液电分级驱动的新型并联机构开发设计(附件)【字数：13958】
摘 要随着中国制造2025的快速推进，工业机器人应用日趋广泛，要求越来越高。本设计依据并联机构定位平台对高效率、高精度的要求，针对单级驱动无法满足技术要求的现状，对液-电两级驱动的新型3-RPR 并联机构进行了开发设计。进行了3-RPR并联机构的改进设计。依据宏动阶段由液压缸驱动、微动定位阶段由压电陶瓷驱动的需要，将原有3-RPR并联机构的输出杆由整体式改成了两段式。依据液压缸自由摆动需要进行了液压缸安装方式设计；依据分段驱动需要进行了活塞杆与压电陶瓷驱动器的连接设计；依据减小摩擦力需要进行了球槽式支撑平台设计；依据驱动切换检测需要进行了光栅检测装置安装设计。满足了液压+压电两级驱动需要。进行了3-RPR并联机构的力学分析。依据机构设计要求，进行了自由度分析，建立了3-RPR并联机构的运动学正解和逆解数学模型，利用MATLAB进行了逆解求解，利用遗传算法优化的神经网络算法进行了正解运算并与其它算法进行了比较；基于虚功原理建立了3-RPR并联机构的动力学方程和液、电耦合系统模型，为虚拟样机仿真奠定了基础。搭建了3-RPR并联机构的虚拟样机。基于Slidworks、AMESim、ADAMS、MATLAB/Simulink四种软件，建立了可进行联合仿真虚拟样机平台。其中，采用Slidworks进行了实体建模，采用ADAMS软件建立了机械模块、采用AMESim软件建立了液压系统和压电驱动模块、采用MATLAB软件建立其控制模块。进行了3-RPR并联机构的仿真研究。包括空载状态两级驱动与单级驱动比较研究，结果证明两级驱动的定位精度远高于单级驱动。带载状态与空载状态的比较研究，结果表明负载变化对工作性能影响不大。不同切换阈值的比较研究，结果表明相应速度与切换阈值大小成正比。正弦跟踪性能研究，结果表明本设计开发的两级驱动的3-RPR并联机构具有良好的跟踪性。（5）进行了3-RPR并联机构的初步实测。本设计考虑机构输出杆的相同性和条件所限，采用单杆进行了实物样机检测，结果与虚拟样机仿真结果具有较好的吻合性，证明了本设计提出的新型3-RPR并联机构具有实用性。
目 录
第一章 概述 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3 毕业设计任务与要求 3
第二章新型3RPR并联机构的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
结构设计 4
2.1 机构的传动方案设计 4
2.2机构的零部件及连接设计 5
2.2.1 液压缸缸体与定平台的安装方式设计 5
2.2.2活塞杆与压电驱动器的连接设计 7
2.2.3压电驱动器输出端与动平台的连接设计 9
2.2.4动平台承重支座设计 9
2.2.4光栅尺的安装设计 10
第三章新型3RPR并联机构的运动学和动力学分析 14
3.1 并联机构运动学分析 14
3.1.1 并联机构运动学逆解 15
3.1.2 并联机构运动学正解 16
3.1.3 并联机构的雅可比矩阵 18
3.2并联机构动力学分析 19
3.2.1 并联机构的动力学方程 19
3.2.2 液压+压电耦合系统的模型 20
第四章并联机构虚拟样机的构建过程 22
4.1 构建虚拟样机的准备工作 22
4.1.1软件选择及构建方案 22
4.1.2数据传输的无质量处理 22
4.2虚拟样机的构建方法 23
4.2.1ADAMS环境的虚拟样机 23
4.2.2AMESim环境的液压压电系统模型 25
4.2.3 MATLAB/Simulink环境的控制系统模型 28
第五章并联机构虚拟样机的工作仿真 30
5.1 仿真参数 30
5.2性能仿真研究 33
5.2.1 新型3RPR并联机构的运动仿真 33
5.2.1 .1新建运动仿真文件 33
5.2.1 .2环境设置 33
5.2.1 .3工作流程 33
5.2.2空载状态3RPR并联机构的仿真研究 34
5.2.3带载状态3RPR并联机构的仿真研究 36
第六章 新型3RPR并联机构的实验研究 41
6.1 实验装置 41
6.2 实验结果 42
结束语 43
致谢 44
参考文献 45
第一章 概述
1.1研究背景与意义
