正解符号化且运动解耦的2T1R并联机构拓扑

基于方位特征（POC）方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种全部由低副组成、具有位置正解符号化且部分运动解耦的两平移一转动（2T1R）并联机构,并对机构的主要拓扑特征（POC、自由度、耦合度、运动解耦性）进行分析与计算;基于拓扑特征运动学建模原理,导出机构符号式位置正解和反解;同时,由位置反解分析了机构奇异性,基于符号式位置正解求解了机构工作空间;根据基于虚功原理的序单开链法,对该机构动力学性能进行分析,计算得施加在3个驱动副上的驱动力;最后,对该机构应用于无人机操作及其安全着陆的动作原理进行了概念设计阐述。     

零耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与运动分析

零耦合度(κ=0)且运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联操作手机构,不仅其运动学和动力学分析简单且能得到解析解,实时控制也较容易。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和冗余支链消除奇异位置原理,设计了一种含冗余支链的3T1R并联操作手机构,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、运动解耦性以及耦合度分析,表明其耦合度为零且具有部分运动解耦性;根据提出的基于序单开链法的运动学建模原理,方便地求解出机构的位置正解解析解;基于导出的位置逆解公式,分析了机构的工作空间、转动能力及其奇异性条件;推导出机构动平台的速度、加速度变化规律。     

运动副分布顺序对并联机构运动学与动力学性能的影响

根据基于方位特征(POC)的并联机构拓扑设计理论，设计了两种零耦合度且部分运动解耦的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构，它们具有相同运动副类型和数目，但在支链中的分布顺序不同；对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑特征分析，并给出其拓扑解析式；根据拓扑特征运动学建模原理，求解了这两种机构的符号式位置正反解，分别分析了两种机构的工作空间和机构发生奇异的条件及奇异位形；根据基于虚功原理的序单开链法对两种机构进行逆向动力学建模，分别求得两种机构的驱动力；对比两种机构运动学与动力学性能，并给出优选机型。给出了优选机型用于水果深加工中智能分拣、输送等应用场景的概念设计。     

低耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与分析

三平移一转动(3T1R)并联机构具有拓扑结构复杂、耦合度高、输入-输出运动不解耦,且易出现奇异位置等问题。根据基于方位特征(Position and orientation characteristic,POC)方程的并联机构拓扑设计理论和和冗余支链消除奇异位置原理,首先,提出了一种含冗余支链的低耦合度、运动解耦、大转动能力的3T1R并联操作手新机构;其次,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、耦合度以及运动解耦性分析;再次,建立了基于序单开链法运动学建模原理的位置正解求解模型,并应用一维搜素方法求解了该并联机构的位置正解;基于导出的机构位置逆解,分析了机构的工作空间、转动能力及奇异性条件;阐明了冗余支链可避免奇异位置,并能增加机构刚度;最后,给出了机构动平台的速度、加速度变化规律。本文为该操作手的机械设计、动力学分析、样机研制奠定了理论基础。     

基于拓扑降耦的3T1R并联机构设计与运动学特性分析

根据基于方位特征方程（POC）的并联机构拓扑结构设计理论及方法,设计了一种低耦合度三平移一转动（3T1R）并联机构,对该机构进行了拓扑结构分析,包括方位特征、自由度及耦合度计算,该机构具有部分运动解耦性。但耦合度k=1只能求得位置正解的数值解,不利于后续的尺度优化、误差分析及动力学分析,为此对其进行拓扑降耦优化设计,即在基本功能（DOF、POC）以及部分运动解耦性不变的情况下,使其耦合度k=0并具有符号式位置正解。运用基于拓扑特征的运动学建模原理求解该优化机构的符号式位置正解,基于导出的雅可比矩阵进一步分析了机构发生奇异的条件,分别基于位置逆解和位置正解求解机构的工作空间,研究表明,基于位置正解的机构工作空间分析具有计算过程简单、计算精确、计算量少等优点。本研究为该机构后续的尺度优化、误差分析及动力学分析奠定了基础。     

