含球面副间隙空间并联机构的动力学行为分析

摘要

并联机构由于具有刚度大、精度高、承载能力强、可灵活实现空间姿态等优点在航天模拟器、并联机器人操作器、加工机械、食品包装以及医学领域等得到了广泛的应用。球面副是空间并联机构中比较常见的运动副之一，由于制造与装配等因素，球面副中普遍存在间隙，球面副间隙会导致间隙处球面副元素之间的接触碰撞，造成机构的振动与噪声，恶化机构的动力学性能，因此有必要对含球面副间隙的空间并联机构动力学特性进行研究。本文以4-UPS-RPU空间并联机构为研究对象，对含球面副间隙空间并联机构的动力学建模及动力学行为分析进行了系统的研究。主要研究内容如下：
　　首先，建立了含球面副间隙4-UPS-RPU空间并联机构的运动学模型，基于球面副间隙的几何关系建立了间隙球面副的运动学模型，分别采用Lankarani-Nikravesh接触碰撞力模型和修正的Coulomb摩擦力模型，建立了法向与切向接触力模型，将间隙球面副之间的接触力嵌入到理想球面副并联机构的动力学模型，得到了含球面副间隙空间并联机构的动力学模型。
　　然后，基于龙格库塔法对含球面副间隙空间并联机构动力学方程进行了求解，分析了不同轨迹和不同球面副间隙值对动平台质心点的位移、速度、加速度以及接触力的影响。研究了不同间隙值对中心轨迹以及嵌入深度的影响，并且利用相轨迹、Poincare映射和Lyapunov指数等对含球面副间隙并联机构混沌特性进行定性与定量的分析。
　　最后，阐述了磨损的基本理论，对比分析了Archard磨损模型和Reye’s hypothesis磨损模型，并且基于Archard磨损模型，分别从滑移距离和接触速度的角度建立了含间隙球面副三维磨损深度的模型，对比分析了不同间隙值下含球面副间隙空间并联机构的三维磨损特性，为含球面副间隙并联机构磨损的研究奠定了基础。

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ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 含间隙机构动力学建模的研究现状

1.3 含间隙机构动力学特性的研究现状

1.3.1 混沌基础理论的发展

1.3.2 混沌现象在机构学中的发展

1.3.3 间隙运动副磨损计算

1.4 本课题主要研究内容

2 含球面副间隙的空间并联机构动力学建模

2.1 引言

2.2 空间4-UPS-RPU并联机构结构特征

2.3 含球面副间隙的空间并联机构运动学分析

2.3.1 含球面副间隙的空间并联机构驱动分支位置反解分析

2.3.2 含球面副间隙的空间并联机构运动速度分析

考虑球面副间隙时，动平台的角速度可以用欧拉角表示，欧拉角三个变量是正交的，对三个变量求导后并不正交，、分别与、和平行，因此动平台的角速度和、和具有以下的关系

2.4 含球面副间隙的空间并联机构动力学建模

2.4.1 含间隙球面副运动学模型的建立

2.4.2 含间隙球面副接触力模型的建立

2.4.2.1 法向接触力模型的建立

2.4.2.2 切向摩擦力模型的建立

2.4.3 含球面副间隙的空间并联机构的动力学建模

2.4.3.1 含球面副间隙系统的动能

2.4.3.2 含球面副间隙系统的势能

2.4.3.3 考虑间隙时作用于并联机构非保守力的等效广义力计算

2.5 本章小结

3 含球面副间隙的空间并联机构动力学分析

3.1 引言

3.2 含球面副间隙的空间并联机构动力学方程求解

3.3 含球面副间隙的空间并联机构动力学响应分析

3.3.1 含球面副间隙的4-UPS-RPU并联机构参数设置

3.4 含球面副间隙的空间并联机构混沌特性分析

3.4.1 间隙对中心轨迹、接触力及嵌入深度的影响

3.4.2 间隙对球面副关节处相轨迹、Poincare映射及Lyapunov指数的影响

3.4.3 间隙对动平台相轨迹、Poincare映射的影响

3.5 本章小结

4 含球面副间隙的空间并联机构磨损特性分析

4.1 引言

4.2 磨损基本理论

4.2.1 磨损过程概述

4.2.2 磨损模型

4.3 含间隙球面副三维磨损动态计算模型

4.3.1 接触应力的分析计算

4.3.2 含间隙球面副的近似接触面积

4.3.3 滑移距离的分析计算

4.3.4 磨损深度的分析计算

4.4 含球面副间隙的空间并联机构磨损特性分析

4.4.1 间隙球面副动态磨损计算流程

4.4.2 含间隙球面副机构动态磨损分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况