空间并联机构的弹性动力学优化设计毕业论文(编辑修改稿)

空间并联机构的弹性动力学优化设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

..........60 山东科技大学硕士学位论文 目 录 Solution of optimization model .........................................................................................63 Summary........................................................................................................................73 5 Conclusions and Prospects................................................................................................ 75 Conclusions ....................................................................................................................75 Prospects ........................................................................................................................76 Acknowledgement ................................................................................................................... 77 References ................................................................................................................................ 78 Scientific Research and Published Papers ............................................................................ 83 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 1 1 绪 论 并联机构的国内外发展概况 并联机构（ Parallel Mechanism，简称 PM）是由动平台、定平台和动定平台间多个连接支链组成的自由度数不少于一个的闭环机构 [1]。 并联机构具有刚度大、速度高、灵活性好、机构稳定、精度高等优点， 广泛应用于工业、农业、医疗、物流、消防和军事等领域。 并联机构的理论研究从十九世纪末就已出现， 1928 年美国人 James E. Gwint[2]发明了一种用于娱乐的并联机构装置（如图 ），这 是首个有史记载的空间并联机构。 1934年， Willard . Pollard[3]设计了一种用于汽车喷漆的并联机构机器人，这被许多专家认为是首个用于工业生产的并联机器人。 1947 年，英国工程师 Eric Gough博士 [4]设计了一种被称为六足机构（ Hexapod）具有六自由度的用于轮胎测试的并联机构（如图 ）。 1965 年， D. Stewart[5]在其发表的 论文中描述了一种模拟飞行运动的并联机构，该机构具有六自由度，这也是目前广泛应用的被称为 GoughStewart 的机构（如图 ）。 随后，澳大利亚学者 Hunt[6]提出将该机构应用于工业机器人。 MacCallion[7]和 Pham 于 1979 年首次将 GoughStewart 机构应用于装配生产。 图 并联娱乐机构 图 Gough 并联机构 Parallel entertainment mechanism Parallel mechanism of Gough 自八十年代尤其是九十年代以来， 并联机构 在人类的日常生产生活中开始广泛应用，如运动模拟系统（如图 所示德国 DaimlerBenz公司制造的汽车运行模拟器和如图 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 2 所示 CAE 公司生产的飞行模拟器）、娱乐装置、并联机床（如图 所示 VARIAX 并联机床）、微操作机器人（如图 所示用于眼部手术的机器人）等。 在国内，虽然并联机构的研究起步晚 于 国外，但近年来也取得了迅猛的发展。 1991 年，燕山大学黄真教授研制出了我国第一台具有六自由度的并联机器人样机 ， 1994 年其 课题组又研制出六自由度并联式误差补偿器 [8]， 迄今出版了多本关于并联机构理论和技术研究的专著，如《空间机构学》 [9]、《并联机器人机构学理论及控制》 [10]、《高等空间机构学》 [11]等。 北京航空航天大学毕树生教授 [12]研制出了用于微操作的并联机器人； 1997 年，天津大学和清华大学合作研制出了国内第一台并联机床 VAMT1Y（如图 ），燕山大学赵永生教授 [13]研制出了六维力传感器（如图 ）和五自由度并联机床（如图 ）。 