面向約束及其誤差的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)分析與構(gòu)型綜合.pdf

1、少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)由支鏈內(nèi)以及支鏈間運(yùn)動(dòng)副軸線的嚴(yán)格幾何約束關(guān)系限制動(dòng)平臺(tái)非期望運(yùn)動(dòng)自由度，獲得預(yù)期的少自由度運(yùn)動(dòng)特性。由于誤差的不可避免性，運(yùn)動(dòng)副軸線間嚴(yán)格的幾何約束條件通常難以得到精確滿(mǎn)足，從而對(duì)機(jī)構(gòu)的工作性能可能產(chǎn)生一系列不良影響。
　　 針對(duì)此問(wèn)題，本論文首先應(yīng)用螺旋理論及集合論原理，系統(tǒng)分析少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的力約束系統(tǒng)及其過(guò)約束特性，從而確定機(jī)構(gòu)在動(dòng)平臺(tái)不可動(dòng)自由度空間中的靜定與超靜定性質(zhì)。在機(jī)構(gòu)過(guò)約束分析基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)

2、力學(xué)理論出發(fā)，應(yīng)用拆開(kāi)連架副方法，通過(guò)誤差建模，定量分析運(yùn)動(dòng)副軸線間幾何約束誤差在少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的傳遞與耦合規(guī)律，揭示了過(guò)約束結(jié)構(gòu)對(duì)幾何約束誤差的敏感性及其對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的機(jī)理。針對(duì)過(guò)約束少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)幾何約束誤差敏感的固有特點(diǎn)，為改善機(jī)構(gòu)對(duì)此類(lèi)誤差的自適應(yīng)性和提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)無(wú)過(guò)約束構(gòu)型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本論文的主要工作如下：
　　 ①以螺旋理論和集合論為數(shù)學(xué)工具，系統(tǒng)總結(jié)并深入研究了運(yùn)動(dòng)副、串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)

3、、單回路機(jī)構(gòu)的自由度和約束系統(tǒng)的分析方法。在此基礎(chǔ)上，按支鏈并聯(lián)和回路耦合兩種結(jié)構(gòu)組成觀點(diǎn)，系統(tǒng)分析了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的約束系統(tǒng)和過(guò)約束特性，得出了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)基于支鏈約束的構(gòu)型條件及構(gòu)型特征，和基于基本回路的過(guò)約束特征。提出了一種表示少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)約束特征的符號(hào)方法，并給出一種機(jī)構(gòu)總過(guò)約束數(shù)計(jì)算、過(guò)約束回路識(shí)別以及分析過(guò)約束在回路中的分布與協(xié)調(diào)的系統(tǒng)方法。提出了全回路過(guò)約束、多回路過(guò)約束以及單回路過(guò)約束的概念。為按約束特征及過(guò)約

4、束特性進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 ②應(yīng)用運(yùn)動(dòng)螺旋的指數(shù)映射描述剛體運(yùn)動(dòng)和坐標(biāo)變換，進(jìn)行了串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)幾何約束誤差建模方法的研究。將誤差看成虛擬運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，應(yīng)用螺旋理論分析運(yùn)動(dòng)副軸線位姿誤差的螺旋表示，從而建立了串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)含誤差螺旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)指數(shù)積模型。并將工具坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)誤差看成虛擬移動(dòng)副和虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，給出了相應(yīng)運(yùn)動(dòng)螺旋參數(shù)的計(jì)算公式。在Matlab環(huán)境下開(kāi)發(fā)了一套通用的螺旋計(jì)算軟件包

