2-UPS/UPR/(rT)PS可重构并联机构的运动学分析及应用

目的 针对产品加工包装流水线上的印刷和装箱环节,提出一种具有双构型的2-UPS/UPR/(rT)PS可重构并联机构。方法 基于螺旋理论,分析得出机构在2种构型下自由度的数目及性质;根据修正的Kutzbach-Grübler公式,验证自由度的计算结果;采用封闭矢量法计算2种模式下机构的运动学反解;求解机构在2种模式下的可达工作空间;分析应用实例,研究机构在进行印刷和装箱2个环节作业时驱动支链线位移的变化,使得机构满足喷码和装箱工作需求。结果 2-UPS/UPR/(rT)PS并联机构具有2R1T、2R2T等2种运动模式,工作空间内部连续。结论 2-UPS/UPR/(rT)PS可重构并联机构通过运动副轴线变化,使机构可在2R1T、2R2T这2种运动模式下进行切换,可应用于产品印刷、装箱环节。

可重构解耦并联移动机器人构型综合及性能分析

为提高机器人承载能力,减少驱动电动机能量消耗且使轮腿模式切换平稳高效,提出了一种可重构解耦并联移动机器人构型,并对其进行了构型综合研究及解耦性和奇异性分析。根据机器人机械腿期望自由度,综合出4种主运动支链;基于螺旋理论的去约束法,综合出58种约束支链;基于螺旋理论的虚拟链法,综合出3R球面并联机构作为机械腿承载支链。随后,给出两个机器人实例。以其中一个机器人为例,建立输入-输出方程,分析了机械腿解耦性;通过反证法,验证了可重构单元的奇异位形,并基于Grassmann线几何判断出奇异类型。最后,分析了承载支链的奇异性对于机械腿运动输出的影响。结果说明,机器人机械腿采用并联支链构型,具有较强的承载能力;机器人基于约束奇异方式实现轮腿切换,可使得切换动作更加平稳;机械腿的可重构性可使得驱动电动机能量消耗减少;机械腿各驱动相互解耦,降低了控制难度,使得机械腿轮腿模式切换更加高效。

双模式可重构并联机构的构型及其在酒盒产线中的应用

目的为实现酒盒生产线上酒盒胶线点胶和酒盒底座清废环节的自动化,提出一种双模式可重构并联机构。方法基于螺旋理论分析该机构在2种模式下的自由度,利用闭环矢量法和D-H法求得对应模式下的位置逆解,采用数值法求解机构工作空间、灵巧度和转动能力指标,给出该机构的应用实例。结果该机构在2-URU/RRC模式下具有3T自由度,2-URU/URC模式下具有3T1R自由度,工作空间连续且无空洞,获得2-URU/RRC模式下灵巧度指标分布规律和2-URU/URC模式下动平台转动能力。结论该机构在2-URU/RRC模式下可满足胶线点胶作业需求,在2-URU/URC模式下可满足底座清废作业需求,提高了酒盒生产线自动化程度。

酒包生产线1R2T并联机构构型综合及运动学分析

酒盒包装生产线中的一工位因车间布局原因导致两生产线产生高度差,而该高度差易导致该工位酒盒底座的次品率增加。针对次品率高的问题,综合提出了一种1R2T的并联机构;基于螺旋理论及螺旋互易原理,综合出多种可满足工位需求的并联机构,并根据现场工况,选出2RPSRPR并联机构,该机构具有3个自由度,可实现1R2T功能;对该并联机构进行了逆解分析及工作空间描述,并根据生产线布局绘制该并联机构的三维模型,分析了机构运动的合理性。研究证实,利用旋量理论构型设计和实际工况相结合的方式是一种非常有效的理论分析方法。

3-PRPS/RRR踝关节康复机器人运动机理研究与试验

为设计一种结构合理、适宜患者使用的踝关节康复机构,针对踝关节运动特点,提出一种3-PRPS/RRR并联机器人。采用旋量理论描述机器人的数学模型,推导得出该机器人具有3转动自由度;使用闭环矢量法得到机器人的位置逆解方程,利用粒子群优化算法计算机器人的位置正解;设定一组机器人的设计参数,建立由初值不断迭代的数值算法得到机器人的工作空间;推导机器人的雅克比矩阵,计算机器人在其工作空间内的奇异位形;通过生物力学软件建立人体骨肌系统,仿真得到使用该机器人进行踝关节康复训练时踝关节处肌肉的激活程度;搭建试验样机进行试验,验证机器人位置正/逆解、工作空间和奇异位形。研究结果表明:CAD模型和理论计算结果一致,结合试验验证了机器人位置正/逆解的正确性;试验样机的工作空间能够满足踝关节康复训练所需的运动范围,且机器人在其工作空间内不存在奇异位形;使用该机器人进行康复训练时能够有效地激活肌肉,达到康复训练的目的。

