用于调节钻杆垂直的六自由度冗余并联装备的设计分析及控制

摘要

由于国内陡倾构造地区井斜问题非常普遍，因而研制出能应用于大型深井条件下具有调整钻杆垂直钻井的设备具有重要意义。相比串联机构而言，并联机构具有更好的承载能力、刚度、精度等特点，因此，被广泛应用于运动模拟器、数控机床、医疗设备等领域。本文设计了一种由六自由度冗余并联机构为核心，且用于钻井作业中调节钻杆垂直的并联调整装备，对该六自由度并联机构在机械结构、运动学、动力学以及控制方面展开分析，主要工作如下:　　介绍了垂直钻井调整装备的总体布局和调整方法，建立了六自由度冗余并联机构的几何模型，并对该机构进行自由度分析、模态分析、谐响应分析等结构分析，分析结果验证了结构设计的合理性。　　冗余并联机构的工作空间分析。讨论了两大主要约束因素:各支链最大伸缩量和各运动副转角的范围。同时，采用三维搜索法搜索动平台的工作空间，为进一步研究机构的运动学分析打下基础。　　冗余并联机构的运动学分析。基于机构模型，得到了各支链逆解位移、速度、加速度方程的分析公式，以及支链与动平台之间的运动关系表达式。另外，通过Newton-Euler方程和Lagrange方程分别建立该机构的动力学方程。最后，通过数值分析给出运动学数值算例，为进一步研究冗余并联机构的动力学提供参考。　　基于ADAMS对冗余并联机构模型进行参数化分析。首先，运用ADAMS软件对冗余并联机构进行运动学分析，验证了运动学分析建模的正确性。其次，以所建立的几何模型为参考，重点分析了冗余并联机构的动力学特性，得到了支链在给定动平台位姿下的驱动力和驱动力矩，并与并联机构在非冗余条件下的动力学比较，为搭建实验平台提供了重要依据。　　冗余并联机构的初步实验平台搭建。冗余并联机构要成为一个可靠地机、电、液一体化系统，离不开伺服控制系统和高效的控制器。本文在介绍了并联机构的实验组成部分，包括机械结构设计、液压系统设计以及控制系统设计的基础上，主要介绍了液压系统以及控制系统的硬件、软件系统并搭建了实验平台，为进一步研究冗余并联机构的控制和应用奠定了基础。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源与研究意义

1．2 并联机构概述、特点与应用

1．3 国内外发展现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 冗余并联机构的设计与结构分析

2．1 引言

2．2 垂直钻井调整装备的总体布局、调整方法及其特点

2．3 冗余并联机构的结构及坐标系建立

2．4 冗余并联机构的结构分析

2．5 本章小结

第三章 冗余并联机构的工作空间分析

3．1 引言

3．2 影响并联机构工作空间的因素

3．3 冗余并联机构的工作空间分析

3．4 本章小结

第四章 冗余并联机构的运动学分析

4．1 引言

4．2 冗余并联机构的运动学分析

4．3 冗余并联机构的动力学模型

4．4 数值分析

4．5 本章小结

第五章 基于ADAMS的冗余并联机构的动力学分析

5．1 引言

5．2 冗余并联机构的运动学分析

5．3 冗余并联机构的动力学分析

5．4 本章小结

第六章 冗余并联机构的初步实验平台搭建

6．1 引言

6．2 机械结构的设计

6．3 液压系统的设计

6．4 控制系统的设计

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况