3-RRRS并联机构的设计与研究

论文摘要

随着人们对高精度、高速度及高敏捷性等高性能加工要求的并联机床的需求量的增加和机器人技术的发展,这些年来并联机床和并联机器人日益成为学术界及工程应用中的重点;因此并联机构的设计与研究也成为世界研究的热点,不断的涌现出各种不同自由度、不同结构类型的并联机构。本文以一种新型的六自由度3-RRRS型并联机构为研究对象,利用虚拟样机等技术对机构的结构设计,位姿分析、工作空间分析、运动学分析、动力学分析、参数化设计与分析及其优化设计等方面进行了较全面的研究。论文首先完成了该新型并联机构的结构设计,在此基础上建立了六自由度并联机构的位姿逆解方程和正解方程组,并分别通过数值算例验证了正反解的正确性。同时推导出了反应机构灵活度的雅可比矩阵。接着在基于运动学逆解的基础上采用极限边界搜索法利用MATLAB数学工具,绘制出了不同参数组合、不同姿态下的位置空间图谱,完成了空间的可视化分析,并利用可视化图谱对影响工作空间的各种因素一一作出了深入的分析,从而知道哪些因素是影响工作空间大小的主要因素。其次,利用ADAMS软件建立了动力学仿真模型,并对其进行了运动学正解和运动学逆解仿真,揭示了该类机构的运动规律及其空间运动能力,同时为过程控制提供了控制参数。接着进行了动力学分析,得知机构受力的变化规律,从而为机构构件的尺寸、形状及受力分析提供了重要依据。然后对机构进行了参数化分析和优化设计,最后根据优化指标值得出了最优的参数组合,为工程实际应用提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机床的发展历史及研究背景
• 1.2 并联机构在国内外的研究现状
• 1.3 并联机构目前存在的问题
• 1.4 课题研究的意义
• 第二章 并联机构的机构学分析
• 2.1 并联机构模型的建立
• 2.1.1 3-RRRS 并联机构的研究背景
• 2.1.2 新型3-RRRS 并联机构模型的描述
• 2.1.3 机构自由度计算
• 2.2 机构的空间位置分析
• 2.2.1 坐标系与坐标变换概述
• 2.2.2 模型坐标系统的建立
• 2.2.3 机构位置的运动学反解
• 2.2.4 机构运动学反解算例
• 2.3 机构位置的运动学正解
• 2.3.1 机构运动学正解描述
• 2.3.2 运动学正解解法
• 2.3.3 数值正解算法描述
• 2.3.4 机构位置正解算例
• 2.4 机构的灵活性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 3-RRRS 并联机构的工作空间分析
• 3.1 并联机构的工作空间分析
• 3.1.1 工作空间描述
• 3.1.2 工作空间的影响因素分析
• 3.1.3 工作空间求解算法的描述
• 3.1.4 工作空间求解程序流程图
• 3.1.5 工作空间求解算例分析
• 3.2 工作空间体积的的影响因素分析
• 3.2.1 点数计算体积法
• 3.2.2 体积法分析各结构参数对工作空间的影响
• 3.2.2.1 l1 与 l2 的长度对工作空间的影响
• 3.2.2.2 球铰旋转锥度角及其安装对工作空间的影响
• 3.2.2.3 动、静平台大小对工作空间的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于ADAMS 的并联机构运动学仿真分析
• 4.1 ADAMS 软件的介绍
• 4.1.1 ADAMS 软件概论
• 4.1.2 ADAMS 软件运动学分析理论
• 4.1.3 ADAMS 软件动力学分析理论
• 4.2 ADAMS 虚拟样机仿真模型的建立
• 4.2.1 构件元素的设定及装配
• 4.2.2 运动副约束及驱动的建立
• 4.3 基于 adams 的模型的运动学仿真分析
• 4.3.1 模型正向运动仿真
• 4.3.2 模型的逆向仿真分析
• 4.4 动力学分析
• 4.4.1 动力学模型的建立
• 4.4.2 机构各个构件只受到重力分析
• 4.4.3 承受负载时的受力分析
• 4.4.3.1 恒定负载情况
• 4.4.3.2 变负载情况
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于ADAMS 的参数化设计及其优化
• 5.1 虚拟样机模型的参数化设计
• 5.1.1 为什么要对虚拟样机进行参数化设计
• 5.1.2 参数化设计的类型
• 5.1.3 参数化的方式
• 5.2 对存在的并联机构模型的参数化设计
• 5.2.1 定义设计变量（参数化变量）
• 5.2.2 几何设计点的参数化
• 5.2.3 point 几何设计点和已存在虚拟样机各构件的关联
• 5.3 交互式模型修改及仿真界面的设计
• 5.3.1 adams 中宏语言（macro）的介绍
• 5.3.2 对该交互式界面的功能规划
• 5.3.3 交互式界面的设计
• 5.3.4 交互式界面的应用
• 5.4 基于adams的参数化模型的参数化分析
• 5.4.1 adams 参数化分析的介绍
• 5.4.2 优化计算的概念
• 5.5 参数化模型的优化分析
• 5.5.1 参数分析目标函数的建立
• 5.5.2 模型的设计研究
• azj 对目标函数的影响'>5.5.2.1 球铰的安装角变量qj_azj 对目标函数的影响
• 5.5.2.2 杆长 l1 和 l2 对目标函数的影响
• 5.5.2.3 动静平台对目标夹角函数的影响
• 5.5.3 对模型的试验设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续工作及其前景展望
• 6.2.1 论文不足及后续工作
• 6.2.2 并联机构的应用前景
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文