基于Isight平台DOE方法的并联机构多目标优化设计

以提高并联机构的整体性能为目的。以3-PUU并联机构为例,首先根据虚设机构法建立影响系数矩阵,包括雅可比矩阵和海塞矩阵,并通过Adams虚拟建模仿真验证影响系数矩阵的正确性,然后综合考虑工作空间、速度、加速度、惯性力等方面的需求建立并联机构的性能指标,根据性能指标多目标优化设计模型,最后基于Isight软件集成MATLAB,采用最优拉丁超立方法进行试验设计,通过NSGA-II算法进行多目标优化设计。优化结果表明,基于Isight的多目标优化设计方法不仅高效而且可以得到Pareto解集,决策者可以根据并联机构的具体服役环境权衡选择整体性能最优解。     

2-RPU/SPR并联机构的多目标6Sigma稳健性优化

将Isight软件的NSGA-Ⅱ方法应用于2-RPU/SPR并联机构的6Sigma稳健性优化。方法建立2-RPU/SPR并联机构的工作空间、运动学灵巧度、刚度、最大和最小承载能力五个性能指标,设置约束条件,运用Matlab软件编程,并用Isight软件进行集成,进行确定性优化,得到优化解,在有噪声干扰的前提下,运用Isight对优化解进行6Sigma稳健性分析,进而运用NSGA-Ⅱ方法对这五个目标函数进行6Sigma稳健性优化。结果优化结果前后优劣对比,获得6Sigma稳健性优化后的良好结果。结论根据优化结果,并结合实际工况可选择最优设计参数,提高机构抗噪声干扰的能力,为高精密领域的包装机械提供一种高效直观的优化设计方法。     

3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计

以提高并联机构多目标优化设计结果的可靠性为目的。首先构建3-PRRS并联机构多目标优化设计模型,基于Isight集成Matlab软件,利用试验设计和多目标优化算法进行多目标确定性优化设计。然后分析3-PRRS并联机构在设计制造中所涉及到的随机不确定性因素,基于Isight进行6Sigma可靠性分析以及考虑随机不确定性因素的6Sigma优化,建立一种高效的考虑不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化方法。研究结果表明,考虑不确定因素的多目标优化设计方法得到的最佳设计解可靠度更高,更加符合设计要求。     

基于Kriging模型的并联机器人机构的多目标优化设计

为了提高并联机器人机构的性能特性,对机构参数进行优化设计分析,以达到性能指标最优的目的。先对应用于盾构拼装机的并联机构进行了运动学分析,利用封闭矢量法建立了逆解方程,并在此基础上求解了表征驱动关节输入和动平台输出映射关系的雅可比矩阵。引入衡量并联机构性能的全域运动灵巧度和全域承载能力指标,并以结构参数为设计变量,性能指标为优化目标,基于Krigring近似模型,利用多岛遗传算法对并联机构进行多目标优化,最终得到Pareto解集,并选取了机构参数的最优解。结果表明,基于Kriging模型的多目标优化对机构性能有明显的改善。     

一种3-PRS并联机构正向运动学求解方法

并联机构正向运动学求解复杂、存在多解,是研究的热点和难点。提出用D-H法和图形可视化相结合的方法对3-PRS并联机构进行正向运动学求解的方法。首先,对机构中的球铰做等效转换,运用D-H法对支链进行运动学分析,推导出3-PRS并联机构的正向运动学方程;然后,采用迭代法得到16组正向运动学方程的解,通过可视化编程,直观地得到3-PRS并联机构的位形,即得到并联机构的运动学正解。结果表明,所得到的一组运动学正解与实际结构的位形相符。该方法有效、正确,并适用于求解其他类型的并联机构正向运动学。     

三自由度3-PRS并联机构的运动学解析

对于并联机构位置正解极其复杂的求解特点,在求得3-PRS并联机构的位置逆解的基础之上,采用转化求解对象法对其位置正解进行了解析,并应用D'Alembert原理求解了被动关节的速度和加速度,避免了空间机构直接求导法的复杂性。通过对3-PRS并联机构进行实例分析,结果表明,转化求解对象法求解并联机构位置正解的方法简单而有效。同时指出了3-PRS并联机构中除3个主运动之外,还存在派生运动,该运动在3-PRS并联机构的实际应用中必须予以考虑。     

3-PRS并联机构关键参数优化设计

这里研究了一种具有Z轴、A轴、B轴运动的3-PRS并联机构，使其可以作为一个部件完成复杂曲面铣削加工，且能够完成立式卧式加工。应用雅可比矩阵条件数作为一项指标，对3-PRS并联机构的关键参数在其工作空间内进行优化，可使3-PRS并联机构的A及B轴的转动范围在满足900的同时达到最优。该优化过程可用于此类机构的创新设计。     

