面向約束及其誤差的少自由度并聯(lián)機構分析與構型綜合.pdf

1、少自由度并聯(lián)機構由支鏈內以及支鏈間運動副軸線的嚴格幾何約束關系限制動平臺非期望運動自由度，獲得預期的少自由度運動特性。由于誤差的不可避免性，運動副軸線間嚴格的幾何約束條件通常難以得到精確滿足，從而對機構的工作性能可能產生一系列不良影響。
　　 針對此問題，本論文首先應用螺旋理論及集合論原理，系統(tǒng)分析少自由度并聯(lián)機構的力約束系統(tǒng)及其過約束特性，從而確定機構在動平臺不可動自由度空間中的靜定與超靜定性質。在機構過約束分析基礎上，從結構

2、力學理論出發(fā)，應用拆開連架副方法，通過誤差建模，定量分析運動副軸線間幾何約束誤差在少自由度并聯(lián)機構中的傳遞與耦合規(guī)律，揭示了過約束結構對幾何約束誤差的敏感性及其對機構性能影響的機理。針對過約束少自由度并聯(lián)機構對幾何約束誤差敏感的固有特點，為改善機構對此類誤差的自適應性和提高機構的動力學性能，對無過約束構型設計方法進行了系統(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)學工具，系統(tǒng)總結并深入研究了運動副、串聯(lián)開鏈機構

3、、單回路機構的自由度和約束系統(tǒng)的分析方法。在此基礎上，按支鏈并聯(lián)和回路耦合兩種結構組成觀點，系統(tǒng)分析了少自由度并聯(lián)機構的約束系統(tǒng)和過約束特性，得出了少自由度并聯(lián)機構基于支鏈約束的構型條件及構型特征，和基于基本回路的過約束特征。提出了一種表示少自由度并聯(lián)機構約束特征的符號方法，并給出一種機構總過約束數(shù)計算、過約束回路識別以及分析過約束在回路中的分布與協(xié)調的系統(tǒng)方法。提出了全回路過約束、多回路過約束以及單回路過約束的概念。為按約束特征及過約

4、束特性進行并聯(lián)機構構型設計與分析奠定了理論基礎。
　　 ②應用運動螺旋的指數(shù)映射描述剛體運動和坐標變換，進行了串聯(lián)開鏈機構幾何約束誤差建模方法的研究。將誤差看成虛擬運動副運動的結果，應用螺旋理論分析運動副軸線位姿誤差的螺旋表示，從而建立了串聯(lián)開鏈機構含誤差螺旋的運動學指數(shù)積模型。并將工具坐標系的位置和姿態(tài)誤差看成虛擬移動副和虛擬轉動副運動的結果，給出了相應運動螺旋參數(shù)的計算公式。在Matlab環(huán)境下開發(fā)了一套通用的螺旋計算軟件包

5、，對兩種典型的串聯(lián)開鏈機構進行了誤差仿真分析，并使用Adams進行了對比仿真，驗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構的誤差，為按拆開連架副法分析運動副軸線幾何約束誤差對少自由度并聯(lián)機構的影響提供了有效的方法與工具。
　　 ③在過約束分析基礎上，采用拆開連架副法，通過基于螺旋理論的誤差建模，系統(tǒng)分析了運動副軸線幾何約束誤差對少自由度并聯(lián)機構的不良影響。提出了基于矩陣力法的誤差影響

6、分析方法和步驟，并以計算過約束回路強制裝配力、機構運動副中的附加載荷、連桿彈性變形、動平臺寄生運動和機構的應變能波動等一系列定量指標，評估過約束并聯(lián)機構對運動副軸線間幾何約束誤差的敏感性。通過對一種過約束并聯(lián)機構的分析與仿真，揭示了過約束回路對運動副軸線間幾何約束誤差的敏感性及其對機構性能影響的機理。同時分析了運動副軸線幾何約束誤差對一種完全解耦并聯(lián)機構的影響。研究結果為少自由度并聯(lián)機構的構型分析、構型優(yōu)選以及評估其實用性提供了一種新的

7、思路和方法。
　　 ④針對過約束少自由度并聯(lián)機構對運動副軸線間幾何約束誤差敏感的固有缺點，提出采用無過約束構型來消除此類不良影響的主動設計方法。提出了少自由度并聯(lián)機構無過約束構型設計的支鏈力約束條件和支鏈間力約束幾何方位配置條件。基于直接約束設計的理念，歸納總結出了一種根據(jù)支鏈約束要求設計具體支鏈結構，并按支鏈間約束配置幾何條件并聯(lián)裝配，綜合無過約束少自由度并聯(lián)機構的系統(tǒng)方法和一般步驟。詳細討論了只提供一個力約束以及只提供一個力

8、偶約束的兩類支鏈的結構設計，并簡要討論了幾種含多個約束的支鏈設計問題。應用按約束要求設計的支鏈結構，利用與靜平臺以及與動平臺直接連接的運動副軸線確定支鏈間約束的幾何關系，根據(jù)相關的約束配置要求，綜合出了一類新的完全對稱結構的平面3自由度、球面3自由度以及空間3移動并聯(lián)機構無過約束構型。并對無過約束構型和過約束構型進行了對比分析。為少自由度并聯(lián)機構的創(chuàng)新設計及消除運動副軸線幾何約束誤差對過約束構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)機構支鏈約束以及回路過約束的作用和耦合特點，揭示了過約束構型對運動副軸線間幾何約束誤差的敏感性及其對機構性能影響的機理，為過約束少自由度并聯(lián)機構的分析提供了一種新的觀點。無過約束構型設計方法為少自由度并聯(lián)機構的構型綜合提供了一種新的思路和創(chuàng)新方法，并為消除過約束的影響和提高機構的實用性提供了一條新的途徑。本文的研究成果，對豐富和拓展少自由度并聯(lián)機構的分析理論與方法，開拓無過約束構型的創(chuàng)新設計