3-RPS毕业论文 - 图文

理工大学

毕业设计论文

题目：2R1T型并联机构

系 别 机械工程学院

专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师

2014年5月

2R1T型并联机构设计与理论分析

摘要

并联机构的种类繁多，这种具有确定运动的实物组合到一起产生了机构，其有运动状态、自由度数量、功能角度等区分。少自由度的机构设计与应用的广泛需求是不争的事实，机器行业的快速发展，产生了对其需要机构的各种优化与升级。2R1T型并联机构的研究与应用也在不断地扩大，这种并联机构的优势是非常明显的，有着较高刚度、对称性、成本低、占用空间小、便于实现其空间运动的特点。对3-RPS这种类型的三自由度并联机构进行机构的设计与理论分析，首先需要建立这种机构的简化模型，对其机构的不同参数进行建模，并分析其约束及其影响，然后对其执行件的工作空间影响、空间面积、运动学性能、可靠度等进行分析。这是为了让使各种少自由度的研究参考这种机构研究，为少自由度研究提供有意义的信息，为相关理论的研究提供有价值的参考，为新型机构的产生铺路。

关键词： 2R1T型并联机构 少自由度 运动学

Design and Analysis of The 2R1T Parallel

Mechanism

ABSTRACT

Many kinds of parallel mechanism, this is to identify the real combination movement into the mechanism, it has the motion state, number of degrees of freedom, such as distinguishing function angle. Extensive demand mechanism design and application of freedom less is an indisputable fact, fast development of machine industry, the need to produce various optimization and upgrading mechanism. Research and application of 2R1T type parallel mechanism are continuously expanding, the parallel mechanism, the advantage is very obvious, with characteristics of high stiffness, symmetry, low cost, and small occupied space, easy to realize the space motion. Design and theoretical analysis of mechanism of three degree of freedom parallel mechanism of this type of 3-RPS, first need to establish a simplified model of the mechanism, the different parameters of the mechanism model, and analyze the constraints and influence, then analyzing its kinematics performance. This is in order to make various studies less degrees of freedom in reference to these research institutions, to provide meaningful information for the study of less degree of freedom, and provide valuable reference for the relevant theoretical research, paving the way for new mechanism.

Key words: Parallel mechanism Less degree of freedom Kinematics

目 录

第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1

1.1 引言 ...................................................................................................................... 1

1.2 并联机构发展史 ............................................................................................... 1

1.3 2R1T型并联机构简介 ..................................................................................... 3

1.4 2R1T型并联机构研究意义 ................................................................... 3

1.5 并联机构国内外发展状况 ............................................................................. 4

1.5.1 国内发展情况 ...................................................................................... 4 1.5.2 国外发展情况 ...................................................................................... 5

第二章 并联机构综合 ........................................................................................................ 7

2.1 引言 ...................................................................................................................... 7

2.2 自由度分析 ......................................................................................................... 7 2.2.1 自由度意义 .......................................................................................... 7 2.2.2 自由度计算 .......................................................................................... 7 2.3 并联机构组成分析 ........................................................................................... 8 2.4 少自由度并联机构的运动学分析方法 ....................................................... 9 2.4.1 少自由度分析方法 ............................................................................. 9 2.4.2 三自由度分析方法 ............................................................................. 9

第三章 2R1T型并联机构构型 ..................................................................................... 11

3.1 引言 .................................................................................................................... 11 3.2 机构描述 ........................................................................................................... 11 3.2.1 建立坐标系 .......................................................................................... 11 3.2.2 参数 ........................................................................................................ 12 3.3 空间布局 ........................................................................................................... 12 3.4 2R1T型并联机构雅克比矩阵 ...................................................................... 14

3.5奇异位形 ............................................................................................................ 17

第四章 工作空间及精度 ............................................................................................... 18 4.1 引言 .................................................................................................................. 18

4.2 2R1T型并联机构工作空间研究 ............................................................... 18 4.2.1 工作空间分析方法 ........................................................................... 18 4.2.2 工作空间影响分析 ........................................................................... 19 4.3 工作空间轮廓 .................................................................................................. 19

4.3.1 3-RPS并联机构工作空间边界 ...................................................... 19

4.3.2 计算实例 ............................................................................................. 20

第五章 传动性能与可靠性 ........................................................................................... 22

5.1 引言 ..................................................................................................................... 22 5.2 传动性能分析 .................................................................................................. 22 5.3 可靠性分析 ....................................................................................................... 24

总结体会…............……………………………………………………………………………25 参考文献 ................................................................................................................................... 26 辞谢……………………………………………………………………………………….……..27

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第一章 绪论

1.1前言

国家经济、科技、技术的发展，使得对实业需求的日益增加，对机械行业有着更高的需要。机械行业的蓬勃发展使得质量、技术与生产都有了很大的提高，更多功能上的需求，效率上的需求，又不得不促使机械设计与制造技术的不断更新和创新。经济危机对机械行业的打击也是很大的，许多老式生产的工厂不得不更新自己的生产设备，创新自己生产的产品，使得自己能够拥有更强的竞争力。并联机构从自产生到现在已经有六十多年的历史了，这也是机构研究领域的一个新的突破，其空间机构的特点使其比串联机构占用空间小，运动性能有了很大的提高，刚度、精度高使其越发的被广泛的应用到机械制造、设计中去。机床的更新，机器人的研发，航天机械的使用，使得机械行业进入一个新的阶段。

