空间3-RPC柔顺并联机构拓扑优化设计

为了获得空间柔顺并联机构构型,基于传统并联机构的设计原型,采用拓扑优化理论对空间并联机构进行拓扑优化设计。首先,以空间3-RPC并联机构为研究对象,建立机构的微运动学矢量连续映射Jacobian矩阵。然后,建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型,运用优化准则算法(Optimization Criterion)对所建立的SIMP模型求解。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。

3-RPC型柔顺并联机构结构设计

针对目前并联机构精度低,无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。首先,以传统并联机构构型3-RPC为基础建立微分运动矢量映射关系Jacobian矩阵。建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型并运用OC算法求解,将实体模型导入有限元软件中进行拓扑优化设计。其次,在Ossmouth中对优化好的构型进行过滤及光顺处理并导出进行二次建模。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。

3-RPC型柔顺并联机构结构设计

针对目前并联机构精度低,无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。首先,以传统并联机构构型3-RPC为基础建立微分运动矢量映射关系Jacobian矩阵。建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型并运用OC算法求解,将实体模型导入有限元软件中进行拓扑优化设计。其次,在Ossmouth中对优化好的构型进行过滤及光顺处理并导出进行二次建模。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。

3-PUS-PU柔顺并联机构运动学分析与优化设计

提出一种具有高精度、高刚度的3-PUS-PU柔顺并联机构,并对该机构进行运动学分析及优化设计。根据柔性铰链结构与机构间几何关系,对3-PUS-PU柔顺并联机构的运动原理进行阐述,并分析了该机构运动特性。采用空间闭环矢量法建立机构的运动学模型,对机构的输入-输出关系和速度特性进行了分析。基于力学理论,通过求解柔性铰链的极限转角,对机构的工作空间进行分析。根据机构的工作要求,提出定位精度指标和紧凑性指标,并进一步分析机构几何尺寸参数对其性能指标的影响。基于提出的性能指标,采用粒子群优化算法对机构的结构尺寸参数进行优化设计。结果表明,相比优化前,优化后的柔顺并联机构的定位精度提高25%,紧凑性提高81%,机构整体运动性能有了较大的提升,为后续样机研制提供了参考依据。

四种不同柔性铰链的三自由度微定位平台性能比较

为了研究柔性铰链形式对微定位平台性能的影响,对正圆、椭圆、直角和三角柔性铰链的三自由度平台的静态和动态特性进行比较分析。采用有限元软件ANSYS对其特性进行比较分析,分析结果可得如下结论:不同平台的柔度有较大的差别,直角铰链平台柔度最大,三角铰链平台最小,正圆和椭圆柔性铰链柔度相近;铰链形式对平台运动性能有较大的影响,直角柔性铰链平台相对于其他平台具有更小的转角;不同铰链平台在各个方向的位移灵敏度存在差异,圆形铰链平台在各个方向具有更高的灵敏度;柔性铰链形式对平台的固有频率影响较大,直角铰链平台固有频率最小,三角铰链平台最大,正圆柔性铰链和椭圆柔性铰链柔度相近。综合不同柔性铰链平台的性能发现圆形铰链平台具有较好的综合性能。

平面3-RRR全柔顺并联机构的微分运动分析

通过建立平面3-RRR型全柔顺并联机构"伪刚体模型",采用微动近似算法得到输入和输出之间的位移雅可比矩阵,研究其微动情况下输入与输出之间位移矢量微分映射关系,并进行数值验证,利用ANSYS软件对其进行仿真,为此类平面并联机构及具有多输入多输出特性的空间并联机构微分运动分析提供理论参考依据。

平面3-RPR全柔顺并联机构的构型拓扑优化设计

基于并联机构的微分运动学输入与输出之间位移矢量微分映射关系,通过建立平面3-RPR型全柔顺并联机构的拓扑优化模型(SIMP插值模型),运用优化准则法(OC算法)进行优化求解,并采用Heaviside过滤技术对棋盘格现象进行抑制和处理。结合二次插值法对拓扑优化后得到的模型进行曲线拟合,并在Solid Works中三维建模,将模型导入Hyperworks中二次网格划分并进行静力学分析与对比,结果表明:基于映射关系所得出的拓扑优化构型与传统并联机构构型具有相同的运动特性,结构更加简洁、轻便,该方法为此类平面全柔顺并联机构构型综合方面提供理论参考依据。