本文關(guān)鍵詞：一種新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法研究

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【摘要】：本文密切結(jié)合航空制造業(yè)大型整體結(jié)構(gòu)件加工對五坐標加工裝備的需求,系統(tǒng)研究一種新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。在兩轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機構(gòu)的拓撲構(gòu)型綜合基礎(chǔ)上,提出一種新型五自由度并聯(lián)機構(gòu),深入研究該機構(gòu)的運動學(xué)分析、彈性動力學(xué)建模與分析、動態(tài)優(yōu)化設(shè)計等問題。全文主要成果如下:基于李群理論,提出定點轉(zhuǎn)動兩自由度并聯(lián)機構(gòu)的拓撲綜合方法。結(jié)合子流形等效原理與位移子群/子流形特征將可用支鏈分類,并提出定點轉(zhuǎn)動兩自由度并聯(lián)機構(gòu)可用支鏈的裝配原則。通過引入環(huán)形導(dǎo)軌、鉸接動平臺、平行四邊形子結(jié)構(gòu)擴充了定點轉(zhuǎn)動兩自由度并聯(lián)機構(gòu)拓撲構(gòu)型,得到多種新型兩轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu)。以拓撲構(gòu)型綜合得到的PaRot并聯(lián)機構(gòu)為A/B軸轉(zhuǎn)頭,創(chuàng)新設(shè)計一種適用于五坐標高效加工作業(yè)的臥式布局、可實現(xiàn)3T2R運動的新型五自由度并聯(lián)機構(gòu)T5。借助矢量鏈法分析T5并聯(lián)機構(gòu)的位置逆解和位置正解,并通過微分運算建立該機構(gòu)的速度和加速度在驅(qū)動空間和操作空間之間的映射模型,進而計及鉸鏈轉(zhuǎn)角范圍、驅(qū)動副行程等約束條件、利用極限邊界數(shù)值搜索法完成機構(gòu)工作空間分析。在運動學(xué)分析與虛擬樣機設(shè)計基礎(chǔ)上,應(yīng)用機構(gòu)運動彈性動力學(xué)與子結(jié)構(gòu)綜合理論,計及桿件柔性、鉸鏈柔性、集中質(zhì)量、重力及零部件裝配特征,建立支鏈、轉(zhuǎn)頭等部件運動微分方程,進而根據(jù)節(jié)點自由度耦合關(guān)系建立T5并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學(xué)模型。通過無阻尼固有特性分析,揭示了T5并聯(lián)機構(gòu)低階固有頻率的面對稱空間分布特征,并借助商用有限元軟件驗證其有效性。采用振型疊加法求解系統(tǒng)時域動態(tài)響應(yīng),并研究了運動過程中機構(gòu)最大動應(yīng)力的變化情況。結(jié)果表明,重力對機構(gòu)最大彈性位移有較大影響,應(yīng)在動態(tài)設(shè)計時加以考慮。借助商用軟件預(yù)估伺服驅(qū)動參數(shù),進而開發(fā)基于工控機+運動控制器的數(shù)控系統(tǒng),搭建T5原型樣機實驗平臺。開展典型位姿下原型樣機的模態(tài)實驗研究,驗證彈性動力學(xué)分析的有效性。利用田口實驗法分析機構(gòu)截面參數(shù)和尺度參數(shù)對動態(tài)性能的影響,獲得關(guān)鍵參數(shù)對機構(gòu)動態(tài)特性的作用規(guī)律,為動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。針對動態(tài)性能需求,提出考慮最大彈性位移、最大動應(yīng)力、一階固有頻率優(yōu)化準則的輕量化設(shè)計模型,并基于粒子群算法實現(xiàn)機構(gòu)關(guān)鍵尺度參數(shù)和截面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。研究表明,同時優(yōu)化截面參數(shù)和尺度參數(shù)比單一優(yōu)化截面參數(shù)可得到更優(yōu)解。本文研究成果為上述五自由度并聯(lián)機構(gòu)原型樣機改進設(shè)計、工程化樣機開發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ),也對豐富和發(fā)展并聯(lián)機構(gòu)動態(tài)設(shè)計理論與方法具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：并聯(lián)機構(gòu) 拓撲綜合 運動學(xué)分析 彈性動力學(xué) 動態(tài)設(shè)計
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V261
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 字母注釋表13-18
• 第一章 緒論18-26
• 1.1 研究背景及意義18-20
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容24-26
• 第二章 拓撲創(chuàng)新26-40
• 2.1 引言26
• 2.2 基本概念及描述26-28
• 2.3 兩轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu)位移子流形28-29
• 2.4 可用支鏈位移子群或位移子流形29-30
• 2.5 裝配原則30-35
• 2.6 算例35-39
• 2.7 小結(jié)39-40
• 第三章 運動學(xué)分析40-60
• 3.1 引言40
• 3.2 機構(gòu)簡介40-42
• 3.3 位置分析42-48
• 3.4 速度分析48-50
• 3.5 加速度分析50-53
• 3.6 工作空間分析53-55
• 3.7 算例55-58
• 3.8 小結(jié)58-60
• 第四章 彈性動力學(xué)建模60-84
• 4.1 引言60
• 4.2 系統(tǒng)劃分60
• 4.3 單元運動微分方程60-64
• 4.4 子系統(tǒng)運動微分方程64-79
• 4.5 整機彈性動力學(xué)模型79-82
• 4.6 小結(jié)82-84
• 第五章 彈性動力學(xué)分析84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 固有頻率分析84-90
• 5.3 動響應(yīng)求解90-93
• 5.4 參數(shù)影響分析93-97
• 5.5 動應(yīng)力分析97-99
• 5.6 小結(jié)99-100
• 第六章 樣機建造與實驗100-118
• 6.1 引言100
• 6.2 驅(qū)動參數(shù)預(yù)估100-102
• 6.3 樣機建造102-111
• 6.4 實驗研究111-116
• 6.5 小結(jié)116-118
• 第七章 動態(tài)優(yōu)化設(shè)計118-138
• 7.1 引言118
• 7.2 田口實驗分析118-128
• 7.3 優(yōu)化設(shè)計模型128-130
• 7.4 基于粒子群算法的優(yōu)化130-132
• 7.5 算例132-136
• 7.6 小結(jié)136-138
• 第八章 全文結(jié)論138-140
• 8.1 總結(jié)138-139
• 8.2 展望139-140
• 參考文獻140-148
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明148-152
• 致謝152-153

【參考文獻】

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本文編號：832313