4-CPS/UPU并联机构运动学分析与仿真

提出了一种用于并联机床领域的4-CPS/UPU并联机构。基于旋量理论,建立了该并联机构的运动和约束螺旋系,该机构具有5个自由度,可实现三移两转功能;通过修正的K-G公式对其自由度进行了验证;进一步分析了并联机构的位置正逆解、工作空间;运用Adams软件对其进行了仿真分析。该机构工作空间连续,形状近似四棱台,规则对称,无空洞,且仿真得到的位移和速度曲线光滑,表明该机构具有良好的运动性能。研究结果为其在并联机床领域的参数化设计提供了一定的理论基础。

考虑摩擦特性时过盈量对轴承预紧力的影响

针对航天机构中轴承轴向预紧力精确确定的问题,基于静力学和弹性力学,在考虑配合尺寸、摩擦特性的基础上,研究了轴承预紧力与拧紧力矩的关系。利用锁紧螺母拧紧力矩与轴向力的关系,确定施加于轴承上的轴向力;根据摩擦力与摩擦特性及装配尺寸的关系,分析摩擦力对轴向力的截留作用;通过轴承力平衡方程组,对实际预紧力进行理论分析。文中研究了配合尺寸及摩擦特性对预紧力的影响,揭示了不同装配下预紧力随拧紧力矩的变化规律。研究结果表明:对轴承71807C预紧力结果进行分析,发现相同拧紧力矩下,过盈量增0.5μm,轴向力中约有123 N的力被截留;且摩擦系数增加0.05,轴向力截留率增大约13%。过盈量越大,轴承与主轴间摩擦力对轴向力的截留作用越大,预紧力对应的拧紧力矩越大;相比加热炉加热,油槽加热降低了配合区域的摩擦系数,加载相同的拧紧力矩时使轴承预紧力较大。经试验验证,该理论分析可以确定施加的预紧力,又可以提高装配质量。该研究建立预紧力测量的理论计算模型,并可用此模型较精确地确定预紧力,为轴承预紧力设计和装配提供参考。

多因素耦合对空间轴承热学特性的影响

针对航天机构工作环境的特殊性,构建空间环境下的轴承热传递网络模型,研究多因素耦合作用下空间轴承的稳态温度场.以滚动轴承的拟静力学、传热学及摩擦生热分析为基础,分析固体自润滑空间轴承的摩擦力矩和摩擦热,建立轴承组件关键位置的温度节点和热传递方程组.通过理论分析、仿真和实验研究,分别研究单一因素和多因素耦合对空间轴承温度场的影响.研究结果表明:理论计算与仿真结果和实验结果基本是吻合的,验证了简化热传递网络模型的正确性;交变温度对空间轴承热学特性影响最显著,转速和载荷对空间轴承热学特性影响较弱;低速、轻载时,轴承温度主要取决于交变温度,转速和载荷的影响基本可以忽略;当多因素共同影响时,交变温度与轴向载荷耦合影响轴承热学特性,交变温度与转速联合影响轴承热学特性.

适应交变温度的空间轴承运行可靠性区域分析

以航天机构中的输出轴系组件为研究对象,提出适应交变温度和大温差特殊空间环境的空间轴承可靠运行的分析与设计方法。此方法在考虑轴系材料属性、轴承排列方式和预紧方式的基础上,利用材料热变形和位移变形协调关系,建立轴承径向间隙与预紧力随交变温度变化的数学模型。在此模型的基础上,分析交变温度对空间轴承的径向间隙和预紧力演化规律的影响。以角接触球轴承71807C为例,提出以轴承实际接触角、径向间隙、预紧力和装配压力作为轴系运行可靠性指标,定性分析极端温度下轴承可能面临的多种失效模式。为确保轴承可靠运行,确定其初始安装过盈配合量和预紧力的选择范围。此研究方法为空间轴承安装设计提供了理论参考,其分析结果图形可以清晰表达满足运行可靠性条件的安装区域。

装配位置偏差对航天精密轴承磨损的影响

以航天机构中的精密球轴承为研究对象,考虑轴向预紧力和装配位置偏差,研究了航天精密轴承磨损演化规律。基于轴承静力学和Archard磨损模型,分析轴承内圈各个角位置的磨损状况,预测润滑膜磨损导致润滑失效位置。建立轴承静力学平衡方程,获得轴向预紧力与轴向位移、径向装配位置偏差与其引起径向力的关系。利用Archard磨损模型,结合各个滚珠受力和在接触区的运动状况,分析轴承不同角位置磨损的状况。分别分析轴承各角位置磨损随轴向力、径向力和磨损时间的演化规律。研究结果表明:在单考虑轴向预紧力时,内圈各角位置磨损相同,且磨损深度与轴向预紧力呈线性关系;综合考虑轴向预紧力和装配位置偏差时,装配位置偏差导致轴承内部径向力呈指数趋势变化;径向位置偏差导致内圈各角位置磨损深度差距很大;径向位置偏差增大,靠近偏差方向的位置磨损加剧,背离偏差方向的位置磨损减弱;随着磨损时间延长,各角位置的磨损深度差距越来越大;径向位置偏差导致各角位置的接触角差别很小,而是各角位置的径向力差异却较大。

