虛擬軸工作臺機構的分析與綜合研究.pdf

1、以先進制造裝備中的機器人工作臺為應用背景，系統(tǒng)研究了一種可實現(xiàn)三平移一轉動4自由度虛擬軸工作臺機構的運動學建模、工作空間分析與尺度綜合、誤差建模與補償以及力分析等關鍵技術。論文課題得到浙江省自然科學基金“基于并聯(lián)機器人的多維工作臺設計理論與方法研究(Y104347)”項目的資助。論文的主要結論和創(chuàng)新點是：
　　 設想應用目前在機器人領域研究的并聯(lián)機器人理念，將并聯(lián)機器人的功能特性與結構形式賦予工作臺，使這種新型的機器人工作臺比傳

2、統(tǒng)工作臺，具有多維自由度運動、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，適應精密和復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)機器人機構機型的創(chuàng)新方法和驗證手段。該方法以并聯(lián)機構各支鏈的自由度數(shù)為基礎，以運動副的自由度及運動副形式為依據(jù)進行結構類型綜合。探討了以ADAMS軟件為平臺的虛擬樣機建模與仿真，并分析和驗證

3、創(chuàng)新機構的自由度和運動特性。用這種方法重點創(chuàng)新了一類三平移一轉動(3T-1R)4自由度并聯(lián)機構機型，并對其中一種支鏈形式為2-UPS和2-5R的并聯(lián)機構作了虛擬樣機建模及運動學仿真，仿真數(shù)據(jù)及分析證明該機構的運動特性與理論分析結果一致。
　　 提出虛擬軸工作臺機構的設計要求。按照工作臺的多維自由度、結構、剛度、精度和實用性等功能和性能要求，將3T-1R并聯(lián)機構作為虛擬軸工作臺機構。
　　 提出并聯(lián)機構中的5R支鏈位置反解

4、建模方法。運用連桿D-H表示方法，探討具有5R支鏈的建模方法，建立機構位移反解的數(shù)學模型，并在ADAMS虛擬樣機軟件及MATLAB數(shù)學計算軟件上進行數(shù)值驗證。對機構做速度和加速度分析。機構的運動學反解模型為虛擬軸工作臺機構提供了設計和控制的理論依據(jù)。
　　 提出基于蒙特卡羅方法思想及三維網格搜索法得到機構工作空間的算法和程序，在MATLAB軟件平臺上實現(xiàn)工作空間的數(shù)值解法。研究3T-1R并聯(lián)機器人機構的工作空間，分析機構的反解模

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

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

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