一种可变胞并联机构的多维隔振平台研究

摘要

由于在车载、船载及航空航天等环境下，机载设备在工作中会经受大量的空间多维的振动与冲击，严重影响其工作性能和使用寿命。而现有的多维隔振理论和技术存在很多缺陷，无法满足实际工程对多维隔振的需求，也没有一种多维隔振设备可以满足两种或两种以上不同维度的多维隔振，不能用于环境、工况多变的实际工程多维隔振。因此，对可用于不同工况下的多维隔振平台的研究具有重大的理论意义和实用价值。
　　 在国家自然科学基金“基于柔性变胞机构的精密设备多维振动的主动控制研究(51275275)”和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金“基于柔性变胞机构的机载精密设备的振动主动控制研究(BS2010ZZ006)”的资助下，本文设计了一种新型的可变胞并联机构，并将该机构作为多维隔振的主体机构，构建了一种新的多维隔振平台，只需一个多维隔振平台，就可以满足三平移隔振和三平移一转动隔振两种不同维度的多维隔振，为多维隔振提供了新的思路。
　　 第一，本文基于变胞原理对两种不同自由度的并联机构进行了综合，以机载设备的多维隔振为特点，设计了一种全新的可变胞并联机构，通过对机构两种不同形位的自由度的计算，证明通过调整该可变胞并联机构的rT铰链，机构可以在三平移并联机构和三平移一转动并联机构两种不同自由度的并联机构之间相互转换，实现机构自由度和形位的变化。
　　 第二，本文对可变胞并联机构两种不同的形位进行了运动学和力学分析，对其位置正逆解、速度、加速度、工作空间、力学方程等进行了求解。结果表明，该机构两种形位下的运动学和力学方程比较简单，机构工作空间较大，且有很好的解耦性，适合用作多维隔振的主体机构。
　　 第三，本文将可变胞并联机构用作多维隔振平台的主体机构，在主动副处添加弹簧阻尼系统构建了可变自由度的多维隔振系统，建立了多维隔振系统的动力学微分方程，分别分析了两种形位下的系统固有频率，并分析了系统各参数对固有频率的影响。结果表明，可以根据不同的隔振需要，选择合适的机构参数，调节多维隔振系统的固有频率，该多维隔振平台可以满足两种不同维度的多维隔振需要。
　　 第四，本文用ADAMS和MATLAB进行了运动学和动力学仿真研究，对比研究表明本文的运动学理论分析可行，并且是正确的。进一步的动力学分析表明，本文设计的可变胞并联机构多维隔振平台具有良好的隔振效果，并且能分别实现三平移隔振和三平移一转动隔振。
　　 本文将可变胞并联机构引入到多维隔振领域中来，构建了可变胞并联机构的多维隔振平台。所设计的多维隔振平台具有可变自由度的特点，可根据环境需要改变其自由度，实现两种不同自由度的多维隔振，结构简单，隔振效果良好，为多维隔振领域提供了一个新的方向，具有广泛的理论意义和工程实用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及研究意义

1．2 并联机构及其在多维隔振中的应用

1．2．1 多维隔振的研究现状

1．2．2 并联机构的研究及应用

1．2．3 并联机构在多维隔振中的应用

1．3 变胞机构及其在多维隔振中的发展前景

1．3．1 可重构机构及变胞机构的研究

1．3．2 变胞并联机构及其在多维隔振中的应用前景

1．4 本课题的研究内容

第2章 变胞并联机构的模型及其自由度分析

2．1 空间机构的结构形式

2．2 基于约束螺旋理论的机构自由度求解法

2．2．1 螺旋理论的基本概念

2．2．2 螺旋的互逆积与原点选择无关

2．2．3 修正的Grübler-Kutzbach公式

2．3 机构的模型及其自由度分析

2．3．1 变胞并联机构模型建立

2．3．2 机构的自由度分析

2．4 本章小结

第3章 可变胞并联机构的运动学与动力学分析

3．1 变胞机构形位一的分析

3．1．1 3-CRR并联机构的运动学分析

3．1．2 机构工作空间分析

3．1．3 3-CRR并联机构的力学分析

3．2 变胞机构形位二的分析

3．2．1 CRU-2CRR并联机构机构的运动学分析

3．2．2 工作空间分析

3．2．3 CRU-2CRR并联机构的力学分析

3．3 本章小结

第4章 多维隔振系统的振动分析

4．1 隔振平台的结构设计

4．2 多维隔振系统的动力学模型

4．2．1 多维隔振系统形位一的动力学模型

4．2．2 多维隔振系统形位二的动力学模型

4．3 多维隔振系统的固有频率和模态分析

4．4 多维隔振系统的参数设计分析

4．5 多维隔振系统的固有频率变化规律

4．5．1 多维隔振系统形位一的固有频率变化规律

4．5．2 多维隔振系统形位二的固有频率变化规律

4．6 本章小结

第5章 多维隔振平台的仿真及分析

5．1 多维隔振系统形位一的仿真及分析

5．1．1 模型的建立

5．1．2 多维隔振系统的运动学仿真

5．1．3 多维隔振系统的振动性能仿真与分析

5．2 多维隔振系统形位二的仿真及分析

5．2．1 模型的建立

5．2．2 多维隔振系统的运动学仿真

5．2．3 多维隔振系统的振动性能仿真与分析

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文