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三自由度平动并联机构的动力学与控制系统研究

姚莉君  
【摘要】:并联机构和数控机床结合,成为并联机床,可以实现数控加工。在加工过程中既能提供并联机构的灵活性和柔性,又能提供机床的刚度和精度。本文所研究的机器人为三自由度的并联机床,可以实现激光加工、钻铣切削等工业加工。 目前学术界和工程界非常重视并联机床(机构)的研究与开发,20世纪90年代中期,美国、英国、德国、俄罗斯、日本等国家的有关研究机构和机床厂家纷纷推出具有不同结构形式和功能特性的并联机床(机构),其已经成为工业发展不可忽视的一颗新星。 本文首先对并联机构模型进行理论分析,应用拓扑学对机构的自由度数、铰链是球铰链还是虎克铰链进行了分析说明,从而确定机构的自由度数以及铰链形式。然后分析机构的正逆运动特性,机构可达工作空间等,再通过拉格朗日方程建立完整的闭环机构动力学方程,为后续的仿真模拟以及控制系统研究提供理论依据。 按照机构的尺寸结构图,在三维数字建模软件SolidWorks中对该机构进行三维实体建模,通过分析软件ADAMS与SolidWorks软件之间的模型转化,生成ADAMS环境下的数学模型,对机构进行运动学和动力学仿真分析,通过分析得出机构的运动规律以及包括驱动力、电机所需负载等动力特性。 为了从机械系统和控制系统多角度来改善三自由度并联机构的性能,通过ADAMS/Control和Matlab/Simulink之间的联合仿真,建立联合仿真平台,对机构进行PID控制研究,包括基于运动学的控制研究和基于动力学的控制研究,得到在控制运动过程中所需要的PID参数。 最后通过Matlab/Simulink和dSPACE之间的无缝链接,对前期通过Matlab/Simulink建立的控制系统模型进行验证,即通过dSPACE平台与“实时仿真设备”搭建的半物理环境进行了三自由度并联机构的半实物实时控制仿真,验证了上述理论的有效性。


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