【文章內(nèi)容簡介】 ..........60 山東科技大學碩士學位論文 目 錄 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 山東科技大學碩士學位論文 緒 論 1 1 緒 論 并聯(lián)機構的國內(nèi)外發(fā)展概況 并聯(lián)機構（ Parallel Mechanism，簡稱 PM）是由動平臺、定平臺和動定平臺間多個連接支鏈組成的自由度數(shù)不少于一個的閉環(huán)機構 [1]。 并聯(lián)機構具有剛度大、速度高、靈活性好、機構穩(wěn)定、精度高等優(yōu)點， 廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、物流、消防和軍事等領域。 并聯(lián)機構的理論研究從十九世紀末就已出現(xiàn)， 1928 年美國人 James E. Gwint[2]發(fā)明了一種用于娛樂的并聯(lián)機構裝置（如圖 ），這 是首個有史記載的空間并聯(lián)機構。 1934年， Willard . Pollard[3]設計了一種用于汽車噴漆的并聯(lián)機構機器人，這被許多專家認為是首個用于工業(yè)生產(chǎn)的并聯(lián)機器人。 1947 年，英國工程師 Eric Gough博士 [4]設計了一種被稱為六足機構（ Hexapod）具有六自由度的用于輪胎測試的并聯(lián)機構（如圖 ）。1965 年， D. Stewart[5]在其發(fā)表的 論文中描述了一種模擬飛行運動的并聯(lián)機構，該機構具有六自由度，這也是目前廣泛應用的被稱為 GoughStewart 的機構（如圖 ）。隨后，澳大利亞學者 Hunt[6]提出將該機構應用于工業(yè)機器人。 MacCallion[7]和 Pham 于 1979 年首次將 GoughStewart 機構應用于裝配生產(chǎn)。 圖 并聯(lián)娛樂機構 圖 Gough 并聯(lián)機構 Parallel entertainment mechanism Parallel mechanism of Gough 自八十年代尤其是九十年代以來， 并聯(lián)機構 在人類的日常生產(chǎn)生活中開始廣泛應用，如運動模擬系統(tǒng)（如圖 所示德國 DaimlerBenz公司制造的汽車運行模擬器和如圖 山東科技大學碩士學位論文 緒 論 2 所示 CAE 公司生產(chǎn)的飛行模擬器）、娛樂裝置、并聯(lián)機床（如圖 所示 VARIAX 并聯(lián)機床）、微操作機器人（如圖 所示用于眼部手術的機器人）等。在國內(nèi)，雖然并聯(lián)機構的研究起步晚 于 國外，但近年來也取得了迅猛的發(fā)展。 1991 年，燕山大學黃真教授研制出了我國第一臺具有六自由度的并聯(lián)機器人樣機 ， 1994 年其 課題組又研制出六自由度并聯(lián)式誤差補償器 [8]， 迄今出版了多本關于并聯(lián)機構理論和技術研究的專著，如《空間機構學》 [9]、《并聯(lián)機器人機構學理論及控制》 [10]、《高等空間機構學》 [11]等。北京航空航天大學畢樹生教授 [12]研制出了用于微操作的并聯(lián)機器人； 1997 年，天津大學和清華大學合作研制出了國內(nèi)第一臺并聯(lián)機床 VAMT1Y（如圖 ），燕山大學趙永生教授 [13]研制出了六維力傳感器（如圖 ）和五自由度并聯(lián)機床（如圖 ）。 