一种新型五自由度并联机构的动态优化设计方法研究

发布时间：2017-09-11 18:19

  本文关键词：一种新型五自由度并联机构的动态优化设计方法研究

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【摘要】：本文密切结合航空制造业大型整体结构件加工对五坐标加工装备的需求,系统研究一种新型五自由度并联机构动态优化设计方法。在两转动自由度并联机构的拓扑构型综合基础上,提出一种新型五自由度并联机构,深入研究该机构的运动学分析、弹性动力学建模与分析、动态优化设计等问题。全文主要成果如下:基于李群理论,提出定点转动两自由度并联机构的拓扑综合方法。结合子流形等效原理与位移子群/子流形特征将可用支链分类,并提出定点转动两自由度并联机构可用支链的装配原则。通过引入环形导轨、铰接动平台、平行四边形子结构扩充了定点转动两自由度并联机构拓扑构型,得到多种新型两转动并联机构。以拓扑构型综合得到的PaRot并联机构为A/B轴转头,创新设计一种适用于五坐标高效加工作业的卧式布局、可实现3T2R运动的新型五自由度并联机构T5。借助矢量链法分析T5并联机构的位置逆解和位置正解,并通过微分运算建立该机构的速度和加速度在驱动空间和操作空间之间的映射模型,进而计及铰链转角范围、驱动副行程等约束条件、利用极限边界数值搜索法完成机构工作空间分析。在运动学分析与虚拟样机设计基础上,应用机构运动弹性动力学与子结构综合理论,计及杆件柔性、铰链柔性、集中质量、重力及零部件装配特征,建立支链、转头等部件运动微分方程,进而根据节点自由度耦合关系建立T5并联机构弹性动力学模型。通过无阻尼固有特性分析,揭示了T5并联机构低阶固有频率的面对称空间分布特征,并借助商用有限元软件验证其有效性。采用振型叠加法求解系统时域动态响应,并研究了运动过程中机构最大动应力的变化情况。结果表明,重力对机构最大弹性位移有较大影响,应在动态设计时加以考虑。借助商用软件预估伺服驱动参数,进而开发基于工控机+运动控制器的数控系统,搭建T5原型样机实验平台。开展典型位姿下原型样机的模态实验研究,验证弹性动力学分析的有效性。利用田口实验法分析机构截面参数和尺度参数对动态性能的影响,获得关键参数对机构动态特性的作用规律,为动态优化设计提供指导。针对动态性能需求,提出考虑最大弹性位移、最大动应力、一阶固有频率优化准则的轻量化设计模型,并基于粒子群算法实现机构关键尺度参数和截面参数优化设计。研究表明,同时优化截面参数和尺度参数比单一优化截面参数可得到更优解。本文研究成果为上述五自由度并联机构原型样机改进设计、工程化样机开发奠定了坚实基础,也对丰富和发展并联机构动态设计理论与方法具有重要意义。
【关键词】：并联机构 拓扑综合 运动学分析 弹性动力学 动态设计
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V261
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 字母注释表13-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 研究背景及意义18-20
• 1.2 国内外研究现状20-24
• 1.3 本文主要研究内容24-26
• 第二章 拓扑创新26-40
• 2.1 引言26
• 2.2 基本概念及描述26-28
• 2.3 两转动并联机构位移子流形28-29
• 2.4 可用支链位移子群或位移子流形29-30
• 2.5 装配原则30-35
• 2.6 算例35-39
• 2.7 小结39-40
• 第三章 运动学分析40-60
• 3.1 引言40
• 3.2 机构简介40-42
• 3.3 位置分析42-48
• 3.4 速度分析48-50
• 3.5 加速度分析50-53
• 3.6 工作空间分析53-55
• 3.7 算例55-58
• 3.8 小结58-60
• 第四章 弹性动力学建模60-84
• 4.1 引言60
• 4.2 系统划分60
• 4.3 单元运动微分方程60-64
• 4.4 子系统运动微分方程64-79
• 4.5 整机弹性动力学模型79-82
• 4.6 小结82-84
• 第五章 弹性动力学分析84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 固有频率分析84-90
• 5.3 动响应求解90-93
• 5.4 参数影响分析93-97
• 5.5 动应力分析97-99
• 5.6 小结99-100
• 第六章 样机建造与实验100-118
• 6.1 引言100
• 6.2 驱动参数预估100-102
• 6.3 样机建造102-111
• 6.4 实验研究111-116
• 6.5 小结116-118
• 第七章 动态优化设计118-138
• 7.1 引言118
• 7.2 田口实验分析118-128
• 7.3 优化设计模型128-130
• 7.4 基于粒子群算法的优化130-132
• 7.5 算例132-136
• 7.6 小结136-138
• 第八章 全文结论138-140
• 8.1 总结138-139
• 8.2 展望139-140
• 参考文献140-148
• 发表论文和参加科研情况说明148-152
• 致谢152-153

【参考文献】

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本文编号：832313