冗余并联机构的分类研究

在对并联机构的拓扑结构进行分析的基础上 ,提出了一种新的冗余并联机构的分类方法 ,即把冗余并联机构分为位形空间冗余 ,驱动冗余和末端执行器冗余三种类型。这种新的分类方法可以使我们对并联机构冗余的定义有明确的认识 ,并将有助于对冗余并联机构的研究和应用。     

并联机构中奇异位形的分类与判定

基于拓扑学和微分几何等数学工具研究并联机构位形空间的拓扑几何性质,并据此对并联机构中存在的奇异位形进行分类,揭示了各种奇异位形的不同物理意义,同时给出了不同奇异位形的计算方法。该方法适用于一般并联机构的奇异位形计算。最后对几种典型并联机构的奇异性进行了分析。     

基于拓扑特征的并联机构拓扑变换

引入拓扑学理论,定义了并联机构的拓扑空间,分析了并联机构的拓扑特征;研究了并联机构的拓扑变换方法,给出了6-PSS并联机构的4种拓扑结构的几何模型,为并联机构构型的研究提供了理论基础和创新方法。     

基于神经网络的并联机构方位特征集自动分析算法

基于方位特征集理论(Position and Orientation Characteristic,POC),揭示并联机构拓扑结构分析的理论内涵,建立基于神经网络的并联机构拓扑结构描述方法,提出一种基于神经网络的并联机构拓扑结构自动分析算法。详细说明了并联机构POC集神经网络模型以及模型中对应的6种算法规则,并给出该方法的主要步骤及实例分析。首先,通过对并联机构拓扑结构分析的理论分析,归纳出其本质;其次,基于神经网络理论基础,对并联机构拓扑结构描述数字化表达;此外,通过分析并联机构POC集自动分析的本质内涵,建立并联机构POC集神经网络模型以及提出6种模型算法规则。最后通过实例分析证明了并联机构POC集自动分析算法的正确性和有效性。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

基于方位特征方法的范例并联机构的拓扑特征分析及其启示与应用

机构拓扑结构特征是并联机构固有的拓扑不变量,反映了机构的结构学、运动学及动力学基本特性;剖析在设计与应用上较为成功的范例并联机构的拓扑结构特征,对并联机构的研究具有借鉴和启示作用。应用基于方位特征(Position and orientation characteristic,POC)的并联机构拓扑结构设计理论与方法,对2~6-DOF的34种范例并联机构,即已推广运用的8种著名并联机构Delta、Diamond、Tricept、Tri Variant、Exechon、Z3、H4、Steward以及26种具有潜在应用价值的并联机构,进行拓扑结构分析,分别给出其拓扑结构特征,并总结出共性规律。基于此,研发出5自由度混联检测平台和喷涂机器人。研究结果表明,应用基于POC的并联机构拓扑结构设计理论与方法,可较好地揭示出包括范例并联机构在内的所有机构的拓扑结构特征;而从中得到的机构设计与应用的一些共性规律,可对并联机构的理论研究、工业设计和应用提供重要参考和启示。     

并联机构拓扑结构特征分析软件的框架设计及实现

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计方法提出了机构POC、自由度和耦合度等拓扑结构特征指标,用于揭示并联机构结构学、运动学和动力学的一些基本特性,但其人工计算、分析过程冗长、复杂、费时,所以研究了拓扑结构特征指标计算机自动分析软件的总体框架及其实现流程。首先,提出了能自动识别支链运动副轴线关系的并联机构字符串描述模型,以及支链POC集的矩阵描述模型;基于此描述模型,研究了POC集"交"和"并"运算规则的算法,给出了机构POC、自由度和独立位移方程数的自动分析流程;接着,给出了并联机构拓扑结构最佳分解路线的算法,制定了机构耦合度自动化分析的实现流程。最后,利用VC++编程开发了程序,并对并联机构进行了实例计算,其结果与人工计算分析一致。该算法和程序有助于更多的机构学研究和设计人员,较易计算、分析并联机构的拓扑结构特征。     

并联机构闭环四杆结构研究

研究闭环结构的分类和拓扑描述,闭环四杆结构的组成形式、运动性能及闭环四杆结构在平面并联机构和空间并联机构中的用法,提出了在不同形式下的闭环结构的拓扑描述,为并联机构型数综合及并联机构构型的创新设计提供有效的方法。     

一类新型全解耦三平移并联机器人机构的构型设计

基于单开链结构原理和拓扑结构控制解耦准则,提出了一类新型三平移并联机器人机构,该机构能够实现拓扑控制完全解耦,从而显著简化其控制问题.另外,对该机构进行了必要的结构分析和位置分析,为该类新型机器人机构的推广应用了奠定基础.     

