3T各向同性并联机构的弹性动力学建模与特性分析

为了提升并联机构的运动精度,研究并总结了3T各向同性并联机构在运动过程中由支链产生的柔性变形对其运动轨迹的影响。首先,根据该并联机构的结构分析了其运动学特性。其次,利用空间梁单元的弹性动力学模型、拉格朗日方程、有限元理论以及各条支链的运动学和动力学的约束,对3条支链都在柔性变形情况下建立其弹性动力学方程,并基于Newmark方法进行求解。最后,联立ANSYS与ADAMS软件对该并联机构进行弹性动力学仿真。通过理论计算值与机构模型仿真值的对比,发现3条支链在柔性变形条件下对3T并联机构的运动特性产生了重要的影响,进一步证明了该并联机构弹性动力学模型的可靠性,为其以后的研究与应用提供了重要的理论基础。     

3-PPR并联机构动力学建模与分析

通过齐次坐标变换构建三自由度并联机构3-PPR的完整运动学逆解,利用一阶影响系数法求解机构雅克比矩阵。采用拉格朗日功能平衡法推导出机构刚体动力学模型,对比典型工况下Matlab数值算例仿真与ADAMS虚拟仿真结果,验证了刚体动力学理论分析的正确性。联合ADAMS与ANSYS对机构进行柔性动力学分析,综合机构刚体和柔性动力学仿真,为完整动力学分析奠定了基础。这些内容为进一步研究该并联机构的动态特性、系统控制、误差分析等有着非常重要的意义,也可作为类似并联机构动力学研究的一般方法。     

2PRU-UPR过约束并联机构弹性动力学建模与分析

运用全局独立广义位移坐标和拉格朗日方程研究了具有2R1T三自由度的2PRU-UPR过约束并联机构的动力学性能。首先,将连杆划分为一定数量的梁单元,建立每一个单元的动力学控制方程,基于拉格朗日方程建立连杆的动力学控制方程;其次,基于多点约束单元理论与映射矩阵的奇异性分析建立物体与物体以及物体与基座连接点的一组独立位移坐标,结合关节连接点的独立位移坐标与内部节点位移坐标得到机构的全局独立广义位移坐标;再次,结合拉格朗日方程和全局独立广义位移坐标得到机构的总体动力学控制方程;与ANSYSWorkbench软件建立的有限元模型结果对比发现自然频率最大误差在3.6%之内。最后对比分析了自然频率求解子空间迭代方法、静态缩聚法和动态缩聚法的计算精度和计算成本。该方法同样适用于其他并联和串联机构。     

平面3自由度并联机构弹性动力学研究

以平面3自由度并联机构为例,将机构划分成杆单元和平面三角形单元,用有限元理论建立机构微分运动方程。分析机构模态频率和主振型随机构位姿的变化情况。研究机构在主动力和惯性力激励下的动力响应,将机构真实运动与其刚体运动比较,揭示了机构瞬时振动的型态,找出了机构主要柔性环节。研究机构在加速、匀速和减速运动状态下,动平台的位置和姿态误差的变化规律,清楚了机构速度和加速度的动力特性,结果显示,在机构加速或减速过程中位姿误差和动应力显著增大。     

基于3-PRS并联机构结构动力学有限元建模与分析

采用有限方法建立3-PRS并联机构的刚-弹耦合的多体系统动力学模型,并求解了该模型。建立的模型与MSCPatran的计算结果相差无几,误差率不超过5%,这说明模型是正确的,而且完全满足精度要求,从而开辟了虚拟轴机床动力学研究新的思路。     

一种部分解耦并联机构运动学与动力学分析

针对并联机床加工复杂曲面零件,设计了一种部分解耦5自由度并联机构。分析了该并联机构的自由度和解耦性能;基于矢量法,推导了机构中各驱动分支和动平台运动之间的映射关系,分析了并联机构中各构件的运动;考虑各构件的重力、惯性力和惯性力矩,利用虚功原理建立了机构的动力学方程;利用CAD软件对并联机构运动学和动力学方程进行了验证。分析了部分解耦并联机构的奇异性,为该类机构的应用奠定了理论基础。     