一平移两转动并联运动振动筛动力学建模与精度分析

对单自由度一平移两转动(1T2R)并联运动振动筛进行了动力学分析。由于该机构包含2个子运动链(SKC),且其耦合度均为零,因此,首先由求得的符号式位置正解直接求解各杆件（角）速度和（角）加速度;然后,基于Newton-Euler原理的序单开链法,对含两个SKC的空间并联机构进行动力学建模,计算得到该机构主动副的驱动力矩变化曲线;与利用传统Lagrange法得到的驱动力矩进行了动力学建模误差对比分析,结果表明,基于Newton-Euler原理的序单开链法具有更高的动力学建模精度。本文为多回路空间并联机构高效、精确动力学建模与分析,以及该并联运动振动筛的动力学参数优化提供了理论基础。     

运动解耦且大工作空间三平移机构拓扑设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计方法和运动解耦设计原理,提出一个运动解耦性优异的单回路三平移子并联机构;设计一类4个具有正向位置符号化、部分运动解耦性且具有较大工作空间的三平移(3T)并联机构;对这类机构进行拓扑特性分析,得到相同的方位特征集(POC)、自由度(DOF)、耦合度(κ)、运动解耦性等主要拓扑特性;对其中一个机构进行运动学、动力学性能分析。根据基于拓扑特征运动学建模原理,求出其符号化位置正反解,以及速度、加速度曲线;基于推导出的位置逆解公式,分析机构的奇异位形及工作空间;根据基于序单开链的虚功原理,进行其动力学建模与分析,求解出机构的驱动力。     

具有解析式位置正解的2T1R并联机构运动性能分析

求解具有解析式位置正解且部分运动解耦的并联机构,有利于后续的误差分析、动力学分析、运动轨迹规划与控制等。基于方位特征方程(POC)的并联机构设计理论与方法,设计了两种具有解析式位置正解且部分运动解耦的2T1R并联机构,并对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑性能分析;提出基于拓扑特征的运动学建模与求解方法,并据此求解了两种机构的解析式位置正解;基于导出的位置反解,分析了两种机构工作空间、奇异位形、动平台的速度与加速度变化规律。最后比较了两种机构的运动性能,选择了优选机型。为优选机型的动力学分析与样机研制提供了理论基础。     

具有符号式正解的降耦冲压机构动力学建模与分析

提出并设计一种具有符号式正向运动学、含3个子运动链(SKC)的单输入两滑块输出平面冲压机构。运用拓扑结构降耦方法,优化设计一种零耦合度单输入两滑块输出平面冲压机构,对其进行拓扑结构分析,得到机构耦合度为零(κ=0),从而得到正向位置、速度及加速度的符号解;采用基于Newton-Euler原理的序单开链法,建立了该机构的逆向动力学模型,并求解出机构构件的动态支反力和驱动力矩;对比分析了该方法和Lagrange法在动力学建模精度方面的误差,结果表明,基于Newton-Euler原理的序单开链法具有较高的建模精度。本研究为基于Newton-Euler原理的序单开链法在含多个SKC机构上的推广应用,以及该平面冲压机构的机械结构强度设计与动力学性能优化提供了理论依据。     

1T2R并联机构拓扑降耦设计与运动性能分析

根据基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,设计了一种能实现一平移两转动（1T2R）的并联机构,分析了该机构的方位特征（POC）、自由度（DOF）及耦合度（κ）等主要拓扑特性。由于该机构仅含1个耦合度κ=1的子运动链（SKC）,得不到符号式位置正解,为此对其进行拓扑降耦设计,得到了零耦合度（κ=0）、具有符号式位置正解、但POC/DOF保持不变的1T2R并联机构,并推导出其符号式位置正解和位置反解,基于雅可比矩阵对机构的奇异性进行了分析,基于符号式位置正解对机构的工作空间进行了计算分析。基于符号式位置正解的工作空间计算方法具有无需预估工作空间范围、计算量少、工作空间边界计算精确等优点。     

典型并联机构拓扑结构特征分析

采用基于方位特征(POC)和有序单开链(SOC)的并联机构拓扑结构设计理论与方法,对Omni-Wrist III、PS+PRS+PSS、3-RRR球面、2-SPS+1-RPR,以及实现Schoenflies运动的3种3T1R机构(H4、4-R∥R∥R⊥R∥R、X4改进型)等7种具有较好实用价值的典型并联机构进行了拓扑结构具体分析,给出了它们的POC集、自由度、耦合度3个主要拓扑结构特征,这些特征反映了这些机构拓扑结构、运动学及动力学的基本性能,为其拓扑结构优化、运动学与动力学研究,以及设计和应用提供了理论基础;揭示了一些有利于并联机构设计和应用参考的共性规律。     

