虛擬軸工作臺機(jī)構(gòu)的分析與綜合研究.pdf

1、以先進(jìn)制造裝備中的機(jī)器人工作臺為應(yīng)用背景，系統(tǒng)研究了一種可實(shí)現(xiàn)三平移一轉(zhuǎn)動4自由度虛擬軸工作臺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)建模、工作空間分析與尺度綜合、誤差建模與補(bǔ)償以及力分析等關(guān)鍵技術(shù)。論文課題得到浙江省自然科學(xué)基金“基于并聯(lián)機(jī)器人的多維工作臺設(shè)計(jì)理論與方法研究(Y104347)”項(xiàng)目的資助。論文的主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)是：
　　 設(shè)想應(yīng)用目前在機(jī)器人領(lǐng)域研究的并聯(lián)機(jī)器人理念，將并聯(lián)機(jī)器人的功能特性與結(jié)構(gòu)形式賦予工作臺，使這種新型的機(jī)器人工作臺比傳

2、統(tǒng)工作臺，具有多維自由度運(yùn)動、剛度重量比大、精度高、速度快、可模塊化制造及成本低等優(yōu)勢，適應(yīng)精密和復(fù)雜曲面零件的高速加工需求，使之成為激光切削、特殊焊接、數(shù)控銑、鉆、加工中心等先進(jìn)制造裝備中的多維虛擬軸數(shù)控工作臺。
　　 提出一種少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)機(jī)型的創(chuàng)新方法和驗(yàn)證手段。該方法以并聯(lián)機(jī)構(gòu)各支鏈的自由度數(shù)為基礎(chǔ)，以運(yùn)動副的自由度及運(yùn)動副形式為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型綜合。探討了以ADAMS軟件為平臺的虛擬樣機(jī)建模與仿真，并分析和驗(yàn)證

3、創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的自由度和運(yùn)動特性。用這種方法重點(diǎn)創(chuàng)新了一類三平移一轉(zhuǎn)動(3T-1R)4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)型，并對其中一種支鏈形式為2-UPS和2-5R的并聯(lián)機(jī)構(gòu)作了虛擬樣機(jī)建模及運(yùn)動學(xué)仿真，仿真數(shù)據(jù)及分析證明該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性與理論分析結(jié)果一致。
　　 提出虛擬軸工作臺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。按照工作臺的多維自由度、結(jié)構(gòu)、剛度、精度和實(shí)用性等功能和性能要求，將3T-1R并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為虛擬軸工作臺機(jī)構(gòu)。
　　 提出并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的5R支鏈位置反解

4、建模方法。運(yùn)用連桿D-H表示方法，探討具有5R支鏈的建模方法，建立機(jī)構(gòu)位移反解的數(shù)學(xué)模型，并在ADAMS虛擬樣機(jī)軟件及MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算軟件上進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。對機(jī)構(gòu)做速度和加速度分析。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)反解模型為虛擬軸工作臺機(jī)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)和控制的理論依據(jù)。
　　 提出基于蒙特卡羅方法思想及三維網(wǎng)格搜索法得到機(jī)構(gòu)工作空間的算法和程序，在MATLAB軟件平臺上實(shí)現(xiàn)工作空間的數(shù)值解法。研究3T-1R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的工作空間，分析機(jī)構(gòu)的反解模

5、型，找出影響機(jī)構(gòu)可達(dá)工作空間的因素及機(jī)構(gòu)的奇異位形。引入蒙特卡羅方法思想，用定姿態(tài)三維網(wǎng)格搜索方法求得工作空間的邊界和容積，并通過計(jì)算機(jī)仿真給出3T-1R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)工作空間的三維可視化描述。仿真結(jié)果被用于該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 提出一種正交--遺傳試驗(yàn)法的新型優(yōu)化方法。在探討了機(jī)構(gòu)的全域條件數(shù)與工作空間容積的關(guān)系后，確定全域條件數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。分析比較了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法和遺傳算法的尋優(yōu)算法。探討了確定適應(yīng)度函數(shù)、設(shè)

6、計(jì)變量、初始群體、參數(shù)編碼、譯碼等關(guān)鍵技術(shù)。提出了正交試驗(yàn)法和遺傳算法相結(jié)合的“一代”遺傳算法。將這種方法應(yīng)用于3T-1R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，獲得優(yōu)化工作空間性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。優(yōu)化方案和其他幾種方案作了仿真檢驗(yàn)。這種方法適用于設(shè)計(jì)變量多且適應(yīng)度函數(shù)難求的并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度綜合。實(shí)例證明這種優(yōu)化方法行之有效。
　　 提出一種建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)誤差正反解模型的方法及誤差補(bǔ)償算法。該方法以全微分位置反解的形式建立機(jī)構(gòu)的誤差模型。給出的誤差求解

7、算法可以得到機(jī)構(gòu)誤差的正反解封閉解。針對結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸入運(yùn)動參數(shù)等的原始誤差作誤差求解仿真和定量分析。仿真分析結(jié)果為該并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)的制造提供了精度設(shè)計(jì)的依據(jù)。此外充分運(yùn)用誤差正解和反解模型，探討軟件補(bǔ)償法的工作空間補(bǔ)償和關(guān)節(jié)空間補(bǔ)償，提出相應(yīng)的誤差補(bǔ)償算法并做了機(jī)構(gòu)的誤差仿真。誤差補(bǔ)償算法為樣機(jī)的精度標(biāo)定打下基礎(chǔ)。
　　 對虛擬軸工作臺機(jī)構(gòu)分別作了靜力分析和動力分析。采用分析靜力學(xué)的虛位移原理建立靜力平衡方程，并用該方程計(jì)算了機(jī)