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并联机床相关理论及设计方法研究

作　者: 韩先国
导　师: 陈五一；陈鼎昌
学　校: 北京航空航天大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 并联机床运动特性位置正解灵活度奇异性冗余驱动
分类号: TG659
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 913次
引　用: 22次
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内容摘要

并联机床是90 年代中期问世的新型数控加工设备,同传统结构形式的数控机床相比具有许多优点,但是由于并联机床的出现才不过几年的时间,还有许多理论和技术问题有待攻克。本文紧密围绕并联机床的设计,对并联机床的相关理论和设计方法进行了深入的研究。由于少自由度机构有着与6 自由度Stewart 机构不同的运动学性质,需要首先确定其运动特性。本文首先采用螺旋和反螺旋理论分析了3-PSS 并联机构的运动特性,得出其动平台受到三个线性无关反螺旋力偶的约束,限制了其三个转动自由度,只能具有三个平动自由度。在此基础上,结合其位置方程,将3-PSS 并联机构简化为一简单的等效机构,从而得到其位置正解的解析解。对于6-SPS 位置正解,本文基于路径跟踪原理,提出了预估-校正法。采用该方法针对一组杆长,通过选择不同初值,可找出3-6 式Stewart 并联机构的所有16 组位置正解。本文还将并联机构的每一正解定义为一个构型,机构只能在一构型空间中运动。对于奇异性,本文提出并联机构产生奇异的原因为位置存在多解性,奇异应分布在不同构型空间交界上的新观点。为此,在位置正解的基础上,验证了所有中外已发现的著名Stewart 平台机构奇异,结果均是不同构型空间的交界。随后分析了Stewart 的奇异曲面,并给出了其姿态奇异曲面的分布特征。通过对6-PSS 并联机构的奇异进行分析,得出奇异复杂性与位置正、反解复杂性是一致的结论。最后还分析了结构参数对奇异性的影响关系。并联机构的设计需要满足多项性能指标要求:如工作空间,灵活度等。本文采用快速极坐标搜索法确定6-PSS 并联机构工作空间边界,并总结了工作空间边界的特征。并联机构的灵活度是反映并联机构速度和承载力的综合传动性能,也是并联机床结构参数设计所需考虑的重要因素,可以用雅可比矩阵条件数来衡量。本文分析了6-PSS 并联机

全文目录

目录  9-13
第一章绪论  13-28
  1.1 选题的背景及意义  13-20
  1.2 国内外主要研究状况综述  20-25
    1.2.1 位置正反解  20-21
    1.2.2 灵活度分析  21-22
    1.2.3 奇异性分析  22-23
    1.2.4 工作空间分析  23-24
    1.2.5 动力学分析  24
    1.2.6 误差分析  24-25
    1.2.7 设计方法研究  25
  1.3 本文研究的主要内容  25-28
第二章 3-PSS 并联机构运动特性分析  28-36
  2.1 引言  28-29
  2.2 螺旋理论  29-31
  2.3 反螺旋理论  31-32
  2.4 3-PSS 机构运动特性  32-34
  2.5 本章小结  34-36
第三章并联机构的位置正解  36-54
  3.1 引言  36
  3.2 3-PSS 机构正、反解  36-40
    3.2.1 3-PSS 机构的位置方程  36-38
    3.2.2 3-PSS 机构的位置反解  38-39
    3.2.3 3-PSS 机构的位置正解  39-40
  3.3 6-SPS 并联机构位置分析  40-53
    3.3.1 6-SPS 并联机构位姿方程  40-41
    3.3.2 预估—校正法  41-43
    3.3.3 算法及流程图  43-45
    3.3.4 雅可比矩阵  45-46
    3.3.5 实例分析  46
    3.3.6 6-SPS 位置正解的多解性  46-52
    3.3.7 位置正解存在性与初始位置选取  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章 PSS 型并联机构工作空间分析  54-64
  4.1 引言  54
  4.2 3-PSS 机构工作空间解析  54-55
  4.3 6-PSS 并联机构工作空间分析  55-63
    4.3.1 工作空间定义  56-57
    4.3.2 工作空间的搜索方法  57-59
    4.3.3 工作空间特征  59-61
    4.3.4 结构参数对工作空间的影响  61-63
  4.4 本章小结  63-64
第五章并联机构灵活度分析  64-80
  5.1 引言  64
  5.2 灵活度概念  64-68
    5.2.1 雅可比矩阵的条件数  64-65
    5.2.2 灵活度  65-67
    5.2.3 灵活度性能指标的改善  67-68
  5.3 3-PSS 机构灵活度分析  68-73
    5.3.1 3-PSS 机构雅可比矩阵  68-69
    5.3.2 3-PSS 机构最优构型  69-70
    5.3.3 3-PSS 机构结构参数对灵活度的影响  70-71
    5.3.4 3-PSS 机构灵活度解析  71-72
    5.3.5 局部灵活度和全局灵活度  72-73
  5.4 6-PSS 并联机构灵活度分析  73-78
    5.4.1 6-PSS 并联机构雅可比矩阵  73-74
    5.4.2 灵活度最优构型  74-76
    5.4.3 灵活度随结构参数的变化规律  76-77
    5.4.4 局部灵活度和全局灵活度的关系  77-78
  5.5 本章小结  78-80
第六章并联机构奇异性分析  80-100
  6.1 引言  80
  6.2 奇异性分析  80-86
    6.2.1 奇异产生的原因  81-84
    6.2.2 奇异的判断标准  84-86
  6.3 对已有奇异的归纳  86-92
    6.3.1 Hunt 奇异  86-87
    6.3.2 Fichter 奇异  87-89
    6.3.3 Merlet 奇异  89-90
    6.3.4 黄真奇异  90-92
  6.4 Stewart 平台机构奇异分布  92-95
  6.5 6-PSS 并联机构奇异性分析  95-97
    6.5.1 两个雅可比矩阵  95
    6.5.2 两类奇异  95-97
  6.6 奇异性与结构参数之间的关系  97-98
  6.7 本章小结  98-100
第七章 3-PSS 并联机构力学分析  100-108
  7.1 引言  100
  7.2 3-PSS 机构静力学分析  100-102
  7.3 3-PSS 机构动力学分析  102-107
    7.3.1 广义力  102-103
    7.3.2 动力学方程  103-106
    7.3.3 动力学仿真分析  106-107
  7.4 本章小结  107-108
第八章采用冗余驱动提高并联机床精度  108-116
  8.1 前言  108-109
  8.2 采用冗余驱动提高并联机床精度  109-114
    8.2.1 具有冗余控制的并联机构  109
    8.2.2 并联机构的球绞间隙的影响  109-110
    8.2.3 考虑球铰间隙的并联机构的误差计算  110-114
    8.2.4 计算实例  114
  8.3 本章小结  114-116
第九章并联机构设计方法研究  116-124
  9.1 引言  116
  9.2 兼顾工作空间、灵活度和结构尺寸的优化设计  116-118
  9.3 工程实例  118-123
    9.3.1 虚轴托架优化设计  118-121
    9.3.2 并联刀具磨床优化设计  121-123
  9.4 本章小结  123-124
结论与展望  124-126
参考文献  126-136
致谢  136-137
攻读博士学位论文期间发表的论文  137

并联机床相关理论及设计方法研究

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