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关键词： 复合材料弯管   线型设计   轨迹规划   缠绕机   控制系统  

摘要： 复合材料缠绕成型的管道制品具有强度高、质量轻、耐腐蚀等诸多优点,使其在能源、船舶、油田等领域获得广泛应用。目前直管的缠绕成型工艺和装备已经相对成熟,但是弯管的缠绕成型还是以手工绕制或传统的卧式缠绕机为主。弯管为非轴对称回转结构,使得基于传统的四自由度卧式缠绕机主轴带动弯管旋转结合导丝咀进行平移运动实现弯管缠绕成型的方式在线型设计、轨迹规划等方面受到很大限制。此外,在主轴旋转的过程中弯管的圆环段凸侧产生较大的离心力给缠绕机带来不稳定因素,尤其随着中大型口径的复合材料弯管的需求日益增多,传统的卧式缠绕机和纤维缠绕工艺更加难以满足复合材料弯管的生产需求。因此,本文设计一种基于芯模固定而导丝咀进行旋转和平移运动实现弯管缠绕成型的新型四自由度弯管缠绕机,并进行缠绕线型设计、轨迹规划及缠绕实验研究。线型设计是纤维缠绕技术的关键内容之一,本文针对非回转体弯管构件,对弯管圆环段进行基于测地线的线型设计,对弯管圆柱段进行非测线的线型设计,同时,针对纤维在弯管圆环段容易产生滑纱现象,在圆环段的凹侧容易产生架空的现象,推导弯管缠绕的不滑移和不架空条件,并通过Matlab平台对弯管线型进行仿真,从而满足弯管缠绕过程中纤维在芯模表面均匀稳定地覆盖。为实现新型弯管缠绕机结构设计及缠绕轨迹规划,本文对比分析传统小车往复平移和导丝咀绕芯模循环旋转这两种类型的导丝咀运动形式,以及纤维纱缠绕、预浸带缠绕和纱/带同缠这三种缠绕形式的特点,设计导丝咀绕芯模循环旋转结合纱/带同缠的弯管缠绕成型工艺,并根据该缠绕工艺进行新型四自由度弯管缠绕机的龙门架机构、旋转导丝咀圆环机构、偏转模块、分纱机构、浸胶槽等结构设计。同时,基于Matlab平台对导丝咀进行轨迹规划及运动仿真从而获得合理的弯管缠绕轨迹。最后,本文设计以工业计算机、固高运动控制器与伺服电机作为主要硬件的四自由度复合材料弯管缠绕机控制系统,并基于Visual Studio平台的C#语言开发上位机软件系统以实现人机交互、数据传输等功能。将本文设计的新型四自由度弯管缠绕机作为实验平台,结合新的缠绕成型工艺进行弯管缠绕成型实验,利用静水压测试平台和爆破实验机对缠绕成型的弯管进行性能测试实验,通过实验验证本文所设计的新型四自由度弯管缠绕机具有良好的适应性,能够满足复合材料弯管的缠绕成型需求。

