新型两平移一转动并联机构位置分析及运动仿真

作者:黄秀琴;沈惠平;杨廷力 刊名:机械设计 上传者:叶荣武

【摘要】提出了一种两平移一转动并联机构,进行了结构学分析,包括其自由度计算及输出运动类型分析,给出了位置分析的正、逆解。通过SolidWorks及与其无缝集成的运动学分析模块——COSMOSMotion,开发了该机构的三维实体模型并进行了运动学仿真。分析表明该机构的位置分析求解容易,易于实时控制,可广泛应用于工业装配机器人、微动机器人、虚拟轴并联机床和多维减振平台等领域,同时验证了该机构的正确性。

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并联机构自从由Gough和Stewart提出以来,它就以具有高刚度、高精度和高承载能力等优点而成为人们研究的热点,并被广泛应用于工业机器人、微动机器人、虚拟轴并联机床等领域。在过去几十年中,许多研究工作者提出了多种形式的并联机构,但大多数研究工作主要集中在6自由度的并联机构,虽然也提出了某些3自由度,但由于现有的3自由度并联机器人机构中缺乏把转动和移动结合起来的空间,3自由度并联机构很难在工业中得到广泛应用。两平移一转动的3自由度并联机器人机构所具有的运动特性,以及少自由度并联机器人驱动元件少、费用低、结构紧凑的特点,在工业生产中具有较高的实用价值。文中对一种新型两平移一转动3自由度并联机构进行了位置分析,正、逆解最高次数为2,且运动输入-输出具有全解耦性,极大地简化了机构的控制与轨迹规划问题,利于实时控制。并在Solid-Works2006环境下,通过与SolidWorks无缝集成的运动分析模块COSMOSMotion,开发了该机构的三维模型并进行了运动仿真,从而为真实样机的制作奠定了基础。1机构设计与构造如图1和图2所示的并联机构[1],它由上动平台0、下静平台1、连接上下平台的一条混合链及一条简单开链组成。混合链包含由5个转动副R2,R3,R5,R6,R7,2个移动副P1,P8及7个构件1,2,3,4,5,6,7组成的空间单环机构,其中,2个轴线平行的一组转动副R2,R3与另3个轴线平行的一组转动副R5,R6,R7的转动轴线相垂直,而2个移动方向相同的移动副P1,图1两平移一转动并联运动机构P8在下静平台1上;再在其输出构件4上用一个轴线与该输出构件重合的转动副R4连接动平台0;而简单开链由两构件8,9,通过球铰S10连接后,一端与动平台用另一球铰S9连接,另一端用一个移动副P11和静平台1连接;驱动静平台1上3个移动副P1,P8,P11的运动,就可使动平台实现构件3,4所在运动平面的二维平移及绕转动副R4轴线的一维转动输出。图2两平移一转动并联机构的计算模型2机构结构特性分析2.1运动确定性分析机构运动确定性分析,即为自由度计算及主动副选取。对于图1机构,共有运动副数目m=11,构件数目n=10,因此基本回路数=m-n+1=2,以(P1-R2-R3-R5-R6-R7-P8)-R4支链组成第一基本回路,以P11-S10-S9支链组成第二基本回路,则由自由度计算公式[2]得:F=mi=1fi-j=1j=(9+2+3)-(6+5)=3式中:fi第i个运动副的自由度;j第j个基本回路的独立位移方程数目。由上式可得到该机构的自由度为3。故该机构需3个主动副,选定下平台2上的3个移动副,并刚化之,由于刚化后机构的自由度F=(9+2)-(6+5)=0,满足主动副存在准则[2],因此选定的3个移动副P8,P1,P11可同时作为主动副。2.2动平台运动输出特性分析由文献[2]知,回路数为n的并联机构可视为由1+n个单开链(Single-OpenedChain,SOC)并联地连接到并联机构的静、动平台之间组成,每一SOC支链的机架与输出构件分别是并联机器人机构静、动平台的一部分,机构动平台在1+n个SOC支链的共同约束下运动,只能实现所有支链运动输出矩元素的交集部分,故机构运动输出方程为:Up=ni=1UioU=x(i)y(i)z(i)(i)(i)(i),i=1~F式中:Up动平台运动输出矩阵;Uio第i个SOC支链的运动输出矩阵,与SOC支链的结构类型及其在静、动平台上的配置方式有关;U动平台或支链输出矩阵的一般形式;x(i),y(i),z(i)动坐标系(

参考文献

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