6-PTRT并联机器人的静刚度特性研究及结构优化

摘要

6-PTRT并联机器人作为一种精密定位装置,良好的刚度特性是保证其精密性、稳定性和高速性的前提。并联机器人的静刚度是动平台在外载荷作用下,由于基座与动平台之间的零部件发生弹性变形而引起末端操作器在基坐标系下的位移大小的度量。为了提高该机构的定位性能,本文基于运动学理论建立了6-PTRT并联机器人的静刚度模型并借助ANSYS、MATLAB等软件研究了其刚度特性,为定位装置的结构设计、精密控制和性能评价等提供了理论指导。
　　首先,建立6-PTRT并联机器人运动学模型,通过运动学分析得到了一阶运动影响系数,并且利用三维搜索方法借助MATLAB软件绘制了其工作空间。按照串联关系得到支链关节刚度,基于运动学中的一阶运动影响系数按照偏微分的方法建立了静刚度模型。该模型没有忽略支链因受拉或受压会表现出不同的刚度,综合考虑了6-PTRT并联机器人的主、被动关节的刚度及外力作用的影响。通过数值计算得到了动平台在特定位姿时的静刚度矩阵及刚度分布规律,并将各个影响因素引起的刚度值进行对比得到影响刚度的关键环节,最终引入瑞利商这一标量对刚度性能进行了评价。
　　其次,基于ANSYS进行仿真分析,将虎克铰分别简化为柔性铰连或耦合球铰,建立了三种有限元模型,通过对有限元模型进行静力分析得到六个方向的刚度值,并确定出刚度较差的零部件。对样机进行静刚度测试,同前面的刚度结论进行对比,验证了静刚度理论模型和有限元仿真分析的正确性,并且分析了产生差别的原因。
　　最后,借助系统静刚度理论模型对结构参数进行分析,得到了系统六个方向的静刚度与结构参数的关系曲线,指出了提高静刚度的方向。进一步建立了混合载荷作用下的系统的优化模型,通过对结构参数优化,强化了定位机构在载荷方向的刚度,降低了末端操作器前端的偏移量,为下一步的设计工作提供了理论依据。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题来源及研究目的意义

1.2并联机器人的应用及其静刚度研究现状

1.3主要研究内容

第2章 6-PTRT并联机器人的静刚度特性

2.1 6-PTRT并联机器人简介

2.2运动学分析

2.3静刚度模型

2.4支链关节刚度

2.5系统刚度分析

2.6本章小结

第3章 基于ANSYS的仿真分析及实验测试

3.1有限元静力分析基础

3.2有限元模型及其静力分析

3.3实验测试

3.4实验测试结果与理论计算、有限元仿真结果的对比分析

3.5模态分析与系统刚度

3.6本章小结

第4章 系统结构参数分析及优化

4.1结构参数分析

4.2结构参数优化

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