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《河南理工大学》 2017年
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一种新型3-PRS-XY串并联机床设计及性能研究

孙付伟  
【摘要】:并联机构在工业生产、医疗器械、航空航天、飞行模拟等领域的应用日益广泛。与串联机构相比,并联机构具有刚度大、响应速度快、累积误差小等优点,但同时又具有工作空间小的缺点,因此,与串联机构相结合的串并联机构可以很好的弥补并联机构的缺点,其研究和应用就更有价值。本文在传统3-PRS并联机构的基础上,设计了一种工作空间可调的3-PRS-XY串并联机床,建立了机构模型,对其进行了运动学、动力学、工作空间、误差、性能指标等方面的分析,搭建了机床样机平台。主要研究内容如下:(1)建立了3-PRS-XY串并联机床的正向运动学和逆向运动学数学模型;针对并联机构正解求解难的问题,提出了基于几何解析法对3-PRS-XY串并联机床的正向运动学进行了求解并进行了可视化分析;通过正向与逆向运动学相互验证求解得到的动平台末端位姿与初始值吻合,验证了所建立的3-PRS-XY串并联机床的运动学数学模型的正确性。(2)采用拉格朗日方法建立了3-PRS-XY串并联机床的动力学模型,推导出了3-PRS-XY串并联机床的动力学方程。对3-PRS-XY串并联机床的运动学和动力学进行了理论分析与仿真,得出了驱动滑块的驱动力变化规律,以及驱动滑块位移和动平台末端执行器的姿态、速度和加速度变化规律。探讨了结构参数对3-PRS-XY串并联机床的运动学和动力学的影响,得出了3-PRS-XY串并联机床的运动学和动力学随机构参数变化的变化规律。理论分析与仿真得结果一致,验证了所建立的运动学和动力学模型的正确性。(3)在机构逆向运动学分析的基础上,利用搜索算法确定了3-PRS-XY串并联机床的工作空间。探讨了定平台半径、动平台半径和连杆长度等结构参数对3-PRS-XY串并联机床工作空间的影响,得出了不同参数下3-PRS-XY串并联机床工作空间云图及在XOY面、XOZ面和YOZ面上的投影,求解出了对应的机床工作空间体积,得出了结构参数与机床工作空间之间的关系。(4)建立了3-PRS-XY串并联机床的误差模型,利用蒙特卡洛算法求解了机床的误差,得出了3-PRS-XY串并联机床的误差分布、极限误差等误差数字特征。探讨了不同误差源和机构构型对机构误差和工作空间内误差限的影响,得出了在不同误差源和机构构型下的3-PRS-XY串并联机床的误差分布及极限误差的变化规律。(5)根据机构的空间模型与运动学分析,求解出3-PRS-XY串并联机床的速度雅可比矩阵、海赛矩阵、力雅可比矩阵以及刚度矩阵,推导出了3-PRS-XY串并联机床的线速度和角速度灵巧度指标、线速度和角速度全域性能指标、线加速度和角加速度全域性能指标、力灵巧度指标、力全域性能指标、刚度全域性能指标,得到了性能指标图谱,进而得出了3-PRS-XY串并联机床的性能指标与结构参数之间的关系。(6)给出了3-PRS-XY串并联机床关键部件和硬件的设计方案,搭建了3-PRS-XY串并联机床的样机平台。进行了合成运动试验和路径轨迹规划试验,验证了理论分析的正确性。
【学位授予单位】:河南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG502.1

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