运动副间隙对平面并联机构运动精度的影响

摘要

并联机构由于其承载能力强、精度高、刚度大等优点被广泛应用于航空航天、医疗卫生及食品包装等领域。然而在并联机构的生产制造及长期负载工作过程中，由于制造误差和机构磨损则会导致关节处存在间隙。间隙的存在会使机构发生接触碰撞现象，引起机构的剧烈振动，进一步加剧间隙处运动关节的磨损从而降低机构的运动精度及稳定性。因此，关于含间隙并联机构的运动精度研究及如何减小间隙对机构运动精度的影响已成为热点问题。 本文首先分别对冗余机构、柔性多体系统动力学和含间隙机构动力学的研究背景及现状进行了系统的综述，提出本文的研究内容。其次通过建立 3-RRR并联机构和 4-RRR 并联机构的运动学约束方程来确定机构初始位姿，并借助MATLAB和ADAMS工具软件求得机构的运动学正反解。在此基础上分析了三种因素对含间隙4-RRR驱动冗余机构和3-RRR非冗余机构运动精度的影响，分别是间隙尺寸、间隙数量和摩擦系数。然后利用ANSYS和ADAMS联合仿真分析考虑间隙和构件柔性耦合时机构的运动精度及稳定性。最后以4-RRR结构冗余机构为研究对象，分别考虑连杆刚柔特性下不同驱动组合方式对应的机构输出，并定量对比分析了驱动冗余和结构冗余关于降低间隙对机构运动精度影响的差异。 研究结果表明：无论是3-RRR非冗余并联机构还是4-RRR冗余并联机构，间隙的存在不仅会增大机构的位移误差还会导致机构的稳定性降低；相比于刚性连杆，柔性连杆的适当弹性变形作用均对两种并联机构的运动精度有所改善；通过施加冗余的方式可以降低间隙对机构位置误差及稳定性的影响，但结构冗余由于驱动组合的不同，针对同一运动轨迹，其所表现出的对含间隙机构的运动精度改善作用亦存在差异。

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