高速轻型并联机械手动态设计理论与方法

论文摘要

本文密切结合开发工业自动化领域高速执行机构的需求,在国家自然科学基金和国家863高技术研究发展计划的资助下,系统研究了一种2平动自由度高速轻型并联机械手Diamond的性能评价、动力尺度综合、弹性动力学分析、动态优化设计等关键问题,并将理论成果用于指导一种高性能锂离子电池自动分选成套装备的设计。论文取得了如下创造性成果:揭示出用矩阵条件数类指标评价外副驱动并联机构运动学和刚体动力学性能时存在的局限性,当机械手末端执行器参考点位于工作空间中轴线上时,速度雅可比矩阵条件数无法反映间接奇异位形,且混合动力矩阵D条件数同样存在类似问题。究其原因在于,条件数仅能反映将操作空间物理量广义单位球映射到关节空间物理量广义椭球时的形状畸变程度,但却不能反映两球间体积大小的变化。提出一种基于支链动力学性能的评价指标,物理意义为末端执行器参考点在单位加速条件下单轴最大驱动力矩的全域最大值。研究表明:对于Diamond并联机械手,系统混合动力矩阵的最大奇异值与支链混合动力矩阵Di的最大奇异值在评价机械手接近奇异位形程度方面的能力是等价的。提出一种Diamond高速并联机械手动力尺度综合的方法,该方法考虑了电机转子惯量对系统动力学性能的影响优化出机械手的结构参数后,校核电机的性能参数。借助子结构综合思想并用有限元法建立系统刚弹耦合动力学模型,在此基础上研究该机械手的动态特性及结构参数变化对动态特性的影响,采用LMS测试系统检测样机的动态特性。针对高速轻型并联机械手的优化设计既需要基于刚体动力学作杆件长度的尺度综合又需要在弹性动力学层面上对弹性杆件截面半径参数优化设计,提出一种分层递阶动态设计策略优化出系统的全部结构设计变量,以确保系统在刚体动力学和弹性动力学层面上均具有良好的性能,机械手杆件半径参数优化设计是以系统基频全域均值最大为目标函数以质量为约束条件实施。上述研究成果不但为指导电池自动分选成套装备的动态设计奠定了坚实的理论基础,而且对开发同类高速轻型并联装备具有重要的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 运动学性能评价指标
• 1.2.2 刚体动力学性能评价指标
• 1.2.3 弹性动力学与动态设计
• 1.2.3.1 弹性动力学分析方法
• 1.2.3.2 动态设计
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 刚体动力学性能指标
• 2.1 引言
• 2.2 系统描述
• 2.3 刚体动力学
• 2.3.1 运动学分析
• 2.3.2 刚体动力学模型
• 2.4 性能评价指标
• 2.4.1 条件数类运动学性能指标存在的问题
• 2.4.2 条件数类动力学性能指标存在的问题
• 2.4.3 基于奇异值的系统和支链动力学性能指标
• 2.5 小结
• 附录 A 系统混合动力矩阵奇异值与雅可比矩阵奇异值关系
• 第三章 动力尺度综合
• 3.1 引言
• 3.2 动力尺度综合
• 3.2.1 优化设计策略
• 3.2.2 工作空间与设计变量
• 3.2.3 约束条件
• 3.2.4 优化设计
• 3.3 电机校核
• 3.3.1 惯量匹配校核
• 3.3.2 典型抓取操作中电机转速、转矩与功率
• 3.4 小结
• 附录 A 机械手惯性参数计算
• 附录 B 不同约束条件下优化结果
• 第四章 弹性动力学分析与动态设计
• 4.1 引言
• 4.2 Diamond 机械手弹性动力学模型
• 4.2.1 机构模型简化
• 4.2.2 单元运动方程
• 4.2.3 子结构动力学方程
• 4.2.4 刚体运动微分方程
• 4.2.5 减速器单元运动方程
• 4.2.6 弹性梁与刚体之间的变形协调条件
• 4.2.7 系统动力学方程
• 4.3 动态特性分析
• 4.3.1 固有频率
• 4.3.2 振型
• 4.3.3 灵敏度分析
• 4.3.4 能量分布
• 4.4 动态设计
• 4.4.1 分层递阶优化设计策略
• 4.4.2 截面参数的优化设计
• 4.4.2.1 目标函数与约束条件
• 4.4.2.2 优化设计
• 4.5 仿真验证
• 4.5.1 运动微分方程求解
• 4.5.2 激振力矩信号谱分析
• 4.6 小结
• 第五章 动力学试验
• 5.1 引言
• 5.2 动力学试验
• 5.2.1 试验目的和仪器
• 5.2.2 测试方案
• 5.2.3 试验步骤
• 5.2.3.1 几何建模
• 5.2.3.2 通道设置
• 5.2.3.3 激振设置
• 5.2.3.4 数据采集
• 5.2.3.5 数据验证与选择
• 5.2.4 试验结果及分析
• 5.3 小结
• 第六章 全文结论
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 参加的科研项目和完成的学术论文
• 致谢