关键词： 挤奶机器人   TRIZ理论   有限元分析   运动学分析   动力学分析   模拟实验  

摘要： 挤奶机器人作为有效控制牛奶品质,提高产奶量和降低劳动强度的重要设备,实现牧场奶牛挤奶向着数字化、无人化、高端化方向的发展有着重要意义。针对当前挤奶机器人体积大,位置固定及识别率低下等问题,基于TRIZ思维,设计了一款七自由度挤奶机器人,挤奶机器人的结构创新设计、有限元分析、运动学、动力学以及模拟挤奶实验五个方面进行了研究。基于TRIZ创新理论,通过功能组件分析、九屏分析及因果分析,从而发现现有挤奶机器人不足之处。基于TRIZ工具中的物理矛盾、技术矛盾、物-场模型对挤奶机器人整体结构进行创新设计。通过理论分析计算,对机械臂、末端执行器、滚珠丝杠等关键零部件进行选型。应用ANSYS Workbench软件对七自由度挤奶机器人的关键结构进行有限元分析。完成了机械臂、末端执行器、移动滑台的强度校核,得到应力应变云图,满足使用要求。同时对机械臂和移动滑台进行模态分析和谐响应分析,找出共振频率和发生破坏的位置,以防共振对其结构产生不利影响。运用MATLAB对七自由度挤奶机器人进行运动学分析。基于改进D-H法,建立机器人连杆模型,对机器人进行正、逆运动学分析;在MATLAB中,构建并验证挤奶机器人的连杆模型;采用蒙特卡洛法对机器人工作空间模拟仿真,得到机器人的工作空间范围;基于五次多项式插值法对机器人轨迹进行规划仿真,得到机器人各关节运动特性曲线。基于微分变换法求解机器人雅克比矩阵,并对奇异位置进行分析。基于ADMAS仿真软件对七自由挤奶机器人进行动力学仿真分析。运用拉格朗日法建立机器人动力学方程,在ADMAS中建立七自由度挤奶机器人虚拟样机,并对其进行正、逆动力学的仿真。仿真得到七自由度挤奶机器人关键关节的运动特性曲线以及各个关节力与力矩的相关曲线,验证了模型设计的合理性。搭建挤奶机器人实验平台,进行模拟挤奶实验。首先对硬件控制箱、UR5机械臂、双目深度相机的选取,基于ROS与挤奶机器人各模块建立通讯,从而构建挤奶机器人模拟实验平台;接着对移动滑台的性能检测,检测性能优良满足使用条件,最后进行模拟挤奶实验中的取杯、套杯实验。实验结果表明,所设计的挤奶机器人满足使用要求,为后期的设备改进奠定了基础。图 [62] 表 [16] 参 [92]

关键词： 混合驱动   多自由度   模态分析   结构参数   输出性能  

摘要： 日前,工业对可直接实现空间多维复杂运动的多自由度电机的需求日益剧增,而传统的单自由度电机则需多个电机共同配合才能实现多自由度运动,集成度低,造价高,且空间占用大,因此多自由度电机的结构设计和驱动方式为国内外学者提供了新的研究方向。依靠压电或电磁驱动的多自由度电机较为常见,压电电机无电磁污染,在高温或低温环境下都可正常工作,其体积虽小但可输出较大转矩;电磁电机进行多自由度运动时传动简单,整体输出效率较高。但在实际工作时,压电电机由于摩擦驱动,不能长时间连续工作于高强度场合,会降低电机整体的稳定性,影响电机的使用寿命;而电磁电机体积较大,定位精度不精确,对于精密的工作需求无法满足,且其较易受到磁场的干扰引发磁体不可逆退磁,导致电机无法继续正常工作。这些弊端的存在,会使两种电机的工作环境受限,为解决这一困难,现将两种驱动方式进行组合,构成一种混合驱动的多自由度电机,可提升电机的速度和转矩,提高电机的可靠性和稳定性,两者实现优势互补。通过协调配合,电机可连续运转不易磨损,增加电机使用寿命,同时可提高响应速度。本文将两种驱动方式结合设计成一种电磁压电混合驱动多自由度电机,对电机的性能进行研究分析,主要研究内容如下:(1)介绍电磁压电混合驱动多自由度电机整体结构组成,阐述电机各驱动部分的工作原理,推导两种驱动方式混合后电机产生的总转矩。对压电驱动结构中的压电定子进行建模仿真,利用Solidworks软件绘制模型,导入Workbench软件对其进行模态分析,选取工作模态,对容易出现的模态混叠现象进行研究。(2)分析预压力对内置压电驱动电机性能的影响,主要分析其对定转子接触面积和模态频率产生的影响,建立定转子接触数学模型,分析不同接触位置下质点的速度情况。利用ANSYS软件,分析定转子接触时产生的形变情况,测试分析不同预压力下压电定子的阻抗。(3)研究外部电磁定子结构参数对电机性能的影响,包括定子槽形的选择;定子齿宽、轭厚、槽数、槽深的具体尺寸对电机定子模态的影响;不同齿槽配合下电机产生的齿槽转矩的大小。分析永磁体的磁场,研究永磁体不同的充磁方式及厚度的变化对电机的气隙磁密、涡流损耗及噪声性能的影响。(4)搭建实验平台介绍实验器材,测试电机输出性能,并确定预压力的最佳施加范围。

