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一种三并联万向腕关节的理论研究

作　者: 邱焕仁
导　师: 邹平
学　校: 东北大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 并联机床万向腕关节运动学静力学动力学重力特性动力学特性静刚度
分类号: TH112
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 60次
引　用: 7次
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内容摘要

并联机构所具有的一系列优点,如刚度高、承载能力强、动态性能好、速度快和结构简单等,引起了国际上的广泛关注,并给予了大量的研究。它是机器人和数控机床发展进化的方向之一。然而,并联机构同时又受到数学模型复杂而难于实现快速的实时控制、机构工作空间相对较小、铰链自身存在间隙和接触刚性差等问题的制约,使得大多数并联机构的研究都停留在原理样机阶段,难于实现产业化。尽快解决应用中所面临的关键瓶颈技术问题,在某些局部领域实现并联机构应用的突破并实现产业化具有十分重要的意义。本文提出一种基于变型万向节的三并联万向腕关节。它的机械结构决定了其具有较大的工作摆角,并且末端执行器(万向节的输出端)在自转的同时可以靠两个并联杆驱动运动平台而获得所需的工作位姿。因此,本机构既可以应用于机器人的腕关节,又可以应用于数控机床的工作头。本机构研究的目的就是针对目前阻碍并联机构广泛应用的一些关键问题,推出一种新型的并联机构进行理论和实验研究,以寻求并联机构应用的有效途径,为并联机床(机器人)产品化提供理论基础和关键技术,推动制造装备技术的发展。首先,本文通过查阅大量国内、外相关文献,对并联机构在国内、外的发展现状和趋势,优缺点等进行了详细的综述。阐述了本课题的研究意义。其次,对本机构进行了相关理论的研究。建立了机构的矢量运动学模型,推导了机构的雅可比矩阵,分析了机构的输入、输出速度以及加速度关系,并且对并联杆的速度、加速度进行了详细分析；运用虚位移原理,建立了机构静力学模型,阐明了机构外力、驱动力以及自身重力之间的关系；运用拉格朗日方程,首次推导了机构动力学模型；以机构静力学研究和刚度理论为基础,首次推导了机构静刚度模型,得到机构刚度矩阵,运用机构刚度矩阵条件数,分析得到机构的刚度性能；首次通过分析机构质量矩阵,研究机构的动力学特性；首次通过分析重力系数,研究了机构的重力特性。最后,还基于UG对机构进行了三维实体模型设计、机构三维运动仿真；基于MATLAB语言的机构静力学、静刚度、机构重力特性、机构动力学特性的仿真和基于MATLAB/Simulink的机构运动学、动力学仿真；并且对机构进行详细的结构设计,绘制机构二维装配图,零件图。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-26
  1.1 并联机床国内外发展现状  12-17
  1.2 并联机构优、缺点及其发展趋势  17-21
    1.2.1 并联机床的优点  17-18
    1.2.2 并联机床的缺点  18-19
    1.2.3 并联机床的发展趋势  19-21
  1.3 并联机床研究相关理论  21-23
    1.3.1 运动学设计  21
    1.3.2 动力学设计  21-22
    1.3.3 静刚度设计  22
    1.3.4 计算机仿真研究  22-23
  1.4 本文的选题背景及主要工作  23-26
    1.4.1 选题背景  23-24
    1.4.2 本文主要工作  24-26
第二章运动学  26-44
  2.1 机构介绍  26-27
  2.2 机构运动学数学模型  27-34
    2.2.1 机构位姿逆解  28-29
    2.2.2 末端执行器位姿矢量  29-30
    2.2.3 输入输出速度、加速度分析  30-32
    2.2.4 并联杆的速度、加速度分析  32-34
  2.3 运动学仿真  34-43
    2.3.1 初始条件  34-37
    2.3.2 基于Simulink的运动学仿真  37-38
    2.3.3 仿真结果  38-41
    2.3.4 结果分析  41-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章静力学  44-54
  3.1 静力学数学模型  44-46
  3.2 机构重力特性分析  46-49
    3.2.1 运动平台势能  46
    3.2.2 并联杆势能  46-47
    3.2.3 导向机构势能  47
    3.2.4 机构重力特性分析  47-49
  3.3 静力学仿真  49-52
    3.3.1 仿真原理  49
    3.3.2 仿真结果  49-51
    3.3.3 结果分析  51-52
  3.4 本章小结  52-54
第四章动力学  54-68
  4.1 动力学数学模型  54-60
    4.1.1 运动平台的动能  55-56
    4.1.2 两并联杆动能  56-58
    4.1.3 导向机构的动能  58-59
    4.1.4 整机动力学模型  59-60
  4.2 动力学特性分析  60-62
    4.2.1 加速效果  60-61
    4.2.2 广义惯性椭球GIE  61
    4.2.3 动态可操作性椭球DME  61-62
  4.3 动力学仿真  62-67
    4.3.1 仿真原理  62-63
    4.3.2 初始条件  63
    4.3.3 基于Simulink的动力学仿真  63-64
    4.3.4 仿真结果  64-66
    4.3.5 结果分析  66-67
  4.4 本章小结  67-68
第五章静刚度  68-80
  5.1 机构整体静刚度公式  68-72
    5.1.1 M_x,M_y与△_(φx),△_(φy)关系  69-70
    5.1.2 M_z与△_(φz)关系  70-71
    5.1.3 F_x,F_y,F_z与Δ_z,Δ_y,Δ_z关系  71-72
  5.2 机构刚度特性分析  72-74
    5.2.1 刚度条件数  72-73
    5.2.2 刚度条件数大小仿真及分析  73-74
  5.3 机构静刚度仿真  74-79
    5.3.1 机构静刚度逆向仿真  74-75
    5.3.2 机构静刚度正向仿真  75-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章结论与建议  80-82
  6.1 结论  80-81
  6.2 建议  81-82
参考文献  82-85
致谢  85-86
攻读硕士期间发表的论文  86

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