少自由度并联装备构型及约束链研究

论文摘要

并联构型制造装备的结构中包含一个或多个并联机构，是世界上近年来逐渐兴起的一种新构型制造装备。与串联构型相比，并联构型具有刚度好、精度高、高速和高加速度等特点，在制造领域具有很广泛的应用前景。其中，少自由度并联机构已成为并联构型装备发展的重要趋势。 由于少自由度并联机构总体上具有比六自由度并联机构更复杂的运动特性，使少自由度并联机构机型匾乏。因此，研究少自由度并联机构的构型设计有着重要的理论意义和应用价值。又因为约束链的结构形式、关节和自由度配置、精度和刚度等特性对并联机构性能有直接影响，所以对各类支链以及其运动特性等的研究势在必行。 本文围绕少自由度并联机构的构型设计和约束链相关问题，在对并联构型装备的发展趋势进行充分分析的基础上，在并联机构的型综合方法、约束链的构成与分类、不同约束链构型的运动学、静刚度、弹性动力学、精度与误差等方面进行了比较深入的研究。具体包括以下内容： (1) 研究了与并联机构密不可分的螺旋理论、拓扑结构学和群论，阐述了相关的基本概念、基本运算和基本准则，为进一步研究打下理论基础。 (2) 研究了现有并联机构型综合的三种主要方法，包括螺旋约束综合法，拓扑结构综合法和位移流型综合法，详尽地比较了这些型综合方法的优缺点，并在现有理论基础上系统地提出添加约束综合法。利用该方法扩展了若干并联机构新机型。 (3) 运用添加约束综合法，对九类少自由度并联机构作了较全面的型综合，综合出60多种实例，并对这些并联机构作了约束分析、自由度计算、约束度计算和耦合度计算，并判断了控制解耦性，对各类机构作了构型上和解耦性的比较，为机构的优选提供了依据。 (4) 研究了主动链和约束链的构成方法，系统地综合出13种主动链类型，以及113种约束链，其中大多是新型约束链。并对其中的37个约束链按约束链所具有的自由度数排列，作了约束特性、自由度数、结构要求等分析，最后应用螺旋理论对12种典型约束链作了约束分析和计算。 (5) 研究了不同约束链构型的机构运动学问题。对部分并联机构作了位置、速度、工作空间和可操作度分析和计算，研究了机构的解耦性、运动平稳性、运动性能以及机构的奇异性。并用ADAMS软件对具有串联式基本构型、平行四边形4R型，以及含有圆柱副C和虎克铰T型约束链的并联机构进行运动学动态仿真。 (6) 研究了不同约束链对并联机构刚度的影响，建立了考虑主动链以及考虑约束

