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一类2R1T并联机构构型综合与优化设计研究

许华旸  
【摘要】:本文密切结合开发2R1T并联机构的实际需求,提出两种具有2R1T自由度的新型并联机构:新3PUU机构和新3UPU机构。然后,本文重点以新3PUU机构为研究对象,系统地对其开展自由度分析、运动学性能优化与尺度综合、柔体动力学分析及拓扑优化等研究工作。最后,通过实验验证了所提出理论的有效性以及所提出机构的实用性。具体内容如下:基于螺旋理论,给出旋量的坐标变换法则,然后结合机构拓扑提出一种称为“一个原则两项技术”的自由度分析理论。采用该理论对3PRS机构,4PUU机构,Orthoglide机构,经典3PUU机构,以及经典3UPU机构等五种典型并联机构进行自由度分析。分析结果表明,本文所提出的自由度分析理论数学严谨,通用性强,可避免主观判断和个人经验带来的分析误差,易于编程实现机构全周自由度的自动计算,且能够得到机构自由度的数量、方向、性质和相互耦合关系等多重信息。基于前述自由度分析理论,提出一套针对2R1T机构的构型综合策略,并依此综合出两种具有2R1T自由度的新型并联机构:新3PUU机构和新3UPU机构。然后,重点研究了3PUU并联机构的几何约束条件及其运动学正逆解,指出该机构具有2R1T和3T两类运动学逆解形式。对应两种运动模式,可将该机构分别用于混联机床领域和物件抓取机器人领域。针对两个应用领域不同的性能需求,采用性能图谱法对新3PUU机构进行尺度综合。对导重法进行扩展和改进,并结合子模型法与子结构法,提出一套对机构关键零部件进行动力学优化设计的拓扑优化策略。优化算例表明,该优化策略在确保零部件边界条件提取具有较高精度的同时,极大地提升了计算效率,可以很好地解决此类载荷既具有设计相关性、又具有时间相关性所带来的特殊困难。基于伺服电机和运动控制器,搭建新3PUU机构实验样机。通过自由度实验、运动学实验和动力学实验,验证了机构的自由度性质,以及本文中尺度综合方法和动力学优化方法的有效性。本文研究成果为将该类机构应用于混联机床和物件抓取机器人的设计与开发提供了理论依据和技术支撑。


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