含间隙RU-RPR解耦并联机构动力学建模及混沌现象辨识

为适应高速、重载、精密等工程需求,机构动力学特性及其蕴含的混沌现象日益引起重视。以自主提出的RURPR(R为转动副,U为虎克铰,P为移动副)两转动解耦并联机构为研究对象,针对运动副存在间隙状况,应用拉格朗日法建立间隙机构动力学方程,并采用Runge-Kutta(龙格-库塔)法予以求解;分析不同间隙大小对机构动态特性的影响,并借助相轨迹图、庞加莱(Poincare)截面映射法及李雅普诺夫(Lyapunov)指数进行机构混沌现象辨识。研究结果表明含间隙解耦并联机构动力学响应中存在混沌现象,并且随着间隙的增大,混沌现象愈加明显。所作工作是并联机构混沌动力学特性研究的有益尝试,对解耦并联机构动力学深入研究及进一步的样机研制与控制具有指导意义和实践价值。     

3-CRR 并联机构动力学分析与仿真

以机构支链的动力学为基础,推导3-CRR并联机构的动力学方程。在SolidWorks软件中建立机构的虚拟模型并在CosmosMotion模块中进行动力学仿真。通过动力学方程和仿真两种方法分别计算机构完成规定运动所需要的驱动力,比较发现计算结果基本一致,证明了两种方法的一致性与准确性,为机构的设计制造和动力学控制提供了理论基础。     

3-CRR并联机构动力学分析与仿真

以机构支链的动力学为基础,推导3-CRR并联机构的动力学方程。在SolidWorks软件中建立机构的虚拟模型并在CosmosMotion模块中进行动力学仿真。通过动力学方程和仿真两种方法分别计算机构完成规定运动所需要的驱动力,比较发现计算结果基本一致,证明了两种方法的一致性与准确性,为机构的设计制造和动力学控制提供了理论基础。     

3-CUR解耦并联3D打印机结构优化与动力学分析

以熔融沉积成形3D打印机为研究对象,指出现有3D打印机存在的不足,阐述其输出运动特性,提出将解耦并联机构应用于3D打印机。选取3-CUR解耦并联机构作为3D打印机机械本体,论述其合理性,给出其输入输出间的映射关系,得到机构的运动雅可比矩阵和满足空间连续打印的驱动角范围。以灵巧度为目标,进一步优化了机构的驱动角范围,再以打印空间为优化目标,基于遗传算法得到机构参数的最优值。建立机构输入输出的误差模型,分析机构定位精度并进行误差补偿,最后基于牛顿-欧拉方法建立机构的动力学模型并进行验证,为样机设计提供理论依据。     

复合驱动并联机构的动力学建模与仿真分析

针对一种■自由度复合驱动并联机构的刚体动力学建模问题,采用拉格朗日法结合虚功原理建立刚体动力学模型并进行仿真分析。首先,在考虑存在次闭环的情况下,采用闭环矢量法对并联机构进行运动学分析,推导出机构各构件质心的线速度和角速度;其次,采用拉格朗日法结合虚功原理建立复合驱动并联机构的刚体动力学模型,为复合驱动并联机构驱动力的求解及后续动力学仿真分析奠定了基础;最后,基于MATLAB软件和ADAMS软件对该并联机构进行动力学仿真分析,在给定相同末端轨迹的情况下,对比两种软件得到的驱动力变化曲线,仿真结果验证了所建动力学模型的正确性。文中不仅为■自由度复合驱动并联机构控制系统的搭建打下了基础,也为其他复合驱动并联机构的动力学建模分析提供了理论依据。     

Tricept并联机构的弹性动力学性能

针对Tricept并联机构在加工过程中的振动现象,文中对其弹性动力学性能开展了研究。利用动态子结构综合法建立了基于Lagrange方程的Tricept并联机构的弹性动力学模型。根据Tricept并联机构自身结构特点对其进行单元划分,分别利用有限单元法构造各支链弹性单元动力学模型,并结合变形协调条件和动力学约束,建立整机弹性动力学解析模型。根据该弹性动力学模型,得到了Tricept并联机构在其工作空间内的固有频率特性和末端刚度。所建立的模型便于探讨机构结构参数对系统动态特性的影响规律,从而为这类并联机构的动态设计提供理论依据。     

并联机构动力学建模及控制研究

为了系统地研究并联机构动力学特性,分析了4种基本建模方法（牛顿-欧拉方法、直接拉格朗日方法、拉格朗日-达朗贝尔方法和虚功原理方法）,总结了各种方法的优缺点。在此基础上,对动力学的3种控制算法（经典PD控制、机器人控制中常用的计算力矩控制以及数控加工中的先进轮廓控制）在并联机构上的应用进行了分析研究。针对开发的三自由度（3-DoF）纯平动并联机构Orthopod,采用拉格朗日-达朗贝尔方法进行了动力学建模,并对其进行了控制仿真。研究结果显示,轮廓控制在轮廓误差控制方面具有更好的性能,适合于雕刻机的控制应用。     

一种3自由度组解耦并联机构

并联机构的各支链是运动耦合的,因此多数情况下并不满足传统意义上的耦合概念.提出组解耦的概念,对机构的输入输出解耦性问题进行了研究,拓宽了解耦概念的外延,为控制系统设计的简化奠定了一定的基础.最后提出了一种3自由度并联机构,分析表明该机构的2个平动自由度是组解耦的.     

