考虑不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计

摘要

长久以来，不确定性因素就存在于并联机构的设计加工装配等过程中，从而对并联机构的综合性能产生影响。尤其在并联机构多目标优化设计中，不确定性因素一开始就影响着设计变量，进而随着设计变量传播到多个目标函数中，使不确定性因素在多目标函数中积累，导致多目标函数的可靠性降低。虽然对多目标优化设计研究起步较早，不确定性研究也逐步升温，但几乎没有理论将两者结合进行研究。由于六自由度并联机构本身的复杂程度较大，建模、理论计算难度大等原因，其多目标优化设计难度较大，加之将不确定性因素考虑在并联机构设计中的难度更大、研究甚少。本文对新型3-PRRS六自由度并联机构进行研究，考虑设计变量中存在的不确定性因素影响，结合多目标优化设计理论与可靠性设计方法，充分考虑3-PRRS并联机构在设计变量的不确定性进行多目标可靠性优化设计研究。本文的研究工作如下：
　　第一，对3-PRRS并联机构进行运动学研究，建立矢量方程得到运动学反解，并采用解析方法得到机构全部正解。得到机构雅克比矩阵，利用变量代换化简推导了机构位形奇异轨迹的解析表达式，并利用 Matlab仿真软件得到机构位形奇异轨迹的三维可视图。充分分析影响工作空间的各个因素，通过三维极坐标搜索法利用 Matlab软件编程得到工作空间三维图，初步分析了机构结构尺寸与工作空间的关系，利用影响系数法得到了该并联机构的雅克比矩阵和Hessian矩阵，并通过虚功原理分析了3-PRRS并联机构的逆动力学，并对其进行 Matlab数值计算和Adams仿真验证，确保理论分析的正确。
　　第二，介绍了不确定性理论的基础知识，利用概率方法定量地处理并联机构多目标优化设计中的不确定性因素，通过考虑3-PRRS并联机构中存在的随机不确定性问题运用概率论的知识建立了可靠性优化设计模型。建立了基于Isight的不确定性多目标可靠性设计方法。
　　第三，综合考虑3-PRRS六自由度并联机构的工作空间、全域灵巧度指标、线加速度和角加速度性能指标等方面的要求，构建该机构多目标确定性优化模型。然后充分分析3-PRRS并联机构在设计制造中所涉及到的随机不确定性，基于 Isight优化软件集成 Matlab软件，建立了考虑随机不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计模型，通过确定性优化结果和考虑不确定性的优化结果对比得到了可靠性高的最优解。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 并联机构多目标优化设计研究现状

1.3 考虑不确定性的优化设计研究现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 3-PRRS并联机构运动学分析

2.1 引言

2.2 3-PRRS并联机构简介及描述

2.3 机构位置正反解

2.4 机构工作空间及结构参数影响分析

2.5 机构奇异位形

2.6 本章小结

第三章 3-PRRS并联机构动力学分析

3.1 引言

3.2 3-PRRS并联机构影响系数

3.3 3-PRRS动力学建模

3.4 本章小结

第四章 不确定性多目标优化设计理论

4.1 引言

4.2 不确定性理论基础

4.3 不确定性优化设计模型

4.4 基于Isight的不确定性多目标可靠性设计方法

4.5 本章小结

第五章 考虑不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计

5.1 引言

5.2 性能评价指标

5.3 3-PRRS并联机构多目标确定性设计优化

5.4 考虑不确定性的多目标可靠性优化设计

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文