含刚柔混合支链的高速并联机械手的弹性动力学研究

作     者：阎凯 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋轶民

授予年度：2009年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：并联机械手 非固执约束 弹性动力学 

摘      要：Delta-S机械手是一类含刚柔混合支链的高速并联机械手,在电子、食品、医药等领域具有广阔的应用前景。在国家自然科学基金项目(50675151)及教育部博士点基金项目(20060056018)的联合资助下,本文对该机械手的工作机理与弦丝预紧力确定方法进行了深入研究,内容涉及逆运动学、静力学、动态静力学及弹性动力学分析等。本文的主要研究成果如下: 1、静力学分析。为确保Delta-S机械手与其对偶机构支链约束等同,建立了动平台的静力平衡方程,获得了从动臂的等效力/力偶约束;计及虚约束与非固执约束,构造了类平行四边形结构的弹性变形协调方程;计及附加杆稳定性条件,提出了可消除机构转动自由度的弦丝最小预紧力计算方法。 2、动态静力学分析。在忽略弦丝质量的前提下,借助达朗贝尔原理建立了Delta-S机械手的动态静力学方程;针对典型抓放操作,经轨迹规划、逆运动学分析与动态静力学分析,并计及从动臂的弹性变形协调条件与附加杆稳定性条件,确定了可满足工作要求的弦丝最小预紧力。 3、弹性动力学建模。在合理假设的前提下,借助有限元法与子结构综合法,首次建立了该类含刚柔混合支链的高速并联机械手的弹性动力学模型。计入了附加杆预应力与弦丝质量的影响,精度较高,便于计算机求解。 4、固有特性分析与动态响应求解。经无阻尼固有特性分析,揭示了系统低阶固有频率/正则振型的空间分布特征,并借助纽马克法求解了Delta-S机械手的动态响应。研究表明,恰当确定弦丝预紧力可改善系统动力学性能;该机械手位姿误差较小,可满足高速抓放操作需求。 上述研究成果为Delta-S机械手的动态设计奠定了理论基础,并对其它含刚柔混合支链的空间并联机构的分析与设计具有一定的借鉴价值。