-PSS/S 机构虚拟样机设计及工作空间分析
• 3.1 引言
• 3.2 3-PSS/S 机构虚拟样机设计
• 3.2.1 PSS 支链设计
• 3.2.2 动、静平台及S 支链设计
• 3.2.3 动力供给设计
• 3.2.4 虚拟样机
• 3.3 3-PSS/S 机构工作空间分析
• 3.3.1 3-PSS/S 机构工作空间定义
• 3.3.2 工作空间的约束条件
• 3.3.3 可达工作空间的确定
• 3.3.4 算例分析
• 3.3.5 尺度参数对工作空间的影响
• 3.4 机构运动仿真
• 3.4.1 仿真轨迹
• 3.4.2 仿真设置
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 小结
• 第四章 3-PSS/S 机构动静态特性预估
• 4.1 引言
• 4.2 有限元建模
• 4.2.1 几何模型建立
• 4.2.2 定义材料属性
• 4.2.3 定义接触类型及网格划分
• 4.2.4 添加载荷和边界约束
• 4.3 静刚度分析
• 4.4 模态分析
• 4.5 小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