基于BKC的并联机构拓扑结构分析及其型综合方法

文中研究基于基本运动链(Basic Kinematic Chain,BKC)的并联机构的组成原理、拓扑结构分析及型综合方法。介绍基于序单开链的并联机构BKC的构成原理与方法,举例说明BKC的构成方法与步骤;对已有2~6 DOF并联机构拓扑结构进行分析,归纳设计出44种常用BKC类型,并总结出并联机构的BKC组成规律;通过举例,进一步综合出满足自由度要求的基于BKC的若干种并联机构,表明这种并联机构拓扑结构综合方法简易、实用。     

基于拓扑优化的卧式旋压机床身加强肋布局优化设计方法

提出了基于拓扑优化的卧式旋压机床身加强肋布局优化设计方法。在确定设计空间及载荷后,采用带惩罚的变密度法(Solid Isotropic Microstructures with Penalization,SIMP)的结构拓扑优化技术,以多工况静力结构柔度和1阶自然频率为优化目标,建立了床身模结构拓扑优化模型,并在考虑工艺性的前提下,确定了床身板件焊接加强肋的最优布局。优化前、后的对比表明,优化后床身的静、动态性能均得到了显著提高,最大应力下降了13.39%,导轨刚度提高10.78%,1阶自然频率提高了9.28%。     

梁结构类型产品的配置开发研究

目前梁结构类型产品的配置开发仍然停留在零部件级,这种零部件级的固定配置往往很难满足企业对多种产品型号的需求。结合KBE(knowledge based engineering)技术,利用NX软件和Visual Studio对其特征级的配置开发展开研究。首先,将梁结构类型产品单元化处理,并设计了一种控制其在三维空间自由度的方法,建立了单元模型库。其次,根据KBE开发框架完成二次开发,以更灵活和自动的方式生成梁结构类型产品模型,与传统参数模型相比,基于知识的库可以产生更多的几何拓扑变化。最后,以某梁结构为例验证,表明该技术对提高梁结构类型产品设计质量和设计效率具有重要意义。     

桥式起重机箱型主梁周期性拓扑优化设计

桥式起重机主梁长度方向尺寸远大于高度和宽度方向,常规的拓扑优化方法无法获得清晰的、周期性的拓扑形式或求解困难。为了实现桥式起重机主梁的拓扑优化,得到具有周期性的、易于加工的结构拓扑形式。把主梁优化域划分成若干个子域,构建子域与优化域之间的关系。建立以优化域内单元相对密度为设计变量、以体积约束下最小柔度为目标函数的主梁周期性拓扑优化数学模型。在主梁强度和静态刚度准则下开展主梁周期性拓扑优化应用研究。结果表明,在优化过程中,各子域内同时出现孔洞,且具有周期性。直到周期性拓扑优化结束,获得具有类似“桁架式”结构的拓扑形式。子域数目取值不同时,均可获得周期性的拓扑形式,且具有良好的一致性和工艺性。为桥式起重机结构轻量化研究提出一种可行的方法。     

Light-Weight Design Method for Force-Performance-Structure of Complex Structural Part Based Co-operative Optimization

