空间大伸展并联机构的设计与性能分析

大型工件加工时执行机构伸展空间不足是目前航天制造业一个亟待解决的问题。为增大执行机构末端的工作空间,并为其提供稳定可靠的伸展基础,提出一类具备高刚度、大伸展特性的并联可伸展机构。重点针对并联可伸展机构展开设计与分析,基于图论进行可伸展机构构型综合,利用构型演化得到PRRR、PRRR-3R和PRRR-6R(P表示移动副,R表示转动副)这3种可伸展支链单元构型,在此基础上,对3种可伸展机构支链单元的伸展性能、刚度进行对比分析,最终优选出满足要求的PRRR支链单元配置成并联可伸展机构。该并联可伸展机构可应用于需要提供大伸展及大刚度的场合,实现对其他执行机构运动空间的拓展。     

6PUS并联机构的运动学整机标定

首先建立了6PUS并联机构包括虎克铰铰链点、球铰铰链点、杆长以及导轨方向向量在内的54结构参数的误差雅可比矩阵。在MATLAB中使用最小二乘法建立了其标定模型,通过仿真验证了雅可比矩阵的正确性和最小二乘法参数辨识的有效性。其次采用正交试验选取位姿,用激光跟踪仪进行整机标定实验。根据标定结果,在MATLAB中采用建立的标定模型进行参数辨识,得到54结构参数。最后进行误差补偿,观察标定补偿效果。该整机标定可使单方向最大位置误差在0.030 mm,最大姿态误差在0.0007 rad;三方向最大位置误差在0.046 mm,最大姿态误差在0.0008 rad。由标定效果可知,整机标定可明显地提高运动学精度。      

3PSS并联机构的运动特性分析

对3PSS并联机构的运动特性进行了深入地分析,从理论上证明了该机构的动平台的运动为平动,并应用虚拟样机技术进行了验证.接着又进一步分析了动平台的运动空间,给出了动平台运动空间的理论分析的解析描述,并绘制出了动平台运动空间的三维几何图形,这为动平台的运动轨迹规划奠定了基础.      

基于有限元3-RPS并联机床轻量化优化设计

为了减轻3-RPS并联机床质量,提高其刚度,分别对静平台与支链进行了结构改进.采用连接单元模拟机床中运动副,对并联机床静刚度进行有限元分析.通过分析结果获得静平台的刚度薄弱环节、支链的变形及其对机床变形的影响规律.在静平台刚度薄弱处增加抵抗变形的筋板,并通过减小其框架尺寸的方式优化静平台结构.采用悬臂梁模型分析支链的变形,以支链质量和变形乘积最小对支链进行尺寸优化.改进后的并联机床质量显著减轻,机床变形明显减小.优化结果能够提高机床动态响应性能以及机床精度.     

一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析

为满足航天飞行器壳体套装过程中位姿调整机构刚度大、精度高的要求,对传统的支链结构进行有针对性的改进,设计了一种支链为闭环结构的新型5-U（RRP）S/（8U）PU并联机构,并进行了分析研究。应用螺旋理论计算机构的自由度;建立封闭矢量方程,进行运动学正反解;应用螺旋理论求解机构的全雅可比矩阵;利用杆长约束条件绘制机构的定姿态工作空间;通过求解静刚度矩阵分析机构的刚度随位姿的变化情况;利用软件进行仿真,并与一般机构进行对比。通过分析,验证了该机构的可行性和实际应用价值,为实现航天飞行器壳体套装的自动化奠定基础。      

3DOF并联加载机构静力学和静刚度分析

基于螺旋理论建立了用于数控机床随动加载的3自由度并联机构的静力学方程,得到机构的驱动力与动平台所受外载的映射关系,方程考虑了支链重力对静力学模型的影响,通过算例绘制了在指定载荷下机构驱动力在工作空间内的分布曲线图.在考虑支链重力和在约束力下支链弹性变形对刚度影响的情况下,建立了机构的静刚度模型,分析了给定静载荷条件下机构在定姿态空间内的变形分布情况,并评价了机构的刚度性能,结果表明机构的刚度特性关于y轴对称且在工作空间的边界刚度变差.     

3UPS-S并联机构单支链驱动奇异分析

并联机构进行单支链驱动时,由于受到其他支链的约束,不能实现全行程范围运动.为了分析并联机构单支链驱动受限的本质原因,采用旋量互易积的方法,计算单支链驱动的轴向速度分量.从计算结果可知,轴向速度为零时,单支链驱动到达边界.并联机构在输入空间发生驱动奇异,同时在工作空间发生位姿奇异,因此并联机构的驱动奇异就是位姿奇异.通过分析输入输出速度关系,并联机构到达输入空间边界.最后给出了并联机构单支链驱动的一般策略.      

