Delta型并联机构运动可靠性理论与仿真的研究

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并联机构机器人具有结构刚度大、承载能力高、制造和控制成本低等优点。自1965年Stewart机构出现至今,并联机构逐渐成为国际上研究的热点。上世纪90年代初,并联机器人在食品、药品的包装和汽车装配生产等工业领域迅速取得成功。2000年以后,并联机床在技术上取得了重大突破,并逐步进入实用阶段。目前,国外在并联工业机器人和并联机床等领域的产业化方面已经取得了突破性进展,创造出了巨大的经济效益。但由于起步较晚,加之相关理论和关键技术的制约,国内并联机构在生产实际中的应用情况并不十分理想,其中精度问题是制约其能否实际应用的关键因素之一。  机器人运动可靠性研究的主要任务是评价机器人运动可靠度及其机构动态精度,对机器人运动精度做出合理的可靠性预计。以往并联机构运动精度分析中,往往不考虑误差的随机性,造成评价结果不准确。由于制造和装配中存在公差等因素,机械系统必然存在一定的随机性。因此,从概率角度出发的并联机构运动可靠性(动态运动精度分析评价方法)研究具有重要的理论意义和工程价值。本文研究了Delta型并联机构的运动学、运动特性、误差建模、运动可靠性及灵敏度分析、运动可靠性仿真模块开发等,这对其他并联机构运动可靠性研究具有重要的借鉴意义和参考价值。论文具体研究内容如下:  (1)以一种基于3平动Delta并联机构和2-R转动机构的平动、转动独立的5自由度Delta型并联机构为研究对象,对其运动学问题进行了详尽的分析。利用齐次坐标变换推导了机构的位置反解计算式,应用几何法推导了机构的位置正解计算式,通过ADAMS软件仿真验证了正反解求解的正确性。推导了机构雅可比矩阵及速度、加速度表达式,分析了机构的奇异性和灵巧性问题。  (2)进行了Delta型并联机构工作空间分析和综合方法的研究。由机构的约束条件得出每个单开链的子空间包络体,进而求解3个支链包络体的公共部分即理论工作空间。分析了理论工作空间边界曲面的求解过程,给出了工作空间内部存在空洞的条件及空洞边界的求法。考虑结构限制,给出了基于数值搜索的工作空间求解方法。最后,提出了一种基于工作空间的机构尺度综合方法。该方法以获得满足工作空间要求的机构最小结构参数为优化目标,并应用点的权概念建立目标函数,利用遗传算法获得目标函数的最优解。该算法无须给定初始值且能获得全局最优解。  (3)建立了Delta型并联机构静态位置误差模型。参照传统D-H变换,重新定义坐标系位置和矩阵变换规则,建立了一种更加适合于全面考虑相关误差对运动精度影响的改进的D-H变换规则。利用该规则建立了机构单关节误差模型,应用相邻关节误差转换矩阵建立了单支链误差模型,推导了并联机构静态位置误差模型,进而利用上述方法建立了考虑转动副间隙相关误差的位置误差模型。基于机构位置反解,应用泰勒展开,建立了考虑机构尺寸误差和驱动误差的位置误差模型。最后分别应用解析法和差分法就机构位置误差对各个误差源和主要设计参数的灵敏度进行了分析计算。  (4)提出了评价并联机构运动可靠性高低的量度和计算方法,建立了并联机构运动可靠性分析计算模型。推导了机构位移误差、速度误差和加速度误差表达式。参照应力-强度干涉模型,定义了机构运动可靠度计算式。参考机构运动可靠性分析原理,基于并联机构运动学分析和静态位置误差模型,考虑各个原始误差的随机性,建立了并联机构运动可靠性分析的理论模型。当并联机构结构形式复杂,位置误差模型求解困难或机构中各个原始误差分布规律未知时,给出了一种基于虚拟样机技术的Monte Carlo仿真模型,作为理论分析的补充和验证。研究了并联机构运动可靠性灵敏度分析问题,就极限状态函数已知和极限状态函数未知两种情况,分别给出了机构运动可靠度对各个原始误差的均值和方差的灵敏度求解方法。  (5)基于ADAMS二次开发技术,建立了并联机构运动可靠性分析的Monte Carlo仿真模块:首先建立参数化的机构模型;然后应用C语言编写用户自定义函数,用于模拟随机误差变量;利用随机抽样获得不同模型的实现;基于ADAMS命令语言和二次开发技术自动实现Monte Carlo仿真;最后利用软件输出的记事本文件计算机构运动可靠度。
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