混合驅(qū)動(dòng)平面三自由度PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)的研究.pdf

1、混合驅(qū)動(dòng)平面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種新興的機(jī)構(gòu),它既具有混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可控、柔性、運(yùn)行精度高的特性,又具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度高、承載能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn),可以更好的適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)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(lǐng)域,對這類機(jī)構(gòu)的認(rèn)識和研究還不深入。目前對于混合驅(qū)動(dòng)平面三自由度機(jī)構(gòu)的研究主要集中在對稱結(jié)構(gòu)、對稱驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺方面,而對于非對稱混合驅(qū)動(dòng)三自由度機(jī)構(gòu)的研究較少。本文將平面三自由度PRR-RR

2、P型六桿機(jī)構(gòu)作為研究對象。從平面三自由度六桿機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析出發(fā),對混合驅(qū)動(dòng)平面三自由度PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件、運(yùn)動(dòng)學(xué)、工作空間、結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、軌跡生成方法、動(dòng)力學(xué)及動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行深入研究。主要工作如下:
　　首先,對平面三自由度六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型分析。運(yùn)用圖論原理及Assur桿組法得到平面三自由度六桿機(jī)構(gòu)的唯一裝配構(gòu)型,基于該裝配構(gòu)型通過運(yùn)動(dòng)副替代法將平面轉(zhuǎn)動(dòng)副替代為平面移動(dòng)副,得到了13種不同的平面三自由度六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)

3、動(dòng)鏈圖,并給出了3種易于實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)鏈的9個(gè)機(jī)構(gòu)簡圖。結(jié)合混合驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)和9種機(jī)構(gòu)構(gòu)型自身的特點(diǎn),最終確定PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)為研究對象。
　　第二,通過虛桿等效的方法,將PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)等效為一個(gè)含變長度桿的四桿機(jī)構(gòu)。運(yùn)用Grashof定理,得到了PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)的桿長參數(shù)與Grashof區(qū)間的關(guān)系,即PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)的桿長參數(shù)與曲柄存在的關(guān)系。最后根據(jù)機(jī)構(gòu)的裝配關(guān)系,推導(dǎo)出不同桿長關(guān)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、工作空間計(jì)算、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)的分析奠定基礎(chǔ)。
　　第三,利用矢量環(huán)路法建立PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解數(shù)學(xué)模型。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型和混合驅(qū)動(dòng)PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)約束特點(diǎn),對該機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和尺寸優(yōu)化結(jié)果,求得其工作空間表達(dá)式。通過Matlab仿真求得PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)工作平臺中點(diǎn)的可

5、達(dá)工作空間和有限靈巧工作空間。工作臺中點(diǎn)可達(dá)工作空間覆蓋兩個(gè)導(dǎo)軌間的所有區(qū)域,靈巧工作空間位于兩導(dǎo)軌之間,平臺可以以較靈活的姿態(tài)到達(dá)兩導(dǎo)軌間的有限靈巧工作空間區(qū)域。最后,以PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)操作平臺中點(diǎn)生成橢圓軌跡為例,對六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行仿真,得到了平臺中點(diǎn)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(jié)果表明平面六桿操作平臺在完成橢圓軌跡時(shí),速度平穩(wěn)波動(dòng)小,角速度均勻,具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)學(xué)

6、特性為PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)走向?qū)嶋H應(yīng)用提供參考。
　　第四,利用PRR-RRP型六桿機(jī)構(gòu)工作平臺中點(diǎn)生成心臟線(數(shù)學(xué)曲線)并檢驗(yàn)。首先通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用Matlab求解生成心臟線軌跡時(shí)三個(gè)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,然后用Matlab中的曲線擬合工具對驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行擬合,得到驅(qū)動(dòng)規(guī)律的近似數(shù)學(xué)表達(dá)函數(shù),最后將求解結(jié)果代入Pro/E軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。所求驅(qū)動(dòng)規(guī)律能夠生成預(yù)定的心臟線。
　　最后,運(yùn)用拉格朗日法建立了PR

7、R-RRP型六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,并通過質(zhì)量平衡法對六桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行優(yōu)化。首先對六桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的慣性力進(jìn)行分析,然后通過質(zhì)量平衡配重將六桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量都集中于與導(dǎo)軌相連接的滑塊上,使轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小從而改善六桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。最后運(yùn)用Adams對六桿機(jī)構(gòu)平衡前后各個(gè)鉸鏈和驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真并做出對比。結(jié)果表明通過質(zhì)量平衡配重,使得六桿機(jī)構(gòu)各鉸鏈和驅(qū)動(dòng)所受的力和力矩大幅度減小且變化平穩(wěn),動(dòng)力學(xué)特性得到明顯的改善。