發(fā)布時間：2017-12-24 04:04

  本文關(guān)鍵詞：基于動力學(xué)分析的改進(jìn)型Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性建模技術(shù)　出處：《東北大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)是R.Clavel在1988年提出的,是一種具有3個平動自由度的高速并聯(lián)機(jī)構(gòu),也是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機(jī)構(gòu)之一。它廣泛應(yīng)用于食品、藥品的包裝和電子產(chǎn)品的裝配。Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的最大缺點就是存在多個球鉸,加工難度大,精度難以保證。L.W.Tsai于1995年發(fā)明了一種簡化的3自由度Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)的最大特點是它具有3個移動自由度,各運(yùn)動副均是轉(zhuǎn)動副,工作空間大,定位精度高,累積誤差小,剛度高,在工業(yè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性是機(jī)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下,在規(guī)定的使用期內(nèi),精確、及時、協(xié)調(diào)地完成規(guī)定機(jī)械運(yùn)動的能力。如今,提高產(chǎn)品的運(yùn)動可靠性已經(jīng)成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。并聯(lián)工業(yè)機(jī)構(gòu)之所以沒有在對運(yùn)動精度要求高的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用是因為其運(yùn)動可靠性尚且達(dá)不到更高的要求。在并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動中由于構(gòu)件尺寸形位誤差,轉(zhuǎn)動副間隙誤差,力作用下的構(gòu)件彈性變形,主動關(guān)節(jié)剛度等因素的影響,機(jī)構(gòu)運(yùn)動末端的軌跡會偏離理想軌跡。因此,需要在分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)和構(gòu)件受力后彈性變形的基礎(chǔ)上,揭示機(jī)構(gòu)誤差傳遞機(jī)理,并考慮各個原始輸入誤差的隨機(jī)性,建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性數(shù)學(xué)模型,給出評價機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性高低的量度和計算方法。運(yùn)動可靠性是機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度高低的更本質(zhì)的衡量指標(biāo)。運(yùn)動可靠性分析是機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和誤差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)�？梢娧芯炕趧恿W(xué)特性的剛?cè)峄旌象w并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性具有重要的現(xiàn)實意義。本文就是以這種改進(jìn)型Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對象,具體研究內(nèi)容如下：(1)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)進(jìn)行詳盡的分析。利用矢量法推導(dǎo)機(jī)構(gòu)的位置反解；利用坐標(biāo)變換消元法推導(dǎo)機(jī)構(gòu)的位置正解,并結(jié)合軟件仿真實現(xiàn)求解多解取舍問題。利用泰勒展開式將機(jī)構(gòu)的位置方程展開,高效地推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)的Jacobian矩陣,然后在機(jī)構(gòu)運(yùn)動方程的基礎(chǔ)上,利用矢量法及其運(yùn)算規(guī)律找出機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動平臺質(zhì)心點、各個桿件質(zhì)心點、各個關(guān)節(jié)點的速度和角速度與輸入組合角速度的映射關(guān)系。(2)利用虛位移原理得到機(jī)構(gòu)靜力狀態(tài)下輸入驅(qū)動力矩與外載荷之間的關(guān)系式,并利用能量法和矢量法將機(jī)構(gòu)各個構(gòu)件的自身重力加入機(jī)構(gòu)的靜平衡關(guān)系式中。采用拆桿法和虛位移原理相結(jié)合,有效地對機(jī)構(gòu)所有關(guān)節(jié)的約束力進(jìn)行求解,同時也找到影響機(jī)構(gòu)靜平衡驅(qū)動力矩的一些因素。利用虛位移原理建立運(yùn)動中機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)方程,找到輸入驅(qū)動力矩與外載荷、各個構(gòu)件重力、慣性力／慣性力矩之間的關(guān)系表達(dá)式,同時列出了機(jī)構(gòu)運(yùn)動中各個關(guān)節(jié)的約束力表達(dá)式。(3)利用機(jī)構(gòu)勢能的Hessian矩陣來定義機(jī)構(gòu)的剛度,并建立機(jī)構(gòu)的連續(xù)剛度模型,在模型中不僅考慮驅(qū)動鉸鏈、被動鉸鏈剛度和各個部件重力對機(jī)構(gòu)剛度的影響,還考慮機(jī)構(gòu)位姿變化和在廣義外力下各個桿件彈性變形對剛度的影響,并利用機(jī)構(gòu)剛度性能判定指標(biāo)對機(jī)構(gòu)剛度性能進(jìn)行判定。提出基于動力學(xué)構(gòu)件彈性變形的機(jī)構(gòu)剛度分析和評價機(jī)構(gòu)剛度特性的新思路,在動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,利用疊加原理計算出每個桿件約束反力、慣性力作用下的拉壓和彎曲組合彈性變形。然后,通過坐標(biāo)變換法計算出機(jī)構(gòu)的綜合彈性變形,進(jìn)而分析出機(jī)構(gòu)的剛度特性。(4)利用空間向量鏈分析法,分離出機(jī)構(gòu)末端姿態(tài)誤差和位置誤差,建立機(jī)構(gòu)末端位置誤差與構(gòu)件幾何誤差的映射顯函數(shù)。此外,在動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,考慮主動關(guān)節(jié)剛度引起的變形傳遞到機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器過程中各個構(gòu)件的慣性力、慣性力矩等動力學(xué)因素的影響,得到主動關(guān)節(jié)剛度誤差模型。然后,建立考慮機(jī)構(gòu)動力學(xué)因素的機(jī)構(gòu)構(gòu)件彈性變形誤差模型。(5)利用Monte Carlo方法,通過將隨機(jī)抽樣試驗得到的原始誤差代入由尺寸形位誤差、基于動力學(xué)分析的主動關(guān)節(jié)剛度和桿件彈性變形誤差組成的綜合誤差模型,得到機(jī)構(gòu)位置誤差統(tǒng)計特征量,進(jìn)而對改進(jìn)型Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動位置可靠度進(jìn)行概率分析。給出改進(jìn)型Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動位置可靠性靈敏度分析方法。根據(jù)機(jī)構(gòu)各種誤差源誤差傳遞的特點,采用構(gòu)造響應(yīng)面函數(shù)的方法分別計算出機(jī)構(gòu)主動臂、從動桿和連接軸的尺寸誤差,各個支鏈的布置位置誤差,以及主動臂、兩類連接軸姿態(tài)誤差的均值、方差可靠性靈敏度。此外,基于ADAMS二次開發(fā)功能,建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性分析的仿真模塊,結(jié)合ADAMS軟件自帶的ADAMS/flex模塊產(chǎn)生柔性體,通過替換原有的剛性體,建立剛?cè)峄旌象w模型,從而解決構(gòu)件彈性變形仿真問題。建立基于Monte Carlo法的ADAMS仿真模塊需要的參數(shù)化樣機(jī)模型,編程得到符合正態(tài)分布的隨機(jī)誤差參數(shù)化變量,隨機(jī)生成具有不同誤差的仿真模型,然后將一些剛性構(gòu)件替換為柔性構(gòu)件,仿真后對末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析,借助軟件自動進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性分析計算。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH112

【參考文獻(xiàn)】

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1 胡景姝;王亞萍;馬海濤;;基于ANSYS并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)形式的有限元分析[J];工具技術(shù);2006年05期

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本文編號：1326774