A light?weight design method of integrated structural topology and size co?optimization for the force?performance?structure of complex structural parts is presented in this paper. Firstly, the supporting function of a complex structural part is built to map the force transmission, where the force exerted areas and constraints are considered as connecting structure and the structural configuration, to determine the part performance as well as the force routines. Then the connecting structure design model, aiming to optimize the static and dynamic performances on connection configuration, is developed, and the optimum design of the characteristic parameters is carried out by means of the collaborative optimization method, namely, the integrated structural topology optimization and size optimization. In this design model, the objective is to maximize the connecting stiffness. Based on the relationship between the force and the structural configuration of a part, the optimal force transmission routine that can meet the performance requirements is obtained using the structural topology optimization technology. Accordingly, the light?weight design of conceptual configuration for complex parts under multi?objective and multi?condition can be realized. Finally, based on the proposed collaborative optimization design method, the optimal performance and optimal structure of the complex parts with light weight are realized, and the reasonable structural unit configuration and size charac?teristic parameters are obtained. A bed structure of gantry?type machining center is designed by using the proposed light?weight structure design method in this paper, as an illustrative example. The bed after the design optimization is lighter 8% than original one, and the rail deformation is reduced by 5%. Moreover, the lightweight design of the bed is achieved with enhanced performance to show the effectiveness of the proposed method.     

一种模块化机器人的拓扑构型优化

采用遗传算法对一种关节型模块化机器人系统面向任务的拓扑构型优化设计问题进行了研究。对任意机械臂拓扑构型组成模块的类型、参数、数量及模块间连接顺序和装配方位等信息进行了二进制编码。按照性质不同将设计要求划分为刚性要求、柔性要求及刚性+柔性要求,对不满足刚性要求的拓扑结构通过过滤器处理以提高效率,对其他拓扑结构进行构型评价并以评价结果的加权和的形式建立构型评价函数。以自由度最小为主要优化目标,结合遍历法和遗传算法给出一种拓扑构型优化设计方法。构型优化实验验证了该方法的有效性。     

径向可伸缩式车轮机构的构型设计与分析

针对航天发射时运载工具性能需求和有效载荷舱空间有限的矛盾,提出一种径向可伸缩式车轮机构.在分析径向可伸缩式车轮机构组成原理的基础上,对车轮机构进行拓扑综合分析,即车轮构型分解与综合.以车轮机构的轮缘环链为单元构型,进行拓扑变换分析,分类讨论轮缘环链外接副的三种型式.通过构态分析确定径向可伸缩式车轮终态的运动情况,验证所设计车轮构型的正确性,为该机构在航天领域的实际应用提供理论条件.     

变拓扑机构理论的基本问题

研究了变拓扑机构理论的三个基本问题：变拓扑机构的定义、变拓扑机构的基本变拓扑方式及其相关性。主要以图论和点形图理论为工具,在定义机构拓扑结构、机构理想化、理想机构、机构的元和变元集等新概念基础上,提出了变拓扑机构新概念,并给出了严谨的数学定义。提出了变拓扑机构的三种基本变拓扑方式,准确表述了三种基本变拓扑方式的内涵。基本变拓扑方式是变拓扑机构拓扑结构变化的基本原理之一。依据该基本原理,发现、提出并充分证明了变拓扑机构基本变拓扑方式的两个相关性定理及其三个推论。     

基于KNN方法的多约束下连续体结构拓扑优化设计

提出了多约束下连续体结构拓扑优化设计的K邻近(KNN)方法。首先以结构单元作为样本,将整个设计区域看作是样本空间,将连续体结构拓扑优化看作是一种对单元的模式识别;然后利用单元应力和位移灵敏度作为单元样本的特征向量,利用特征向量的欧氏距离为识别标准,引入模式识别的KNN方法进行多约束下的连续体结构拓扑优化设计;最后给出计算示例的优化结果来表明该方法是可行的。     

基于子结构法的多层级结构拓扑优化

为避免多层级结构拓扑优化中的尺度分离问题,保证不同多孔结构之间的连接性,提出了一种基于子结构法的多层级结构拓扑优化方法。采用参数化水平集方法,将多孔结构拓扑优化分为两个层级,在细观层级优化多孔结构拓扑构型,在宏观层级优化多孔结构最优空间分布。采用子结构法建立宏细观结构之间的联系,将细观结构凝聚为超单元,凝聚的超单元又作为宏观结构分析和优化的基本单元。数值算例表明：所提方法可有效实现二维、三维多层级结构的拓扑优化;在多层级结构设计中考虑多种类型的多孔结构时,所提方法能有效保证不同多孔结构之间的连接性。