并联机构特性分析与综合研究

论文摘要

并联机构的静刚度大、动力响应迅速等优点,使其在金属切削机床、工业自动化、医疗设备等领域具有广泛的应用前景;然而,并联机构在运动学、动力学等方面上的复杂特性使它在实际应用遇到许多困难。因此,改善并联机构的运动学、动力学等性能,使设计的并联机构能够很好满足工程实际的需要,成为并联机构应用研究中亟待解决的问题之一。本文对并联机构瞬时运动、奇异位形、运动解耦、全局各向同性等问题进行了研究,主要研究内容包括:（1）在回顾并联机构研究现状基础上,对现有并联机构特性分析及综合研究进行了总结,分析并联机构研究中取得的成果和存在的不足,论述了本文研究并联机构瞬时运动、奇异位形等问题的意义和具体内容。（2）针对并联机构的多支链闭环的结构特点,提出一种基于螺旋理论的空间机构学的分析方法,将并联机构分为运动支链与动平台两个组成部分,根据运动支链末端对动平台的作用力,分析并联机构瞬时运动、奇异位形等问题。（3）利用约束螺旋与运动螺旋的几何规律,提出了并联机构瞬时运动分析的几何方法（IMGA）,并得到主动避免瞬时运动的并联机构设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合避免瞬时运动并联机构的方法。基于以上方法,综合得到一些结构新颖的、避免瞬时运动的两转动一移动并联机构。（4）利用螺旋线性相关的几何特征,提出主动避免并联机构奇异位形并联机构设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合避免奇异位形并联机构的方法。基于以上方法,综合得到结构新颖的、避免奇异的三转动3-RRR并联机构和两转动一移动2RPS-PS并联机构。（5）利用运动支链末端作用力理论,推导出解耦并联机构的设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合解耦并联机构的方法。基于以上方法,综合得到了解耦的一转动两移动并联机构,三移动并联机构。其中解耦的一转动两移动并联机构是新颖机构。（6）鉴于一般并联机构静刚度存在上下限,证明了全局各向同性并联机构工作空间内静刚度全局相同,进一步得到全局各向同性并联机构的设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合全局各向同性并联机构的方法。基于以上方法,综合得到了全局各向同性的两移动并联机构和三转动并联机构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 并联机构的发展与研究现状
• 1.1.1 并联机构的起源与衍变
• 1.2 并联机构的主要问题研究现状
• 1.2.1 瞬时运动分析
• 1.2.2 奇异位形分析
• 1.2.3 误差与静刚度分析
• 1.2.4 耦合与解耦分析
• 1.2.5 全局各向同性分析
• 1.3 本课题的研究目的与意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第二章 基于螺旋理论的空间机构学分析方法
• 2.1 螺旋理论的相关概念
• 2.1.1 螺旋的定义
• 2.1.2 螺旋的运算法则
• 2.1.3 运动螺旋与力螺旋
• 2.1.3.1 力螺旋与运动螺旋的概念
• 2.1.3.2 力螺旋与运动螺旋做功
• 2.2 基于螺旋理论的空间机构分析方法
• 2.2.1 空间运动副的运动与作用力
• 2.2.2 开链机构的运动与末端作用力
• 2.2.3 多支链闭环机构的运动与末端作用力
• 2.3 空间机构分析方法对并联机构自由度的应用
• 2.3.1 基于约束力理论的并联机构自由度分析方法
• 2.3.2 3-RRR并联机构自由度分析实例
• 本章小结
• 第三章 并联机构的瞬时运动分析与综合
• 3.1 并联机构的瞬时运动问题
