高频六自由度并联机构的分析及结构参数优化

发布时间：2017-04-17 08:02

  本文关键词：高频六自由度并联机构的分析及结构参数优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：液压驱动的Stewart平台目前已经广泛应用在了许多领域中，然而由于其自身结构特点，使得它的工作频段较低，限制了这种机构在高频运动领域的应用。本文旨在研究典型Stewart平台的工作频率限制因素，并基于分析结果进行有针对性的改进，提出一种新的高频六自由度并联机构，然后对该机构的运动学、动力学以及固有频率等进行分析，以拓展六自由度并联机构的应用领域。 本文首先根据以往的实验现象，提出了典型Stewart平台的工作频宽限制因素即机构中所用的细长液压缸的横向振动这一观点。针对Stewart平台中经常使用的细长单出杆液压缸，进行了结构分析，考虑其关键部件，得到了它的等效简化模型。基于此模型，推导了细长单出杆液压缸横向振动的运动方程，并找出了限制横向振动的边界条件。利用运动方程和边界条件，进一步求解了细长单出杆液压缸横向振动的固有频率，并通过Matlab软件分析了液压缸的结构参数对其横向振动一阶固有频率的影响，给出了提高一阶固有频率的方法。通过对比以往的实验数据以及利用ANSYS软件建模仿真，验证了理论模型的有效性，也说明了细长单出杆液压缸的横向振动确实会限制Stewart平台的工作频率。 在以上分析的基础上，本文对一种新型的六自由度并联机构进行了说明，讨论了其实现高频运动的可能性。然后建立了该机构的运动学反解模型，得到了机构的关键参数：雅克比矩阵。在运动学模型的基础上，又分别建立了机构的单刚体和多刚体动力学模型，其中在建立多刚体动力学模型时，使用了凯恩方法，减小了工作量，推导过程比较简洁。接下来在Matlab/Simulink和Adams/View环境下分别搭建模型，，对比验证了运动学和动力学模型的正确性。 在运动学和动力学模型的基础上，本文又对这种高频六自由度并联机构的固有频率进行了分析。首先求出了机构的刚度矩阵的一般表达式，然后结合动力学建模过程中得到的机构质量矩阵，求解了当并联机构处在中位时，其六个自由度方向上的固有频率和振型。通过结果可知，该并联机构在一般情况下，在中位时，不同自由度之间的运动会有耦合。为消除这种耦合，文中推导了该并联机构在中位时的振动解耦条件，并基于单刚体模型的振动解耦条件，求得了解耦之后机构在六个自由度方向上的固有频率公式。最后分析了机构的结构参数对其固有频率的影响，并结合不同结构参数下液压缸的出力大小，对机构进行了结构参数优化。 本文首次提出了细长液压缸的横向振动对Stewart平台的工作频率的限制，并对细长单出杆液压缸的横向振动进行了详细分析，为液压缸的设计和选择以及平台的设计提供了帮助。另外，本文在推导运动学和动力学模型时所采用的矢量建模方法，相比哈尔滨工业大学谭巧银之前在推导相同机构的运动学和动力学模型时所用的方法更为简洁有效。本文关于高频六自由度并联机构的固有频率等方面的分析，对这种机构的设计提供了一定的理论基础。
【关键词】：高频六自由度并联机构 动力学建模 液压缸横向振动 固有频率分析 结构参数优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题来源与研究背景和意义10
• 1.2 六自由度并联机构概述10-13
• 1.2.1 六自由度并联机构的发展历程10-11
• 1.2.2 六自由度并联机构的特点11-12
• 1.2.3 六自由度并联机构的应用12-13
• 1.3 液压缸横向振动研究概况13-14
• 1.4 高频六自由度并联机构研究概况14-16
• 1.5 六自由度并联机构结构优化研究概况16-17
• 1.6 本文主要研究内容17-18
• 第2章 细长单出杆液压缸横向振动分析18-37
• 2.1 引言18
• 2.2 单出杆液压缸的结构模型18-22
• 2.3 细长单出杆液压缸横向振动方程22-29
• 2.3.1 液压缸的横向运动方程22-26
• 2.3.2 液压缸的横向振动固有频率求解26-28
• 2.3.3 液压缸横向振动的振型求解28-29
• 2.4 细长单出杆液压缸横向固有频率分析29-36
• 2.4.1 工程实例分析及 ANSYS 验证29-33
• 2.4.2 液压缸参数对横向固有频率的影响33-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 高频并联机构的运动学建模37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 高频并联机构的结构分析37-41
• 3.2.1 高频并联机构的结构说明37-39
• 3.2.2 高频并联机构的运动说明39-40
• 3.2.3 高频并联机构的选用理由40-41
• 3.3 高频并联机构的运动学41-48
• 3.3.1 高频并联机构的坐标系建立41-42
• 3.3.2 高频并联机构的位姿描述42-44
• 3.3.3 高频并联机构的运动学反解44-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 高频并联机构的动力学建模及验证49-63
• 4.1 引言49
• 4.2 高频并联机构的动力学建模49-54
• 4.2.1 单刚体动力学模型50-51
• 4.2.2 多刚体动力学模型51-54
• 4.3 高频并联机构运动学与动力学模型的验证54-62
• 4.3.1 运动学反解的对比验证56-59
• 4.3.2 动力学模型的对比验证59-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 固有频率分析及结构参数优化63-83
• 5.1 引言63
• 5.2 高频并联机构的刚度63-65
• 5.3 高频并联机构的固有频率65-67
• 5.3.1 固有频率计算65-66
• 5.3.2 实例分析66-67
• 5.4 基于中位振动解耦的单刚体模型固有频率计算67-72
• 5.4.1 单刚体模型的中位振动解耦条件67-71
• 5.4.2 基于中位振动解耦的单刚体模型固有频率求解71-72
• 5.5 中位振动解耦单刚体模型的固有频率分析72-78
• 5.6 并联机构的结构参数优化78-82
• 5.7 本章小结82-83
• 结论83-84
• 参考文献84-88
• 附录88-91
• 致谢91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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  本文关键词：高频六自由度并联机构的分析及结构参数优化，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：312751