铰链间隙对2puu并联平动机构运动精度影响研究(附件)
本文以2-PUU并联平动机构作为研究对象，首先对机构进行结构分析，根据其结构特性，将其投影到二维坐标系中进行研究。主视方向包含平行四边形，使该机构在主视平面内只有二个平动自由度；左视方向为四连杆机构。在运动学分析中，画出理想机构（铰链不含间隙）简图和铰链含有间隙的情况下机构的简图。基于含间隙机构图，计算出间隙引起的机构运动的偏差量，包括平移运动以及偏摆运动两个方面。通过将间隙折算为杆长的变化量，导出了杆长变化引起的位置误差，建立杆长误差和位置误差的映射关系，最终取得铰链间隙对机构运动误差的影响。关键词 铰链间隙，运动学，运动精度
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 概述 1
1.2.1 并联机构的提出 1
1.2.2 并联机构的特点 2
1.2.3 并联机构的应用 3
1.3 并联机构的发展现状 3
1.3.1 国外发展现状 3
1.3.2 国内发展现状 4
1.4 并联机构误差分析的方案 4
1.4.1 Stewart机构研究 4
1.4.2 3PRS机构研究 5
2 2PUU并联机构结构分析 5
2.1 机构介绍 5
2.2 少自由度并联机构研究现状 7
2.3 机构研究内容 7
3 2PUU并联平动机构运动学研究 7
3.1 正向、逆向运动学分析方法 7
3.2 2PUU机构的运动学分析 8
3.3 机构间隙对运动的影响 10
4 2PUU并联平动机构铰链间隙精度研究 15
4.1 建立误差分析模型 15
4.1.1 机构的结构参数 15
4.1.2 机构动平台的位置 15
4.1.3 动平台位置误差研究方法 16
4.2 误差映射关系式 17
4.3 误差映射矩阵 17
4.4 误差范围 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
1．1 课题背景
随着并联机构的产生，许多学者发现并联机构具有许多优点，例如：刚度大、负载高等。这是串联机构所不具备的。基于并联平动机构的这些优点，并联机构已经被广泛应用于众多领域[1]。例如工业、航空、航海、医疗等。伴随着并联机构在许多工作场合的广泛应用，以及现代机械不断向低能耗、轻量化、高速化和精密化等方向的发展，为了使并联机构的质量更轻、精度更高、承载能力更强、运动速度更快，大量学者开始对并联平动机构进行分析，对其运动学、动力学、以及误差进行分析研究。而这些研究对象都是多自由度的研究，对少自由度的研究涉及的却很少。因此对少自由度的研究颇具意义。
本课题是对一种少自由度机构2PUU进行研究，分析各铰链间隙对机构运动所产生的影响。得出在间隙的影响下，机构是如何运动的，画出在间隙的影响下，机构的运动误差图，列出机构的运动学表达式。在对误差进行研究时，采用将机构的间隙转化为杆长的变化量进行研究，得出间隙对机构运动精度影响研究。
1．2 概述
1.2.1 并联机构的提出
1962年，Gough设计了一个试验装置，用来飞行模拟，称作Stewart平台。为了改善当时的响应系统，Klaus Cappel发明了第一台仿真器。1978年Hunt将并联机构运用到了机器人这一范畴上，并开始应用于机器人的手臂等结构上。并联机床是经过Stewart平台（如图1所示）研发的，是新结构的机床，是机器人与机床联合的产物，是机械技术、控制技术的产物。它解决了原有的设备因运动或制造产生偏差的问题，实现了多种控制和多种测量的功能[2]，使得零件的生产装配效率得到了极大的提高，并且改善了零件的加工，对于复杂的零件装配同样能满足其要求。并联机构的广泛应用离不开其特有的优点，随着机器人技术的广泛发展，很多学者关于并联机构的研究也越来越热衷。图2为由四条支链构成的并联机器人，每条支链均含有平行四边形。
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图 1 stewart机构
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图 2 并联机器人
1.2.2 并联机构的特点
传统意义上的串联机构机床，是数学简单而机构复杂，但是并联机床则是与其完全相反，在数学运算上非常复杂，而机构方面非常简单。这种新型机床的产生大大提高了机床的运动精度，使其在加工精度方面也得到了很大的提高。其次，由于其配给速度的大大提高，使得高速加工零件得以实现，这一优点大大的提高了机床的运作效率。由于这种机床生产成本低，并且具有较好的精度以及较大的刚度，它已被广泛应用于许多领域[3]。
随着切削技术的不断进步，串联式平台由于其结构的刚性问题，在加工及其使用效率上满足不了当下的需求，这时并联式平台由于其良好的构造特点，成为关注使用的对象。其有以下特点。
结构简单、价格低
设备的零件较串联机构数量上更加少，而且多是常用零件，例如球绞、伺服电机等。这些常用零件可以由相应的厂家批量生产，加工成本低效率更高。
结构刚度高
这些设备由于其采用封闭结构[4]，具有较大的刚性并且由于其是受压的二力机构，因而更具有高强度的刚性。
加工速度高、惯性低
这种机构由于其结构上力的方向的改变，这种构件被称为两力构件，能节省其材料，而其驱动时由于重量降低，因此会使机器的惯性降低。
4）加工精度高
由于其机构有多个轴，六个杆都对其位置有影响，热变形小，具有精度高的长处。
5）多功能灵活性强
这种机床由于其结构简单，操控方面也更加便捷，因此可以将其作为通用的机床，来实现各种加工的需要。这些功能为其以后的发展带来了很好的市场和应用前景。
6）使用寿命长
在使用过程中，其受力均匀，运行平稳，运动时的损耗也较小，因此可以较好的延长其寿命。
由以上这些特点可以看出，并联机构相比较于串联机构，各有优缺点，二者不会谁取代谁，二者是一种互相补充的关系。
