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刚柔耦合平面并联机构设计及其性能分析

张建峰  
【摘要】:传统刚性并联机构中由于运动副间隙的存在,在运动中不可避免的会产生振动冲击,并且由于其自身结构的限制,在运动过程中会存在多种奇异位置。相比于传统刚性机构,柔性机构中具有消除运动副间隙、无摩擦、无需润滑等优势。因此,本文针对传统刚性机构中存在振动冲击,规避奇异困难等问题,将柔性机构作为运动副加入到传统刚性并联机构中,形成具有规避奇异特性的刚柔耦合并联机构。在刚柔耦合机构中由于柔性关节的存在,减少了运动副间隙和冲击振动,同时可利用柔性机构储能释放能量的优势规避机构中的奇异位形,从而提高了机构的整体性能。本文以抓取对振动和冲击有严格要求的精密电子元器件为研究背景,确定了机构的设计准则,根据机构任务要求对作为本体的传统刚性并联机构进行设计,利用支链构造法,综合出了 19种机构构型。确定了以分布式柔性转动副加入到刚性并联机构中的设计方案,设计出了一类刚柔耦合并联机构并绘制出了相应的三维简图。其次,利用伪刚体模型法对柔性关节进行了分析修正,利用闭环矢量方程法对机构求解了运动学正逆解。完成了包括机构的工作空间、奇异性及动力学性能的分析。同时,对反映机构精度特性的静刚度及机构误差性能进行了分析,并提出了机构规避奇异的方法。最后,建立机构的虚拟样机并进行了仿真验证,利用3D打印技术制作了满足任务要求的柔性关节,制作的含有柔性关节的刚柔耦合并联机构实体样机,并搭建了相应的控制系统。针对机构规避奇异特性进行了实验研究,结果证明了所提设计方法的可行性和理论计算的正确性。


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