【文章內(nèi)容簡介】 ..........60 山東科技大學(xué)碩士學(xué)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(xué)碩士學(xué)位論文 緒 論 1 1 緒 論 并聯(lián)機構(gòu)的國內(nèi)外發(fā)展概況 并聯(lián)機構(gòu)（ 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(gòu) [1]。 并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、速度高、靈活性好、機構(gòu)穩(wěn)定、精度高等優(yōu)點， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、物流、消防和軍事等領(lǐng)域。 并聯(lián)機構(gòu)的理論研究從十九世紀(jì)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(gòu)裝置（如圖 ），這 是首個有史記載的空間并聯(lián)機構(gòu)。 1934年， Willard . Pollard[3]設(shè)計了一種用于汽車噴漆的并聯(lián)機構(gòu)機器人，這被許多專家認(rèn)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(shè)計了一種被稱為六足機構(gòu)（ Hexapod）具有六自由度的用于輪胎測試的并聯(lián)機構(gòu)（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(gòu)，該機構(gòu)具有六自由度，這也是目前廣泛應(yīng)用的被稱為 GoughStewart 的機構(gòu)（如圖 ）。隨后，澳大利亞學(xué)者 Hunt[6]提出將該機構(gòu)應(yīng)用于工業(yè)機器人。 MacCallion[7]和 Pham 于 1979 年首次將 GoughStewart 機構(gòu)應(yīng)用于裝配生產(chǎn)。 圖 并聯(lián)娛樂機構(gòu) 圖 Gough 并聯(lián)機構(gòu) 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(gòu) 在人類的日常生產(chǎn)生活中開始廣泛應(yīng)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(xué)碩士學(xué)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(shù)的機器人）等。在國內(nèi)，雖然并聯(lián)機構(gòu)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(xué)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(guān)于并聯(lián)機構(gòu)理論和技術(shù)研究的專著，如《空間機構(gòu)學(xué)》 [9]、《并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制》 [10]、《高等空間機構(gòu)學(xué)》 [11]等。北京航空航天大學(xué)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(xué)和清華大學(xué)合作研制出了國內(nèi)第一臺并聯(lián)機床 VAMT1Y（如圖 ），燕山大學(xué)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(xué)碩士學(xué)位論文 緒 論 3 圖 并聯(lián)機構(gòu)在手術(shù)中應(yīng)用 圖 VAMT1Y 并聯(lián)機床 PM in surgery operation VAMT1Y parallel kinematic tool 圖 燕山大學(xué)的六自由度力傳感器 圖 燕山大學(xué)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(gòu)的動力學(xué)研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)研究 雖然并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)研究晚于其運動學(xué)研究，但近年來，并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)研究也取 得了快速的進(jìn)步。并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)研究為機構(gòu)的控制和優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，它在并聯(lián)機構(gòu)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(yīng) 用于并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)建模。 Fichter [16]在將驅(qū)動桿視為理想二力桿的情況下，推導(dǎo)出了 Stewart 的動力學(xué)方程。 Dasgupta[17]應(yīng)用 NewtonEuler法得到了一種有效解決并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)計算的 方 法。 Codourey[26]根據(jù)虛功原理推導(dǎo)出了并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)方程。在國內(nèi)，黃真 [10, 11]等應(yīng)用影響系數(shù)法對并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析?？琢罡?[18]等采用 NewtonEuler 法建立了并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)方程，并分析了機構(gòu)的逆動力山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒 論 4 學(xué)。余躍慶、黃永強、蔡勝利等 [2729]應(yīng) 用 KED 法推導(dǎo)出了平面并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)方程。杜兆才、夏富杰等 [3031]應(yīng)用有限元法 建立 了 平面并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)模型，并對并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行了較為全面的動力學(xué)分析。 并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計 人們對并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)優(yōu)化研究要晚于對其運動學(xué)的優(yōu)化研究。在國外，Datoussaid[32]提出了 一種 滿足動力準(zhǔn)則的優(yōu)化設(shè)計方法，該方法應(yīng)用牛頓歐拉法建立動力學(xué)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(jìn)行優(yōu)化； Neugebauer[33]通過借助相應(yīng)的軟件對并聯(lián)機構(gòu)中 的桿件進(jìn)行柔性體 模態(tài)分析，并確定優(yōu)化結(jié)果。