圖 Stewart 并聯(lián)平臺 圖 汽車運動模擬器 Parallel platform of Stewart Motion simulator for automobile 圖 飛行模擬器 圖 VARIAX 并聯(lián)機床 Flight simulator VARIAX parallel kinematic tool 山東科技大學碩士學位論文 緒 論 3 圖 并聯(lián)機構在手術中應用 圖 VAMT1Y 并聯(lián)機床 PM in surgery operation VAMT1Y parallel kinematic tool 圖 燕山大學的六自由度力傳感器 圖 燕山大學的五自由度并聯(lián)機床 6DOF force sensor of Yanshan university Fig1 10 5DOF PKM of Yanshan university 并聯(lián)機構的動力學研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機構的動力學研究 雖然并聯(lián)機構的動力學研究晚于其運動學研究，但近年來，并聯(lián)機構動力學研究也取 得了快速的進步。并聯(lián)機構的動力學研究為機構的控制和優(yōu)化設計奠定了基礎，它在并聯(lián)機構的研究中占有重要地位。在國外， NewtonEuler 法 [1420]、 Lagrange 法 [2123]、 Kane法和虛功原理法 [2425]等被廣泛應 用于并聯(lián)機構的動力學建模。 Fichter [16]在將驅(qū)動桿視為理想二力桿的情況下，推導出了 Stewart 的動力學方程。 Dasgupta[17]應用 NewtonEuler法得到了一種有效解決并聯(lián)機構動力學計算的 方 法。 Codourey[26]根據(jù)虛功原理推導出了并聯(lián)機構動力學方程。在國內(nèi)，黃真 [10, 11]等應用影響系數(shù)法對并聯(lián)機構進行動力學分析。孔令富 [18]等采用 NewtonEuler 法建立了并聯(lián)機構的動力學方程，并分析了機構的逆動力山東科技大學碩士學位論文 緒 論 4 學。余躍慶、黃永強、蔡勝利等 [2729]應 用 KED 法推導出了平面并聯(lián)機構的動力學方程。杜兆才、夏富杰等 [3031]應用有限元法 建立 了 平面并聯(lián)機構的動力學模型，并對并聯(lián)機構進行了較為全面的動力學分析。 并聯(lián)機構的動力學優(yōu)化設計 人們對并聯(lián)機構的動力學優(yōu)化研究要晚于對其運動學的優(yōu)化研究。在國外，Datoussaid[32]提出了 一種 滿足動力準則的優(yōu)化設計方法，該方法應用牛頓歐拉法建立動力學模型，并將初始問題描述為積分形式，同時引用伴隨變量法消去靈敏度公式中的狀態(tài)變量，最后采用帶有約束補償?shù)淖钏傧陆捣ㄟM行優(yōu)化； Neugebauer[33]通過借助相應的軟件對并聯(lián)機構中 的桿件進行柔性體 模態(tài)分析，并確定優(yōu)化結果。在國內(nèi)，山東科技大學陳修龍等 [34]應用 CAD、 CAE和可視化虛擬樣機技術，對建立的高速空間并聯(lián)坐標測量機的剛柔耦合虛擬樣機進行仿真分析，研究動平臺質(zhì)量和驅(qū)動桿截面半徑變化對運動誤差及驅(qū)動桿上的動應力等動力學動態(tài)特性的影響規(guī) 律，然后根據(jù)分析結果對設計參數(shù)進行優(yōu)化，使得測量機動力學特性 明顯改善； 余躍慶、 張策等 [2728]對平面連桿機構進行了比較全面的運動學和動力學的分析與研究，并用傳統(tǒng)方法對彈性動力學進行優(yōu)化；張京軍 [35]討論了將遺傳 算法應用到機械系統(tǒng)動力學優(yōu)化設計中。 課題研究意義 空間 并聯(lián)機構 是具有高剛度、高精度、高承載力等特點的閉環(huán)機構，廣泛的應用于飛行模擬器、并聯(lián)機床、微動機器人等領域，是國際機構學的研究熱點之一 [36]。