图 Stewart 并联平台 图 汽车运动模拟器 Parallel platform of Stewart Motion simulator for automobile 图 飞行模拟器 图 VARIAX 并联机床 Flight simulator VARIAX parallel kinematic tool 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 3 图 并联机构在手术中应用 图 VAMT1Y 并联机床 PM in surgery operation VAMT1Y parallel kinematic tool 图 燕山大学的六自由度力传感器 图 燕山大学的五自由度并联机床 6DOF force sensor of Yanshan university Fig1 10 5DOF PKM of Yanshan university 并联机构的动力学研究现状 并联机构的动力学研究 虽然并联机构的动力学研究晚于其运动学研究，但近年来，并联机构动力学研究也取 得了快速的进步。 并联机构的动力学研究为机构的控制和优化设计奠定了基础，它在并联机构的研究中占有重要地位。 在国外， NewtonEuler 法 [1420]、 Lagrange 法 [2123]、 Kane法和虚功原理法 [2425]等被广泛应 用于并联机构的动力学建模。 Fichter [16]在将驱动杆视为理想二力杆的情况下，推导出了 Stewart 的动力学方程。 Dasgupta[17]应用 NewtonEuler法得到了一种有效解决并联机构动力学计算的 方 法。 Codourey[26]根据虚功原理推导出了并联机构动力学方程。 在国内，黄真 [10, 11]等应用影响系数法对并联机构进行动力学分析。 孔令富 [18]等采用 NewtonEuler 法建立了并联机构的动力学方程，并分析了机构的逆动力山东科技大学硕士学位论文 绪 论 4 学。 余跃庆、黄永强、蔡胜利等 [2729]应 用 KED 法推导出了平面并联机构的动力学方程。 杜兆才、夏富杰等 [3031]应用有限元法 建立 了 平面并联机构的动力学模型，并对并联机构进行了较为全面的动力学分析。 并联机构的动力学优化设计 人们对并联机构的动力学优化研究要晚于对其运动学的优化研究。 在国外，Datoussaid[32]提出了 一种 满足动力准则的优化设计方法，该方法应用牛顿欧拉法建立动力学模型，并将初始问题描述为积分形式，同时引用伴随变量法消去灵敏度公式中的状态变量，最后采用带有约束补偿的最速下降法进行优化； Neugebauer[33]通过借助相应的软件对并联机构中 的杆件进行柔性体 模态分析，并确定优化结果。 在国内，山东科技大学陈修龙等 [34]应用 CAD、 CAE和可视化虚拟样机技术，对建立的高速空间并联坐标测量机的刚柔耦合虚拟样机进行仿真分析，研究动平台质量和驱动杆截面半径变化对运动误差及驱动杆上的动应力等动力学动态特性的影响规 律，然后根据分析结果对设计参数进行优化，使得测量机动力学特性 明显改善； 余跃庆、 张策等 [2728]对平面连杆机构进行了比较全面的运动学和动力学的分析与研究，并用传统方法对弹性动力学进行优化；张京军 [35]讨论了将遗传 算法应用到机械系统动力学优化设计中。 课题研究意义 空间 并联机构 是具有高刚度、高精度、高承载力等特点的闭环机构，广泛的应用于飞行模拟器、并联机床、微动机器人等领域，是国际机构学的研究热点之一 [36]。 目前，空间并联机构正向着高速度、高精度方向发展，由于并联机构的轻质杆在运动过程中会发生弹性变形，因此其实质是刚柔耦合机构，所以必须开展并联机构弹性动力学研究。 空间并联机构的弹性动力学灵敏度分析是通过对构件参数对动力学性态的灵敏度分析，掌握并联机构的结构参数对其动力学性能的影响规律 [3742]，这是并联机构动力学优化设计的前提和基础，而并联机构的弹性动力学优化设计是提高并联机构动力学性能的重要途径。 目前，国内外对空间并联机构的优化设计研究大多是基于其运动学性能的优化设计 [5157]，对基于并联机构的动力学性能的优化研究则很少涉及。 开展并联机构的弹性动力学灵敏度分析 [4349]与 动力学优化设计 [5860]研究对促进并联机构在工程领域的实际应用具有极其重要意义。 因此，本项目以具有 5 自由度的 4UPSUPU空间并联坐标测量机为例，建立机构的山东科技大学硕士学位论文 绪 论 5 弹性动力学模型，分析设计参数对机构的运动误差、各驱 动杆的应力和系统频率的灵敏度，得到设计参数对并联机构动力学特性的影响规律，确定关键设计变量，最终应用遗传算法 [6164]对并联机构进行弹性动力学优化设计，以改善机构的动力学性能。 本论文的主要内容 本论文以 4UPS/UPU 空间并联机构为研究对象，对其进行弹性动力学分析，研究并联机构的弹性动力学动态特性对并联机构的设计参数如动平台质量和驱动杆截面面积的灵敏度，确定并联机构的设计参数对其弹性动力学动态特性的影响，最后应用遗传算法对其进行弹性动力学优化。 具体内容如下： （ 1）绪论。 阐述并联机构的发展 、动力学研究和动力学优化设计的国内外现状，介绍了本论文的研究意义和主要内容。 （ 2）并联机构弹性动力学建模与分析。 建立了并联机构的弹性动力学模型，推导出其弹性动力学微分方程、驱动杆应力和系统频率的表达式，并应用 MATLAB 软件对其进行数值仿真分析，得到并联机构的输出运动误差、各驱动杆上的应力和系统频率的变化曲线图。 （ 3）并联机构弹性动力学灵敏度分析。 根据并联机构的弹性动力学微分方程、驱动杆应力和系统频率的表达式，推导出并联机构的弹性动力学灵敏度方程、驱动杆应力灵敏度和系统频率灵敏度的表达式，通过 MATLAB 数值仿真得到各灵敏度的变化曲线图，并分析并联机构的动平台质量和驱动杆截面面积对其弹性动力学动态特性的影响。 （ 4）并联机构弹性动力学优化设计。 通过并联机构的弹性动力学分析和弹性动力学灵敏度分析，确定优化设计的设计变量、目标函数和约束条件函数。 根据并联机构弹性动力学优化设计的类型，分别应用线性加权法和理想点法对目标函数处理，采用惩罚函数法处理约束函数，最终应用遗传算法对其进行优化计算，并判定最终优化结果是否满足优化要求。 山东科技大学硕士学位论文 并联机构弹性动力学建模与分析 6。