平面3-PRR非对称并联机构动力学分析

对一种平面三自由度非对称并联机构(3-PRR并联机构)进行运动学分析,基于虚功原理和该机构的运动学模型建立机构的动力学模型,并通过数值仿真,求解动力学模型,得到系统驱动力的变化规律。结果表明,机构在一个周期内两次穿越奇异位形,对机构的动态特性影响很大,因此系统设计阶段,应进一步对机构尺寸进行优化。研究对进一步分析3-PRR并联机构的运动稳定性、机构优化设计和系统控制等实际工程应用提供了理论基础。     

3-RRR平面柔性并联机构动力学分析

针对柔性并联机构动力学模型时变、刚-柔耦合、非线性的特点,以3-RRR平面柔性并联机构为研究对象,建立了一种基于有限元法、浮点坐标系和KED法的机构弹性动力学方程。首先,运用有限元法的理论,将机构的柔性杆件划分为一系列离散的梁单元模型,建立梁单元的动力学方程。然后,运用KED法,得到机构的约束关系式和装配关系式,从而得到机构在浮点坐标系下的弹性动力学方程。最后,分别对采用简化KED法和这里方法建立的机构动力学模型进行仿真分析,对比机构动平台的弹性位移/转角曲线和最大应力曲线,验证了这里建模方法的有效性。     

平面2-DOF冗余驱动并联机构弹性动力学分析

建立了平面2-DOF冗余驱动并联机构弹性动力学模型。首先,将机构系统的6个连杆视为6个柔性杆件单元,考虑柔性杆件纵向位移、横向位移和扭转变形,基于有限元法和拉格朗日方程建立了机构6个柔性杆件单元的弹性动力学模型;其次,根据转动副的约束特点及各分支与输出轴的约束关系,得到系统的弹性动力学模型。然后,将理论计算与脉冲激振法试验得到的机构在不同位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。最后,基于系统的弹性动力学模型,得到了机构1阶固有频率随机构杆件截面尺寸参数变化的规律,在此基础上,给定末端运动轨迹,分析了机构在不同杆件截面尺寸及加载情况下的动态响应,为机构杆件结构参数优化设计奠定基础。     

并联机构的解耦特性

提出了几个关于解耦的新概念，以期更简便有效地研究机构的解耦特性。针对某些更便于在动坐标系下描述的情况，引入了相对于传统解耦（即绝对坐标解耦）而言的动坐标解耦的概念。引入条件解耦用于描述冗余自由度为固定输出时，其他各变量间的解耦特性。所提出的概念从更普遍的意义上揭示了解耦的本质特征。在阐明新概念的基础上，给出了相应的实例予以佐证。     

大范围转动弹性梁非线性动力学建模与摄动解耦

计及弹性梁大范围转动与弹性小变形之间的耦合作用,应用假设模态法进行坐标离散,采用Galerkin法和Hamilton原理建立弹性梁刚柔耦合非线性动力学模型;依据摄动理论构建正则摄动式,进而完成弹性梁非线性动力学的摄动解耦,在此基础上深入解析了摄动解耦误差及有效时间序列与阻尼系数的耦合关系。研究结果表明:在有效时间序列内摄动解耦精度较高,可通过简单增加摄动级数来进一步提高精度,避免了数值类方法存在的大量计算。     

基于ADAMS和ANSYS的2UPS-RPU并联机构的弹性动力学建模与仿真

以2UPS-RPU并联机构为研究对象,首先利用有限元理论建立柔性杆件的空间梁单元动力学方程,再结合各支链约束条件,运用弹性动力学理论和Lagrange方程,推导出2UPS-RPU并联机构的弹性动力学方程,结合动力学仿真软件ADAMS和有限元软件ANSYS各自的优点,通过模态中性文件和载荷谱数据的传递,首次建立了2UPS-RPU并联机构的刚柔耦合体模型,并对该模型进行了动力学仿真研究,分别对比刚性体模型和刚柔耦合体模型的仿真结果。结果表明,刚柔耦合体模型的仿真结果更加真实、准确地反映了机构的动态性能,提高了仿真精度,也验证了CAE软件仿真方法的快速简洁性和有效性。