6-SPS型并聯(lián)機床若干關(guān)鍵理論研究.pdf

1、并聯(lián)機床是并聯(lián)機構(gòu)與現(xiàn)代數(shù)控機床完美結(jié)合的產(chǎn)物，是上個世紀(jì)末機械制造裝備領(lǐng)域最為耀眼的創(chuàng)新，與傳統(tǒng)的數(shù)控機床相比，并聯(lián)機床具有許多優(yōu)點和獨特的性質(zhì)，具有極大的應(yīng)用潛力。但是，與歷史悠久、相對成熟的傳統(tǒng)機床相比，無論在設(shè)計分析理論方面，還是在本質(zhì)特性的掌握方面，年輕的并聯(lián)機床都還顯得相對稚嫩和薄弱。針對這一狀況，本文對并聯(lián)機床設(shè)計和分析中的若干關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論進行了某些深入的研究和探討。 運動學(xué)正解是并聯(lián)機構(gòu)的基本問題之一。并聯(lián)機構(gòu)

2、的正解方程是位置和姿態(tài)參數(shù)是高度耦合的非線性方程組，其求解非常困難。本文采用四元數(shù)方法描述一類線性相關(guān)的并聯(lián)機構(gòu)動平臺的位姿，將姿態(tài)參數(shù)方程從高度耦合的正解方程中分離出來，可形成三個二元二次方程，結(jié)合單位四元數(shù)的約束條件，求出動平臺姿態(tài)的四個符號解，同時位置也可表達為二次方程，在姿態(tài)的基礎(chǔ)上也可以采用顯式方式解析地解出，于是最終可以得到動平臺的八組符號表達的位置正解。這是迄今為止六自由度并聯(lián)機構(gòu)正解最為簡潔的表達。 并聯(lián)機構(gòu)的奇

3、異性對機構(gòu)的性能有著重大的影響，尋找奇異性發(fā)生的條件，以使機構(gòu)在工作時加以回避是并聯(lián)機構(gòu)理論研究中另一項基礎(chǔ)工作。本文以符號正解為基礎(chǔ)，解析地表達出一類線性相關(guān)并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)奇異、位置奇異和姿態(tài)奇異發(fā)生條件，同樣是解析的顯式表達。并將這個奇異性歸納總結(jié)出三條定理。在符號正解和奇異性條件分析的基礎(chǔ)上，研究了線性相關(guān)并聯(lián)機構(gòu)奇異性和裝配模式數(shù)目之間的關(guān)系，否定了各個裝配模式之間由奇異曲面分隔的猜想。這也是迄今為止六自由度并聯(lián)機構(gòu)奇異性完整的

4、表達和最好的結(jié)果。進一步本文還研究了結(jié)構(gòu)奇異條件下的并聯(lián)機構(gòu)的自運動現(xiàn)象，解析地表達了自運動軌跡。 限制并聯(lián)機構(gòu)廣泛應(yīng)用的一個主要原因是其相對工作空間較小。本文從實驗和計算機仿真分析兩個途徑研究了BJ-04-02（A）交叉桿型并聯(lián)機床的工作空間，分析了影響工作空間大小的因素，對實際應(yīng)用具有參考價值。 雅可比矩陣是并聯(lián)機構(gòu)力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)。本文針對雅可比矩陣中混合有兩種不同量綱元素的現(xiàn)象，將并聯(lián)機構(gòu)的力傳遞性能分解為力傳

5、遞性能和力矩傳遞性能，分別進行計算。所提方法自然直觀，物理意義明確。 剛度是衡量一臺并聯(lián)機床性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本文推導(dǎo)了在某位姿時并聯(lián)機床剛度的標(biāo)量指標(biāo)及其變化范圍。并將其看作六維變形單位向量在六根超橢球軸上投影的加權(quán)平方和的根。因此，并聯(lián)機床的剛度具有方向性。運用剛度指標(biāo)，對交叉桿型并聯(lián)機床和一般6-SPS并聯(lián)機床的剛度進行分析和比較。通過比較發(fā)現(xiàn)，交叉桿型并聯(lián)機床在剛度和剛度的各向同性兩方面遠(yuǎn)優(yōu)于一般6-SPS并聯(lián)機床。

6、 運用凱恩方法，以并聯(lián)機構(gòu)運動平臺原點的速度和角速度為廣義速度，在任務(wù)空間中建立了封閉形式的高效并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)模型。并使用ADAMS動力學(xué)分析軟件驗證了模型的正確性。為了縮短計算動力學(xué)模型的時間，實現(xiàn)動力學(xué)控制，真正發(fā)揮并聯(lián)機構(gòu)的特點，本文針對并聯(lián)機構(gòu)的兩種典型應(yīng)用，提出了相應(yīng)的簡化動力學(xué)模型。 冗余的自由度可以使并聯(lián)機構(gòu)根據(jù)需要改善機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)性能。本文利用任務(wù)冗余自由度對并聯(lián)機構(gòu)的瞬時動能和關(guān)節(jié)力進行了優(yōu)化分析

7、。從結(jié)果來看，對并聯(lián)機構(gòu)瞬時動能的優(yōu)化，不僅可以降低機構(gòu)的瞬時動能，同時也在一定程度上對關(guān)節(jié)力起到了優(yōu)化的作用。對并聯(lián)機構(gòu)關(guān)節(jié)的優(yōu)化可以有效降低關(guān)節(jié)力的大小，避免關(guān)節(jié)力的突變。 通過上述理論和實驗的研究工作，加深了對并聯(lián)機床的正向運動學(xué)、奇異性、裝配模式、動力學(xué)特性、冗余自由度優(yōu)化等方面的理解，有所拓展了在并聯(lián)機床研究和開發(fā)方面的知識和方法，將會對并聯(lián)機床進一步發(fā)展具有參考價值。本文的研究成果對并聯(lián)機構(gòu)及其在并聯(lián)機器人和其他領(lǐng)域