新型五坐标可重构混联机械手的尺度综合与静刚度分析

论文摘要

本文面向国家汽车工业对多坐标、多功能、可重构制造装备的重大需求,在国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目课题的资助下,对具有我国自主知识产权的五坐标可重构混联机械手Tricept IV的设计理论与方法进行了较深入的研究,内容涉及位置逆解、雅可比矩阵分析、尺度综合与静刚度分析等。主要研究成果如下:1.位置逆解与雅可比矩阵分析。根据该机械手的结构组成,将其主模块分解为并、串联子系统,并将其工作空间划分为两个子空间,提出了一种计及静刚度特性需求的逆位置分析方法。借助螺旋理论建立了并联子系统的完整雅可比矩阵,揭示了驱动、约束子雅可比矩阵的物理含义,进而获得了操作空间与关节空间的速度映射算子。2.尺度综合。提出了一种基于子空间划分的主模块运动学设计方法,依次实现并、串联子系统的尺度综合。借助单调性分析揭示了并联子系统尺度参数及子空间高度对全域操作性能的影响,并将并联子系统的尺度综合转化为一类有约束非线性规划问题。3.静刚度分析。借助子结构综合法与虚功原理,分别建立并、串联子系统的静刚度模型,进而获得整机静刚度解析模型,考察了整机线、角刚度的全域分布规律。针对典型位姿,借助商用软件创建虚拟样机并进行有限元分析,验证了上述解析模型的有效性。4.灵敏度分析。选择适宜的静刚度评价指标,借助静刚度解析模型与灵敏度分析,揭示了主模块尺度参数及关键零部件刚度(参数)对整机静刚度性能的影响,为兼顾运动学与静刚度性能的一体化设计奠定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多坐标可重构模块拓扑结构设计与工程应用
• 1.2.2 并联机构运动学设计
• 1.2.3 并联机构静刚度分析
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 位置逆解与雅可比矩阵分析
• 2.1 引言
• 2.2 位置逆解
• 2.2.1 机构简介
• 2.2.2 位姿描述
• 2.2.3 位置逆解
• 2.3 雅可比矩阵分析
• 2.4 小结
• 第三章 尺度综合
• 3.1 引言
• 3.2 并联子系统尺度综合
• 3.2.1 设计变量
• 3.2.2 操作性能
• 3.2.3 约束条件
• 3.2.4 目标函数
• 3.2.5 优化设计
• 3.2.6 算例
• 3.3 串联子系统尺度综合
• 3.4 小结
• 第四章 静刚度分析
• 4.1 引言
• 4.2 整机静刚度预估的基本思路
• 4.3 整机静刚度模型
• 4.3.1 并联子系统静刚度模型
• 4.3.2 串联子系统静刚度模型
• 4.3.3 机构整机静刚度矩阵
• 4.4 算例仿真
• 4.4.1 静刚度解析模型仿真
• 4.4.2 静刚度有限元模型仿真
• 4.5 小结
• 第五章 灵敏度分析
• 5.1 引言
• 5.2 静刚度性能指标
• 5.3 灵敏度分析
• 5.3.1 设计变量对整机静刚度性能的影响
• 5.3.2 关键零部件刚度对整机静刚度性能的影响
• 5.4 小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目
• 致谢