弹性铰平面并联三自由度机器人连续刚度映射研究

应用影响系数法求解了弹性铰平面并联3-RRR机器人的一阶、二阶影响系数,借助虚功原理建立了包含主、被动铰链弹性变形,杆件及其平台自重的连续刚度映射模型.与以往刚度模型区别在于,该连续刚度模型考虑了机构刚度变化的动态过程,从而使并联机器人刚度非线性映射还原.文中还结合刚度矩阵瑞利商定义了连续刚度判定指标七,绘制了刚度性能空间图,进一步探讨了该机构的方向刚度特性,为平面并联弹性铰机器人机构刚度的分析提供了一种新颖通用的方法.     

龙门式混联机床的静刚度分析

静刚度是机床设计的重要指标之一.为了解基于平面三自由度并联机构的龙门式混联机床的静刚度性能,提出了一种分析方法,此方法同时考虑了并联支链和铰链的变形.根据微分误差模型,建立了机床刚度矩阵,得出了机床位置刚度和转动刚度的分布情况,着重讨论了铰链刚度对机床刚度的影响.结果表明 在工作空间内沿Y方向位置刚度具有对称性,转动刚度具有不对称性; 铰链刚度对机床刚度影响很大,在并联机床或者混联机床设计中必须选用刚度好的铰链连接形式.     

3-RRC全柔性机构中柔性铰链刚度矩阵建立

全柔性机构中柔性铰链单元刚度矩阵的建立是进行全柔性机构分析的基础．以3～RRC全柔性并联机构中出现的柔性铰链为例，介绍其结构型式并建立力学模型．采用差分法和复化抛物形求积方法分别得出了变截面柔性铰链单元上所受外力与端部变形之间的关系．通过矩阵位移法建立柔性铰链单元拉弯组合变形的刚度方程，并借助变形体内力分析和拉弯组合变形时单元刚度矩阵的特点，得出柔性铰链刚度矩阵的各个元素，为全柔性机构的运动学、动力学分析提供了方便．     

4UPS/UPR并联机构刚度特性分析

针对耦合型4UPS/UPR少自由度并联机构,分析了其自由度及耦合运动特性,给出了其旋量形式的一、二阶影响系数。借助于虚功原理及旋量形式的一、二阶影响系数,推导了4UPS/UPR并联机构包括外力、重力及非广义关节驱动力的静力学方程。通过对静力学方程微分,建立了机构完整的柔度模型,并以此为基础推导了其方向刚度模型,给出了方向刚度极值存在的必要条件。分析了机构位姿、铰链点尺度参数及坐标系选择对方向刚度特性的影响,并给出了相应的数值算例进行验证。     

3-PRR平面并联机构的刚度特性

为了揭示在外力作用下机构的柔性导致的几何形变对其刚度的影响及变化规律,对3-PRR平面并联机构的刚度特性进行了系统研究.首先导出了3-PRR平面并联机构基于守恒协调转换刚度矩阵的刚度解析表达式,然后分别求出了机构在无外力作用和在外力作用下的刚度映射曲线,用以对比其刚度的不同变化规律.最后根据导出的公式和数值分析算例,对机构的刚度特性进行了详细的分析.研究结果表明:3-PRR平面并联机构的刚度是机构构型的函数,并与驱动力和关节刚度成比例;机构的刚度不但与外力的大小有关,而且与外力的作用方向有关.     

能量法求解全柔性微动机器人移动副的刚度

全柔性机构中柔性移动副(P副)刚度的求解是进行全柔性并联机构、全柔性并联微动机器人分析的基础工作之一．在柔性铰链力学模型的基础上,利用能量法得出了非对称3．RRRP(4R)全柔性并联机构的变截面柔性移动副(4R)单元上所受外力与端部变形之间的关系,结合柔性铰链的柔性刚度矩阵求得柔性移动副单元刚度表达式方程．并用ANSYS工程软件建立相同的柔性移动副模型进行模拟,模拟结果表明,推导的柔性移动副的刚度与模拟结果很相近,刚度的理论方程具有一定的准确性。     

基于等效耦合刚度的平面折展滑块机构分析

柔性铰链是实现平面折展柔顺机构运动的关键部分。如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。综合考虑影响平面折展机构铰链刚度和精度特性的等效弯扭及拉压刚度,以LET铰链为例,分析在不同载荷下各个参数对弯扭与拉压等效耦合刚度的影响趋势,从而提出弯扭与拉压等效耦合刚度的概念。通过大量的实例计算和分析,推导出LET铰链弯扭与拉压等效耦合刚度的经验公式。基于等效耦合刚度经验公式,对平面折展柔顺滑块机构进行分析。应用等效耦合刚度公式与不应用等效耦合刚度公式两种情况的分析结果和有限元仿真结果表明,应用等效耦合刚度经验公式的滑块位移计算精度得到很大的提高,验证了等效耦合刚度经验公式的适用性。     

基于刚度组集的混联机床的静刚度分析与优化

为了深入研究基于冗余驱动并联机构的混联机床的静刚度,提出一种建立整机刚度模型的方法,这种方法考虑了滚动直线导轨副和轴承的变形.根据刚度组集原理建立整机刚度矩阵,得到整机静刚度分布情况,并讨论了滚动直线导轨对整机静刚度的影响,针对机床薄弱环节,进行结构优化.结果表明: 在一定工作空间内,整机x、 y、 z方向静刚度具有对称性, z向刚度最好, x向刚度最差.滚动直线导轨副对整机刚度影响较大.通过改进某些部件结构提高了整机x向刚度,为此类机床设计和优化提供了理论分析依据.     

