基于五桿機構(gòu)的可重構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)設計方法與實驗研究.pdf

1、機構(gòu)創(chuàng)新決定機械裝備產(chǎn)品的創(chuàng)新性。結(jié)構(gòu)可重構(gòu)、運動柔性可控的可重構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)，可快速響應現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造工藝定制化的需求，適應不同工作環(huán)境和不同任務的柔性要求，是機構(gòu)及機器人領(lǐng)域的研究熱點。
　　平面并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型簡單、易控制、成本低、應用廣泛。二自由度平面五桿并聯(lián)機構(gòu)是平面并聯(lián)機構(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)設計方法。鑒于此，本文研究基于五桿機構(gòu)的少自由度平面并聯(lián)機構(gòu)的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)設計方法，并進行運動

2、分析與實驗驗證。主要開展以下幾方面的研究工作:
　　(1)基于機構(gòu)的變拓撲結(jié)構(gòu)設計、模塊化設計方法及李群理論，提出可重構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計方法。以機構(gòu)的一類構(gòu)型作為結(jié)構(gòu)設計主模型，對具有重構(gòu)特性的運動支鏈模塊進行綜合，兼顧結(jié)構(gòu)尺度約束和運動約束間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)造新運動支鏈，通過變驅(qū)動布局、變參數(shù)配置、變運動支鏈等多種結(jié)構(gòu)變換方式，生成具有拓撲關(guān)聯(lián)關(guān)系的新構(gòu)型族，實現(xiàn)全數(shù)據(jù)相關(guān)的尺寸驅(qū)動設計，奠定可重構(gòu)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計理論基礎(chǔ)

3、。變驅(qū)動布局的結(jié)構(gòu)設計方法，既能有效避開奇異位形，又能擴大機構(gòu)的工作空間，提高機構(gòu)的剛度。
　　(2)建立包含運動信息的桿副全信息主構(gòu)型模型，進行可重構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)衍生設計及變驅(qū)動布局設計，衍生重構(gòu)出系列新構(gòu)型，并分析其不同運動模式的運動特性。以5R機構(gòu)作為設計主構(gòu)型，通過多種結(jié)構(gòu)變換方式進行構(gòu)型重構(gòu)，建立五桿機構(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)機構(gòu)的模型。運用李群理論描述了5R變胞構(gòu)型、3R2P變胞構(gòu)型、2R3P

4、變胞構(gòu)型及其混聯(lián)運動支鏈的不同運動模式的運動特性。以3-RRR機構(gòu)作為設計主構(gòu)型，建立平面三自由度并聯(lián)機構(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，變換衍生出八種實現(xiàn)不同運動模式的新構(gòu)型?；跈C架同軸心布局，設計一類新型少自由度平面并聯(lián)機構(gòu)，用于擴大并聯(lián)機構(gòu)的運動空間，為構(gòu)型對比與優(yōu)選提供設計方案參考。
　　(3)進行可重構(gòu)平面并聯(lián)機構(gòu)的運動學分析，提出運動軌跡搜索機構(gòu)可達工作空間的CAD幾何分析法。對比分析5R機構(gòu)

5、的三種運動學解析方法的求解特性，基于幾何法研究5R機構(gòu)、變驅(qū)動布局5R機構(gòu)的運動軌跡圖譜、工作空間等運動特性，并進行運動可控的實驗驗證;建立平面三自由并聯(lián)機構(gòu)的運動學統(tǒng)一方程，研究其工作空間的運動特性;研究含5R機構(gòu)的衍生并聯(lián)機構(gòu)的運動軌跡輸出特性。在運動軌跡研究的基礎(chǔ)上，提出運動軌跡搜索機構(gòu)可達工作空間的CAD幾何分析法，簡化數(shù)值計算過程。
　　(4)基于機械產(chǎn)品三維CAD平臺SolidWorks，開發(fā)了兩自由度、三自由度并聯(lián)機

6、構(gòu)的構(gòu)型設計、尺寸綜合、運動學特性分析一體化計算機輔助分析系統(tǒng)。以結(jié)構(gòu)尺度、運動約束為主結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，開發(fā)了包含五桿機構(gòu)的十三種構(gòu)型、三自由度平面并聯(lián)機構(gòu)八種構(gòu)型的計算機輔助設計與分析一體化系統(tǒng)，有助于設計人員可便捷地完成兩自由度、三自由度平面并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)變型設計、尺寸綜合、運動學特性分析，研究并聯(lián)機構(gòu)的運動學特性規(guī)律，實現(xiàn)新構(gòu)型的快速設計。
　　(5)利用運動軸卡控制系統(tǒng)，搭建了平面兩自由度五桿機構(gòu)實驗平臺，開展5R機構(gòu)的可重

7、構(gòu)機構(gòu)運動特性實驗及工程應用研究。實驗驗證了基于運動軌跡正解與逆解控制方法的正確性，通過驅(qū)動電機控制的編程及增益調(diào)節(jié)實現(xiàn)了運動軌跡的可控穩(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)動布局的5R機構(gòu)，研制了可控可重構(gòu)手指式紙箱封裝機、可重構(gòu)蛋撻包裝盒包裝機，可實現(xiàn)不同規(guī)格紙箱、紙盒的封裝工藝動作，可降低勞動強度，提高工作效率，拓展了五桿機構(gòu)構(gòu)型的工程應用范圍。
　　上述研究工作得到了國家自然科學基金項目“多自