基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题*

提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式,进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆,其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例,直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值,并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。     

一种少自由度并联机构静刚度研究

并联机构,尤其是用于机加工的并联机床都需要很高的刚度要求,因此建立其刚度模型就显得尤为重要。现有的刚度建模方法多是基于集中刚度模型,但是该方法的物理意义不够明确。基于螺旋理论建立了一种少自由度并联机构的刚度模型,该方法将驱动刚度和约束刚度区别对待,物理意义明确。通过计算并联机构空间自由度,并利用螺旋方程的反螺旋解法,得出并联机构的运动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵,经组合得到少自由度并联机构的完全雅可比矩阵,从而建立了其静刚度模型。建立的静刚度模型可以作为少自由度并联机构的性能评价指标,同时又可以为分析其他过约束的少自由度并联机构提供理论支持。     

冗余驱动4-PRP+3-UPS&PU混联机床静刚度分析

提出一种6自由度4-PRP+3-UPSPU冗余驱动混联机床,并对该机床进行静力学及静刚度方面的研究。首先,基于力雅可比矩阵对该机床进行静力学分析,列出静力平衡方程,求解出外力负载与驱动力和支链约束力之间的映射矩阵;其次,分析各驱动分支和约束分支提供的约束力螺旋,计算出各分支在约束力螺旋作用下产生的弹性变形;最后,建立机构刚度模型,对各分支的弹性变形进行叠加,求解出机构的整体柔度矩阵和刚度矩阵。结合数值算例,应用MATLAB进行编程计算得到各驱动分支及动平台的弹性变形随驱动位移的变化曲线。     

新型过约束2-UPS+2-RPU并联机构的刚度分析

提出一种新型过约束2-UPS+2-RPU并联机构,该机构的2个RPU分支一共提供了4个约束,但由于机构运动副的特殊布置,其中的2个约束为过约束。首先,基于螺旋理论分析该机构中存在的约束反力,建立该机构的速度约束方程,并基于此分析该机构的自由度。其次,建立该机构的几何约束方程,利用解析矢量法求得机构位置逆解方程。随后,基于计算杆件变形方法及小变形叠加原理,分析各杆在支链约束力螺旋作用下产生的弹性变形,并定义了分支约束力螺旋系刚度矩阵。最后,建立机构的动平台位姿变化与外载荷关系,进而得到机构的整体柔度、刚度矩阵。得出约束力/矩对这类少自由过约束机构的刚度和变形影响很大且其弹性变形主要产生在约束力/矩轴线方向。     

考虑杆件空间复合弹性变形的过约束并联机构受力分析方法

以3-PRRR三自由度移动并联机构为例提出一种考虑杆件空间复合弹性变形(包括弯曲、拉伸和扭转变形)的过约束并联机构受力分析方法。提出并定义分支约束力螺旋系刚度矩阵,建立分支约束力螺旋系幅值与分支末端弹性变形之间的映射关系;然后结合动平台受力平衡方程推导得到了分支约束力螺旋系幅值的一般解析表达式,分析施加给动平台的约束力螺旋与运动副实际约束反力之间的内在联系,从而求解得到了驱动力和所有被动运动副的约束反力。基于ADAMS仿真软件提出了一种建立过约束并联机构受力仿真模型的方法,所建刚柔混合模型与理论模型完全一致,且仿真结果与理论计算结果的最大误差不超过2%,有效地验证了提出的过约束并联机构受力分析的正确性。     

一种过约束并联机构受力分析的方法

将一般过约束并联机构定义的过约束称为被动过约束,冗余驱动并联机构引入的过约束称为主动过约束,进而将过约束并联机构分为被动过约束并联机构、主动过约束并联机构和冗余驱动过约束并联机构。详细地描述了被动过约束并联机构和冗余驱动并联机构受力分析的国内外研究现状,提出了一种过约束并联机构受力分析的方法。该方法定义了分支约束力螺旋系刚度矩阵,考虑连杆及驱动器的弹性变形,推导得到了约束力螺旋系幅值的一般解析表达式。该方法适用于一般的过约束并联机构的受力分析,通用性较强。     

一种少自由度3-SPR并联机构的刚度和弹性变形分析

针对并联机构中的约束反力会影响机构的刚度和产生弹性变形的问题,以传统的3-SPR并联机构为例,采用基于驱动/被动约束力求解其总刚度矩阵和弹性变形的方法。首先,分析该并联机构受力位置并确定驱动/被动约束力的姿态。然后,分析该机构的驱动约束分支的弹性变形,导出驱动约束分支的伴随矩阵。最后求解出该并联机构的总刚度矩阵和弹性变形。得到结论:当建立3-SPR并联机构的总刚度矩阵和求解弹性变形时,必须考虑约束力/矩的影响。     

一种含复合球副4-dof并联机构运动学研究

设计了一种新型含复合球副4-dof并联机构,求解了该机构的自由度。根据机构的结构特点,基于矢量法分析了该并联机构中各构件的运动。针对少自由度并联机构部分驱动分支中存在的约束力/矩,利用观察法判断这种并联机构中存在的约束力/矩。基于约束力/矩建立了此类机构的Jacobean矩阵,并推导了机构的Hessian矩阵,建立了含复合球副4-dof自由度并联机构的运动学模型。利用先进CAD软件对机构的运动学模型进行了验证。为含复合球副少自由度并联机构动力学分析和刚度分析奠定了基础。     

冗余驱动支链对3RPS并联机构刚度的改善

在考虑雅可比矩阵变化与动平台姿态偏移之间映射关系的基础上,基于螺旋理论和矢量微分法建立了3RPS并联机构末端位姿偏移与支链构件变形之间的映射模型。首先采用螺旋理论和矢量微分法分析了支链各构件刚度与整个支链刚度之间的关系,然后建立了3RPS并联机构的瞬时刚度模型,并分析了雅可比矩阵的变化对机构刚度的影响。对冗余驱动支链改善并联机构刚度的原理进行了分析,建立了冗余驱动并联机构的整机刚度模型。仿真分析和实验验证,冗余驱动支链确实能够改善并联机构的刚度。     

新型2-TPS/2-TPR并联机构完整Jacobian矩阵

基于螺旋理论建立2-TPS/2-TPR少自由度非对称并联机构完整Jacobian矩阵,它由约束子矩阵和运动子矩阵组成。这两者在并联机构分析(特别是在进行尺寸综合等运动学设计和性能评价)中起着重要的作用。首先,利用螺旋理论先导出2个TPR分支链对平台的约束子矩阵;其次,分别锁定各支链主动副,基于螺旋理论依次导出4个支链对应的运动子矩阵。在约束子矩阵和运动子矩阵基础上,推导出2-TPS/2-TPR并联机构完整Jacobian矩阵。根据实际运用布置2-TPS/2-TPR并联机构铰链,得到其完整Jacobian矩阵,为今后对该机构的进一步分析提供依据。