隨著智能制造裝備的應(yīng)用場景對高精度、高速度、高加速度的多自由度運(yùn)動(dòng)能力需求越來越迫切,其核心機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題成為決定智能制造裝備性能的關(guān)鍵問題,嚴(yán)重影響了其工作精度、運(yùn)行可靠性和壽命周期。以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為給定功能本體的多自由度智能制造裝備,因其具有多條運(yùn)動(dòng)支鏈,每條運(yùn)動(dòng)支鏈又含有多個(gè)運(yùn)動(dòng)副,運(yùn)動(dòng)副具有間隙、磨損、潤滑等特性,這些運(yùn)動(dòng)副特性均能對裝備的高速和高精度運(yùn)行產(chǎn)生不可忽視的動(dòng)態(tài)影響,因此智能裝備中并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副特性對動(dòng)力學(xué)性能的影響在裝備研究領(lǐng)域重視程度與日俱增。圍繞智能裝備中并聯(lián)機(jī)構(gòu)本體的高速、高加速度應(yīng)用需求,本文以面向電子制造裝備研發(fā)的3自由度構(gòu)型的3-PRR平面精密定位平臺為研究對象,考慮高速、高加速度下運(yùn)動(dòng)副間隙、磨損、潤滑特性對機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響展開理論與實(shí)驗(yàn)研究。主要工作內(nèi)容如下:首先,針對運(yùn)動(dòng)副的間隙特性,建立了含運(yùn)動(dòng)副間隙的3-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,模型整合了機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程、含間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副作用力模型和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件受力模型,并改進(jìn)了Bathe積分算法用于保證長時(shí)間歷程的數(shù)值計(jì)算,為后續(xù)磨損仿真研究提供了算法前提。進(jìn)而完成了對含間隙3-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性的綜合仿真分析;并從間隙尺寸、運(yùn)動(dòng)軌跡、材料恢復(fù)系數(shù)三個(gè)方面,定量的對含間隙的3-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。其次,針對運(yùn)動(dòng)副的磨損特性,提出了基于Archard模型的運(yùn)動(dòng)副高頻碰撞磨損模型。針對含間隙3-PRR機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副軸頸與軸承相對運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,接觸碰撞點(diǎn)磨損不連續(xù)的特點(diǎn),以接觸點(diǎn)切向速度的積分計(jì)算滑移弧長,結(jié)合接觸區(qū)域接觸應(yīng)力模型,實(shí)現(xiàn)單步磨損區(qū)域的磨損量建模;然后通過線性插值法,將單步磨損區(qū)域的磨損量累加到運(yùn)動(dòng)副的圓周上,實(shí)現(xiàn)磨損輪廓重構(gòu);最后通過動(dòng)態(tài)更新閾值,調(diào)控運(yùn)動(dòng)副磨損輪廓代入機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程運(yùn)算時(shí)的動(dòng)態(tài)更新速率。通過比較5種不同運(yùn)動(dòng)軌跡對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨損的影響,發(fā)現(xiàn)軸承的磨損輪廓能夠很好的與軸頸相對軸承的運(yùn)動(dòng)軌跡對應(yīng),并反應(yīng)出軸承孔輪廓的磨損特征,說明了運(yùn)動(dòng)副磨損模型的有效性。同時(shí),通過給不同位置的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的磨損壽命排序,探究了不同關(guān)節(jié)磨損壽命與運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系。然后,針對運(yùn)動(dòng)副的潤滑特性,提出了修正系數(shù)對Pinkus-Sternlicht(P-S)潤滑軸承油膜承載力模型進(jìn)行修正,進(jìn)而引入到考慮運(yùn)動(dòng)副潤滑的3-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程。討論了不同修正系數(shù)對修正的油膜承載力模型的非線性影響。通過4種承載力模型的應(yīng)用對比,說明了修正后的P-S模型在3-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的可行性和優(yōu)勢。進(jìn)而完成了含潤滑關(guān)節(jié)的3-PRR機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能的綜合分析,并對比了不考慮潤滑的含間隙3-PRR機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。通過比較最大加速度誤差值、最大速度誤差值、最大軌跡誤差值及其所在的角位置,定量地分析了潤滑油膜對含間隙3-PRR機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能的改善作用。整個(gè)建模和分析過程,從數(shù)值仿真上描述了考慮運(yùn)動(dòng)副潤滑的3-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性,比單獨(dú)考慮運(yùn)動(dòng)副間隙更接近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)情況。最后,設(shè)計(jì)了間隙元素可更換的簡化轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),進(jìn)而搭建了突出運(yùn)動(dòng)副特性的3-PRR機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測量系統(tǒng),并圍繞運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的間隙特性、磨損特性和潤滑特性進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對前述相關(guān)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí),針對理論和實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)的問題,對未來的工作進(jìn)行了展望。本文的工作為以平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為本體的高速精密裝備的動(dòng)力學(xué)性能的研究和開發(fā),提供了重要的模型和方法。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH112

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2817921