一种过约束并联机构受力的数值仿真分析方法

鉴于目前对过约束并联机构进行受力仿真分析的研究非常少,提出了一种对该类机构受力的数值仿真分析方法。将机构的动平台、定平台及所有运动副视作刚体,将易产生空间复合弹性变形的分支杆视为柔性体,用虚拟关节代替外形复杂的运动副模型,结合三维建模软件、ANSYS软件及ADAMS软件建立与理论模型完全一致的刚柔混合模型;仅改变驱动量使机构运动到指定位形,便能实现对机构在任意位形下的受力分析,避免了对机构的不同位形重建模型。采用该方法对三种类型的过约束并联机构进行了受力分析,分析结果验证了该方法的正确性,同时也表明该方法具有一定的通用性,且无需复杂的理论计算,便能获得过约束并联机构在任意位形下的驱动力和各关节约束反力大小,为此类机构的受力分析提供了便捷途径。     

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。     

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。     

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。     

3/6-SPS 并联机构刚度和弹性变形的解析法分析

针对并联机构中机构的刚度和弹性变形随外载荷变化的问题,以3/6-SPS 并联机构为例,采用解析法求解分析其总刚度矩阵和弹性变形。首先,分析该并联机构受力位置并确定驱动力及其姿态;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3/6-SPS 并联机构的总刚度矩阵和求解弹性变形时,必须理清刚度和位姿、广义六维力之间的关系。     

基于牛顿欧拉法的一种空间被动过约束并联机构动力学建模方法

以4-RPTR四自由度空间被动过约束(冗余约束)并联机构为研究对象,采用牛顿欧拉法结合补充变形协调方程对其进行动力学分析。基于牛顿欧拉法所建动力学方程为78个,但是由于该机构被动过约束的存在,所要求解的未知量为80个,当按照平面被动过约束机构的方法补充8个变形协调方程时,会与所建的78个方程线性相关,导致方程组无法求解。基于此,提出进行被动过约束并联机构动力学建模时,应首先分析机构产生被动过约束的原因,在此基础上,引入冗余约束力(力矩)引起的杆件变形与末端平台位姿误差的关系作为补充方程,能够保证方程组线性无关,可以求解。为此,引入直接引起冗余约束的转动关节约束力矩产生的杆件变形与末端平台位姿误差的关系,补充了8个变形协调方程,同时引入了6个未知量,从而得到86个方程,包含86个未知量,且方程组线性无关,得到了该机构的动力学全解模型。基于Matlab和ADAMS软件对该机构进行动力学仿真,在平台末端给定相同运动轨迹的情况下,对比两种方法仿真所得机构驱动力变化曲线,可以看出所建动力学模型的正确性。为该类空间被动过约束机构进行动力学建模提供了一个新的思路。     

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。     

(3-RPR+R)&UPS并联机构的静刚度分析

针对提出的新型(3-RPR+R)&UPS并联机构,首先,利用解析矢量法建立了其位置逆解方程;其次,基于螺旋理论对该并联机构约束力螺旋进行了分析,并在分析各约束力螺旋所产生弹性变形的基础上,构建了各驱动支链约束力螺旋系刚度矩阵;随后,又根据机构动平台力平衡条件得到了该机构整体刚度矩阵和柔度矩阵,建立了该并联机构刚度模型;...     

基于螺旋理论对单环空间RSUR机构受力分析

用传统方法对并联机构或复杂机构进行受力分析是十分不方便的,尤其是要计算所有运动副的约束反力时,常常需要联立大量的方程才能得到最终结果.基于螺旋理论对这类机构进行受力分析会使这个问题简化.运用此方法可以方便地求出在外力作用下机构的主动力和所有运动副的约束反力,并且对于主动力和各运动副的约束反力是以单独构件逐个求解为特点的,可以确保分析每个杆件联立求解的方程数目不多于6个.为详细说明基于螺旋理论对这类机构进行受力分析的方法的优点,以由两个转动副、一个球副和一个万向铰组成的一个单环空间机构为例运用此方法求解其主动力和所有运动副的约束反力,通过求解就可以看出运用此方法可以使机构的受力分析过程大大简化,并且思路清晰容易理解.     

基于几何约束条件过约束并联机构自由度瞬时性的简便判别方法

由于采用螺旋理论工具计算得到的并联机构自由度是瞬时的,特别对于过约束并联机构,不仅其自由度性质可能改变,而且有些自由度的运动可能根本实现不了,所以必须对其自由度的瞬时性进行判别.鉴于国内外对过约束并联机构自由度瞬时性的判别方法的研究非常少,基于机构自身的几何约束条件提出一种判别过约束并联机构自由度瞬时性的简便方法.该方法根据各分支的几何约束条件建立几何约束方程,通过检查几何约束方程是否存在非零实数解来判别机构自由度的瞬时性,并以五种过约束并联机构为例,阐述该方法的具体判别步骤.基于仿真软件ADAMS提出一种判别过约束并联机构自由度瞬时性的仿真分析方法,该方法检测仿真模型自动添加的多余自由度,检查自动添加的多余自由度是否产生位移来判别自由度是否为瞬时的,同样采用这种仿真分析方法对上述五种过约束并联机构的自由度瞬时性进行判别.结果表明两种判别方法得到的结果是一致的,有力地验证了两种判别方法的正确性.     

