本文關(guān)鍵詞：一類三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特性研究與優(yōu)化設(shè)計　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著天文學(xué)的發(fā)展,望遠(yuǎn)鏡的分辨率要求越來越高,對副鏡的支撐提出了更高的要求,傳統(tǒng)的四翼梁式支撐結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自動調(diào)焦,但不能主動校正副鏡的姿態(tài),因此,設(shè)計具有兩個轉(zhuǎn)動一個移動自由度的副鏡支撐機(jī)構(gòu),實時、穩(wěn)定、高精度地調(diào)整副鏡相對主鏡的焦距和姿態(tài),具有重要的現(xiàn)實意義。 本文以望遠(yuǎn)鏡副鏡三自由度并聯(lián)支撐為背景,圍繞三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計主線,開展了構(gòu)型設(shè)計與選型、運動學(xué)設(shè)計、精度分析與設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、仿真平臺設(shè)計等五方面的研究。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計首先需要進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計和選型。根據(jù)期望兩個轉(zhuǎn)動和一個移動自由度的需求,采用約束螺旋理論設(shè)計了三支鏈、采用添加約束法設(shè)計了四支鏈對稱的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對稱、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、低慣性等定性指標(biāo),以及伴隨運動小、全局條件數(shù)大、運動副剛度大精度好等定量指標(biāo),最終選取3-RCU構(gòu)型作為望遠(yuǎn)鏡副鏡并聯(lián)支撐。 本文提出分類建模方法,建立兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一運動學(xué)模型、速度傳遞模型和誤差傳遞模型。根據(jù)并兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動和約束特性,分類建立了運動學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上,建立了運動支鏈的D-H矩陣模型,全面反映各運動支鏈的運動副和桿件的運動特性；建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的速度傳遞模型,反映驅(qū)動速度與動平臺的有效位姿變化速度之間的映射關(guān)系,并得到機(jī)構(gòu)的速度Jacobian巨陣和全局條件數(shù)。同時,對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)描述進(jìn)行了深入討論,引入zxz歐拉角法研究機(jī)構(gòu)的伴隨運動和姿態(tài)空間,引入YXY歐拉角法研究機(jī)構(gòu)速度Jacobian矩陣、全局條件數(shù)和誤差傳遞模型。 考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有兩個轉(zhuǎn)動一個移動自由度,定義了兩個歐拉角和一個移動的微小攝動為機(jī)構(gòu)的有效位姿誤差,基于誤差攝動原理和機(jī)構(gòu)的速度傳遞模型,建立了運動副安裝誤差(包括結(jié)構(gòu)偏差)、運動副間隙誤差和支鏈驅(qū)動誤差(包括傳感誤差)等主要誤差源到動平臺有效位姿誤差的全誤差模型；然后,推導(dǎo)了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的最大誤差模型,分析了各主要誤差源對動平臺有效位姿誤差的誤差靈敏度；最后,分別研究了基于靈敏度和基于成本的3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度設(shè)計,并采用遺傳算法實現(xiàn)了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精度設(shè)計。 根據(jù)兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動特點,推廣了機(jī)器人包含工作空間和全姿態(tài)工作空間的概念,定義了兩轉(zhuǎn)一移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可達(dá)工作空間和靈活工作空間,以及工作空間體積；然后討論了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的約束條件,并基于區(qū)間分析方法計算了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間,分析了工作空間的形狀特點。 確定以動平臺半徑、連桿中心位置長度和驅(qū)動行程與靜平臺半徑的比值為設(shè)計變量,分析了全局條件數(shù)、最大位姿誤差和工作空間體積等3個性能指標(biāo)隨3個設(shè)計變量的變化規(guī)律,優(yōu)化設(shè)計得到3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。 最后,利用Matlab GUI工具箱設(shè)計了兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿真平臺,重點研究了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可視化運動仿真模塊�；赟olidWorks軟件建立了機(jī)構(gòu)的三維實體模型,基于SimMechanics工具箱設(shè)計了機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)控制系統(tǒng),包括軌跡規(guī)劃模塊、控制器模塊、并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型模塊和顯示模塊等,實現(xiàn)了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可視化運動仿真研究。
[Abstract]:With the development of astronomy , the resolution requirement of the telescope is higher and higher , and the support of the auxiliary mirror is more demanding . The traditional four - wing beam type support structure can realize automatic focusing , but can not actively correct the posture of the secondary mirror . Therefore , it is of great practical significance to design the auxiliary mirror support mechanism with two rotational degrees of freedom to adjust the focal length and attitude of the secondary mirror relative to the main mirror in real time . In this paper , the three - degree - of - freedom parallel support is used as the background , and the design and selection , kinematics design , precision analysis and design , structural parameter optimization design , simulation platform design and so on are carried out around the design main line of the three - degree - of - freedom parallel mechanism . A three - degree - of - freedom parallel mechanism with four branches is designed by using the constraint screw theory . Based on this , a three - degree - of - freedom parallel mechanism with four branches is designed by using the constraint helix theory . Based on this , a three - degree - of - freedom parallel mechanism with four branches is designed by the addition restriction method . This paper proposes a classification modeling method , and establishes a unified kinematic model , a velocity transmission model and an error transmission model of two - turn one - shift three - degree - of - freedom parallel mechanism . Based on the above , a kinematic model is established according to the driving and constraint characteristics of the parallel mechanism with three degrees of freedom . The speed transfer model of the parallel mechanism is established to reflect the mapping relationship between the driving speed and the effective posture change speed of the moving platform . Considering that the parallel mechanism has two degrees of freedom of movement , two Euler angles and one moving minute perturbation are defined as the effective pose error of the mechanism . Based on the principle of error perturbation and the speed transfer model of the mechanism , a full error model of the effective pose error of the moving platform is established . According to the motion characteristics of the three - degree - of - freedom parallel mechanism , the concept of working space and full - attitude workspace is generalized , and the available working space and flexible working space of the two - turn - one - shift parallel mechanism are defined , and the working space volume is defined . Then the constraint conditions of the parallel mechanism are discussed , and the working space of the 3 - RCUs parallel mechanism is calculated based on the interval analysis method , and the shape characteristics of the working space are analyzed . It is determined that the ratio of the radius of the moving platform , the length of the center of the connecting rod and the radius of the driving stroke to the radius of the static platform is the design variable , and the three indexes of the global condition number , the maximum pose error and the working space volume are analyzed . The key structural parameters of the 3 - RCUs parallel mechanism are optimized according to the changing law of the three design variables . Finally , the simulation platform of three - degree - of - freedom parallel mechanism is designed by using the Matlab GUI toolbox . The visualization motion simulation module of 3 - RCUs parallel mechanism is studied . Based on the software , the kinematics and dynamics control system of the mechanism is designed , which includes trajectory planning module , controller module , parallel mechanism model module and display module .

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TH112;TH743

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本文編號：1358059