关键词： CF/PEEK   六自由度3D打印   激光辅助加热   渐变螺杆挤出   流固耦合  

摘要： 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料是一种以热塑性树脂为基体、碳纤维(CF)为增强材料组成的复合材料。聚醚醚酮(PEEK)是一种特殊的半结晶芳族热塑性树脂,具有优异的物理和机械性能。低泊松比、高导热性的CF与高刚度、高化学稳定性的PEEK可以组成高性能的CF增强PEEK基复合材料。该复合材料性质优异、应用广泛。但是,由于PEEK具有高熔点和高粘度的固有特性使其自身的可加工性降低,传统的加工方式难以制备高质量的CF/PEEK复合材料。针对上述问题,本研究开展了激光辅助熔化、渐变螺杆挤出以及复合材料流固耦合成型等的理论设计、实验与仿真研究,通过设计一种新型六自由度FDM激光辅助加热渐变螺杆挤出式3D打印机,为CF/PEEK复合材料的制备提供策略。首先,为解决PEEK高熔点问题,采用可控温度范围广且升温迅速的半导体近红外激光器作为材料的熔化热源进行辅助加热。对激光辅助加热装置中PEEK的激光辐照诱导熔化行为进行研究,建立了激光辐照PEEK能量传递的理论模型。通过激光辐照熔化PEEK粒料实验,揭示了激光功率与实验样品架对PEEK熔化进程的影响。借助ANSYS APDL与ANSYS Workbench软件实现了高斯激光的编程与材料熔化行为的热场仿真。借助RStudio软件建立了激光熔化PEEK丝材的数值模型,揭示了激光功率、丝材进给速度与环境温度对熔化行为的耦合作用,最终确定了激光熔化PEEK温度与工艺参数的匹配关系。然后,为解决PEEK高粘度问题,利用独立电机驱动渐变螺杆来挤出激光辅助熔化后的PEEK材料。借助ANSYS Workbench软件对螺杆挤出系统中渐变螺杆进行强度校核与静应力仿真计算,运用有限元技术解释受载后渐变螺杆的应力分布对打印精度的影响规律,并且检验3D打印实际工况下该设计装置的可靠性。其中,渐变螺杆屈服强度(260 MPa)小于屈服极限(835 MPa),符合强度安全要求。螺杆载荷变形云图显示,螺杆底端产生的最大变形量(0.055 mm)小于结构间隙允许极限值(0.2 mm),满足刚度要求。接着,为保证复合材料由喷嘴稳定连续挤出,借助FLUENT软件建立混合加热块与喷头装置中复合材料的流固耦合模型。通过流场仿真计算装置中的速度场、温度场和压力场,得到了装置内复合材料的流动情况与分布规律,从而确定了工艺参数与复合材料流动情况的影响关系。结合流场与应力场仿真,检验装置是否满足实际工况下的成型精度要求和功能使用需求。其中,3 mm加热块熔道直径达到等效应力的最大值(11.575 k Pa),小于加热块(455 MPa)与喷嘴材料(200 MPa)的屈服强度,且最大变形量(3.27×10 mm)符合模型结构的间隙要求。流体入口流速于1.25 mm/s到达最大变形量(1.6×10 mm)与最大等效应力(14.1 k Pa),均符合打印安全要求。另外,为实现CF/PEEK复合材料更高效稳定的打印,借助ANSYS Workbench软件对打印喷头系统进行传热仿真来优化打印结构。结果表示,在打印装置结构设计合理范围内应尽可能减小加热棒与打印喷嘴间的距离,本文中加热棒与加热块底端距离为4 mm的装置结构是最优设计。最后,基于实验及仿真研究,本文针对PEEK的材料特性设计出新型FDM 3D打印成型系统各部件的整体布局与结构。阐明了该装置的工作机制,确定了CF/PEEK复合材料打印成型过程,为高性能CF增强复合材料的3D打印奠定了基础。

