面对称(CRR)2S-(3R)2R并联机构运动学分析与尺度综合

来源 :重庆工商大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tower2008
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提出一种用于筛分装置的两移动两转动(2T2R)面对称(CRR)2S-(3R)2R并联机构,并对其运动学性能和尺度综合展开研究,主要包括自由度分析、运动学分析、运动/力传递性能分析、尺度综合、虚拟样机设计与轨迹规划。第一,自由度分析。以旋量理论为数学工具,求解各支链的运动旋量系,根据旋量互易特性,得到各支链的约束旋量系。运用修正Grübler-Kutzbach公式计算机构自由度。还应用约束旋量系理论分析机构驱动副选取的合理性。第二,运动学分析。以杆长为约束条件,运用坐标变换法建立(CRR)2S-(3R)2R并联机构位置正解的非线性方程组,再将之转化为无约束最小化模型,并采用混合社会认知优化(Hybrid social cognitive optimization,HSCO)算法求解问题。为验证HSCO算法的优化性能,给出HSCO算法、差分进化(Difference evaluation,DE)算法和粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法求位置正解问题的对比试验;结果表明,HSCO算法综合性能最优。推导出机构位置逆解的解析表达式,并应用数值算例验证机构位置正、逆解的正确性。在此基础上,采用矢量法推导机构速度及加速度表达式,通过MATLAB获得机构的位置、速度和加速度曲线。同时,应用ADAMS进行运动学仿真,求得MATLAB理论计算与ADAMS仿真分析结果的最大误差。结果显示二者运动学分析曲线一致,表明(CRR)2S-(3R)2R并联机构运动学模型正确可靠。第三,运动/力传递性能分析。为提高机构的姿态能力,将机构动平台输出轴设置为偏置形式,并采用方位角和倾摆角描述动平台输出轴的姿态;以旋量理论为数学工具,运用互易旋量法和增广矩阵法分别计算机构传递力旋量和输出运动旋量,建立机构运动/力传递性能评价指标。在此基础上,给出机构规则有效传递姿态工作空间(Regular effective transmission orientational workspace,RETOW)、RETOW内平均输入传递指标(Average input translation index,AITI)和平均输出传递指标(Average output translation index,AOTI)的定义和计算方法。以经验设计机构为例,绘制(CRR)2S-(3R)2R并联机构的性能图谱并分析机构的传递性能。最后提出一个新的机构工作空间评价指标:规则有效位置工作空间(Regular effective position workspace,REPW)。第四,尺度综合。以机构尺度参数为决策变量,RETOW最大化为目标函数,AITI和AOTI不小于许用值为约束条件,建立(CRR)2S-(3R)2R并联机构尺度参数约束优化模型,并运用HSCO算法对其进行求解。结果表明,尺度参数优化后,机构的RETOW、AITI和AOTI均得到显著提高。还给出HSCO算法、DE算法和PSO算法求解尺度参数约束优化问题的对比实验;结果表明,HSCO算法综合性能最优。为解决该机构位置工作空间较小的问题,还以REPW最大化为目标函数,运用HSCO算法求解该问题并获得较好结果。最后,对该并联机构进行虚拟样机结构设计,主要包括定平台、动平台、连杆等非标准件的设计。在虚拟样机基础上对其进行轨迹规划:运用3-4-5次多项式在操作空间内绘制出动平台的期望运动轨迹,在该轨迹上以0.5 s为间隔选取13个关键点并计算出13个关键点的位置逆解,将各支链的位置逆解拟合为3-4-5-6-7次多项式。以各支链的多项式运动规律作为输入(驱动)位移,运用ADAMS进行运动学仿真,绘制出机构运动学曲线。结果表明,实际运动轨迹与期望运动轨迹基本一致。此外,根据轨迹规划的结果对虚拟样机的标准件进行选取,包括伺服电机、减速器等。本文对(CRR)2S-(3R)2R并联机构从自由度分析到虚拟样机设计展开深入的理论研究,应用HSCO算法求解位置正解、尺度综合和轨迹规划中的无约束和约束优化问题,得到满意结果,为该机构的工程应用奠定了良好的理论基础。
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