考慮關(guān)節(jié)效應(yīng)與構(gòu)件柔性的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能研究.pdf

1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于承載能力強(qiáng)、精度高、剛度大和高速等一系列優(yōu)點(diǎn)在加工機(jī)械、航天模擬器、食品包裝以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等具有廣泛的應(yīng)用。然而，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研制過程中，制造和裝配誤差以及構(gòu)件變形導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)副中存在間隙，引起了關(guān)節(jié)元素之間的接觸碰撞和磨損現(xiàn)象，并嚴(yán)重退化了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。因此，定量分析間隙關(guān)節(jié)與構(gòu)件柔性對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響和預(yù)測(cè)間隙關(guān)節(jié)磨損量是目前需要解決的難題。論文針對(duì)關(guān)節(jié)效應(yīng)與構(gòu)件柔性對(duì)一種新型四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能退化問題進(jìn)行

2、了系統(tǒng)研究。
　　利用構(gòu)型演變與螺旋理論綜合出一種能實(shí)現(xiàn)3轉(zhuǎn)動(dòng)1移動(dòng)的4-SPS/CU四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，建立了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和工作空間模型，并基于Grassmann線幾何理論與螺旋理論研究了該機(jī)構(gòu)的奇異位形，為該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造提供了理論依據(jù)。為了確定四自由度4-SPS/CU并聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的力傳遞效果，采用拆桿法對(duì)該并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過局部轉(zhuǎn)換矩陣去掉了局部自由度對(duì)應(yīng)的力矩平衡方程，獲得了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)所有關(guān)節(jié)反力，說

3、明了對(duì)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)平衡方程中局部自由度預(yù)處理的重要性，為該類并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析提供了理論依據(jù)。
　　為了預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)摩擦效應(yīng)對(duì)該并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力的影響，以“Coulomb+viscous”摩擦模型為基礎(chǔ)，利用牛頓-歐拉法建立了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)考慮關(guān)節(jié)摩擦效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，為該并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的選擇提供了參考。另外，在該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的球面副中引入間隙模型，為了考慮接觸變形量與接觸剛度之間的耦合關(guān)系，利用球面間隙副元素之間的非線性剛度系數(shù)改進(jìn)了Flor

4、es接觸力模型，從多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度建立了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)考慮球面副間隙關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型；仿真結(jié)果表明球面副間隙的存在嚴(yán)重的影響了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能等結(jié)論。
　　為了給考慮構(gòu)件柔性與間隙關(guān)節(jié)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究奠定理論基礎(chǔ)，首先，以空間四桿機(jī)構(gòu)為例，在球面副中引入非規(guī)則磨損間隙，提出了一種近似計(jì)算間隙球面副元素之間接觸面積的方法，通過修正的Lankarani-Nikravesh接觸力模型與近似接觸面積獲得了間隙球面副元素之間的接觸

5、應(yīng)力，利用有限元方法驗(yàn)證了該近似接觸面積模型與接觸力模型的正確性；并基于Archard磨損模型預(yù)測(cè)了球面副的磨損深度，為間隙球面副的磨損預(yù)測(cè)提供了一種更加直接的方法。
　　其次，在考慮間隙關(guān)節(jié)的情況下同時(shí)引入構(gòu)件柔性特征，基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法，視平面五桿機(jī)構(gòu)中的連桿為二維剪切梁，基于Archard磨損模型預(yù)測(cè)了該機(jī)構(gòu)中間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副的磨損深度。考慮到磨損對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副元素之間接觸剛度的影響，利用非線性的接觸剛度系數(shù)修正了Flores接觸力模型

6、中的Hertz接觸剛度系數(shù)，并對(duì)比分析了多間隙與多柔性構(gòu)件對(duì)間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副磨損深度與該機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響，相比考慮單個(gè)柔性構(gòu)件與單個(gè)間隙關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究，該模型的仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，進(jìn)一步改善了該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真精度。
　　最后，基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法，視4-SPS/CU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)為薄板單元，考慮連接上平臺(tái)與驅(qū)動(dòng)鏈的某個(gè)球面副為間隙球面副。為了預(yù)測(cè)間隙球面副的3D磨損深度，將法向接觸力，切向接觸速度和所提出的近似