考虑运动副间隙的平面三自由度并联机构研究

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1、博士学位论文考虑运动副间隙的平面三自由度并联机构研究作者姓名张续冲学科专业机械制造及其自动化指导教师张宪民教授所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2015年4月ResearchonthePerformanceofPlanar3DOFParallelMechanismswithJointClearancesADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofPhilosophyCandidate：ZhangXuchongSupervisor：Prof.ZhangXianminSouthChinaUnive

2、rsityofTechnologyGuangzhou,China摘要随着现代制造技术的发展，机械系统需要有更高的效率、更高的精度和更长的寿命。在影响机械系统性能的众多因素中，运动副间隙已经成为国内外机械工程领域迫切需要解决的问题之一。在实际机构中运动副间隙不可避免的存在，并且随着运行时间的增加其尺寸会不断增大，由运动副间隙引起的系统运动精度、动力学特性及稳定性等问题逐渐凸显。并联机构具有刚度大、运动精度高和动态性能好等特点，但由于运动副间隙等因素的存在，机构的优势并未能完全发挥。因此对考虑运动副间隙的并联机构进行研究，具有重要的理论价值和实

3、际指导意义。本文以平面三自由度3-RRR并联机构为研究对象，系统地分析在考虑运动副间隙时，机构的运动学和动力学性能，并提出采用冗余驱动实现间隙抑制，进行实验验证。主要进行以下几方面的研究：考虑平面3-RRR并联机构的多处运动副间隙，将运动副间隙简化为虚拟连杆模型。基于机构的运动学约束方程，推导出了运动副间隙与机构定位误差之间的传递方程，得到一种线性误差传递关系。绘出了机构最大误差在工作空间的分布，揭示出误差分布与机构雅可比矩阵条件数之间的联系。完成了对平面3-RRR并联机构的刚体动力学建模。采用参考点坐标，得到的系统运动方程具有拓展性，便于

4、将运动副间隙处碰撞力引入到方程中。对考虑间隙的平面转动副进行了详细描述，将碰撞力、摩擦力及润滑多种因素考虑在内，采用Bathe两步积分法求解所建立的方程。结果显示运动副间隙对3-RRR机构动力性能影响明显，增加了运动副处碰撞力，导致末端平台加速度产生波动，降低了系统的稳定性。为了对考虑运动副间隙的3-RRR机构性能有更全面的认识，深入分析了十种不同因素对系统性能的影响，分别是：运动副间隙大小、运动副间隙分布位置、运动副间隙数量、材料杨氏模量、材料恢复系数、材料摩擦系数、润滑情况、动平台运动轨迹、运动速度和负载大小。以平台加速度均方差定量化作

5、为评价指标，结果表明各种因素对系统影响程度不同，其中运动副尺寸、摩擦力和运行速度影响最为明显。完成了对考虑运动副间隙的3-RRR机构的弹性动力学建模。建模时将驱动杆视为刚性杆而从动杆视为弹性杆，刚性杆采用绝对自然坐标法描述，弹性杆采用绝对节点坐标法描述，降低了系统坐标维数。同时针对实际机构中存在的转动副深沟球轴承，进行了详细的几何建模和碰撞模型描述。结果显示杆件弹性降低了运动副碰撞力，缓解了动平台加速度波动。I基于对考虑运动副间隙的3-RRR机构分析，提出了一种运动副间隙抑制策略。采用3-RRR机构的一种冗余形式4-RRR机构，实现机构在任

6、意位置和姿态下的静力平衡。通过预紧从动杆，使运动副间隙等效在从动杆上，从而有效降低了间隙的影响。之后考虑驱动关节处的回程间隙，对冗余4-RRR机构进行了驱动力优化。结果显示，通过4-RRR机构抑制间隙后，机构的运动学性能和动力学性能均得到改善。最后，对平面4-RRR机构进行了运动学定位实验。首先得到间隙抑制前机构运动误差在工作空间的分布。然后通过运动副间隙抑制策略，有效提高了系统定位精度和重复定位精度。之后采用误差补偿，进一步提高了系统精度。实验验证了基于冗余机构的间隙抑制策略的有效性。关键词：3-RRR机构；运动副间隙；运动学；动力学；接

7、触碰撞；弹性；冗余驱动IIAbstractWiththedevelopmentofmodernmanufacturingtechnology,mechanicalsystemrequireshigherefficiency,higherprecisionandlongerservicelife.Amongthenumerousfactorsthatinfluencingtheperformanceofthemechanicalsystem,jointclearancehasbecomeoneofthekeyissuestobesolved,

8、bothathomeandabroadinthefieldofmechanicalengineering.Jointclearanceisunavoidableinrealmec