新型过约束并联机构2RPU+UPU动力学模型

提出一种新型的过约束2RPU+UPU机构,该机构的两个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,其中的两个约束为过约束.机构中的UPU分支为机构提供了一个约束力.建立该机构的速度约束方程,并基于此分析了该机构的自由度.建立该机构的几何约束方程,确立表达机构末端位姿的独立运动参数.导出机构上平台的位姿、速度和加速度耦合关系.求解该机构的运动学反解、速度、加速度,建立机构RPU分支和UPU分支详尽的运动学模型.基于虚功原理和该机构的运动学模型建立该机构的动力学模型,并采用Matlab软件对该机构动力学进行模拟仿真,模拟结果表明理论结果完全正确.所用的方法同样适合于其他过约束并联机构.     

利用约束螺旋理论综合的空间对称2-DOF并联机构

首先按运动功能对两自由度空间并联机构进行分类,得到了空间2Ryz型（绕y轴和z轴转动)和1Rz1Tz型(绕z轴转动和沿z轴移动）的两自由度机构;给出了两类并联机构的分支约束螺旋系和机构约束螺旋系,以及保证所有分支约束螺旋的合成是期望的机构约束螺旋系的几何条件。对这两种空间并联机构运用约束螺旋综合理论进行系统的型综合,得到了可实现连续运动的具有绕定平台平面内两轴转动的并联机构以及沿着定平台法线方向移动和绕其转动的两自由度并联机构;得到了两自由度并联机构各种类型的分支链结构,以及两类机构的结构约束特性。将少自由度对称并联机构类型由原来的9类扩充到11类,丰富了机构类型。     

空间3-UPU/UPU型并联机构的运动学求解与刚度分析

以空间3-UPU/UPU型并联机构为研究对象,研究此并联机构的运动学及刚度问题。首先,建立此并联机构的运动学模型,求出此并联机构的位置逆解以及此并联机构的Jacobioan矩阵;其次,利用软件RecurDyn V7R3进行仿真分析,得到此并联机构位移及速度随时间变化的曲线图。最后,对此并联机构全局刚度模型求解及性能分析,再通过软件Matlab仿真分析此并联机构的结构参数的变化对刚度的影响,得出三维图。以上对3-UPU/UPU型并联机构的运动学、运动特性分析以及刚度求解为此并联机构机构的进一步分析提供了理论基础。     

一种欠约束丝牵引并联机构工作空间的分析方法

针对光学悬丝吊架试验台系统应用的六丝牵引的并联机构,提出了运用维数缩减法求解欠约束六自由度并联机构工作空间的方法,并利用提出的衡量工作空间质量的评价指标ks,通过Matlab仿真分析了机构结构参数及预紧力系数等对其工作空间的影响趋势,最后经过多次计算对比,得出机构各参数的最优组合,获得最大工作空间,从而为下一步的实际测试试验奠定基础。     

钳夹车双层并联过约束机构力学解算与均载性分析

为研究钳夹车双层并联过约束起升机构力传递与均载特性,基于Timoshenko梁理论建立了起升机构钳形梁刚度模型,通过联立该双层并联过约束机构弹性变形协调方程与静力平衡方程,对起升机构进行了力学解算,得到了机构分支承载力与机构刚度的映射关系。在此基础上,定义了不均衡载荷系数,分析得到了机构刚度变化及其载运偏载量对起升机构均载性能的影响规律。基于动力学仿真软件RecurDyn建立了双层并联过约束起升机构的刚柔耦合仿真模型,仿真分析结果验证了理论建模分析的正确性。     

具有弧形移动副的3-RPS并联机构刚度特性分析

提出了1种具有弧型移动副的3-RPS并联机构,该机构由定平台、动平台和三条支链组成。每个分支运动链包括1个转动副R,1个弧形移动副P和1个球铰S。其中,3个转动副R的轴线共面,并彼此成60°相交。运用螺旋理论对该机构的自由度进行了分析。该并联机构动平台具有3个转动自由度,并且动平台的转动中心是各支链球铰中心与弧形连杆中心连线的交点,此交点随动平台的位姿变化而变化;另外,通过机构各个分支的螺旋互易积,获得机构的约束雅克比矩阵、驱动雅克比矩阵和全雅克比矩阵;并根据守恒协调刚度矩阵,求出机构的结构位形刚度以及外力作用影响产生的刚度,为后续的研究其动力学、运动学性质奠定了基础。     

平面机构过约束的研究进展

过约束广泛存在于平面机构中，并导致了机械系统对制造，安装误差的敏感，对机械系统性能造成了一系列有害的影响，因此对过约束机构的研究越来越受到国内外机构学者的普遍重视，取得了一系列突破性的进展，详细分析了平面机构中过约束对机械系统性能的影响，介绍了目前国内外机构过约束的研究现状，最后提出了有待进一步研究和解决的若干问题。     

平面并联机构刚度与动力学指标分析

针对典型的串联和并联机构，建立了动力学模型。分析了在外力输入时机构的静刚度和动刚度。提出使用冗余驱动方式提高刚度及其一致性。根据运动刚度分析方法，建立了主动力输入时的刚度矩阵。定义了反映加速度性能的动力学指标，用于评价和优化机构的设计。给出了几种典型机构的动力学指标的分布图形，说明冗余并联机构的动力学指标最好。     

平面机构过约束的研究进展

过约束广泛存在于平面机构中 ,并导致了机械系统对制造、安装误差的敏感 ,对机械系统性能造成了一系列有害的影响。因此对过约束机构的研究越来越受到国内外机构学者的普遍重视 ,取得了一系列突破性的进展。详细分析了平面机构中过约束对机械系统性能的影响 ,介绍了目前国内外机构过约束的研究现状 ,最后提出了有待进一步研究和解决的若干问题     

空间并联机构的自由度分析

综述了空间并联机构自由度的分析与计算方法,在此基础上具体分析了几种典型的并联机构的自由度.对于特殊的空间并联机构,也介绍了一种确定动平台自由度及其运动类型的方法.