【正文】 然應(yīng)用單元坐標有利于分析單元結(jié)點變形和節(jié)點力間的關(guān)系，但各單元的坐標系不統(tǒng)一，不便于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性研究 ，因此應(yīng)該建立統(tǒng)一的坐標系。各單元長度均為 l ，在單元的兩側(cè)截面各有一個節(jié)點 A、 B， AB 為局部坐標系 x 軸的正方向，將 x 軸正方向沿逆時針轉(zhuǎn) ?90 為 z 軸正方向，同時垂直于 x、 z并按右手定則確定 y 軸正方向。下圖為 4UPSUPU空間并聯(lián)機構(gòu)的模型和機構(gòu)簡圖： 圖 4UPS/UPU 空間并聯(lián)機構(gòu)模型 圖 4UPS/UPU 空間并聯(lián)機構(gòu) 簡圖 Fig Model of 4UPS/UPU SPM Fig Mechanism diagram of 4UPS/UPU SPM 山東科技大學碩士學位論文 并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學建模與分析 7 單元彈性動力學方程的建立 空間有限元模型的建立 考慮到并聯(lián)機構(gòu)中的構(gòu)件主要是桿件，因此本文中彈性構(gòu)件選用矩形空間截面梁單元模型。通過對動平臺的運動誤差、驅(qū)動桿應(yīng)力和系統(tǒng)頻率等動態(tài)特性的分析，深入 研究了 并聯(lián)機構(gòu)的動力學性能。在并聯(lián)機構(gòu)的動力學建模中，將由輕質(zhì)細長桿件構(gòu)成的運動支鏈視為 彈性支鏈，將剛度較高的動平臺和定 平臺視為剛 體。并聯(lián)機器人的一些輕質(zhì)構(gòu)件在高速運動時會發(fā)生彈性變形，這種彈性變形會影響機構(gòu)的運動精度，并產(chǎn)生沖擊和噪音等，所以必須開展并聯(lián)機構(gòu)的彈性動力學研究。根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學優(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。 （ 4）并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學優(yōu)化設(shè)計。 （ 3）并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學靈敏度分析。 （ 2）并聯(lián)機構(gòu)彈性動力學建模與分析。具體內(nèi)容如下： （ 1）緒論。 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(gòu)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(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)進行彈性動力學優(yōu)化設(shè)計，以改善機構(gòu)的動力學性能。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性能的優(yōu)化設(shè)計 [5157]，對基于并聯(lián)機構(gòu)的動力學性能的優(yōu)化研究則很少涉及。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)彈性動力學研究。在國內(nèi)，山東科技大學陳修龍等 [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)坐標測量機的剛?cè)狁詈咸摂M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(yīng)力等動力學動態(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(gòu)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(yīng)用到機械系統(tǒng)動力學優(yōu)化設(shè)計中。 并聯(lián)機構(gòu)的動力學優(yōu)化設(shè)計 人們對并聯(lián)機構(gòu)的動力學優(yōu)化研究要晚于對其運動學的優(yōu)化研究。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)進行動力學分析。 Dasgupta[17]應(yīng)用 NewtonEuler法得到了一種有效解決并聯(lián)機構(gòu)動力學計算的 方 法。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)的動力學建模。 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(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(gòu)的動力學研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機構(gòu)的動力學研究 雖然并聯(lián)機構(gòu)的動力學研究晚于其運動學研究，但近年來，并聯(lián)機構(gòu)動力學研究也取 得了快速的進步。 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(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》 [9]、《并聯(lián)機器人機構(gòu)學理論及控制》 [10]、《高等空間機構(gòu)學》 [11]等。 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(shù)的機器人）等。隨后，澳大利亞學者 Hunt[6]提出將該機構(gòu)應(yīng)用于工業(yè)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 ）。 并聯(lián)機構(gòu)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(gòu)裝置（如圖 ），這 是首個有史記載的空間并聯(lián)機構(gòu)。 關(guān)鍵詞： 彈性動力學，靈敏度，理想點法，內(nèi)懲罰函數(shù)法 ，遺傳算法 山東科技大學碩士學位論文 摘 要 ABSTRACT Elastic dynamics, dynamics sensitivity and dynamics optimization design of 4UPS/UPU spatial parallel mechanism are studied in this article. Firstly, elastic dynamics of 4UPS/UPU spatial parallel mechanism is analyzed, and the elastic dynamics model of parallel mechanism is established. Expressions of elastic dynamic behaviors including dynamics differential equation, stress of driving limbs and system frequencies for 4UPS/UPU spatial parallel mechanism are derived. The dynamics differential equation is solved by Newmark method, and provides a basis for the elastic dynamics sensitivity analysis and elastic dynamics optimization of the mechanism. Secondly, based on the elastic dynamics theory, the sensitivity equation of kinematic error, stress of driving limbs and system frequencies for parallel mechanism to various design parameters including the mass of moving platform and sectional area of driving limbs are derived by the differential method, respectively. On this basis, the impact of various design parameters to elastic dynamics behaviors for parallel mechanism is analyzed, and provided an important theoretical base of elastic dynamics optimization of the mechanism. Finally, based on elastic dynamics analysis and sensitivity analysis of parallel mechanism, design variable, objective function and constraint function of optimal design are defined, and expressions of its function are derived. The linear weighted method and idealpoint method are used for converting the multiobjective optimization into the singleobjective one, and internal penalty function method is used for converting the constrained optimization into the unconstrained one. Then the geic algorithm is used for optimization of parallel mechanism. Elastic dynamics behavior of parallel mechanism after optimization based on the optimization results has improved apparently. Key words: Elastic dynamics, Sensitivity, Idealpoint method, Internal penalty function method, Geic algorithm 山東科技大學碩士學位論文 目 錄 目 錄 1 緒 論 ........................................................................................................... 1 并聯(lián)機構(gòu)的國內(nèi)外發(fā)展概況 .........................................