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一种支链含球面副的三自由度并联机构运动性能与仿真研究

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摘要

并联机构具有刚度大、精度高、结构稳定、承载能力强、运动惯性小、易于控制等优点，它广泛应用于并联机床、航空航天、机器人、定位装配、娱乐设施、生物医学、机械加工等领域。
　　本文分析了支链含球面副（S）的三类并联机构的构型。以其中的支链运动副含移动副（P）、球面副（S）和转动副（R）的三自由度3-PSR并联机构为研究对象，对其主要进行了以下内容研究：
　　首先，根据支链运动副的不同布置方式，综合了三种含移动副、球面副和转动副的并联机构构型，分别为3-RPS、3-PRS和3-PSR并联机构，并总结了各自的主要应用场合。对其中的3-PSR并联机构的第一种构型结构进行主要分析，计算其自由度，并用螺旋理论对其末端输出运动形式加以分析，得出该机构末端活动平台输出为两转动一移动（2R1T）的运动形式。
　　其次，分析了3-PSR并联机构的运动学。采用闭环矢量法建立机构的位置逆解约束方程，根据机构本身的结构特性，添加三个结构约束方程辅助求解机构的位置正解，通过数学软件Maple求解方程进行位置正、逆解的数值验证，两者结果一致。根据反螺旋理论推导出了机构的全局雅可比矩阵表达式，为机构的速度、加速度分析提供了依据。
　　再次，研究了3-PSR并联机构的工作空间。依据机构的位置约束方程和关节点结构约束条件，利用数值搜索法对机构的可达工作空间进行研究，通过Matlab软件编程，搜索满足条件的末端活动平台参考点的位置集合，导出机构的工作空间图，并对其进行了详细分析。
　　最后，3-PSR并联机构的虚拟样机仿真分析。使用三维建模软件SolidWorks创建机构的各零部件模型，并进行正确装配，通过软件接口，将机构三维模型导入仿真软件Adams中进行运动学和动力学仿真分析。给末端一定的输出曲线轨迹，分析机构的输出参考点位置、速度和加速度等随时间变化的曲线规律，同时可以得到机构的对于输入随时间变化的情况。在末端活动平台上施加一定的外部载荷时，分析机构的动力学特性变化，并将施加载荷下的驱动功率消耗情况与零载荷时加以比较，分析载荷对机构的驱动力的变化影响，发现加载荷后的驱动关节受力平稳且无突变，而由于施加载荷的方向影响，导致驱动二的电机功率消耗最多，这为机构在电机选型和杆件优化及控制方面提供了理论参考。

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