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混合输入机构作为可控机构的一种,它兼有传统机构的快速、高效、低成本和现代并联机器人机构的输出运动精度高、可控的优点。本文在分析混合输入的研究现状后,以4R1P型平面并联机构为研究对象,采用理论与实验研究相结合的方法,研究了混合输入4R1P型平面并联机构的运动特性。内容包括混合输入4R1P并联五杆机构的可动性分析、奇异性和工作空间分析、轨迹有效性分析、混合输入实验台开发设计,并进行相应的实验研究。论文取得以下研究成果:
1.通过研究nR1P型单闭环并联机构的可动性,将平面并联4R1P五杆机构作为一个子集,深入研究了该型机构的可动性问题。结论包括该型机构的装配条件、曲柄存在条件,移动副P为主动副时的可动性条件分析,移动副P为被主动副时的可动性条件分析。
2.基于并联机构Jacobian矩阵的奇异性判断条件,分析平面并联4R1P五杆机构的奇异性。根据不同的驱动方式,归纳出该型机构局部奇异位形的分布规律。进而分析了混合输入4R1P并联五杆机构的奇异性,并得出了该型机构完全可控性和不完全可控性与尺度参数之间的关系。之后分析了混合输入4R1P并联五杆机构的笛卡儿工作空间。基于向量法,提出了新的工作空间数值解法,并建立了该型机构笛卡儿工作空间的分布图谱。
3.基于4R1P平面并联五杆机构笛卡儿工作空间内轨迹局部特性的研究,建立了笛卡儿工作空间内轨迹的有效性判定准则,即判定因子满足 。之后分析了关节工作空间的分布特性,并给出关节空间内轨迹实现的有效性判定准则,即机构尺度关系满足曲柄条件,且输入运动曲线 必须是关于 的单值连续函数。
4.基于压力机冲压多工艺的功能需求,设计了混合输入实验平台。设计中根据冲压工艺的运动规律要求定义了目标函数,采用改进遗传算法优化设计得到机构尺度参数。实验台以普通三相交流电机和交流伺服电机来混合驱动两自由度5R2P并联七杆机构。实验台的机构尺度参数可根据需要作调整,因而可以实现多种机构尺度参数的混合输入实验。实验台采用采用开放式半闭环控制系统,并基于VB开发了通用控制软件。
5.利用Adams软件对混合输入机构进行了仿真实验,验证了本文关于混合输入4R1P并联五杆机构的可动性条件、奇异性分析、轨迹有效性判断准则等理论成果。通过混合输入实验台组织了基于压力机运动学特性的样机实验,对几种典型冲压运动特性进行了模拟。实验结果验证了理论的正确性。