关键词： 多自由度机械臂   直流力矩电机   自抗扰控制   滑模控制   新型滑模趋近律  

摘要： 多自由度机械臂在工业生产和日常生活等领域中得到了广泛的应用,由于多自由度机械臂是一个高度耦合的多输入和多输出强非线性的复杂系统,易受工作环境影响以及各个关节之间存在摩擦和一些不确定因素的干扰,从而导致多自由度机械臂的高精度轨迹跟踪控制、响应速度快以及抗干扰性能难以实现。而传统的控制策略往往不能更好的满足系统所需的性能,因此采用合理高效的控制策略成为了多自由度机械臂控制技术的核心内容。针对多自由度机械臂是一个多输入多输出的非线性复杂系统,本文设计了一种基于滑模ADRC的多自由度机械臂控制系统,期望实现定位精度高,响应速度快以及抗干扰性能强的控制效果,本文主要工作如下:(1)本文首先整体介绍了多自由度机械臂的工作方式,分析了多自由度机械臂关节的执行机构直流力矩电机的工作电路,依据直流力矩电机的转矩平衡方程和电磁平衡方程建立起直流力矩电机的数学模型,其次对多自由度机械臂的机械结构进行了分析,整个系统的参考坐标系选取为机械臂的底座,采用Denavit-Hartenberg四参数建模的方法,通过变换得到相邻连杆关节的关系矩阵,从而推导出多自由度机械臂的运动学模型,再根据拉格朗日函数计算出多自由度机械臂系统的动力学方程。(2)为了提高多自由度机械臂控制系统的响应速度与跟踪精度,设计了滑模自抗扰控制策略。首先对于传统的自抗扰控制技术以及滑模控制技术分别进行了介绍。然后针对自抗扰控制技术存在响应速度较慢、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律结构中的参数繁琐整定较为复杂以及滑模控制存在抖振影响的问题,将传统的自抗扰控制技术结合了滑模控制设计出一种滑模ADRC的控制策略。该控制策略在保留了自抗扰控制技术原有的抗干扰性能之外,减少了可调参数,提高了系统的响应速度和鲁棒性。(3)通过实验验证基于滑模ADRC的多自由度机械臂控制系统的可行性。首先通过Matlab/Simulink仿真软件搭建基于滑模ADRC的多自由度机械臂控制系统的仿真模型进行实验仿真。其次根据实验室现有的实验设备包括驱动电机控制系统,多自由度机械臂,将搭建好的模型在PC主机中使用MATLAB进行程序编写,同时在配套的软件中写入设计的滑模ADRC控制算法进行实验验证,通过仿真和实验证明了基于滑模ADRC的多自由度机械臂控制系统的有效性。本文设计基于滑模ADRC的多自由度机械臂控制系统具有良好的控制性能,该控制策略能够在受扰动的情况下取得良好的控制效果,没有超调,提高了系统的响应速度,减小了系统的跟踪误差。使得多自由度机械臂系统具有更好的跟随性能和研究意义。