基于Isight平台的房车空调送风参数优化

为了提高房车空调夏季降温效果，对房车空调的送风温度、速度、角度进行优化研究。利用CFD方法对房车内流场进行数值模拟。应用k-e RNG湍流模型，合理的设置热力学边界条件，并引入太阳辐射模型。以Isight软件为优化平台集成Fluent软件搭建房车夏季降温多目标优化设计流程。通过最优拉丁超立方试验设计方法设计样本点，采用径向基函数神经网络建立近似模型，并结合NCGA遗传算法对不同送风参数进行多目标优化。在Pareto最优解集中选取最优折衷解，并通过CFD仿真和房车静态温度实验对比验证。结果表明：建立的近似模型能很好取代内流场仿真进行多目标优化，优化后的结果使房车内部能够获得更好的气流组织形式，温度场、速度场更加合理。     

大型光学望远镜副镜位姿精调机构的优化设计

分析了大型光学望远镜副镜位姿精调机构的性能要求,提出了基于Gough-Stewart并联机构的副镜位姿精调机构的2个设计准则：运动精度准则和刚度准则。选取Gough-Stewart并联机构的2个角度尺寸参数和3个无量纲化的线性尺寸参数作为设计变量,并给出设计变量定义域的划定依据;提出与设计准则相对应的2个全条件性指标：运动传递精度指标和刚度指标,对全条件性指标中的可达工作空间做了适合位姿精调需求的改进,按照统一目标法乘除法构造统一目标函数,建立有约束单目标优化问题数学模型。以改进的遗传算法编写程序,计算得到机构参数的Pareto最优解,为位姿精调机构的进一步设计提供了参考。     

数控机床主轴的多目标优化设计

对数控机床主轴的机构参数优化问题进行了研究。提出了一种以主轴重量、主轴伸出端的扰度为目标的结构参数多目标优化方法。研究了利用多学科优化设计软件iSIGHT对数控机床主轴进行多目标优化设计的方法步骤,并对一个简化的机床主轴模型进行了多目标优化设计,得到Pareto最优解集。研究表明,基于Pareto最优解的方法更适合于数控机床主轴的优化设计;利用iSIGHT进行优化设计,可以简化求解过程,具有一定的工程实用价值。     

[PP]S类并联机构无伴随运动的结构条件

[PP]S类并联机构包括3-PRS、3-RPS、3-RRS和3-PPS四种构型,可实现1移动自由度和2转动自由度,具有广泛的应用前景.伴随运动是[PP]S类并联机构动平台在非独立自由度上发生的运动,是影响[PP]S类并联机构实际应用的关键问题.建立一般3-PRS并联机构伴随运动运动学模型,揭示出一般3-PRS并联机构各项几何结构参数与伴随运动的内在联系,证明3-PRS并联机构无伴随运动所必须满足的结构充要条件,根据这一结构条件可构建无伴随运动的3-PRS并联机构.指出无伴随运动的3-PRS并联机构中存在的局部自由度,给出考虑这一局部自由度的驱动选取方案,对无伴随运动的3-PRS并联机构进行自由度分析,并确定该类机构的2转动自由度的连续转轴.这一结构充要条件适用于全部[PP]S类并联机构.     

3-PRS并联机器人概念设计与运动特性研究

提出一类拓扑构型为3-PRS的少自由度并联机器人的概念设计方案。基于旋量理论,研究了所提3-PRS并联机器人的自由度。计算结果表明,所提3-PRS并联机器人为一类具有1移动2转动(1T2R)运动能力的3自由度并联装置。在自由度分析的基础上,进一步构建了3-PRS并联机器人的运动学模型。通过求解闭环矢量运动方程,给出了该类并联机器人的运动学逆解的解析表达。基于所求的运动逆解,构建了考虑机器人几何约束的可达工作空间搜索流程,并据此给出了3-PRS并联机器人的可达工作空间映射。最后,通过参数灵敏度分析,揭示了3-PRS并联机器人主要尺度参数对其可达工作空间的影响规律。研究结果表明,3-PRS并联机器人各尺度参数对其可达工作空间的影响程度不尽一致,在进行机器人尺度综合时,应重点关注动平台半径的影响。     

基于Lagrange方法的3-PRS并联机构动力学分析

以一种3-PRS并联机器人为研究对象,建立动力学方程。首先,推导此种并联机器人动平台的6个参数之间的关系。然后,通过Lagrange方程推导出此3-PRS并联机器人的动力学模型,并分析此并联机器人的动力学特性。通过算例,讨论了此并联机器人等效质量、驱动力的变化规律。结果表明,机构位形对等效质量和驱动力的影响很大,驱动力对等效质量的变化很敏感。此研究对进一步分析此类3-PRS并联机器人的动态特性、优化机构设计及控制系统提供了有益指导。     

非对称2UPS-UP并联机构性能分析及尺度多目标优化

以一种两转动一移动非对称2UPS-UP并联机构为研究对象,对其进行了性能分析和尺度参数多目标优化.机构自由度由恰约束支链UP确定,即机构可实现绕该支链U副中心的两转动运动和沿P副的移动运动.给出正逆向位置符号解,且正逆解具有部分运动解耦特性,有利于后续误差分析、轨迹规划与控制.应用矢量法推导出速度表达式,根据速度Jacobian矩阵分析了机构奇异位形.以旋量代数为工具,给出了机构运动和力传递性能评价指标.在机构性能评价和工作空间分析的基础上,建立了机构尺度参数昂贵约束多目标优化模型,并采用多目标进化算法求解该问题,得到多组Pareto最优解.     

