基于五桿機(jī)構(gòu)的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新決定機(jī)械裝備產(chǎn)品的創(chuàng)新性。結(jié)構(gòu)可重構(gòu)、運(yùn)動(dòng)柔性可控的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可快速響應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品及制造工藝定制化的需求，適應(yīng)不同工作環(huán)境和不同任務(wù)的柔性要求，是機(jī)構(gòu)及機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型簡單、易控制、成本低、應(yīng)用廣泛。二自由度平面五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)是平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的典型代表，可完成平面內(nèi)任意軌跡，但缺乏較為完善的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。鑒于此，本文研究基于五桿機(jī)構(gòu)的少自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

2、分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要開展以下幾方面的研究工作:
　　(1)基于機(jī)構(gòu)的變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)方法及李群理論，提出可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。以機(jī)構(gòu)的一類構(gòu)型作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主模型，對具有重構(gòu)特性的運(yùn)動(dòng)支鏈模塊進(jìn)行綜合，兼顧結(jié)構(gòu)尺度約束和運(yùn)動(dòng)約束間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)造新運(yùn)動(dòng)支鏈，通過變驅(qū)動(dòng)布局、變參數(shù)配置、變運(yùn)動(dòng)支鏈等多種結(jié)構(gòu)變換方式，生成具有拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系的新構(gòu)型族，實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)相關(guān)的尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，奠定可重構(gòu)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

3、。變驅(qū)動(dòng)布局的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，既能有效避開奇異位形，又能擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的工作空間，提高機(jī)構(gòu)的剛度。
　　(2)建立包含運(yùn)動(dòng)信息的桿副全信息主構(gòu)型模型，進(jìn)行可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)衍生設(shè)計(jì)及變驅(qū)動(dòng)布局設(shè)計(jì)，衍生重構(gòu)出系列新構(gòu)型，并分析其不同運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)特性。以5R機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)主構(gòu)型，通過多種結(jié)構(gòu)變換方式進(jìn)行構(gòu)型重構(gòu)，建立五桿機(jī)構(gòu)的十三種基本構(gòu)型、含5R變胞閉環(huán)子鏈的衍生并聯(lián)機(jī)構(gòu)的模型。運(yùn)用李群理論描述了5R變胞構(gòu)型、3R2P變胞構(gòu)型、2R3P

4、變胞構(gòu)型及其混聯(lián)運(yùn)動(dòng)支鏈的不同運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)特性。以3-RRR機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)主構(gòu)型，建立平面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)八種構(gòu)型及其衍生新構(gòu)型模型;基于3-RRR+P混聯(lián)平臺，變換衍生出八種實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)模式的新構(gòu)型?；跈C(jī)架同軸心布局，設(shè)計(jì)一類新型少自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于擴(kuò)大并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間，為構(gòu)型對比與優(yōu)選提供設(shè)計(jì)方案參考。
　　(3)進(jìn)行可重構(gòu)平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，提出運(yùn)動(dòng)軌跡搜索機(jī)構(gòu)可達(dá)工作空間的CAD幾何分析法。對比分析5R機(jī)構(gòu)

5、的三種運(yùn)動(dòng)學(xué)解析方法的求解特性，基于幾何法研究5R機(jī)構(gòu)、變驅(qū)動(dòng)布局5R機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖譜、工作空間等運(yùn)動(dòng)特性，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)可控的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;建立平面三自由并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)一方程，研究其工作空間的運(yùn)動(dòng)特性;研究含5R機(jī)構(gòu)的衍生并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡輸出特性。在運(yùn)動(dòng)軌跡研究的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)動(dòng)軌跡搜索機(jī)構(gòu)可達(dá)工作空間的CAD幾何分析法，簡化數(shù)值計(jì)算過程。
　　(4)基于機(jī)械產(chǎn)品三維CAD平臺SolidWorks，開發(fā)了兩自由度、三自由度并聯(lián)機(jī)

6、構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)、尺寸綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析一體化計(jì)算機(jī)輔助分析系統(tǒng)。以結(jié)構(gòu)尺度、運(yùn)動(dòng)約束為主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，開發(fā)了包含五桿機(jī)構(gòu)的十三種構(gòu)型、三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)八種構(gòu)型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析一體化系統(tǒng)，有助于設(shè)計(jì)人員可便捷地完成兩自由度、三自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變型設(shè)計(jì)、尺寸綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)新構(gòu)型的快速設(shè)計(jì)。
　　(5)利用運(yùn)動(dòng)軸卡控制系統(tǒng)，搭建了平面兩自由度五桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺，開展5R機(jī)構(gòu)的可重

7、構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于運(yùn)動(dòng)軌跡正解與逆解控制方法的正確性，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的編程及增益調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)軌跡的可控穩(wěn)定輸出。針對不同規(guī)格尺寸紙箱/紙盒定制封裝的需求，基于多組可控變驅(qū)動(dòng)布局的5R機(jī)構(gòu)，研制了可控可重構(gòu)手指式紙箱封裝機(jī)、可重構(gòu)蛋撻包裝盒包裝機(jī)，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格紙箱、紙盒的封裝工藝動(dòng)作，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，拓展了五桿機(jī)構(gòu)構(gòu)型的工程應(yīng)用范圍。
　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多自