混合驅動平面三自由度PRR-RRP型六桿機構的研究.pdf

1、混合驅動平面三自由度并聯(lián)機構作為一種新興的機構,它既具有混合驅動機構的可控、柔性、運行精度高的特性,又具有并聯(lián)機構剛度高、承載能力強、運行速度快的優(yōu)點,可以更好的適應現(xiàn)代機械產(chǎn)品向高速化、精密化、柔性化、多樣化發(fā)展的要求。然而,作為一種新興的研究領域,對這類機構的認識和研究還不深入。目前對于混合驅動平面三自由度機構的研究主要集中在對稱結構、對稱驅動的運動平臺方面,而對于非對稱混合驅動三自由度機構的研究較少。本文將平面三自由度PRR-RR

2、P型六桿機構作為研究對象。從平面三自由度六桿機構構型分析出發(fā),對混合驅動平面三自由度PRR-RRP型六桿機構的曲柄存在條件、運動學、工作空間、結構尺寸優(yōu)化、軌跡生成方法、動力學及動態(tài)平衡進行深入研究。主要工作如下:
　　首先,對平面三自由度六桿機構進行構型分析。運用圖論原理及Assur桿組法得到平面三自由度六桿機構的唯一裝配構型,基于該裝配構型通過運動副替代法將平面轉動副替代為平面移動副,得到了13種不同的平面三自由度六桿機構的運

3、動鏈圖,并給出了3種易于實現(xiàn)的運動鏈的9個機構簡圖。結合混合驅動的特點和9種機構構型自身的特點,最終確定PRR-RRP型六桿機構為研究對象。
　　第二,通過虛桿等效的方法,將PRR-RRP型六桿機構等效為一個含變長度桿的四桿機構。運用Grashof定理,得到了PRR-RRP型六桿機構的桿長參數(shù)與Grashof區(qū)間的關系,即PRR-RRP型六桿機構的桿長參數(shù)與曲柄存在的關系。最后根據(jù)機構的裝配關系,推導出不同桿長關系下的曲柄存在條件

4、。該曲柄存在條件為平面三自由度PRR-RRP型六桿機構的結構設計與優(yōu)化、工作空間計算、運動學動力學的分析奠定基礎。
　　第三,利用矢量環(huán)路法建立PRR-RRP型六桿機構的運動學正、逆解數(shù)學模型。根據(jù)運動學數(shù)學模型和混合驅動PRR-RRP型六桿機構自身結構約束特點,對該機構各構件的尺寸進行優(yōu)化。結合PRR-RRP型六桿機構運動學正解和尺寸優(yōu)化結果,求得其工作空間表達式。通過Matlab仿真求得PRR-RRP型六桿機構工作平臺中點的可

5、達工作空間和有限靈巧工作空間。工作臺中點可達工作空間覆蓋兩個導軌間的所有區(qū)域,靈巧工作空間位于兩導軌之間,平臺可以以較靈活的姿態(tài)到達兩導軌間的有限靈巧工作空間區(qū)域。最后,以PRR-RRP型六桿機構操作平臺中點生成橢圓軌跡為例,對六桿機構運動學特性進行仿真,得到了平臺中點的速度變化規(guī)律、加速度變化規(guī)律以及平臺角速度和角加速度的變化規(guī)律。結果表明平面六桿操作平臺在完成橢圓軌跡時,速度平穩(wěn)波動小,角速度均勻,具有良好的運動學特性。優(yōu)良的運動學

6、特性為PRR-RRP型六桿機構走向實際應用提供參考。
　　第四,利用PRR-RRP型六桿機構工作平臺中點生成心臟線(數(shù)學曲線)并檢驗。首先通過運動學逆解數(shù)學模型,運用Matlab求解生成心臟線軌跡時三個驅動的運動規(guī)律,然后用Matlab中的曲線擬合工具對驅動的運動規(guī)律進行擬合,得到驅動規(guī)律的近似數(shù)學表達函數(shù),最后將求解結果代入Pro/E軟件中進行仿真驗證。所求驅動規(guī)律能夠生成預定的心臟線。
　　最后,運用拉格朗日法建立了PR

7、R-RRP型六桿機構的動力學數(shù)學模型,并通過質量平衡法對六桿機構動力學特性進行優(yōu)化。首先對六桿機構各構件的慣性力進行分析,然后通過質量平衡配重將六桿機構的質量都集中于與導軌相連接的滑塊上,使轉動構件的當量轉動慣量減小從而改善六桿機構的動力學特性。最后運用Adams對六桿機構平衡前后各個鉸鏈和驅動的動力學特性進行仿真并做出對比。結果表明通過質量平衡配重,使得六桿機構各鉸鏈和驅動所受的力和力矩大幅度減小且變化平穩(wěn),動力學特性得到明顯的改善。