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三腿4与5自由度并联机构刚度与变形分析

作　者: 刘健
导　师: 路懿
学　校: 燕山大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 并联机构被动约束弹性杆件刚度矩阵弹性变形虚设机构 CAD变量几何法有限元
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 150次
引　用: 2次
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内容摘要

作为机构学领域的新事物,少自由度并联机构逐渐成为国内外众多学者的研究热点。随着当今世界制造业的迅猛发展,工业生产对机器人的构型要求越来越趋于轻型化和高速化,一些含轻质、细长弹性杆件的少自由度并联机构已被逐步商品化。刚度性能决定着一个机构的动态特性以及定位精度,是机器人设计中极为重要的评价指标。因此,研究一类含弹性杆件的少自由度并联机构的刚度性能具有重要的理论和实际意义。本论文以新型三腿4与5自由度并联机构为研究对象,以被动约束力变形和弹性杆件作为研究关键,通过一种新方法,建立了2SPS+UPR并联机构和2SPS+PUPR并联机构的刚度矩阵,求得了机构的末端弹性变形,并对结果进行了模拟验证。通过分析机构受力与变形情况,建立了机构分支刚度矩阵并对矩阵内元素的符号问题进行了详细的分析和总结。运用虚设机构法,通过求解虚设机构的雅克比矩阵,建立了三腿4与5自由度并联机构分支变形与末端变形的关系,推导出机构的刚度矩阵。利用CAD变量几何法建立了原机构以及对应虚设机构的线框模型,然后对原机构和虚设机构的雅克比矩阵理论值进行了模拟验证。之后绘制了以上平台末端位姿作为初始条件,在合外力和力矩作用下,一定时间段内机构位姿、约束力、分支变形以及末端变形的理论曲线。运用有限元方法,在末端合外力作用下,对机构应力、应变、末端合位移以及X、Y、Z方向分位移的模拟值进行了求解。将应力结果图解与理论约束力作用效果进行对比验证,然后同样以上平台末端位姿作为初始条件,绘制了在一定时间段内,机构末端合位移与分位移的有限元模拟值和理论值之间的对比曲线。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 并联机构概述  11-13
  1.2 典型少自由度并联机构构型及应用简介  13-15
  1.3 国内外研究现状与展望  15-19
    1.3.1 四自由度并联机构研究现状  15-16
    1.3.2 五自由度并联机构研究现状  16-17
    1.3.3 少自由度并联机构刚度性能研究现状  17-18
    1.3.4 并联机构研究展望  18-19
  1.4 论文选题的意义与研究内容  19-21
    1.4.1 论文选题的意义  19-20
    1.4.2 研究内容  20-21
第2章理论基础  21-39
  2.1 刚度矩阵  21-25
    2.1.1 机构分支刚度矩阵  21-24
    2.1.2 机构分支变形矩阵  24-25
    2.1.3 机构刚度矩阵  25
  2.2 虚设机构法  25-31
    2.2.1 三腿4 与5 自由度并联机构刚度矩阵求解问题  25-26
    2.2.2 虚设机构法的提出  26-31
  2.3 CAD 变量几何法  31-36
    2.3.1 等效运动副的构造方法  32-33
    2.3.2 构件的建立方法  33-34
    2.3.3 线框模拟机构的建立方法  34-35
    2.3.4 线框模拟机构验证雅克比矩阵的方法  35-36
  2.4 实体造型及有限元分析基础  36-38
    2.4.1 机构实体模型运动副的构造  36-37
    2.4.2 机构有限元分析  37-38
  2.5 本章小结  38-39
第3章 2SPS+UPR 机构刚度与变形分析  39-66
  3.1 2SPS+UPR 机构刚度数学模型  39-49
    3.1.1 2SPS+UPR 机构分支变形矩阵  39-45
    3.1.2 2SPS+UPR 虚设机构雅克比矩阵及原机构刚度矩阵  45-49
  3.2 2SPS+UPR 虚设机构雅克比模拟验证  49-56
    3.2.1 2SPS+UPR 机构位置反解验证  49-51
    3.2.2 2SPS+UPR 机构雅克比矩阵验证  51-53
    3.2.3 2SPS+UPR 虚设机构雅克比矩阵验证  53-56
  3.3 2SPS+UPR 机构变形曲线  56-57
  3.4 2SPS+UPR 机构实体造型及有限元模拟分析  57-65
    3.4.1 2SPS+UPR 机构实体造型  57-58
    3.4.2 2SPS+UPR 机构有限元分析  58-65
  3.5 本章小结  65-66
第4章 2SPS+PUPR 机构刚度与变形分析  66-91
  4.1 2SPS+PUPR 机构刚度数学模型  66-74
    4.1.1 2SPS+PUPR 机构分支变形矩阵  66-70
    4.1.2 2SPS+PUPR 虚设机构雅克比矩阵及原机构刚度矩阵  70-74
  4.2 2SPS+PUPR 虚设机构雅克比矩阵模拟  74-81
    4.2.1 2SPS+PUPR 机构位置反解验证  74-77
    4.2.2 2SPS+PUPR 机构雅克比矩阵验证  77-78
    4.2.3 2SPS+PUPR 虚设机构雅克比矩阵验证  78-81
  4.3 2SPS+PUPR 机构变形曲线  81-83
  4.4 2SPS+PUPR 机构实体造型及有限元模拟分析  83-89
    4.4.1 2SPS+PUPR 机构实体造型  83-84
    4.4.2 2SPS+PUPR 机构有限元分析  84-89
  4.5 本章小结  89-91
结论  91-93
附录1  93-95
附录2  95-97
参考文献  97-105
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  105-106
致谢  106-107
作者简介  107

三腿4与5自由度并联机构刚度与变形分析

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