5、，對(duì)兩種典型的串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了誤差仿真分析，并使用Adams進(jìn)行了對(duì)比仿真，驗(yàn)證了該建模方法的正確性和有效性。該誤差建模方法具有良好的幾何直觀性，便于從整體上描述機(jī)構(gòu)的誤差，為按拆開(kāi)連架副法分析運(yùn)動(dòng)副軸線幾何約束誤差對(duì)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的影響提供了有效的方法與工具。
　　 ③在過(guò)約束分析基礎(chǔ)上，采用拆開(kāi)連架副法，通過(guò)基于螺旋理論的誤差建模，系統(tǒng)分析了運(yùn)動(dòng)副軸線幾何約束誤差對(duì)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不良影響。提出了基于矩陣力法的誤差影響

6、分析方法和步驟，并以計(jì)算過(guò)約束回路強(qiáng)制裝配力、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副中的附加載荷、連桿彈性變形、動(dòng)平臺(tái)寄生運(yùn)動(dòng)和機(jī)構(gòu)的應(yīng)變能波動(dòng)等一系列定量指標(biāo)，評(píng)估過(guò)約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)副軸線間幾何約束誤差的敏感性。通過(guò)對(duì)一種過(guò)約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分析與仿真，揭示了過(guò)約束回路對(duì)運(yùn)動(dòng)副軸線間幾何約束誤差的敏感性及其對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的機(jī)理。同時(shí)分析了運(yùn)動(dòng)副軸線幾何約束誤差對(duì)一種完全解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的影響。研究結(jié)果為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型分析、構(gòu)型優(yōu)選以及評(píng)估其實(shí)用性提供了一種新的

7、思路和方法。
　　 ④針對(duì)過(guò)約束少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)副軸線間幾何約束誤差敏感的固有缺點(diǎn)，提出采用無(wú)過(guò)約束構(gòu)型來(lái)消除此類(lèi)不良影響的主動(dòng)設(shè)計(jì)方法。提出了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)無(wú)過(guò)約束構(gòu)型設(shè)計(jì)的支鏈力約束條件和支鏈間力約束幾何方位配置條件?；谥苯蛹s束設(shè)計(jì)的理念，歸納總結(jié)出了一種根據(jù)支鏈約束要求設(shè)計(jì)具體支鏈結(jié)構(gòu)，并按支鏈間約束配置幾何條件并聯(lián)裝配，綜合無(wú)過(guò)約束少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)方法和一般步驟。詳細(xì)討論了只提供一個(gè)力約束以及只提供一個(gè)力

8、偶約束的兩類(lèi)支鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要討論了幾種含多個(gè)約束的支鏈設(shè)計(jì)問(wèn)題。應(yīng)用按約束要求設(shè)計(jì)的支鏈結(jié)構(gòu)，利用與靜平臺(tái)以及與動(dòng)平臺(tái)直接連接的運(yùn)動(dòng)副軸線確定支鏈間約束的幾何關(guān)系，根據(jù)相關(guān)的約束配置要求，綜合出了一類(lèi)新的完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的平面3自由度、球面3自由度以及空間3移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)無(wú)過(guò)約束構(gòu)型。并對(duì)無(wú)過(guò)約束構(gòu)型和過(guò)約束構(gòu)型進(jìn)行了對(duì)比分析。為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及消除運(yùn)動(dòng)副軸線幾何約束誤差對(duì)過(guò)約束構(gòu)型的不良影響提供了一種新的思路和解決途徑。<

9、br>　　 以上研究工作，解釋了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈約束以及回路過(guò)約束的作用和耦合特點(diǎn)，揭示了過(guò)約束構(gòu)型對(duì)運(yùn)動(dòng)副軸線間幾何約束誤差的敏感性及其對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的機(jī)理，為過(guò)約束少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分析提供了一種新的觀點(diǎn)。無(wú)過(guò)約束構(gòu)型設(shè)計(jì)方法為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合提供了一種新的思路和創(chuàng)新方法，并為消除過(guò)約束的影響和提高機(jī)構(gòu)的實(shí)用性提供了一條新的途徑。本文的研究成果，對(duì)豐富和拓展少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分析理論與方法，開(kāi)拓?zé)o過(guò)約束構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)