最新并联机构运动学能分析与优化动力学

并联机构运动学能分析与优化动力学

分类号：TH113.2+2 密级：公开

U D C：单位代码：10424

工程硕士学位论文

4-UPS-RPS并联机构运动学性能

分析与优化

孙先洋

申请学位级别：硕士学位领域名称：机械工程

指导教师姓名：陈修龙职称：副教授

副指导教师姓名：朱苏宁职称：高级工程师

山东科技大学

二零一三年五月

论文题目：

4-UPS-RPS并联机构运动学性能分析与优化

作者姓名：孙先洋入学时间：2011年9月

领域名称：机械工程研究方向：先进设计与制造技术

指导教师：陈修龙职称：副教授

副指导教师：朱苏宁职称：高级工程师

论文提交日期：2013年5月

论文答辩日期：2013年6月8日

授予学位日期：

KINEMATICS PERFORMANCE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF 4-UPS-RPS PMT

A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of

MASTER OF ENGINEERING

from

Shandong University of Science and Technology

by

Sun Xianyang

Supervisor: Associate Professor Chen Xiulong

College of Mechanical and Electronic Engineering

May 2013

声明

本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。

硕士生签名：

日期：

AFFIRMATION

I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute.

Signature:

Date:

摘要

本文以一种新型五自由度并联机构—4-UPS-RPS并联机构作为研究对象，对其位置反解、运动学及其性能、结构参数优化设计等方面进行了全面系统的研究。

对4-UPS-RPS并联机构的结构进行了介绍，利用Kutzbach Grubler公式计算出了机构的自由度数；建立了位置反解数学模型，并进行了运动反解分析，完成了刀位数据的坐标转换；对机构进行虚拟运动仿真，用球坐标搜索法确定了该并联机构的工作空间。

推导出了该并联机构的力雅克比矩阵和速度雅克比矩阵，对速度和加速度进行了分析，通过对比Matlab数值计算和Adams虚拟仿真的结果，相互验证了反解数学模型和雅克比矩阵的正确性。定义了力和力矩灵巧度评定指标、速度加速度评定指标，对平均条件数、最小奇异值和可操作性三个灵巧度评定指标进行了分析，并对以上指标进行了三维可视化仿真分析。

综合以上指标，定义了一个综合评定指标—平方平均灵巧度系数指标，并基于平方平均灵巧度系数指标对并联机构进行了结构优化分析，得到了动平台和定平台铰链点分布角及其所在圆半径的最优参数。

关键词：并联机构，工作空间，雅克比矩阵，运动学分析，结构优化

ABSTRACT

This article put a new five-axis 4-UPS-RPS PMT as the research object, and its position reverse solution, kinematics and performance, structural parameters’ optimization are studied comprehensively and systematically.

The composition of the 4-UPS-RPS PMT is introduced, and use the Kutzbach Grubler formula to calculate the degree of freedom.Position reverse solution of mathematical model is established, the reverse kinematics and the cutter location data’s conversion are completed. The motion simulation of the PMT is finished. Then analyzing the working space of the PMT with the spherical coordinates search method.

The force Jacobian matrix and velocity Jacobian matrix are identified, then analyze the velocity and acceleration. Based on the results of numerical calculation and simulation with the Matlab and Adams, the inverse solution model and the Jacobian matrix are verified. Defining the force and moment dexterity evaluation index, velocity and acceleration dexterity evaluation index. The average condition number, the smallest singular value ,operation dexterity evaluation index are analyzed. All of the dexterity evaluation index above are analyzed visually.

Defining a comprehensive index: the square mean dexterity coefficient, and optimize he structural of PMT base on the new index, obtain the optimal parameter of the the joints’distribution position angle and the circle radius on the moving platform and stationary platform.

Key words: parallel mechanism, work space, Jacobian matrix, kinematics analysis, structure optimization