多因素耦合下的特种串联机械臂运动精度分析及可靠性优化

摘要

特种串联机械臂是某特种试验中搭载模型的关键机构，承担着稳固模型位置及调整位姿的重要任务。含有大量构件和运动关节的串联机械臂不可避免的会受到各种误差因素的影响，这些误差则会反映在机构末端执行器的运动上，尤其是累积性的误差，会随着机构服役周期的增加不断叠加，甚至引起精度的失效。本文针对多误差因素耦合的情况，重点考虑累积性因素，分析特种串联机械臂运动精度及可靠性对误差的响应，并进行精度的分配与可靠度的优化。主要包含以下内容：　　首先，采用解析法和基于旋量理论的指数积公式建立串联机械臂的运动学正逆解，简化建模和求解过程，为运动精度和可靠性的分析提供理论基础。　　其次，详细分析各个误差来源的作用机理，基于有效长度理论、L-N接触碰撞模型、Archard磨损模型等理论，分析转动副间隙、移动副间隙和运动副磨损造成的结构误差，分别建立考虑基本尺寸误差、运动副间隙、运动副磨损和耦合情况的机械臂末端执行器运动精度计算模型，将精度误差嵌入整体系统误差模型得到六个方向的运动精度。运用MATLAB、ADAMS软件进行运动精度的仿真分析，得出各误差因素、各运动副元素在机构服役周期内的影响情况。　　然后，以运动精度分析为基础，结合应力-强度干涉理论，采用一次二阶矩可靠度计算方法推导各误差因素及耦合情况的特种串联机械臂的运动精度可靠度方程式，并进行求解，验证累积性因素的重要性，辨识出需优化的分系统。　　最后，采用基于DOE的灵敏度分析方法，以所有误差源为因子，以末端执行器运动精度可靠度为响应，进行灵敏度分析，得到各因子的贡献程度，辨识关键因子。以精度成本和可靠度为目标，在Isight中建立DOE与多目标优化算法的混合优化策略模型，进行优化设计，合理分配误差精度，节约成本，实现精度成本与可靠度的最优匹配。

目录

1 绪 论

1.2.1 串联机械臂研究现状

1.2.2 运动精度及其可靠性研究现状

1.2.3 可靠性优化研究现状

1.3本文主要研究的内容

2 特种串联机械臂运动学分析

2.2特种串联机械臂工作原理与结构分析

2.3运动学理论基础

2.3.1 旋量理论

2.3.2 运动学指数积公式

2.4特种串联机械臂整体运动学分析

2.4.1 运动学正解

2.4.2 运动学逆解

2.5特种串联机械臂分系统运动学分析

2.5.1 运动学逆解

2.5.2 运动学正解

2.6本章小结

3 特种串联机械臂运动精度分析

3.2.1 机构误差源分析

3.2.2 误差模型建立

3.3考虑基本尺寸误差的机构运动精度分析

3.4考虑运动副间隙的机构运动精度分析

3.4.1 转动副间隙描述方法

3.4.2 移动副间隙描述方法

3.4.3 运动精度误差模型的建立

3.5考虑运动副磨损的机构运动精度分析

3.5.1 运动副磨损描述方法

3.5.2 磨损计算模型

3.5.3 磨损参数的计算

3.5.4 运动精度误差模型的建立

3.6特种串联机械臂运动精度仿真分析

3.6.1 仿真参数设置

3.6.2 仿真结果分析

3.7本章小结

4 特种串联机械臂运动精度可靠性分析

4.2.1 应力-强度干涉理论

4.2.2 可靠性分析方法

4.4机构运动精度可靠性分析

4.4.1 考虑基本尺寸误差的运动精度可靠性分析

4.4.2 考虑运动副间隙的运动精度可靠性分析

4.4.3 考虑运动副磨损的运动精度可靠性分析

4.4.4 多因素耦合的运动精度可靠性分析

4.5本章小结

5 特种串联机械臂运动精度可靠性优化

5.2.1 基于DOE的灵敏度分析方法

5.2.2 运动精度可靠性灵敏度分析

5.3机构运动精度可靠性优化

5.3.1 多目标优化理论及方法

5.3.2 优化模型

5.3.3 优化分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.2展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致 谢