【摘要】：空間多閉環(huán)過約束機(jī)構(gòu)因過約束的存在具有承載能力大、精度高等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但也因過約束的存在空間多閉環(huán)過約束機(jī)構(gòu)的受力問題屬于靜不定問題,加大了此類機(jī)構(gòu)受力分析的難度和復(fù)雜性。本文將空間多閉環(huán)過約束機(jī)構(gòu)分為被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)、主動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)和被動(dòng)輸入過約束機(jī)構(gòu),對(duì)空間過約束機(jī)構(gòu)的受力問題展開系統(tǒng)地研究,主要研究內(nèi)容如下:針對(duì)四面體構(gòu)架式可展天線機(jī)構(gòu)的多環(huán)耦合特性,基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度分析理論和拆桿-復(fù)原-等效的思想提出了一種空間多閉環(huán)耦合機(jī)構(gòu)的自由度分析方法。應(yīng)用提出的拆桿等效法分析了3RR-3RRR四面體多閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度,為后續(xù)進(jìn)行受力分析奠定基礎(chǔ),同時(shí)將該方法推廣應(yīng)用于其它幾種空間多閉環(huán)耦合機(jī)構(gòu)的自由度分析問題中。將存在公共約束或并聯(lián)冗余約束的一般過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)。根據(jù)分支變形特點(diǎn)將被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)分為分支剛度解耦和分支剛度耦合機(jī)構(gòu)�？紤]分支桿的拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲復(fù)合變形推導(dǎo)了分支過約束力螺旋系柔度矩陣的解析表達(dá)式,分別提出了求解兩類被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)受力問題的方法,建立了驅(qū)動(dòng)力螺旋、非過約束力螺旋、過約束力螺旋幅值與外載荷、系統(tǒng)彈性變形之間的解析關(guān)系式,揭示了分支剛度對(duì)被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)受力分配的影響機(jī)理。應(yīng)用提出的受力分析方法對(duì)分支剛度解耦機(jī)構(gòu)2RPU+SPR和分支剛度耦合機(jī)構(gòu)3-RRC進(jìn)行了受力分析。根據(jù)分支在重力作用下是否產(chǎn)生了沿過約束力螺旋方向的附加約束力/力偶,將考慮重力作用下被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)的受力分為兩種情況。以分支剛度解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)2RPU+SPR、分支剛度耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)3-RRC、平面被動(dòng)過約束并聯(lián)結(jié)構(gòu)3-RR、空間被動(dòng)過約束并聯(lián)結(jié)構(gòu)7-SS為例,給出了考慮重力作用時(shí)兩種情況下被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)的受力分析方法。將采用可控驅(qū)動(dòng)元件(如電機(jī))且存在冗余驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為主動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)。以2SPS+P主動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)為例,研究了考慮系統(tǒng)彈性變形條件下主動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)滿足的位移協(xié)調(diào)關(guān)系;建立了2SPS+P機(jī)構(gòu)分別采用全位置控制、全力控制、力/位混合控制時(shí),分支驅(qū)動(dòng)力、輸出位移、外載、分支剛度之間的關(guān)系,并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開了實(shí)驗(yàn)研究。將采用不可控驅(qū)動(dòng)元件(如扭簧)且存在冗余驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為被動(dòng)輸入過約束機(jī)構(gòu)。以被動(dòng)輸入過約束機(jī)構(gòu)3RR-3RRR為例,建立了扭簧剛度與機(jī)構(gòu)展開運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,分析了扭簧數(shù)量、剛度對(duì)3RR-3RRR機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩的影響,并基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams進(jìn)行了仿真驗(yàn)證�；诩訖�(quán)廣義逆理論推導(dǎo)了被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)、主動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)和被動(dòng)輸入過約束機(jī)構(gòu)靜不定力學(xué)問題的加權(quán)廣義逆解與驅(qū)動(dòng)力/力矩、約束力/力偶幅值之間的關(guān)系,并揭示了加權(quán)廣義逆解的物理意義。加權(quán)廣義逆的應(yīng)用為空間多閉環(huán)過約束機(jī)構(gòu)提供了一種簡便、快速的受力分析方法。
【圖文】：

當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各支撐分支提供給動(dòng)平臺(tái)的約束中存在公共約束或并聯(lián)冗余約束時(shí)，這類并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)[1,2]，即這類機(jī)構(gòu)中存在起重復(fù)限制作用的約束。由于過約束力/力偶的大小由外載荷和系統(tǒng)剛度決定，不能主動(dòng)分配，又將這類過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)[3,4]。被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)因過約束的存在具有剛度高、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，可在重載場合發(fā)揮重要作用，，近年來受到了越來越廣泛的關(guān)注。德國 SMS-MEER 公司生產(chǎn)的幾款鍛造操作機(jī)(見圖 1-1 和圖 1-2)，其懸掛機(jī)構(gòu)采用平行 4-SS (S 表示球副)被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)；一種微跟蹤伺服裝置采用了 3-RRR(R 表示轉(zhuǎn)動(dòng)副)球面過約束機(jī)構(gòu)[5]；XT700—國內(nèi)研發(fā)的新型并聯(lián)機(jī)床(見圖 1-3)，本體采用了三自由度被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu) 2UPR+SPR[6](U 和 P 分別表示虎克鉸和移動(dòng)副)；n-SS(n≥7)型大量程六維力傳感器[7,8]亦采用的是被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，例如，7-SS 并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器(見圖 1-4)；3-RRC(C 表示圓柱副)[9,10]、4-UPU[11]、2RPU+UPU[12]、3-PRRR[13]等少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)也屬于被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)，還有“GG 問題”中提到的多種古典過約束機(jī)構(gòu)[14]156-194。

當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各支撐分支提供給動(dòng)平臺(tái)的約束中存在公共約束或并聯(lián)冗余約束時(shí)，這類并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)[1,2]，即這類機(jī)構(gòu)中存在起重復(fù)限制作用的約束。由于過約束力/力偶的大小由外載荷和系統(tǒng)剛度決定，不能主動(dòng)分配，又將這類過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)稱為被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)[3,4]。被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)因過約束的存在具有剛度高、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，可在重載場合發(fā)揮重要作用，近年來受到了越來越廣泛的關(guān)注。德國 SMS-MEER 公司生產(chǎn)的幾款鍛造操作機(jī)(見圖 1-1 和圖 1-2)，其懸掛機(jī)構(gòu)采用平行 4-SS (S 表示球副)被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)；一種微跟蹤伺服裝置采用了 3-RRR(R 表示轉(zhuǎn)動(dòng)副)球面過約束機(jī)構(gòu)[5]；XT700—國內(nèi)研發(fā)的新型并聯(lián)機(jī)床(見圖 1-3)，本體采用了三自由度被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu) 2UPR+SPR[6](U 和 P 分別表示虎克鉸和移動(dòng)副)；n-SS(n≥7)型大量程六維力傳感器[7,8]亦采用的是被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，例如，7-SS 并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器(見圖 1-4)；3-RRC(C 表示圓柱副)[9,10]、4-UPU[11]、2RPU+UPU[12]、3-PRRR[13]等少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)也屬于被動(dòng)過約束并聯(lián)機(jī)構(gòu)，還有“GG 問題”中提到的多種古典過約束機(jī)構(gòu)[14]156-194。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH112

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2674577