并联机构的应用越来越广泛，自由度数目也不断的变少，这使得其占用空间减少。其广泛的应用使得对并联机构的研究越来越深，从以前的六自由度到现在的三自由度，从以前的种类单一到现在类别繁多，从以前的结构复杂到现在的结构简单。这种机构大部分被应用到机器人和机床的研究之中，精度与刚度等需要满足的要求，需要改变机构中的机械连接、材料等。三自由度的并联机构的种类有很多，由于最初研究的机构基本都为平面，所以大家对空间机构的研究较少，且难度相对较大。空间机构主要是把移动和转动放在一起形成一个空间运动区，随着科技的不断发展，我们这种空间机构的进步，产生一种2R1T型并联机构。这种机构的优势很大，驱动元件比6自由度的并联机构要少，制造成本低，空间的紧密性高，这些同样是我们机械制造生产、设计中所需要的优势。这次研究的主要内容是2R1T型并联机构设计与理论分析，布局的研究、参数的分析与其运动形式与轨迹的设计与分析等；布局研究主要从构型不同，部分参数不同等不同出发。参数包含约束、原动件长度、机构原件间的角度等；参数的变化会直接导致运动的方向与轨迹的不同。对研究不同构型、参数的2R1T型并联机构进行运动学与理论分析，为以后这种机构的不断优化与升级、产生新型机构打开一扇快捷之门。

1.2 并联机构发展历史

并联机构的理论最早在1948就被提出来了，当时Gough提出并联机构的形式为平台形式。

1965年，飞行模拟器首次使用6自由度并联机构，当时这个技术的应用是并联机构的研究的起点。1978年，一位澳大利亚的研究人员建议在机器人上使用这种机构，并同时受到各国的广泛重视。90年代以后，对于这种机构的研究在应用领域，与生活各个方面紧密连接，比如机床、机器人、医学、航天等方面。

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如下列图片所示：

图1.1 航海环境模拟台

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图1.2 并联装配机器人

图1.3 并联机床

1.3 2R1T型并联机构简介

机构的组成一般是由动平台、静平台与原动件组成，原动件的连接采用的是移动副，动平台与原动件需要的是球副，静平台与原动件的连接使用转动副，从而是这种空间机构能够实现2R1T的运动。其中位置关系尺寸决定着这个机构的能动性与可懂范围，必要的约束使其自由度的数保持。静平台为固定的机架，动平台为执行件，原动件数等于自由度数，所以三自由度的这种机构的原动件数为三个。通过约束约束掉相应的自由度，而剩下的自由度虽然存在自由，但并非是完全自由，相互间会产生不完全自由。

1.4 2R1T型并联机构研究意义

并联机构在机器上的应用越发的扩大化，以及在其他方面如航天、医学等方面的使用越

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发的频繁，并联机构也慢慢地被大家所认可。很多专家研究了6自由度并联机构，但是现实应用中并不是一定要求动平台拥有6个自由度。自由度减少意味着机构费用的减少。在很多并联机构的书籍中都有说明三自由度的并联机构，同时三自由度的并联机构也有很多种，2R1T型并联机构就是其中一种，当然2R1T型并联机构最为有代表性地就是3-RPS并联机构。

2R1T型并联机构是一种三自由度的空间并联机构，此机构主要是由执行件被约束自由度，达到预期的工作状态，三个原动件去约束执行件，从而产生没被约束的自由实际被约束掉一部分，已达到所需求的工作范围。如果直接添加约束，这样会直接加大机构的复杂程度，从而使机构对称性破坏。其实对这种三自由度并联机构研究的重点在于其工作空间，工作空间的研究又需要知道这三个自由度位置的动坐标，有了这些便可以求解出它的工作空间。然后动坐标的求解又需要坐标系。上述这些都属于运动学分析，机构的运动学分析的意义是这种机构应用的基础。由于这种机构越来越普遍的应用于现代化建设中，不断地提高着我国的机械设计制造水平，对其做更深的研究是能够使我们的自动化水平和工程水平有显著的帮助。

1.5 并联机构国内外发展状况

1.5.1 国外发展状况

当前，国内外对并联机构分析的理论都在动力学、运动学、机构学、控制学等方面，应用领域一般为：航空航天器材、并联机床、舰艇、宇宙观测器材、定位系统、医疗设备、娱乐平台等

并联机构是一种空间多换机构，在1938年Pollard就提出使用并联机构来为汽车喷漆，在1949年，Gough建议使用关节联接的机器来检测轮胎。实际的应用人们认为是从20世纪60年代开始的。在1965年，德国的D.Stewart最早提出并联机构能够应用在飞行模拟器，这是最早提出的应用于飞行员训练的想法。在1978年，Hunt等人提出来将其用在机械手中。真正的应用并联机构还是在1994年，成功的使用并联机构研发出了并联机床。1994年在美国的机床博览会上并联机床亮相，这台机床是美国Giddings&Lewis公司耗时6年研发出来的 “变轴”并联机床,即“Variax”机床;这些机床的问世引起了极大的影响，后来这中影响在历史也留下了脚印，被称作“机床行业的革命”。

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图1.4 6自由度并联机床

图1.5 国外并联机构样机

自1995年以后，由于各个国家对实业发展的需求，并联数控机床研究、优化、开发一直是国外工程界、学术界的重点。在1998年，美国的科学家基金会组织了第一次并联运动学机器的专题讨论会，2000年进行第二次召开，2002年进行第三次召开。如今，并联机床、机构的研究人员快速增加，各个国家都会有自己的研究机构和实验室，工业比较发达的国家都会建立自己的研发中心。此外,于1996年底德、意、法、英、瑞士、瑞典和西班牙等七国在欧

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