目前，空間并聯(lián)機構正向著高速度、高精度方向發(fā)展，由于并聯(lián)機構的輕質(zhì)桿在運動過程中會發(fā)生彈性變形，因此其實質(zhì)是剛柔耦合機構，所以必須開展并聯(lián)機構彈性動力學研究。 空間并聯(lián)機構的彈性動力學靈敏度分析是通過對構件參數(shù)對動力學性態(tài)的靈敏度分析，掌握并聯(lián)機構的結構參數(shù)對其動力學性能的影響規(guī)律 [3742]，這是并聯(lián)機構動力學優(yōu)化設計的前提和基礎，而并聯(lián)機構的彈性動力學優(yōu)化設計是提高并聯(lián)機構動力學性能的重要途徑。目前，國內(nèi)外對空間并聯(lián)機構的優(yōu)化設計研究大多是基于其運動學性能的優(yōu)化設計 [5157]，對基于并聯(lián)機構的動力學性能的優(yōu)化研究則很少涉及。開展并聯(lián)機構的彈性動力學靈敏度分析 [4349]與 動力學優(yōu)化設計 [5860]研究對促進并聯(lián)機構在工程領域的實際應用具有極其重要意義。 因此，本項目以具有 5 自由度的 4UPSUPU空間并聯(lián)坐標測量機為例，建立機構的山東科技大學碩士學位論文 緒 論 5 彈性動力學模型，分析設計參數(shù)對機構的運動誤差、各驅(qū) 動桿的應力和系統(tǒng)頻率的靈敏度，得到設計參數(shù)對并聯(lián)機構動力學特性的影響規(guī)律，確定關鍵設計變量，最終應用遺傳算法 [6164]對并聯(lián)機構進行彈性動力學優(yōu)化設計，以改善機構的動力學性能。 本論文的主要內(nèi)容 本論文以 4UPS/UPU 空間并聯(lián)機構為研究對象，對其進行彈性動力學分析，研究并聯(lián)機構的彈性動力學動態(tài)特性對并聯(lián)機構的設計參數(shù)如動平臺質(zhì)量和驅(qū)動桿截面面積的靈敏度，確定并聯(lián)機構的設計參數(shù)對其彈性動力學動態(tài)特性的影響，最后應用遺傳算法對其進行彈性動力學優(yōu)化。具體內(nèi)容如下： （ 1）緒論。闡述并聯(lián)機構的發(fā)展 、動力學研究和動力學優(yōu)化設計的國內(nèi)外現(xiàn)狀，介紹了本論文的研究意義和主要內(nèi)容。 （ 2）并聯(lián)機構彈性動力學建模與分析。建立了并聯(lián)機構的彈性動力學模型，推導出其彈性動力學微分方程、驅(qū)動桿應力和系統(tǒng)頻率的表達式，并應用 MATLAB 軟件對其進行數(shù)值仿真分析，得到并聯(lián)機構的輸出運動誤差、各驅(qū)動桿上的應力和系統(tǒng)頻率的變化曲線圖。 （ 3）并聯(lián)機構彈性動力學靈敏度分析。根據(jù)并聯(lián)機構的彈性動力學微分方程、驅(qū)動桿應力和系統(tǒng)頻率的表達式，推導出并聯(lián)機構的彈性動力學靈敏度方程、驅(qū)動桿應力靈敏度和系統(tǒng)頻率靈敏度的表達式，通過 MATLAB 數(shù)值仿真得到各靈敏度的變化曲線圖，并分析并聯(lián)機構的動平臺質(zhì)量和驅(qū)動桿截面面積對其彈性動力學動態(tài)特性的影響。 （ 4）并聯(lián)機構彈性動力學優(yōu)化設計。通過并聯(lián)機構的彈性動力學分析和彈性動力學靈敏度分析，確定優(yōu)化設計的設計變量、目標函數(shù)和約束條件函數(shù)。根據(jù)并聯(lián)機構彈性動力學優(yōu)化設計的類型，分別應用線性加權法和理想點法對目標函數(shù)處理，采用懲罰函數(shù)法處理約束函數(shù)，最終應用遺傳算法對其進行優(yōu)化計算，并判定最終優(yōu)化結果是否滿足優(yōu)化要求。 山東科技大學碩士學位論文 并聯(lián)機構彈性動力學建模與分析 6