目前，随着“中国制造2025”的快速推进，工业机器人作为智能制造装备的要素已被列入我国十大重点发展领域。早期的工业机器人大多是串联机构，其关节集中在同一运动链，末端执行器相当于多关节串联的悬臂梁，存在刚度较低，承载能力有限，累积误差导致的运动精度低，关节串联导致的负载惯性大等问题。并联机构是动平台和静平台通过独立支链相连接、具有两个或两个以上自由度、并以并联方式对每个自由度进行驱动的闭环机构。与串联机构相比，并联机构具有结构稳定、刚度较大、承载能力强、运动精度高等优势，应用前景日趋广泛。
三自由度并联机构因其结构相对简单、成本较低，控制方便，因而得到了广泛应用。法国著名机构学家 Merlet对百余种并联机构进行研究发现：三自由度并联机构约占并联机构的40％，其中一半是三自由度平面并联机构。此外，三自由度并联机构的工作规律具有自身特点，它不同于单自由度并联机构，表现在三自由度并联机构的运动具有不确定性；也不同于多自由度机构，表现在三自由度并联机构的运动不能完全任意给定，已成为并联机构研究领域的重要分支。
3RPR并联机构广泛用于工业机器人定位平台，在微纳米加工、MEMS 装配和光纤校准等场合具有广泛应用[1~4]。随着产业技术的不断发展，许多应用领域对微纳米级定位平台提出了新的要求。破解高效率和高精度的矛盾已经成为3RPR并联机构开发与研究的热点，改进机构形式和驱动方式是实现高效率和高精度的关键所在和必要途径[5~6]，决定了本设计的价值与意义。
1.2国内外研究现状
并联机构的概念起源于1895年数学家CAUCHY提出的“用关节连接的八面体”，其应用起始于1965年Stewart提出的用于飞行模拟器的6自由度并联机构[7]。经过多年发展，已经成为机构学研究的重要分支，其结构形式和驱动方式均在快速变化。
(1)机构开发与分析研究现状
传统并联机构中采用的传统运动副存在摩擦、回程间隙、后冲等问题，使终端精度大幅下降。在20世纪60年代，人们开始思考用大行程柔性铰链代替传统的球铰，始用于航空航天领域[8]。柔性铰链具有结构简单、无需润滑、无间隙、无摩擦、精度高和环境适应性强等优点，通常会使整体系统在更加小型化的基础上得到较高的精度和分辨率，但由于柔性铰链的变形量极为有限，导致了末端工作空间相对狭小，目前多在立方微米级，原因有二，一是柔性铰链的形状，二是柔性铰链的材料，是目前人们研究的热点[9]。
RUY[9]采用柔性铰链研制了能在40×40μm2范围中运动的XY?Z平台，其最大旋转角度322arcsec，由压电陶瓷驱动，采用了两级杠杆结构对转动角度进行放大，其位移分辨率优于10nm，角度分辨率为0.057 arcsec。Li和XU[10]研究的XYZ柔性并联机构工作空间可以达到140×140×140μm3，其采用的并联结构为3PUU，机构直接由PZT驱动，未采用放大机构对位移进行放大；南洋理工大学Tang[10]等通过桥式铰链放大结构将其研究的解耦XYZ柔性并联机构工作空间扩大到了1×1×1mm3，为了解耦，他将桥式放大结构设计到了XYZ三个轴向，从而得到了较大安装空间。德国布伦瑞恩工业大学的Hsselbach[11]采用弹性量为17%的记忆合金作为柔性铰链材料，柔性并联机构工作空间可以达到200×200×60mm3，偏转角达到了±30o [12]。
目 录
第一章 概述 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3 毕业设计任务与要求 3
第二章新型3RPR并联机构的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
结构设计 4
2.1 机构的传动方案设计 4
2.2机构的零部件及连接设计 5
2.2.1 液压缸缸体与定平台的安装方式设计 5
2.2.2活塞杆与压电驱动器的连接设计 7
2.2.3压电驱动器输出端与动平台的连接设计 9
2.2.4动平台承重支座设计 9
2.2.4光栅尺的安装设计 10
第三章新型3RPR并联机构的运动学和动力学分析 14
3.1 并联机构运动学分析 14
3.1.1 并联机构运动学逆解 15
3.1.2 并联机构运动学正解 16
3.1.3 并联机构的雅可比矩阵 18
3.2并联机构动力学分析 19
3.2.1 并联机构的动力学方程 19
3.2.2 液压+压电耦合系统的模型 20
第四章并联机构虚拟样机的构建过程 22
4.1 构建虚拟样机的准备工作 22