• 3.2 基于约束力的瞬时运动几何分析法
• 3.2.1 约束螺旋与运动螺旋间的几何规律
• 3.2.2 并联机构瞬时运动几何法分析方法
• 3.3 瞬时运动分析几何法的应用实例
• 3.3.1 3-PRS并联机构的瞬时运动分析与验证
• 3.3.2 3-UPU并联机构的瞬时运动分析与验证
• 3.4 主动避免瞬时运动的并联机构设计方法研究
• 3.4.1 基于约束力理论的并联机构型综合方法
• 3.4.2 主动避免瞬时运动的并联机构型设计准则
• 3.5 避免瞬时运动的两转动—移动并联机构综合实例
• 3.5.1 选择主动避免瞬时运动的约束力
• 3.5.2 运动支链综合
• 3.5.2.1 单约束力的运动支链综合
• 3.5.2.2 双约束力的运动支链综合
• 3.5.2.3 三约束力的运动支链综合
• 3.5.3 非瞬时运动的两转动—移动并联机构综合
• 本章小结
• 第四章 并联机构的奇异位形分析与综合
• 4.1 并联机构的奇异问题
• 4.2 基于螺旋理论的雅克比矩阵模型
• 4.2.1 雅克比矩阵的运动学形式
• 4.2.2 基于螺旋理论的雅克比矩阵模型
• 4.2.3 基于螺旋理论的雅克比矩阵分析实例
• 4.2.3.1 3-PRS并联机构雅克比矩阵分析实例
• 4.2.3.2 3-RRR并联机构雅克比矩阵分析实例
• 4.3 基于螺旋理论的奇异位形分析方法
• 4.3.1 基于螺旋理论的奇异位形分析方法
• 4.3.2 奇异位形下的并联机构运动分析
• 4.3.3 基于螺旋理论的奇异位形分析实例
• 4.3.3.1 3-RPS并联机构的奇异分析实例
• 4.3.3.2 3-RRR并联机构的奇异分析实例
• 4.4 主动避免奇异的并联机构的综合方法
• 4.4.1 主动避免奇异并联机构的设计准则
• 4.4.2 主动避免奇异并联机构的综合实例
• 4.4.2.1 主动避免奇异的3-PRS并联机构优化实例
• 4.4.2.2 主动避免奇异两转动—移动并联机构实例
• 本章小结
• 第五章 并联机构的误差、静刚度分析
• 5.1 并联机构的误差分析
• 5.1.1 并联机构的误差问题
• 5.1.2 并联机构的误差分析方法综述
• 5.1.3 并联机构的误差分析模型
• 5.1.4 3-RPS并联机构的误差分析
• 5.2 并联机构的静刚度分析
• 5.2.1 并联机构的静力学模型
• 5.2.2 并联机构特征向量方向的刚度
• 5.2.3 并联机构任意方向的刚度计算
• 本章小结
• 第六章 解耦并联机构的分析与综合
• 6.1 解耦并联机构特性分析
• 6.1.1 解耦并联机构的运动学分析
• 6.1.2 解耦并联机构的静刚度分析
• 6.1.3 解耦并联机构的误差分析
• 6.2 解耦并联机构的综合方法研究
• 6.2.1 解耦并联机构的设计准则
• 6.2.2 解耦并联机构的综合实例
• 6.2.2.1 一转动二移动自由度的解耦并联机构综合
• 6.2.2.2 三移动自由度的解耦并联机构综合
• 本章小结
• 第七章 全局各向同性并联机构的分析与综合
• 7.1 全局各向同性的并联机构静购刚度特性
• 7.1.1 全局各向同性的并联机构的静刚度特性
• 7.1.2 全局各向同性并联机构的运动学分析
• 7.1.3 全局各向同性并联机构的误差传递
• 7.1.4 解耦与全局各向同性并联机构的比较
• 7.2 全局各向同性并联机构综合方法
• 7.2.1 全局各向同性并联机构的设计准则
• 7.2.2 全局各向同性并联机构综合实例
• 7.2.2.1 二移动全局各向同性的并联机构综合
• 7.2.2.2 三转动全局各向同性并联机构综合
• 本章小结
• 附录一 3-RPS并联机构位置正向解析求解
• 附录二 全局各向同性3-RRR并联机构特性分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