冗余驱动并联机构的性能特征及应用研究进展

冗余驱动并联机构是一类包含冗余驱动支链的特殊的并联机构.冗余驱动并联机构在工作空间、奇异位形以及刚度等性能方面有显著优势,但是也存在多自由度、非线性且耦合性强等缺陷.本文分析了冗余驱动并联机构的构型综合、刚度与稳定性、运动学与动力学、控制等性能特征,并探讨了冗余驱动并联机构在并联机床、医疗康复机器人以及移动机器人等领域的应用.为充分发挥冗余驱动并联机构的性能优势,需要进一步突破冗余驱动并联机构的解耦及优化等关键技术问题.

轴向载荷对角接触轴承间隙演化机理分析

滚动轴承工作间隙作为衡量轴承动态性能的重要指标之一,主要是由轴承承受外部载荷决定,严重影响着滚动轴承及其所在转动机构的运转精度。为分析太空环境下轴向载荷对滚动轴承工作间隙的作用机理,基于Hertz接触理论对滚动轴承的接触变形分析,研究轴向位移变化,并提出了径向间隙的计算模型,借助有限元模拟软件对比理论分析研究工作间隙的变化。以71807C型角接触球轴承为例,分析工作间隙的演化规律,同时验证了径向间隙的存在。所研究的工作间隙演变为转动机构的运转精度、工作寿命、可靠性分析等提供了参考。

预紧力与装配偏差对航天轴承摩擦力矩的影响研究

针对低速、轻载航天轴承的摩擦力矩,建立了固体润滑航天轴承摩擦力矩的数学模型。结合拟静力学建立轴承受力平衡方程,研究径向装配位置偏差引起钢球受载变化情况,分析了轴向预紧载荷与径向装配位置偏差对航天轴承摩擦力矩的影响规律。研究结果表明:弹性滞后摩擦力矩、微滑动摩擦力矩和自旋摩擦力矩都随着轴向预紧载荷、径向偏载荷增加而增大;在轴向预紧载荷作用下,摩擦力矩组成分量中的弹性滞后摩擦力矩和自旋摩擦力矩增长趋势为下凸,微滑摩擦力矩增长趋势为上凸;而在径向位置偏差引起的径向偏载荷作用下摩擦力矩组成分量增长趋势为上凸;微滑动摩擦力矩和弹性滞后摩擦力矩为航天轴承摩擦力矩的主要组成部分;轴向预紧载荷和径向偏载荷导致摩擦力矩随其增加而增加,其中对差动摩擦力矩的影响作用最为显著,对弹性滞后摩擦力矩的影响次之,对自旋摩擦力矩的影响最弱。

交变温度对航天轴承摩擦力矩的影响机理

针对空间环境温度在-60~80℃之间交替变化影响航天轴承摩擦力矩的问题,该文利用接触力学和运动学等理论,建立了固体润滑轴承摩擦力矩的数学模型,并分析了内、外圈的摩擦力矩。基于弹性力学、热学和变形协调关系,分析了交变温度影响航天轴承过盈量和预紧力的规律。在此基础上,结合摩擦力矩模型探究了交变温度对航天轴承摩擦力矩的影响机理。通过理论分析研究了交变温度对航天轴承的过盈量、预紧力的影响,进而揭示了交变温度对摩擦力矩的影响规律,并进行了试验验证。研究结果表明:交变温度与内圈过盈量负相关,与外圈过盈量正相关;过盈量增加引起内圈摩擦力矩增大量大于外圈;预紧力随交变温度升高而增大,当交变温度从-60升高到80℃时,与常温时相比预紧力变化范围为-40~40 N;预紧力、环境温度的增加都将引起摩擦力矩增大;摩擦力矩随交变温度增加而增大,随交变温度降低而变小,且摩擦力矩达不到初始时刻的最大值和最小值。研究结果为减缓摩擦力矩变化提供参考。