关键词： 锥形永磁同步电机   旋转位置检测   轴向位置检测   全阶滑模观测器   反电动势幅值  

摘要： 锥形永磁同步电机的定转子呈圆锥形，能够驱动定子或转子轴向移动改变气隙磁密进而调节磁场，提升电机的弱磁范围实现电机的宽速域运行。锥形电机涉及轴向与旋转两个自由度的运动，控制环节需要对电磁转矩和轴向磁拉力分别进行控制，转子的旋转位置和轴向位置是锥形永磁同步电机控制的重要依据需要进行精确的检测。本文围绕锥形永磁同步电机的位置检测问题，研究可实现锥形永磁同步电机旋转和轴向二自由度位置估计方法。　　本文首先分析锥形永磁同步电机轴向移动和锥角对电机参数的影响，以及锥形永磁同步电机的轴向受力情况，在此基础上建立了锥形永磁同步电机的数学模型。采用 q轴电流控制电磁转矩、d轴电流控制轴向磁拉力的三闭环 FOC系统实现锥形电机的二自由度运动。　　对于旋转位置检测，研究了基于全阶滑模观测器的检测方法，改变控制函数削弱了滑模的抖振现象，采用归一化锁相环提取转子的旋转位置信息。分析了锥形永磁同步电机轴向运动引起的电机参数变化对观测器误差的影响。在此基础上，通过仿真分析验证了所设计的观测器能够抵抗轴向运动带来的电参数不准确的情况下并观测转子的旋转位置。　　对于轴向位置检测，依据锥形永磁同步电机的特性提出了基于检测反电动势幅值的轴向位置估算方法，首先根据锥形永磁同步电机的气隙结构对轴向相对位置和反电动势幅值的关系进行分析，通过全阶滑模观测器检测反电动势，进而基于滑动平均滤波器提取幅值，该方法能够在保证基波幅值不变的情况下滤除反电动势中的谐波，减小检测过程中的误差和波动，实现对轴向位置的精确检测。　　为验证检测方法的可行性搭建了锥形永磁同步电机的实验平台。对不同工况下的旋转位置检测和轴向位置检测进行了实验研究，并与理论和仿真结果进行了对比分析，验证了所提出的位置检测方法的可行性和实用性。

关键词： 光刻投影物镜   压电驱动器   多自由度   轨迹跟踪   动力学模型  

摘要： 光刻机是半导体行业的核心制造装备,光刻投影物镜是光刻机的核心部件,其性能决定了光刻机曝光系统的极限分辨率和微电子芯片的节点尺寸(Critical Dimension,CD),芯片工艺节点的不断减小对光刻投影物镜成像质量的要求愈加严格,在光刻投影物镜的集成装调及光刻机曝光工作的过程中,需采用纳米级驱动及定位技术对投影物镜的成像质量进行补偿性调节,以降低投影物镜系统像差、提高光刻物镜的分辨能力。为了提高光刻投影物镜中调节机构的刚度和稳定性,开展新型多自由度压电驱动器的研究,通过多自由度的驱动方案直接驱动调节机构,为光刻投影物镜中光学镜片的定位调节提供一种全新的解决方案。因此,本文研究并开发了一种新型三自由度压电驱动器,并将其应用在光刻投影物镜像质补偿性调节机构中,实现了光学元件的多自由度高精度定位调节。论文主要研究工作如下:1、对压电驱动相关的基本原理、柔性铰链及刚度建模的基本原理及基于电容传感器的高精度运动测量原理进行了研究,提出了采用电容传感器进行多自由度微动运动测量的方案。2、提出并设计了一种三自由度压电驱动器,分析并建立了从三自由压电驱动器的输入电压到输出姿态间的运动传递方程,搭建试验平台对三自由度压电驱动器运动性能进行了测试研究,原型样机在X/Y/Z轴方向的运动分辨率可达15nm/16nm/21nm,在2Kg负载下的运动速度为52.3μm/s/82.8μm/s/29.5μm/s;设计了开环波形发生与轨迹规划算法,研究了三自由度压电驱动器的开环轨迹跟踪特性,并针对不同的运动轨迹开展了开环轨迹跟踪试验,圆形轨迹/椭圆形轨迹/矩形轨迹下的跟踪精度为≤0.23μm/≤0.29μm/≤0.32μm。3、对三自由度压电驱动器的动力学分析和建模方法进行了研究。建立了压电叠堆在约束工况下的机理模型,并采用辨识的方法对压电叠堆机理模型中的参数进行了估计,采用柔度矩阵法建立了柔性机构的刚度解析模型,基于拉格朗日法建立了三自由度压电驱动器系统的动力学运动方程,分析了驱动器在零输入条件下的模态、建立了驱动器在多输入条件下的传递函数形式数学模型,并基于数学模型对三自由度压电驱动器的时域响应进行了分析和测试,通过时域响应分析和测试的对比验证了建模方法正确性,也证明了所建立的三自由度压电驱动器动力学模型的准确性。4、利用所开发的三自由度压电驱动器作为驱动元件设计了两种光刻投影物镜像质补偿多自由调节机构,对机构的运动功能和调节性能进行了测试研究,采用平面二自由度机构调节曲面反射镜时,机构在宏动模式下的调节行程可达±2mm、调节速度≥4mm/s,在微动模式下调节分辨率可达15nm;采用五自由度调节机构调节平面反射镜时,在开环状态下的位移调节误差≤0.21μm、转角调节误差≤2.3μrad、位移调节重复性偏差≤0.11μm、转角调节的重复性偏差≤0.76μrad,且调节过程中在不同位置引入的平面反射镜面形RMS变化小于3nm,满足在光刻物镜中应用的要求。

