广义并联机构可重构机理与耦合特性分析

作     者：董利伟 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：佟志忠

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：广义并联机构 复合单叶双曲面 刚度耦合 重构 铰点运动轨迹 

摘      要：六自由度并联机构以其刚度大、精度高、承载能力强等特点,在众多领域被广泛应用。高刚度对于并联机构性能具有重要影响,然后各自由度刚度耦合的存在限制了并联机构运动精度的提高,因此刚度解耦已经被学者们广泛关注。从并联机构刚度矩阵或雅克比矩阵可知,解耦矩阵是相对一点建立的,称为解耦中心,当机构执行末端远离该解耦中心,机构耦合增大,给高精度控制带来挑战。因此对于高精度、低耦合的应用,设计具有刚度解耦性能的并联机构具有重要意义。并联机构的解耦中心若能适应执行末端运动,将能够保证并联机构全域具有较好的低耦合特性。针对从结构角度降低并联机构的各自由度刚度耦合,本文的研究内容主要包括以下几个方面:将基于复合单叶双曲面构造广义并联机构实现点解耦(中位解耦)的研究推广到基于复合单叶双曲面重构匹配实现沿Z轴线解耦或旋转解耦。首先定义了可重构广义并联机构,提出了基于复合单叶双曲面的互相匹配实现对广义并联机构进行解耦重构的思想。给出了动平台分别沿Z轴平动、绕Z轴转动时通过支腿铰点调整实现广义并联机构解耦重构的解析算法。通过数值算例和仿真,验证了解耦重构算法,并得到了并联机构下铰点运动轨迹。定性地分析了构造参数对铰点运动轨迹以及铰点驱动控制中的影响。给出了基于复合单叶双曲面参数对广义并联机构雅可比矩阵条件数的解析表达形式;定义了自由度加权综合评价指标、耦合度评价指标以及等耦合线的概念,对中位正交(解耦)和正交(解耦)重构并联机构的各个自由度之间的耦合及全域耦合度进行了对比分析与评价;通过对水平截面内等耦合度线的分析,说明了解耦重构机制对于扩大广义并联机构低耦合运动范围的作用;通过静力学仿真,展现了解耦设计对于降低并联机构自由度耦合的作用,证明了可重构广义并联机构具有全域低耦合的特点。