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 并联构型装备发展的历史和国内外发展现状
• 1.1.1 并联构型装备发展的历史
• 1.1.2 国外并联构型装备的研究现状及应用
• 1.1.3 国内并联构型装备的研究进展及应用现状
• 1.1.4 少自由度并联机构发展现状
• 1.2 并联构型装备结构设计方法及现状
• 1.2.1 型数综合法
• 1.2.2 构型衍生法
• 1.2.3 运动约束法
• 1.2.4 螺旋约束综合法
• 1.2.5 拓扑结构综合法
• 1.2.6 李代数综合法
• 1.3 本课题的意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 螺旋理论概述
• 2.2.1 螺旋基本概念
• 2.2.2 螺旋运算
• 2.2.3 螺旋系定义
• 2.2.4 螺旋系基本定理
• 2.2.5 螺旋系的线性相关性
• 2.2.6 运动副的螺旋表示
• 2.2.7 反螺旋和被约束的运动
• 2.3 结构拓扑学原理
• 2.3.1 拓扑结构学概述
• 2.3.2 空间机构自由度方程
• 2.3.3 并联机构运动输出特征方程
• 2.3.4 系列判定准则
• 2.3.5 机构耦合度
• 2.4 基于群论的位移流形综合理论
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 微分流形、群和子群
• 2.4.3 李群、李子群和李代数
• 2.4.4 位移子群及其运算
• 2.4.5 分支运动链的位移流形
• 2.4.6 位移流形的交集
• 2.5 小结
• 第三章 少自由度并联构型装备结构设计方法
• 3.1 引言
• 3.2 现有型综合方法步骤及比较
• 3.2.1 螺旋约束综合法
• 3.2.2 拓扑结构综合法
• 3.2.3 李代数综合法
• 3.2.4 型综合方法比较
• 3.3 添加约束综合法原理及证明
• 3.3.1 添加约束综合法的提出
• 3.3.2 添加约束综合法基本思想
• 3.3.3 添加约束综合法步骤
• 3.3.4 基于添加约束综合法的构型原则及理论证明
• 3.3.5 基于运动链重新分类的少自由度并联机构构型
• 3.4 小结
• 第四章 主动链和约束链的构成及约束分析
• 4.1 引言
• 4.2 运动副分类
• 4.3 主动链组成与分类
• 4.4 约束链组成与类型
• 4.4.1 平行机构
• 4.4.2 串联约束链机构
• 4.4.3 串并联混合约束链
• 4.4.4 约束链的扩展方法
• 4.5 典型约束链的约束分析
• p约束分析'>4.5.1 二自由度复合运动副U^p约束分析
• *约束分析'>4.5.2 二自由度纯平动运动副U^*约束分析
• *U^*约束链的约束分析'>4.5.3 三自由度U^*U^*约束链的约束分析
• 4.5.4 三自由度R-4R4R约束链的约束分析
• 4.5.5 三自由度R4T约束链约束分析
• 4.5.6 三自由度P4T约束链约束分析
• 4.5.7 三自由度PU
• 约束链约束分析
• 4.5.8 四自由度PRRR型约束链约束分析
• 4.5.9 四自由度PU
• R型约束链约束分析
• 4.5.10 四自由度CU
• 约束链约束分析
• 4.5.11 五自由度PU
• T型约束支链约束分析
• pT型约束支链约束分析'>4.5.12 五自由度RU^pT型约束支链约束分析
• 4.6 小结
• 第五章 基于约束添加法的九类少自由度并联机构的构型设计
• 5.1 引言
• 5.2 基于添加约束综合法的三自由度并联机构构型
• 5.2.1 3T并联机构型综合
• 5.2.2 2R1T型并联机构型综合
• 5.2.3 2T1R型并联机构型综合
• 5.2.4 3R型并联机构型综合
• 5.3 基于添加约束综合法的四自由度并联机构构型
• 5.3.1 3T1R型并联机构型综合
• 5.3.2 3R1T型并联机构型综合
• 5.3.3 2R2T型并联机构型综合
• 5.4 基于添加约束综合法的五自由度并联机构构型
• 5.4.1 3T2R型并联机构型综合
• 5.4.2 3R2T型并联机构型综合
• 5.5 并联机构的优选
• 5.6 小结
• 第六章 不同约束链构型的并联机构运动性能分析和运动学仿真
• 6.1 引言
• 6.2 不同约束链的三自由度并联机构的运动性能
• 6.2.1 对2T1R型三自由度并联机构的位置分析
• 6.2.2 3-TPS/RPP型并联机构的雅可比矩阵和速度分析
• 6.2.3 讨论工作空间问题
• 6.2.4 通过机构可操作度计算讨论机构奇异性
• 6.3 不同约束链构型的运动学仿真
• 6.3.1 计算机仿真的意义和目的
• 6.3.2 2T1R型三自由度并联机构的运动学仿真
• 6.3.3 2T2R型四自由度并联机构的运动学仿真
• 6.3.4 不同约束链的并联机构仿真结果
• 6.4 小结
• 第七章 不同约束链的并联机构静刚度研究及弹性动力学研究
• 7.1 引言
• 7.2 静刚度建模
• 7.2.1 不考虑约束链时并联机构的刚度分析
• 7.2.2 考虑约束链时并联机构的刚度分析
• 7.3 不同工况下姿态的选取原则与有限元模型建立的原则
• 7.3.1 不同工况下姿态的选取原则
• 7.3.2 有限元建立模型的原则
• 7.4 不同并联机构的静刚度仿真及分析
• 7.4.1 3-TPS/RPP型三自由度并联机构刚度分析
• 7.4.2 3-TPS/CP型三自由度并联机构刚度分析
• p型三自由度并联机构刚度分析'>7.4.3 3-TPS/RU^p型三自由度并联机构刚度分析
• 7.5 包含约束链的并联机构弹性动力学研究
• 7.5.1 单元弹性动力学方程的建立
• 7.5.2 建立总体机构弹性动力学方程
• 7.6 小结
• 第八章 不同约束链并联机构精度与误差研究
• 8.1 引言
• 8.2 并联机构的误差分析
• 8.3 并联机构几何误差建模方法
• 8.4 主动链只考虑杆长误差时的误差模型
• 8.5 主动链只考虑铰链径向间隙误差时的误差模型
• 8.6 串联式约束链误差模型
• 8.7 约束链中具有平行四边形结构的误差分析
• 8.8 数值实例
• 8.9 小结
• 第九章 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论文