高速空间并联机构的弹性动力学分析与优化

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由轻质杆件构成的并联机构在高速运动下会产生弹性变形,引起弹性振动,这些现象将降低运动精度、缩短使用寿命,使并联机构难以满足对其高精度的要求。本论文以具有实验室自主研发的新型4-UPS/RPS高速空间并联机构作为研究对象,在其运动学分析的基础上,对其进行弹性动力学建模,并对动力学行为进行了较深入的研究,最后,基于弹性动力学,对并联机构进行动力学参数优化。这些研究对物理样机的制作和工业生产具有重要的指导作用。  首先介绍了4-UPS/RPS高速空间并联机构的结构特点,对五个驱动支链分别进行了运动学反解分析;根据机构系统中各构件的运动与动力学关系,采用虚功原理法,建立了该机构系统的刚体动力学模型;然后,采用有限元法对空间柔性驱动杆进行单元划分,建立了单元的动能和势能表达式,利用Lagrange方程,建立了空间单元弹性动力学模型;通过将单元弹性动力学方程装配后得到各个支链的弹性动力学方程;考虑系统运动学和动力学约束,最后将各个支链的弹性动力学方程装配成系统的弹性动力学方程。  其次,基于系统的弹性动力学方程,分析了高速空间并联机构的动力学行为。采用Newmark法求解系统的弹性动力学方程。利用MATLAB编程进行数值仿真分析,得到了并联机构的运动误差、驱动杆动应力、系统频率等动力学特性以及其随动平台质量、驱动杆横截面积等基本参量的变化规律。  最后,基于系统弹性动力学模型,对高速空间并联机构进行动力学参数优化设计。基于对并联机构的弹性动力学行为分析,以4-UPS/RPS并联机构的动平台质量和伸缩杆直径为优化变量,分别以系统总质量与驱动杆变形能的加权组合为目标函数,基频与驱动杆最大应力为约束条件;以系统总质量与系统基频的加权组合为目标函数,驱动杆最大变形能与驱动杆最大应力为约束条件,采用MATLAB中fmincon函数和遗传算法对其进行优化计算。最后通过对数值算例的仿真,验证弹性动力学优化的正确性和有效性。
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