基于冗余驱动的大姿态角并联机构优化设计

分析了并联机构的姿态空间,指出了影响姿态空间的因素为物理约束和奇异约束2类,并且分别从这2个方面给出了扩大姿态空间相应的解决方案.以3PRS(Prismatic Revolve Spherical)并联机构为例,提出了采用新的铰链形式和增加冗余UPS(Universal Prismatic Spherical)支链来增大姿态空间的方法,详细描述了动平台能够实现在各个方向90°偏转的机构设计过程,并基于遗传算法以机构整个姿态空间中的灵活度为目标对机构进行了优化.优化的结果通过仿真证实了可靠性,这对于进一步扩大并联机构的应用范围提供参考.      

基于Lagrange方程三自由度并联机构动力学研究

针对一种三自由度的并联机构采用Lagrange方程建立了动力学方程,得出了机构驱动力显式解.用计算机程序模拟了动平台做圆周运动时驱动力的变化情况以及机构简化所产生驱动力误差的大小,给出了可以对机构进行简化的条件.分析了机构的结构参数与驱动力的关系,为这种机构动力学特性的深入分析和结构优化设计提供了参考.      

仿蝗虫跳跃机构设计与分析

以蝗虫跳跃特性为依据,设计出一种仿蝗虫弹跳机构并对其弹跳机理进行研究.首先从生物学和机构运动学相结合的角度,对蝗虫的跳跃过程进行观察和分析,研究蝗虫后腿的跳跃机理,发现跳跃后腿膝关节在起跳过程中的重要作用.利用虚拟样机建立蝗虫模型,对蝗虫的跳跃过程进行仿真.根据蝗虫跳跃机理和后腿结构特点,基于提高能量利用率和弹跳效率原则,设计出一种单自由度的仿蝗虫跳跃机构模型,对该机构在起跳阶段进行运动性能分析,通过与蝗虫跳跃仿真结果进行比较,证明该跳跃机构具有与蝗虫弹跳后腿近似的力学特性.最后通过机构的样机实验验证了分析结果,为进一步研究仿生高效的柔性跳跃机构奠定基础.     

基于N-S方程串并行计算的机翼优化设计

对典型的大展弦比和中等展弦比机翼在0.7~0.9马赫数区间进行了串行和并行计算的数值校验,证实了以N-S (Navier-Stokes)方程为主控方程的串行和并行流场求解器的正确性,并讨论了并行效率和加速比.结合Powell算法,讨论了在确定的机翼平面形状和翼型的条件下,以升阻比最大为目标的三维机翼截面翼型最大厚度与扭角的优化设计.算例结果表明,厚度的非线性分布和负的扭角会改善机翼流场的流动状态,使机翼的升阻比得到提高,优化设计方法是可行的.      

特殊复合球铰3-RPS并联机构及其连续刚度模型

采用矢量微分法研究了在大载荷作用下,兼顾支链和铰链刚度以及雅克比矩阵变化等影响因素的3-RPS并联机构完整连续刚度模型.基于螺旋理论分析了3-RPS并联机构支链及铰链构件所受作用力与机构外载荷之间的力平衡关系.采用矢量微分法分析了3-RPS并联机构动平台位姿变化与支链及铰链构件变形之间的关系.采用矢量微分法对机构的力学平衡方程进行微分,建立了完整的连续刚度模型,最后进行了数值模拟分析,结果表明并联机构刚度受载荷和位姿变化影响,简化刚度模型与完整刚度模型在工作空间边界处差值较大.     

基于CCA与POD的气动光学畸变分析

利用典型相关分析和本征正交分解方法,对计算流体力学得到的导弹红外窗口绕流三维密度场数据进行研究.取三维密度场沿展向两个相邻截面的数据先进行典型相关分析提取出两个截面的相关性最强部分,再利用本征正交分解消除两个截面之间数据的冗余信息,获得了能够包含两个截面密度场主要的信息部分.利用提取出的数据重构流场,并进行气动光学畸变仿真分析,仿真结果能较好地近似原始流场的情况.     

基于本征正交分解的平流层风场建模与预测

平流层风场环境对临近空间低动态飞行器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,提出一种基于本征正交分解(POD)的风场数据降阶方法,在此基础上,提出一种可以对平流层风场进行预测的Fourier模型。以长沙地区2005—2009年风场为例,采用提出的POD方法与Fourier预测模型对风场进行建模与预测,并对Fourier预测精度进行分析。研究结果表明,采用POD方法可以对东西方向风场进行高效率高精度降阶建模;通过Fourier预测模型可以对东西方向风场进行准确预测,预测精度与实际风场随时间变化的规律性有关,风场数据越紧凑,周期性越明显,预测精度越高。