4.1.1软件选择及构建方案 22
4.1.2数据传输的无质量处理 22
4.2虚拟样机的构建方法 23
4.2.1ADAMS环境的虚拟样机 23
4.2.2AMESim环境的液压压电系统模型 25
4.2.3 MATLAB/Simulink环境的控制系统模型 28
第五章并联机构虚拟样机的工作仿真 30
5.1 仿真参数 30
5.2性能仿真研究 33
5.2.1 新型3RPR并联机构的运动仿真 33
5.2.1 .1新建运动仿真文件 33
5.2.1 .2环境设置 33
5.2.1 .3工作流程 33
5.2.2空载状态3RPR并联机构的仿真研究 34
5.2.3带载状态3RPR并联机构的仿真研究 36
第六章 新型3RPR并联机构的实验研究 41
6.1 实验装置 41
6.2 实验结果 42
结束语 43
致谢 44
参考文献 45
第一章 概述
1.1研究背景与意义
目前，随着“中国制造2025”的快速推进，工业机器人作为智能制造装备的要素已被列入我国十大重点发展领域。早期的工业机器人大多是串联机构，其关节集中在同一运动链，末端执行器相当于多关节串联的悬臂梁，存在刚度较低，承载能力有限，累积误差导致的运动精度低，关节串联导致的负载惯性大等问题。并联机构是动平台和静平台通过独立支链相连接、具有两个或两个以上自由度、并以并联方式对每个自由度进行驱动的闭环机构。与串联机构相比，并联机构具有结构稳定、刚度较大、承载能力强、运动精度高等优势，应用前景日趋广泛。
三自由度并联机构因其结构相对简单、成本较低，控制方便，因而得到了广泛应用。法国著名机构学家 Merlet对百余种并联机构进行研究发现：三自由度并联机构约占并联机构的40％，其中一半是三自由度平面并联机构。此外，三自由度并联机构的工作规律具有自身特点，它不同于单自由度并联机构，表现在三自由度并联机构的运动具有不确定性；也不同于多自由度机构，表现在三自由度并联机构的运动不能完全任意给定，已成为并联机构研究领域的重要分支。
3RPR并联机构广泛用于工业机器人定位平台，在微纳米加工、MEMS 装配和光纤校准等场合具有广泛应用[1~4]。随着产业技术的不断发展，许多应用领域对微纳米级定位平台提出了新的要求。破解高效率和高精度的矛盾已经成为3RPR并联机构开发与研究的热点，改进机构形式和驱动方式是实现高效率和高精度的关键所在和必要途径[5~6]，决定了本设计的价值与意义。
1.2国内外研究现状
并联机构的概念起源于1895年数学家CAUCHY提出的“用关节连接的八面体”，其应用起始于1965年Stewart提出的用于飞行模拟器的6自由度并联机构[7]。经过多年发展，已经成为机构学研究的重要分支，其结构形式和驱动方式均在快速变化。
(1)机构开发与分析研究现状
传统并联机构中采用的传统运动副存在摩擦、回程间隙、后冲等问题，使终端精度大幅下降。在20世纪60年代，人们开始思考用大行程柔性铰链代替传统的球铰，始用于航空航天领域[8]。柔性铰链具有结构简单、无需润滑、无间隙、无摩擦、精度高和环境适应性强等优点，通常会使整体系统在更加小型化的基础上得到较高的精度和分辨率，但由于柔性铰链的变形量极为有限，导致了末端工作空间相对狭小，目前多在立方微米级，原因有二，一是柔性铰链的形状，二是柔性铰链的材料，是目前人们研究的热点[9]。
RUY[9]采用柔性铰链研制了能在40×40μm2范围中运动的XY?Z平台，其最大旋转角度322arcsec，由压电陶瓷驱动，采用了两级杠杆结构对转动角度进行放大，其位移分辨率优于10nm，角度分辨率为0.057 arcsec。Li和XU[10]研究的XYZ柔性并联机构工作空间可以达到140×140×140μm3，其采用的并联结构为3PUU，机构直接由PZT驱动，未采用放大机构对位移进行放大；南洋理工大学Tang[10]等通过桥式铰链放大结构将其研究的解耦XYZ柔性并联机构工作空间扩大到了1×1×1mm3，为了解耦，他将桥式放大结构设计到了XYZ三个轴向，从而得到了较大安装空间。德国布伦瑞恩工业大学的Hsselbach[11]采用弹性量为17%的记忆合金作为柔性铰链材料，柔性并联机构工作空间可以达到200×200×60mm3，偏转角达到了±30o [12]。
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