在國內(nèi)，山東科技大學(xué)陳修龍等 [34]應(yīng)用 CAD、 CAE和可視化虛擬樣機技術(shù)，對建立的高速空間并聯(lián)坐標(biāo)測量機的剛?cè)狁詈咸摂M樣機進(jìn)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(yīng)力等動力學(xué)動態(tài)特性的影響規(guī) 律，然后根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得測量機動力學(xué)特性 明顯改善； 余躍慶、 張策等 [2728]對平面連桿機構(gòu)進(jìn)行了比較全面的運動學(xué)和動力學(xué)的分析與研究，并用傳統(tǒng)方法對彈性動力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化；張京軍 [35]討論了將遺傳 算法應(yīng)用到機械系統(tǒng)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計中。 課題研究意義 空間 并聯(lián)機構(gòu) 是具有高剛度、高精度、高承載力等特點的閉環(huán)機構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于飛行模擬器、并聯(lián)機床、微動機器人等領(lǐng)域，是國際機構(gòu)學(xué)的研究熱點之一 [36]。目前，空間并聯(lián)機構(gòu)正向著高速度、高精度方向發(fā)展，由于并聯(lián)機構(gòu)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?cè)狁詈蠙C構(gòu)，所以必須開展并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學(xué)研究。 空間并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)靈敏度分析是通過對構(gòu)件參數(shù)對動力學(xué)性態(tài)的靈敏度分析，掌握并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動力學(xué)性能的影響規(guī)律 [3742]，這是并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，而并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計是提高并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)性能的重要途徑。目前，國內(nèi)外對空間并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究大多是基于其運動學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計 [5157]，對基于并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)性能的優(yōu)化研究則很少涉及。開展并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)靈敏度分析 [4349]與 動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計 [5860]研究對促進(jìn)并聯(lián)機構(gòu)在工程領(lǐng)域的實際應(yīng)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(biāo)測量機為例，建立機構(gòu)的山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒 論 5 彈性動力學(xué)模型，分析設(shè)計參數(shù)對機構(gòu)的運動誤差、各驅(qū) 動桿的應(yīng)力和系統(tǒng)頻率的靈敏度，得到設(shè)計參數(shù)對并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)特性的影響規(guī)律，確定關(guān)鍵設(shè)計變量，最終應(yīng)用遺傳算法 [6164]對并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行彈性動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計，以改善機構(gòu)的動力學(xué)性能。 本論文的主要內(nèi)容 本論文以 4UPS/UPU 空間并聯(lián)機構(gòu)為研究對象，對其進(jìn)行彈性動力學(xué)分析，研究并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)動態(tài)特性對并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)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(gòu)的設(shè)計參數(shù)對其彈性動力學(xué)動態(tài)特性的影響，最后應(yīng)用遺傳算法對其進(jìn)行彈性動力學(xué)優(yōu)化。具體內(nèi)容如下： （ 1）緒論。闡述并聯(lián)機構(gòu)的發(fā)展 、動力學(xué)研究和動力學(xué)優(yōu)化設(shè)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(gòu)彈性動力學(xué)建模與分析。建立了并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)模型，推導(dǎo)出其彈性動力學(xué)微分方程、驅(qū)動桿應(yīng)力和系統(tǒng)頻率的表達(dá)式，并應(yīng)用 MATLAB 軟件對其進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到并聯(lián)機構(gòu)的輸出運動誤差、各驅(qū)動桿上的應(yīng)力和系統(tǒng)頻率的變化曲線圖。 （ 3）并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學(xué)靈敏度分析。根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)微分方程、驅(qū)動桿應(yīng)力和系統(tǒng)頻率的表達(dá)式，推導(dǎo)出并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)靈敏度方程、驅(qū)動桿應(yīng)力靈敏度和系統(tǒng)頻率靈敏度的表達(dá)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(gòu)的動平臺質(zhì)量和驅(qū)動桿截面面積對其彈性動力學(xué)動態(tài)特性的影響。 （ 4）并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計。通過并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學(xué)分析和彈性動力學(xué)靈敏度分析，確定優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件函數(shù)。根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計的類型，分別應(yīng)用線性加權(quán)法和理想點法對目標(biāo)函數(shù)處理，采用懲罰函數(shù)法處理約束函數(shù)，最終應(yīng)用遺傳算法對其進(jìn)行優(yōu)化計算，并判定最終優(yōu)化結(jié)果是否滿足優(yōu)化要求。 山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學(xué)建模與分析 6