1.2.3 并联机构的应用
并联机构是一个闭环系统，由于其高精度的特性，在医疗航空方面都取得了广泛的使用。
在航空方面的应用，最早是用于飞机的模拟器上，由于其适用性好，很快就在这方面得到普及。
目录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 概述 1
1.2.1 并联机构的提出 1
1.2.2 并联机构的特点 2
1.2.3 并联机构的应用 3
1.3 并联机构的发展现状 3
1.3.1 国外发展现状 3
1.3.2 国内发展现状 4
1.4 并联机构误差分析的方案 4
1.4.1 Stewart机构研究 4
1.4.2 3PRS机构研究 5
2 2PUU并联机构结构分析 5
2.1 机构介绍 5
2.2 少自由度并联机构研究现状 7
2.3 机构研究内容 7
3 2PUU并联平动机构运动学研究 7
3.1 正向、逆向运动学分析方法 7
3.2 2PUU机构的运动学分析 8
3.3 机构间隙对运动的影响 10
4 2PUU并联平动机构铰链间隙精度研究 15
4.1 建立误差分析模型 15
4.1.1 机构的结构参数 15
4.1.2 机构动平台的位置 15
4.1.3 动平台位置误差研究方法 16
4.2 误差映射关系式 17
4.3 误差映射矩阵 17
4.4 误差范围 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
1．1 课题背景
随着并联机构的产生，许多学者发现并联机构具有许多优点，例如：刚度大、负载高等。这是串联机构所不具备的。基于并联平动机构的这些优点，并联机构已经被广泛应用于众多领域[1]。例如工业、航空、航海、医疗等。伴随着并联机构在许多工作场合的广泛应用，以及现代机械不断向低能耗、轻量化、高速化和精密化等方向的发展，为了使并联机构的质量更轻、精度更高、承载能力更强、运动速度更快，大量学者开始对并联平动机构进行分析，对其运动学、动力学、以及误差进行分析研究。而这些研究对象都是多自由度的研究，对少自由度的研究涉及的却很少。因此对少自由度的研究颇具意义。
本课题是对一种少自由度机构2PUU进行研究，分析各铰链间隙对机构运动所产生的影响。得出在间隙的影响下，机构是如何运动的，画出在间隙的影响下，机构的运动误差图，列出机构的运动学表达式。在对误差进行研究时，采用将机构的间隙转化为杆长的变化量进行研究，得出间隙对机构运动精度影响研究。
1．2 概述
1.2.1 并联机构的提出
1962年，Gough设计了一个试验装置，用来飞行模拟，称作Stewart平台。为了改善当时的响应系统，Klaus Cappel发明了第一台仿真器。1978年Hunt将并联机构运用到了机器人这一范畴上，并开始应用于机器人的手臂等结构上。并联机床是经过Stewart平台（如图1所示）研发的，是新结构的机床，是机器人与机床联合的产物，是机械技术、控制技术的产物。它解决了原有的设备因运动或制造产生偏差的问题，实现了多种控制和多种测量的功能[2]，使得零件的生产装配效率得到了极大的提高，并且改善了零件的加工，对于复杂的零件装配同样能满足其要求。并联机构的广泛应用离不开其特有的优点，随着机器人技术的广泛发展，很多学者关于并联机构的研究也越来越热衷。图2为由四条支链构成的并联机器人，每条支链均含有平行四边形。
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图 1 stewart机构
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图 2 并联机器人
1.2.2 并联机构的特点
传统意义上的串联机构机床，是数学简单而机构复杂，但是并联机床则是与其完全相反，在数学运算上非常复杂，而机构方面非常简单。这种新型机床的产生大大提高了机床的运动精度，使其在加工精度方面也得到了很大的提高。其次，由于其配给速度的大大提高，使得高速加工零件得以实现，这一优点大大的提高了机床的运作效率。由于这种机床生产成本低，并且具有较好的精度以及较大的刚度，它已被广泛应用于许多领域[3]。
随着切削技术的不断进步，串联式平台由于其结构的刚性问题，在加工及其使用效率上满足不了当下的需求，这时并联式平台由于其良好的构造特点，成为关注使用的对象。其有以下特点。
结构简单、价格低
设备的零件较串联机构数量上更加少，而且多是常用零件，例如球绞、伺服电机等。这些常用零件可以由相应的厂家批量生产，加工成本低效率更高。
结构刚度高
这些设备由于其采用封闭结构[4]，具有较大的刚性并且由于其是受压的二力机构，因而更具有高强度的刚性。
加工速度高、惯性低
这种机构由于其结构上力的方向的改变，这种构件被称为两力构件，能节省其材料，而其驱动时由于重量降低，因此会使机器的惯性降低。
4）加工精度高
由于其机构有多个轴，六个杆都对其位置有影响，热变形小，具有精度高的长处。
5）多功能灵活性强
这种机床由于其结构简单，操控方面也更加便捷，因此可以将其作为通用的机床，来实现各种加工的需要。这些功能为其以后的发展带来了很好的市场和应用前景。
6）使用寿命长
在使用过程中，其受力均匀，运行平稳，运动时的损耗也较小，因此可以较好的延长其寿命。
由以上这些特点可以看出，并联机构相比较于串联机构，各有优缺点，二者不会谁取代谁，二者是一种互相补充的关系。
1.2.3 并联机构的应用
并联机构是一个闭环系统，由于其高精度的特性，在医疗航空方面都取得了广泛的使用。
在航空方面的应用，最早是用于飞机的模拟器上，由于其适用性好，很快就在这方面得到普及。
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