2UPS-RPU少自由度并联机构的动态优化设计

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本文以冯志友教授提出的新型含串联输入支链的2UPS-RPU少自由度并联机构为研究对象,以运动学设计和静刚度设计的结果为依据,结合多柔体动力学理论与有限元理论对并联机构进行了弹性动力学建模,并利用有限元软件对其进行仿真分析,之后通过机构的动态性能参数进行机构的优化设计。为该机构的设计及样机制造提供了坚实的理论基础。  首先,利用有限元理论和动态子结构思想建立了空间柔性梁单元的弹性动力学方程,之后结合柔性杆的弹性形变和机构的运动学、动力学约束条件等运动协调条件,推导出了该机构系统的弹性动力学模型。  然后,基于协同的思想,结合系统动力学仿真软件ADAMS和有限元软件ANSYS各自的优点,通过模态中性文件和载荷谱数据的传递,建立了2UPS-RPU少自由度并联机构的刚柔耦合体模型,根据预定动平台的运动规律,完成该模型的动力学仿真。通过仿真结果对比分析可知,刚柔耦合体模型的仿真结果能更加真实、准确地反映机构的动态性能,提高仿真精度。  其次,利用ANSYS软件对2UPS-RPU少自由度并联机构进行了有限元建模,并对其进行模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析等动态特性的研究,确定该机构的各阶模态振型,并得出对该机构系统动态性能影响最大的频率,提取该段频率以作为动态优化设计的状态变量或目标函数。  最后,参考机构动态特性参数指标,以机构系统基频全域均值最大为优化目标,以机构总质量为约束条件,并以机构杆件的长度和直径为设计变量,实现了2UPS-RPU并联机构杆件参数的优化设计,提高了机构运动的平稳性和准确性。  本文的研究成果对2UPS-RPU少自由度并联机构样机的研制具有一定的推动作用,研究方法和思路对其它少自由度并联机构的设计和研发也提供了有益的借鉴。
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