3-RRR平面并联机构的刚度特性分析

导出了3-RRR平面并联机构基于守恒协调转换刚度矩阵机构刚度结构位形部分的解析表达式和外力作用影响部分的不完全解析表达式.给出了求机构刚度映射的一般方法,求出了不同参数下3-RRR平面并联机构的刚度映射曲线,并对机构的刚度特性进行了分析和讨论.研究发现,3-RRR平面并联机构的刚度是机构构型的函数,并与驱动力和关节刚度成比例;动平台中心趋于工作空间边界刚度增大,在工作空间的边界附近形成一个刚度较强的环状区域,而在工作空间的内部形成一个刚度较弱的区域.     

基于约束力旋3SPS+UP并联机构刚度和弹性变形

针对具有约束分支的3SPS+UP少自由度并联机构刚度与弹性变形问题,采用基于主动/被动约束力旋求解其总刚度矩阵和弹性变形的方法.结果表明:对3SPS+UP并联机构的受力状态进行分析,并确定主动/约束力旋的姿态,分析3SPS+UP并联机构的主动/约束分支的弹性变形,导出主动/约束分支的伴随矩阵,约束力旋对3SPS+UP并联机构的弹性变形有巨大的影响.得出结论:当建立3SPS+UP并联机构的总刚度矩阵和求解弹性变形时,必须考虑约束力旋.     

串联机器人加工系统关节刚度的高精度辨识方法

提出一种串联机器人加工系统关节刚度的高精度辨识方法.首先,基于雅克比矩阵的Frobenius范数,得到串联机器人加工系统的灵巧性,并确定工作空间内可达姿态的灵巧性数值分布情况.然后,分别选取4组不同等级灵巧性的姿态进行关节刚度辨识实验,并计算出相应姿态下的关节刚度.最后,对辨识出的4组关节刚度的末端变形计算值与测量值进行相对误差分析.结果表明:随着灵巧性的增大,机器人关节刚度辨识的准确性越高;相较于灵巧性较小的姿态,灵巧性较大的姿态的末端变形计算值与测量值的相对误差可降低20%~50%.     

Tripod并联定位器刚度分析及其在飞机装配中的应用

改进了传统的3-UPU并联机构,得到了刚度更高、结构更加紧凑的3-Tripod和4-Tripod并联机构.求出了3-Tripod并联机构的工作空间和Jacobian矩阵,并由此分析了3-Tripod机构的刚度特性,得到了3-Tripod机构的刚度矩阵,画出了工作平面内的最大刚度和最小刚度分布图以及工作空间内取得最大刚度与最小刚度的方向.结果表明,在工作平面内垂直于基座的方向刚度较大,平行于基座的方向刚度较小.研究结果对提高机身与机翼对接工装精度有一定意义.     

Stewart并联机床瞬时刚度分析与应用

对并联加工机床的6-6 Stewart并联机构动态加工过程进行了分析,利用螺旋矢量方法建立了机床6-6并联机构刚度数学模型,计算了动态瞬时刚度和刀具的偏移误差,并开发了应用软件,对6-6并联机床结构在多种不同参数变化条件进行了数值模拟.研究结果可为机床精确控制和实时标定提供算法,对优化机构设计、工作空间设计及载荷设计和布置提供理论依据.     

圆柱滚子轴承的刚度计算

针对基于Hertz接触理论的轴承刚度计算方法在实际应用中存在较大局限性的问题,通过实验方法建立基于超声波的油膜刚度测试模型,并运用现代微观理论建立了滚子轴承的接触刚度分形模型,推导出油膜刚度和接触刚度与径向载荷的关系。研究分析表明随着径向载荷的增加,油膜刚度和法向接触刚度不断增大。为证明该方法的有效性,运用所建立的模型对某型圆柱滚子轴承进行实例分析,计算得出该滚子轴承的径向刚度。结果表明:油膜刚度与径向载荷成线性关系,随着径向载荷的增大,法向接触刚度增长速率变缓。     

机床结合部耦合动刚度的辨识与建模

针对结合部动力学中耦合动刚度的辨识与建模问题,通过频响矩阵建立了结合部动力学理论模型,基于力学平衡条件与位移兼容条件推导了动刚度辨识公式.辨识过程中将难测频响矩阵作为中间变量,避免了估算难测频响所引入的方程误差,构建了包含辨识关系的矛盾方程.通过广义逆矩阵对动刚度进行等效处理,讨论了刚度信息之间的耦合关系,提出了结合部耦合动刚度的建模方法,建立了刚度信息不同程度耦合的动力学模型.最后,基于LMS试验平台进行了现场试验,获得了良好的试验效果,证明了该方法的可行性.对比分析了不同动力学模型的预测效果,结果表明:结合部动刚度耦合关系对动力学模型的低频预测性能影响显著,动力学建模时考虑刚度信息的耦合关系是必要的.     

并联机构转动副滚动轴承静刚度参数辨识

以新型五自由度完全并联机构的一组滚动轴承支撑单元为研究对象,利用多体系统传递矩阵法、有限元法及实验法深入研究其静刚度预估问题,提出一种滚动轴承的静刚度参数辨识流程/方法.首先,将滚动轴承支撑单元等效为多柔体系统,借助传递矩阵法建立其静刚度参数与结构模态参数间的映射关系;其次,借助实验模态分析法确定滚动轴承支撑单元的固有特性,通过比对系统固有频率和振型,确定滚动轴承支撑单元的静刚度参数;最后,将辨识出的静刚度参数代入滚动轴承支撑单元有限元分析模型,将仿真结果与实验结果相比较,以验证静刚度辨识方法的有效性.研究表明,这种滚动轴承静刚度参数辨识方法精度较高,为含转动副并/混联构型装备的静刚度优化设计提供了理论依据.