基于整机刚度特性的并联机构结构优化设计

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1、分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文基于整机刚度特性的并联机构结构优化设计作者姓名：刘威入学年份：2013年9月指导教师：朱春霞副教授学科专业：机械制造及其自动化申请学位：工学硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会主席：赵春雨答辩委员会组成：赵春雨李斌高凤阳罗继曼王丹论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要Ⅰ摘要经过多年的研究，并联机构的基本理论已逐步完善，由于其独特的品质，并联机构可以弥补串联机构的诸多不足。并联机构产品在各

2、领域的优势开始逐步显现出来，但在多年来的实际应用中，也发现了诸多问题，需要人们进一步解决。高刚度是保证产品具有良好精度的重要因素之一，并联机构刚度大的特点正是其被利用于某些领域的主要原因之一，尤其是在机床领域的应用。多年的样机实验证明，并联机床的加工精度与传统串联机床还无法比拟，刚度不足制约了并联机构在机床领域的进一步发展。由于并联机构刚度的复杂性和非叠加性，现有的并联机构刚度研究仍然无法全面考虑各种因素的影响，但考虑部分主要影响因素，并在此基础上对并联机构的刚度状况进行优化设计是可以做到的。本文对3-TPT并联机构的进行研究

3、，从整机刚度特性入手，分析其在静态平衡条件下，主、被动关节以及杆件对于整机刚度的影响，并对机构的结构尺寸进行优化，主要研究内容如下：首先，进行3-TPT并联机构基本问题分析。对3-TPT并联机构构型及其自由度进行分析，得到工作点沿三轴平动的运动方式；对机构运动学进行分析，得出位置正、逆解表达式，以及速度雅可比矩阵；对机构工作空间进行分析，利用Matlab软件建立其工作空间仿真图。其次，对3-TPT并联机构刚度特性进行分析。根据虚功原理，求解机构力学雅可比矩阵；通过求解支链轴向刚度，分析各部件对支链刚度的影响；基于解析模型法，对

4、该并联机构静刚度特性进行分析，得出整机刚度矩阵；在此基础上,对机构工作空间上的若干点刚度矩阵进行实际求解，分析其变化规律。再次，对3-TPT并联机构性能评价指标进行分析。利用最小特征值法和静刚度性能商法对3-TPT并联机构的刚度情况进行分析和仿真；探讨这两种方法各自的优缺点，认为最小特征值法更适用于作为优化依据，而静刚度性能商法则更适用于验证优化结果；分析机构工作空间性能，得到支链长度尺寸范围，确保结构优化在许用范围内进行。最后，对3-TPT并联机构进行尺寸结构优化设计。以最小特征值法作为优化依据，分析该并联机构主要结构尺寸对

5、整机刚度性能的影响；建立优化数学模型，以提升边界上的极限点的最小特征值为优化目标，以工作空间为约束条件，以主要结构尺寸作为设计变量，对并联机构进行尺寸优化，提升其工作空间内的刚度；利用最小特征值法和静刚度性能评价方法对优化前后的刚度情况进行对比，证明该优化方法的有效性。本文通过对3-TPT并联机构的刚度进行分析和优化，且保证了优化后机构的工作空间性能，为并联机构的优化设计的进一步研究奠定了良好的基础。关键词：并联机构；静态平衡；刚度；性能评价指标；结构优化Ⅱ摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractⅢAbstra

6、ctAfteryearsofresearch,thebasictheoryofparallelmechanismhasbeengraduallyperfect.Duetoitsuniquequality,parallelmechanismcanmakeupmanyshortcomingsofserialmechanism.Theadvantagesofparallelmechanismproductshasbeenfoundinallareas.Butafteryearsofapplications,manyproblemsa

7、ppearandneedtobesolved.Highstiffnessisoneoftheimportantfactorstoensuretheprecisionofproduct.Theparallelmechanismhasbeenusedinmanyareas,especiallyinthefieldofmachinetoolduetoitshighstiffness.Theprototypeexperimentsshowthatthemachiningprecisionofparallelmachinetoolisn

8、otasgoodasthatoftraditionalserialmachinetoolanditsinsufficientstiffnessrestrictedthefurtherdevelopmentinthefieldofmachinetool.Becauseofthe