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含平面分支耦合约束力并联机构研究

刘洋  
【摘要】:传统并联机构中因球副的结构缺陷,包括由于特殊结构而导致转动角过小、能够承受较大压力但受拉情况下性能很差等因素,使得并联机构位置、姿态工作空间、刚度特性以及运动特性等最重要的性能指标受到严重限制,影响着并联机构在实际中的应用与普及。本课题将并联机构中的球副进行合理地转化,凭借转动副转角大、无论受拉还是受压都可承受较大载荷等特性,构造出一种包括转动副和移动副的平面闭环子链分支,进而可以提高并联机构运动及动力学性能。平面闭环分支的引入会使得机构的自由度分析、约束情况分析等变得复杂,尤其是本课题中因其出现引起一种不同于以往的约束情况即含耦合约束的情况出现,因此本课题致力于解决出现的问题。本文主要研究内容如下:为含平面闭环分支的新型并联机构进行型综合与综合实验。首先,根据实际要求列出机构综合的目标,以此作为机构综合的基础;然后提出将机构中的球副转化为转动副来综合出一类含平面闭环子链分支的4、5、6自由度的并联机构;最后采用综合实验的方式搭建上述机构中的一些典型试验样机,对综合出的机构进行验证。对提出的两种含平面闭环子链分支机构进行分析。首先,设计出两种含平面分支的并联机构,并进行了位置反解模型的建立;其次针对分支之间关联性较大的机构提出一种变步长边界搜索方法,得到了该两个机构的工作空间;接着分析得出该类机构的约束情况随着位姿的不同出现的约束不同,进而得到了这两种机构运动学、静力学和动力学数学模型;最后,搭建2UPR-R+3SPU机构的仿真模型,对建立的数学模型进行数值算例验证。对提出的三种含平面闭环子链分支机构进行分析。首先根据这3机构的各自特点,分别建立各个机构的位置反解模型,并根据变步长搜索法得到了工作空间,从结果可以看到平面分支与单链分支对工作空间的形状影响;然后深入分析了平面闭环分支对动平台的约束性质,得出该类机构的约束为约束力具有耦合关系的结论;接着对雅可比进行了统一,得到了机构的统一雅可比矩阵和海森矩阵,进而推导出机构的静力学和动力学模型;最后,以(2UPR-R)机构为例进行仿真模型的建立,通过数值算例对理论模型进行验证。对2UPR-R+SPS+SP型并联机构进行了运动学理论建模、控制平台搭建与实验研究。首先,建立了2UPR-R+SPS+SP的运动学模型及搭建该机构的实验平台;然后采用VB语言对CAD软件进行了二次开发,编写出了实验平台控制软件的轨迹规划部分,基于运动控制卡,编写出了机构的运动控制部分;最后,应用该软件对实验机构进行运动控制实验研究,对本章建立的模型与设计的软件进行验证。


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