关键词： 机械臂   运动学分析   路径规划   手眼标定   ROS  

摘要： 随着工业化进程的发展,我国逐步进入“工业4.0”时代,工业机械臂作为一种智能化和自动化程度较高的拟人机器人,其在智能化生产领域的地位变得越来越重要,它能够代替人工作业来实现各种重复、繁琐的作业,提高生产的效率。但是传统的机械臂大多数需要人工来对其进行路径规划,且难以在工业生产中进行自主作业。本文设计了一套基于机器视觉的六自由度机械臂自主避障与抓取方案,对机械臂手眼标定方法和路径规划算法展开研究。首先,使用D-H参数法建立机械臂的运动学模型。在进行逆运动学分析时,使用解析法和欧拉角解法求出机械臂末端位姿的六个关节角,获得机械臂的逆解;在MATLAB中利用蒙特卡洛法分析机械臂的工作范围,检验所建立机械臂数学模型的准确性,为后续机械臂路径规划的研究建立数学基础。其次,针对传统的RRT算法、RRT-connect算法在采样时随机性过强、采样的搜索效率过低以及规划时间过长等问题,提出改进的RRT-connect算法。针对传统算法规划效率过低的问题,通过随机采样和贪婪策略相结合的方式来实现在随机树采样的过程中对目标点的依赖,提高了生成采样点的目的性。针对传统算法规划效率过低的问题,本文在保证路径规划质量的同时,提出了结合第三节点的采样方法,在采样开始之前设置起始点与目标点的中点为第三节点进行采样,若中点在障碍物内,则在中垂线上搜索不在障碍物内的点为第三节点进行采样。再次,机械臂标定精度和相机标定精度都能影响传统的九点标定法的标定精度,针对这一问题,提出了一种改进的九点标定方法,旨在提高机械臂标定精度以达到提高手眼标定精度的目的。首先利用四点标定法对机械臂坐标系和工具坐标系进行标定,再利用机械臂正逆运动学算法计算机械臂第六轴长度,使得机械臂在手眼标定时获取的末端位姿更加准确,从而提高手眼标定的精度。最后,为了验证上述方法在机械臂路径规划和目标抓取中应用的有效性,本文搭建了基于ROS(Robot Operating System)的机械臂仿真实验平台,将RRT-connect算法与本文改进的RRT-connect算法插入Move It!中进行对比试验,初步验证了改进算法的可行性。再将改进算法和改进九点标定法应用于机械臂平台进行实际检验,实验结果表明,本文所提出改进的RRT-connect算法和改进九点标定法能使机械臂更快的避开障碍物到达指定位置并能更加精准的抓取目标物体。