3-PRS并联机构正解的数值方法

<正>解计算是3-PRS并联机构设计与评价的重要工作之一,由于求解3-PRS并联机构的解析表达式十分困难,所以通常求其数值解。针对正解迭代求解时可能由于初始值设置不当引起的求解失败或遗漏真实解的问题,提出了运用蒙特卡洛方法设置迭代初始值。通过大量的随机抽样得到所有可能的解,并且归并这些解,然后绘制3-PRS并联机构的位姿简图,以此来直观判断解的合理性,最后应用算例验证了该方法的有效性及可行性。结果表明:充分利用蒙特卡洛方法的随机性,可以找到所有的解;绘制的3-PRS并联机构位姿简图形象直观,方便对真实解进行判别。     

并联机构敏感性分析和多目标优化设计方法

为了解决并联机构全局性能指标高计算成本引起的敏感性分析和多目标优化设计困难,提出了一种结合多项式响应面模型、基于方差的敏感性分析方法和智能优化算法的高效计算方法。首先,确定并联机构的目标函数和设计参数,增加节点密度以提高目标函数的计算精度,基于拉丁超立方体抽样方法和最小二乘多项式拟合技术建立全局目标函数与设计参数之间的响应面解析映射模型,并结合基于方差的Sobol’敏感性分析方法得到对目标函数有重要影响的设计参数。然后,结合敏感性分析结果简化设计参数并建立并联机构的多目标优化设计模型,包括目标函数、约束函数和设计参数,结合响应面模型与智能优化算法开展并联机构多目标优化设计。最后,考虑规则工作空间体积、运动学性能和动力学性能指标为目标函数,以DELTA并联机构为例实现了本文提出的方法。优化前后的结果对比证明了算法的有效性。     

一种新型三平移并联机器人的运动学与灵巧度分析

以少自由度并联机构作为研究对象,设计一种新型空间三平移并联机器人机构,根据方位特征方程理论计算机构的自由度、耦合度、方位特征集等特性.通过杆长约束条件建立运动学方程模型,推导机构的正逆解解析式,基于此,研究机构的操作空间与运动灵巧性等性能指标,同时分析结构参数尺寸跟操作空间与全局灵巧度的关系,建立全局灵巧度与可达工作空间的多目标优化模型,基于Pareto解的多目标粒子群算法实现多目标参数优化,结果表明:机构耦合度低、具有正解解析式、操作空间大、运动灵巧性较好,优化后的参数解析为并联机构的应用设计提供参考依据.     

多目标遗传算法NSGA-Ⅱ在某双前桥转向机构优化设计中的应用

针对东风某双前桥转向重型汽车在使用中存在的轮胎异常磨损问题,利用ADAMS/View软件建立了样车双前桥转向机构参数化仿真模型,基于选择的设计变量与目标函数,在iSIGHT软件中通过集成ADAMS/View模型,对设计变量进行了DOE分析,并利用改进的非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ实现了双前桥转向机构的多目标优化,根据Pareto最优解得到仿真结果表明:优化后各车轮转角误差大大减小,可有效解决车轮异常磨损问题。利用多目标遗传算法和计算机仿真集成技术对转向机构进行优化设计,可为今后汽车系统的设计、开发提供新的有效途径。     

汽车悬架优化过程的Pareto最优解

针对悬架优化过程目标函数相互冲突的问题,建立了四自由度半车模型,并施加随机路面激励,在此基础上研究了悬架多目标优化(MOP)。采用Matlab软件m文件与Simulink相结合的方法对悬架刚度、阻尼参数进行了数值模拟,分析了刚度或阻尼变化时悬架动行程与车身加速度之间的变化关系,并提出了一种通过数值模拟求解两目标函数优化下Pareto最优解的方法。研究结果表明,该方法可以有效地获得悬架动行程及车身加速度两目标函数下的优化解。     

面向对象的多杆机构多目标多约束优化设计方法

针对工程实际中多杆机构多目标多约束优化设计问题,提出了一种基于Isight与ADAMS集成的面向对象多杆机构的结构优化设计方法。采用面向对象的结构建模方法 ,借助多体动力学仿真软件ADAMS,建立多杆机构仿真参数化模型,实现Isight内置搜索算法解决多杆机构多目标多约束条件下的结构优化问题。以一种六连杆机构的优化设计为例,实验结果表明,能够通过一次建模可以满足不同约束及优化目标下的结构设计参数优化组合。