少自由度并联机床约束链的若干问题研究

摘要

并联机床也称之为并联机器人机床，它是并联机器人技术在机床制造领域成功应用的范例。自1994年9月GINNINGS&LEWIS公司在美国芝加哥国际展览会上展出“VARIAS”样机以来，它从一出现就受到国内外众多学者的关注。在短短的10多年时间里，人们对并联机床的研究不断向纵深发展。并联机床技术已经从理论研究走向实际应用，而少自由度并联机床是近年来并联机床研究中的一个热点问题。国内外对少自由度并联机床的基础理论和应用研究，目前还很不充分。 本文是在国家“八六三”高新技术计划资助项目(863-512-30-07)——钢坯修磨机器人技术开发、国家自然科学基金(59875012)——三杆五自由度机器人化机床理论及样机研究等项目研究工作的基础上，针对少自由度并联机床的特点，就少自由度并联机床的构型设计、自由度配置、运动轨迹规划及仿真、动力学特性及动态仿真、静力分析及仿真、静刚度分析及仿真等方面进行了系统深入的研究。 (1)综述了少自由度并联机床国内外研究发展现状，以及关键技术的研究进展，指出少自由度并联机器人理论及应用领域有待深入开展的研究方向。阐明了本课题研究的目的及意义。 (2)研究了少自由度并联机床的构型设计方法及其约束链配置，论述了并联机床各分支链的运动约束对运动平台自由度的影响，提出了主动链和约束链的概念。在此基础上讨论了如何根据并联机床的自由度要求，确定约束链机构形式和各主动链运动副型式的问题。 (3)讨论了各支链的自由度同关节自由度的关系，以及确定约束链机构和各主动链分支杆的关节型式等问题，提出了少自由度并联机床的自由度配置方法。 (4)对东北大学研制的3-TPT并联机床，分析了其约束链对机床运动及动力学特性的影响，并在ADAMS机械动力学仿真软件上建立了仿真运动模型。获得了有关运动学及动力学特性曲线，为机器人机构设计和动力性能分析开辟了一条新路，解决了运动可视化问题。 (5)对3-TPT并联机床的运动轨迹规划问题进行了研究，提出了移动平台按预期运动规律运动时应该施加在原动件—伸缩杆上的运动规律。通过虚拟样机的运动仿真，对所规划的运动轨迹进行了验证。 (6)对3-TPT并联机床的约束链——平行机构进行了较为深入地研究，利用参数化方法研究了其对并联机床性能及工作空间的影响；讨论了平行机构的各杆长度尺寸设计应遵循的原则，指出了平行机构自身设计的缺陷及相应的解决办法。 (7)建立了3-TPT并联机床的动力学仿真模型，研究其运动规律及连杆驱动力与动平台运动二者之间的定量变化关系。验证了机床的主运动链和约束链之间力的分配关系。进行了正向动力学动态仿真，得到了机床的动平台动力学性能变化曲线及相关规律。 (8)利用ANSYS有限元分析软件建立了3-TPT并联机床的静力力学仿真模型，研究了不同位姿、工况下机床的受力、变形情况，得出机床的易损部件及其危险截面所在部位。 (9)建立了并联机床的静刚度的数学模型。利用ANSYS仿真分析方法，研究了3-TPT并联机床在工作空间内刚度变化规律，分析其各主要部件的性能对整机刚度影响。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章少自由度并联机床的设计及其约束链配置

第三章少自由度并联机床运动学及其约束链特性仿真

3.1概述

3.2少自由度并联机床的运动分析

3.3少自由度并联机床的运动学仿真

3.4约束链运动学特性研究

3.5本章小结

第四章约束链对少自由度并联机床动力学性能的影响

4.1多体系统动力学的理论基础

4.2建立动力学仿真模型

4.3 3-TPT并联机床及其约束链的动力学特性

4.4本章小结

第五章少自由度并联机床及其约束链静力学特性研究

5.1并联机床的静力分析

5.2有限元分析理论基础

5.3并联机床的有限元建模

5.4并联机床的ANSYS静力分析

5.5本章小结

第六章约束链对少自由度并联机床刚度特性的影响分析

第七章结论与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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