关键词： 不连续动力系统   摩擦和碰撞   流转换   周期运动   擦边运动   粘合运动  

摘要： 在各种工程领域中,系统部件的运行常常伴随着摩擦、碰撞及间隙耦合等行为,而这些行为通常会导致复杂的非线性现象.因此,通过建立物理模型、运用数学方法来研究具有多参数的不连续系统的动态行为具有重要的理论意义与实际应用价值.由于摩擦和碰撞一直是机械工程领域的重要研究对象,具有摩擦碰撞的不连续动力系统自然引起了众多学者的关注.基于一类振动颚式破碎机的机械模型,本文研究了一类含刚性外架和动颚的三自由度系统的不连续动力学行为.该系统采用了动、静摩擦系数不相等的摩擦模型,减振作用较好的非线性弹簧和阻尼,以及负反馈机制.通过考虑系统可能存在的各种运动行为,基于流转换理论分析了不同运动状态之间的切换条件,并对几类典型运动进行了数值模拟以直观验证解析结果.经过上述一系列步骤,本文充分研究了在高维边界及边缘处流的局部奇异性和切换性,为含颚的机械系统的设计和优化提供参考.文章的主要内容如下:第一章,描述了含摩擦和碰撞的不连续动力系统的研究背景及现状,并且简述了不连续动力系统中流转换理论的有关概念和引理.第二章,介绍了一类含刚性外架和动颚的三自由度系统的物理模型,给出了在不同运动状态下的运动方程.根据系统的不连续性和非光滑性,划分了该三自由度系统的相空间.为使边界与边缘的控制方程不依赖于时间,引入了相对变量,简化了六维相对相空间中区域、边界与边缘的定义,并在此基础上分析了相应边界及边缘上的流障碍.基于相空间的划分,利用函数和法向量,以解析条件的形式描述了流对高维边界及边缘的局部奇异性和可切换性.此外,为了分析和预测周期运动及其他复杂运动,利用映射动力学理论,定义了该系统的六维转换集及全局映射结构.最后,为了更直观地理解流转换的解析条件,利用MATLAB软件对该三自由度系统的复杂动力学行为进行了数值模拟,并利用多体仿真软件MSC Adams对部分数值模拟结果进行了验证.第三章,总结全文,并对不连续系统的动力学行为的进一步研究进行了展望.

关键词： 少支链并联机构   6自由度   五杆闭合回路   位置正解   位置逆解   工作空间   奇异性  

摘要： 运动模拟平台在船舶、航空、汽车和娱乐设施等领域有着广泛的应用需求。并联机构凭借其刚度大、承载能力强、精度高及结构紧凑等优势在运动模拟平台领域得到了深入的研究。然而并联机构固有的多支链、高耦合度的结构特点,尤其是6自由度并联机构大多数具有耦合度强、运动学正解求解困难、工作空间范围狭小和模拟真实感低等缺点。而且,目前应用于运动模拟平台的6自由度并联机构构型较为匮乏。基于以上背景,综合和开发低耦合度、大工作空间的6自由度运动模拟平台具有重要的意义。本文根据基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计理论,对含五杆闭合回路的少支链6自由度并联机构进行结构设计并优选构型,对优选构型进行运动学分析。主要研究内容包括:首先,根据基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计理论,给出了含多驱动闭合回路的并联机构综合的方法;基于该方法,综合出一类含多驱动五杆闭环回路的6自由度并联机构,对综合出的新构型进行拓扑结构特征分析,优选出适合作为运动模拟平台的构型。优选的两个机型均为三支链,且机构的所有驱动均安装在底座上,机构耦合度低,结构简单且可对称布置,支链包含的五杆闭合回路有利于提高机构的刚度。接着,对优选的两种三支链6自由度并联运动模拟平台构型进行运动学分析。建立机构的运动学方程,推导出机构正逆解解析表达式。结果表明,机构的运动学逆解简化为求解三个解耦的二次方程式,每个方程仅包含一个未知数;采用Sylvester消元法,两个机构的运动学正解可简化为单个变量的16次多项式,因此,机构的装配构型数目最大分别为8和16。借助Solidworks的Motion插件对机构进行了算例和运动仿真分析,验证了运动学方程的正确性。然后,基于运动学逆解的解析方程,提出机构工作空间的求解方法;进一步针对给定的模拟平台的位置空间对机构的结构主参数进行了优化,并对优化后机构的位置工作空间和姿态空间进行了分析。之后,建立两种机构的封闭矢量方程,求导得到机构的运动雅可比矩阵,分析机构奇异的条件,提出避免机构发生奇异的方法,为机构的应用及控制系统设计提供参考。最后,通过与公司的现有Stewart构型运动模拟平台进行性能对比,结果表明两种新设计的运动模拟平台构型在支链数、耦合度、运动学方程复杂程度、工作空间和可折叠性等方面具有优势,说明新设计的两种机构在运动模拟平台的应用方面有很大的潜力。本文的研究工作为少支链6自由度并联运动模拟平台的设计、制造及控制提供了理论依据。