减缓空间机械臂热预紧力的研究

通过研究隔套材料热学特性对空间机械臂热预紧力的影响,为空间机械臂热预紧力建模和解决交变温度可能诱发的失效提供理论指导。以空间机械臂中的主轴-轴承系统为研究对象,构建空间机械臂热预紧力预测模型,提出一种选取最佳隔套材料来减缓或消除空间机械臂热预紧力的方法。在不改变主轴-轴承系统结构的基础上,基于变形协调关系,依据隔套材料热学特性对热预紧力的影响规律,研究不同热膨胀系数的隔套对空间机械臂热预紧力的减缓效果。研究结果表明:施加于轴承上的轴向力增加,经轴承配合处摩擦力截留之后,预紧力依然增加;交变温度升高,航天轴承上的预紧力增加但内圈过盈量降低,与此同时分析了空间机械臂潜在失效模式。进一步研究发现:当热膨胀系数小于7×10–6 m/℃时,热膨胀系数增加,热预紧力随交变温度的变化率减小;当热膨胀系数大于8×10–6 m/℃时,热膨胀系数增加,热预紧力随交变温度的变化率增大。隔套材料热膨胀系数在7.6×10–6~7.7×10–6 m/℃之间时,交变温度引起的热预紧力被大幅度减缓或消除。

面向大型构件印刷的并联驱动双向转动机械臂运动学分析

目的为实现工作臂末端到达平面或曲面内特定位置,提出一种应用于大型构件印刷的2-UCU/U并联驱动双向转动机械臂。方法应用螺旋理论分析2-UCU/U机构的约束螺旋系,得出该机构的自由度,验证输入选取的合理性。利用封闭矢量法,求解得出机构的位置反解,建立速度雅可比矩阵。使用搜索法,借助Matlab求得机构的工作空间,分析机构输入与输出运动关系。结果求解得到2-UCU/U并联驱动双向转动机械臂的工作空间,其形状为球形曲面;分析表明,该机构的运动为俯仰和偏航2个方向的转动。结论驱动副的同向运动实现工作臂的仰俯运动,驱动副的反向运动实现工作臂的偏航运动,因此可使工作臂末端到达工作面所需位置,最终可使连于工作臂末端的工具在特定位置工作。

2-SPR/RUPR并联机构的逆运动学与可达工作空间分析

目的提出一种2-SPR/RUPR并联机构,用于在任意曲面上的雕刻与喷绘。方法基于螺旋理论建立2-SPR/RUPR并联机构的螺旋矩阵,使用修正的G-K公式计算出机构的自由度。采用几何法和D-H法求解并联机构的位置逆解。通过三维动态法进行机构工作空间的搜索,再将数据点导入Matlab中进行工作空间的绘制。结果求解得到2-SPR/RUPR并联机构的逆解,且工作空间呈实心蘑菇云状,给出了在曲面上雕刻和喷绘图案的实例。结论该机构可以应用于曲面雕刻和喷绘,使得刀具与曲面相垂直进而提升了雕刻与喷绘的效果,可以实现任意曲面上的雕刻和喷绘。

一种新型3-UPRP并联机构的运动学分析

目的提出一种可以应用于柔性包装的新型3-UPRP并联机构。方法运用螺旋理论和G-K公式计算出该机构的自由度,然后基于位置逆解和机构的约束条件,运用Matlab编程求解机构的工作空间,最后利用Solid Works对机构进行位移、速度、加速度的分析。结果该机构具有两转一移的3个自由度,工作空间具有对称性。结论该机构具有良好的工作空间,运行平稳,没有太大的速度变化,可以广泛应用于工业自动化中的柔性包装等过程。

多因素作用下航天轴承预紧力分析

针对复杂的空间环境,以航天机构驱动单元轴系的71807C角接触球轴承为研究对象,基于滚动轴承静力学建立了滚动轴承预紧模型。在预紧模型的基础上,建立了环境温度、工作载荷、安装过盈量和磨损量多因素作用下轴承预紧力计算模型,并以71807C型角接触球轴承为例,分析多因素作用下轴承预紧力变化规律。结果表明:在低温、小过盈工况下,预紧力随磨损深度增大而极易出现预紧失效;磨损初期,轴承工作在高温、大过盈量工况下,较易出现机构卡死;环境温度、安装过盈量、磨损量对预紧影响显著,径向载荷影响较小。

可重构单驱动3-RRR平面并联机构连杆曲线与姿态的数值解法

针对3自由度3-RRR平面并联机构驱动与控制复杂、能耗大的问题,利用平行四边形运动链将其约束为单驱动3-RRR平面并联机构。通过数值解法计算单驱动3-RRR平面并联机构的连杆曲线与姿态,并分析重构对连杆曲线与姿态的影响。基于Freudenstein方程推导该机构的输入-输出方程;采用迭代算法建立方程的数值求解方法;通过改变机构的初始输入角,提出一种机构构型的可重构方法。给出一组机构参数作为数值算例,求解得到机构的两种构型,称为构型Ⅰ和构型Ⅱ,以构型Ⅰ为算例,计算得到构型Ⅰ重构前后的连杆曲线与姿态随输入角变化的规律。结果表明:理论曲线与仿真曲线相吻合,验证了求解方法的正确性;重构能够显著改变构型Ⅰ连杆曲线与姿态。