少自由度并联机床约束链的若干问题研究

论文摘要

并联机床也称之为并联机器人机床，它是并联机器人技术在机床制造领域成功应用的范例。自1994年9月GINNINGS&LEWIS公司在美国芝加哥国际展览会上展出“VARIAS”样机以来，它从一出现就受到国内外众多学者的关注。在短短的10多年时间里，人们对并联机床的研究不断向纵深发展。并联机床技术已经从理论研究走向实际应用，而少自由度并联机床是近年来并联机床研究中的一个热点问题。国内外对少自由度并联机床的基础理论和应用研究，目前还很不充分。 本文是在国家“八六三”高新技术计划资助项目（863-512-30-07）——钢坯修磨机器人技术开发、国家自然科学基金（59875012）——三杆五自由度机器人化机床理论及样机研究等项目研究工作的基础上，针对少自由度并联机床的特点，就少自由度并联机床的构型设计、自由度配置、运动轨迹规划及仿真、动力学特性及动态仿真、静力分析及仿真、静刚度分析及仿真等方面进行了系统深入的研究。 （1） 综述了少自由度并联机床国内外研究发展现状，以及关键技术的研究进展，指出少自由度并联机器人理论及应用领域有待深入开展的研究方向。阐明了本课题研究的目的及意义。 （2） 研究了少自由度并联机床的构型设计方法及其约束链配置，论述了并联机床各分支链的运动约束对运动平台自由度的影响，提出了主动链和约束链的概念。在此基础上讨论了如何根据并联机床的自由度要求，确定约束链机构形式和各主动链运动副型式的问题。 （3） 讨论了各支链的自由度同关节自由度的关系，以及确定约束链机构和各主动链分支杆的关节型式等问题，提出了少自由度并联机床的自由度配置方法。 （4） 对东北大学研制的3-TPT并联机床，分析了其约束链对机床运动及动力学特性的影响，并在ADAMS机械动力学仿真软件上建立了仿真运动模型。获得了有关运动学及动力学特性曲线，为机器人机构设计和动力性能分析开辟了一条新路，解决了运动

论文目录

• 声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机器人及并联机床发展
• 1.1.1 并联机器人的产生及其特点
• 1.1.2 并联机床的特点
• 1.2 并联机床研究现状
• 1.2.1 并联机构及其应用
• 1.2.2 并联机床发展过程及研究现状
• 1.3 少自由度并联机床的研究现状
• 1.3.1 少自由度并联机床的特点
• 1.3.2 国内外研究现状及分析
• 1.3.3 少自由度并联机床研究展望
• 1.4 本课题研究的目的意义
• 1.4.1 研究目的意义和实际应用价值
• 1.4.2 课题的特色和创新性
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 少自由度并联机床的设计及其约束链配置
• 2.1 空间并联机构及其演化
• 2.1.1 空间并联机构的组成要素
• 2.1.2 并联机构的基本形式及其演化
• 2.2 空间并联机构的自由度及其配置
• 2.2.1 空间并联机构的自由度计算公式
• 2.2.2 机床的并联机构
• 2.3 少自由度并联机床的构型设计
• 2.3.1 少自由度并联机床的自由度配置
• 2.3.2 并联机床的构型设计方法
• 2.3.3 并联机床构型设计实例
• 2.4 本章小结
• 第三章 少自由度并联机床运动学及其约束链特性仿真
• 3.1 概述
• 3.1.1 建模与仿真
• 3.1.2 目的和内容
• 3.2 少自由度并联机床的运动分析
• 3.2.1 DSX5-70型三杆五自由度并联机床机构
• 3.2.2 运动学位置逆解
• 3.2.3 运动学位置正解
• 3.2.4 速度及加速度分析
• 3.3 少自由度并联机床的运动学仿真
• 3.3.1 虚拟样机技术与ADAMS
• 3.3.2 3-TPT并联机床ADAMS虚拟样机建模
• 3.3.3 3-TPT并联机床轨迹规划及仿真
• 3.4 约束链运动学特性研究
• 3.4.1 平行机构参数化设计仿真
• 3.4.2 平行机构对工作空间的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 约束链对少自由度并联机床动力学性能的影响
• 4.1 多体系统动力学的理论基础
• 4.1.1 基本概念
• 4.1.2 多刚体动力学方程
• 4.1.3 多刚体算法
• 4.2 建立动力学仿真模型
• 4.2.1 仿真分析的步骤
• 4.2.2 建模及添加约束
• 4.2.3 建模仿真分析的具体步骤
• 4.3 3-TPT并联机床及其约束链的动力学特性
• 4.3.1 动力学逆问题研究
• 4.3.2 动力学正问题研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 少自由度并联机床及其约束链静力学特性研究
• 5.1 并联机床的静力分析
• 5.1.1 不计平行机构时3-TPT并联机床的受力分析
• 5.1.2 平行机构受力情况分析
• 5.2 有限元分析理论基础
• 5.2.1 有限元方法对连续体进行分析的步骤
• 5.2.2 有限单元法的优点
• 5.2.3 ANSYS有限元分析的主要步骤
• 5.3 并联机床的有限元建模
• 5.3.1 ANSYS实体建模方法
• 5.3.2 不同工况下姿态的选取原则与有限元模型建立的原则
• 5.3.3 机床模型的建立
• 5.4 并联机床的ANSYS静力分析
• 5.4.1 模型一的静力分析
• 5.4.2 模型二的静力分析
• 5.4.3 模型三的静力分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 约束链对少自由度并联机床刚度特性的影响分析
• 6.1 静刚度模型的建立
• 6.2 并联机床静刚度仿真
• 6.2.1 机床在位姿一下刚度分析
• 6.2.2 机床在位姿二下刚度分析
• 6.2.3 机床在位姿三下刚度分析
• 6.2.4 三种位姿仿真分析对比
• 6.3 模态分析
• 6.3.1 多自由度系统的数学模型
• 6.3.2 模态坐标和模态参数
• 6.3.3 自由振动方程的解
• 6.3.4 多自由度系统的受迫振动
• 6.3.5 并联机床的模态分析
• 6.4 并联机床结构的优化
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 作者简介