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正交三自由度并联机构动力学分析

赵进科  
【摘要】: 随着工业机器人对机构运行速度、精度和刚度要求的不断提高,并联机构日益得到了广泛的关注。然而并联机构也有其缺点:由于并联机构杆件之间的耦合作用,其运动学和动力学解可能较为复杂。为了避开这些缺点,少自由度并联机构凭借其简单的、解耦的运动学解逐渐开始得到普遍关注。 本文的研究对象为正交三自由度并联机构,它是一种三平移自由度的并联机构。该机构由运动平台、三个支链和固定平台组成,运动平台和固定平台通过三个支链相连,三个支链两两正交。每一支链由一个圆柱关节和两个个转动关节组成,这三个关节的轴线互相平行。 首先基于螺旋理论,十分简单的得到了机构的自由度。然后分别考虑了把转动关节和移动关节作为驱动关节时机构的运动学解和奇异性。转动关节作为驱动时,其位置正解是一个八次多项式的解,并且在其工作空间中有较多的奇异点。而移动关节作为驱动时,并联机构输入和输出是同步的,也就说,其运动学Jacobian矩阵是单位矩阵。所以在后面的分析与样机制造中,都选择移动关节作为驱动。此外,还对机构进行了简单的静力学分析。 针对每一个支链,利用牛顿-欧拉算法,可以计算得到支链之间的耦合力。然后根据达朗贝尔原理,推导出机构在各个方向上的动力学方程。在SolidWorks软件中建立机构的简单模型并在CosmosMotion模块中进行运动仿真。通过仿真结果与动力学方程计算结果的比较,可以看出两种方法一致性与准确性。并且总结出影响机构动力学性能的主要因素是支链的质量、惯性张量和速度。 基于上述的分析结果,设计制造了正交三自由度并联机构的样机模型,此样机由伺服电机驱动并由PC实现运动控制。


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