SCARA并联机构拓扑分析与其低耦合度机型设计

根据基于方位特征(Position and orientation characteristics,POC)的并联机构拓扑结构设计理论与方法,首先,对已提出的一类7个具有较好实用价值的SCARA并联机构,进行了拓扑结构分析,揭示了其POC集、自由度(含驱动副选取)、过约束数、耦合度以及输入-输出运动解耦性等5个最主要的拓扑特征,且发现这些机构的耦合度均较大,为2,表明其运动学正解和动力学求解十分复杂;继而基于机构拓扑结构降耦原理,又对κ=2的这7个机构进行了拓扑结构降耦优化,得到了低耦合度(κ=1),而机构POC、自由度(Degree of freedom,DOF)等保持不变的实现SCARA运动的14个新机型,不仅丰富了实现SCARA运动的4-DOF三平移一转动机型库,而且降低了这些机构的运动学和动力学代数求解难度,而其数值解可用一维搜索法方便求得,从而为这一类SCARA并联机构的运动学和动力学分析、设计及应用提供了理论基础。     

二自由度七杆机构链型和拓扑特性研究

以六杆机构链型为基础分析了二自由度七杆机构的链型,并且对其拓扑特性进行了深入研究。为设计者在以后对七杆机构进行创新设计和选择时提供理论依据,从而使得以后的设计更加合理、简单和快捷。     

含方位特征支链并联机构构型综合与结构优化

含方位特征支链的并联机构是一类特殊结构的刚度好、承载大的少自由度并联机构。首先,提出了含方位特征支链并联机构的构型组成原理,简化了该类机构的方位特征方程、自由度、耦合度等拓扑特征的计算公式,以及拓扑结构综合步骤;其次,根据方位特征方程,综合了2~5自由度方位特征支链以及无约束主动支链的拓扑结构型式,以4自由度并联机构为例,给出了该类机构结构综合的原则和方法。再次,根据方位特征支链中的驱动副数目(0、1、2)对机构进行分类,并给出具体结构设计案例。最后,针对部分机构存在的力学性能不好的问题,提出了支链结构优化和对称性结构优化2种拓扑结构优化方法及其相应案例。本文工作为含方位特征支链并联机构的拓扑结构综合提供了较系统的理论基础和设计方法。     

变扭矩齿轮系齿面拓扑优化与实验

为了有效降低某齿轮传动系统在不同扭矩工况下的传动误差,控制齿轮振动噪声。利用齿轮拓扑修形计算公式和Romax齿轮仿真两种方法进行齿面拓扑优化,其中Romax仿真优化提供了一种全新、快速的优化计算思路。使用两种方法综合确定拓扑修形的修形量后,对未加工齿轮和拓扑修形齿轮进行了振动试验。频谱对比结果显示,拓扑修形有效降低了振动和噪声,改善了各项传动性能,证实Romax优化结果的正确性及齿面拓扑修形对降低噪音的可行性。为后续变扭矩齿轮系齿面拓扑优化提供了参考。     

挖掘机工作装置结构分析

工作装置作为液压挖掘机最重要的部分,其性能直接影响液压挖掘机的工作性能和可靠性,并且工作装置占挖掘机整机质量的比重较大。因此,在保证工作装置刚度、强度、稳定性要求的前提下,对挖掘机工作装置进行轻量化研究非常有必要。通过对液压挖掘机工作装置斗杆的结构分析和优化,分析斗杆的强度、刚度,确定斗杆是否还有轻量化设计的空间。课题提出的斗杆轻量化研究方法对工程机械的轻量化设计具有参考价值。     

基于ANSYS的某柴油机连接箱减重优化分析

对某柴油机连接箱的结构减重进行了研究。利用Creo软件建立连接箱模型并导入ANSYS中进行初始强度分析并校核,对模型进行拓扑优化分析,根据优化结果对模型进行合理的修改。对修改后的模型进行强度分析,并对比优化前后模型强度,以验证修改后的模型是否达到设计要求。结果表明,因合理改变连接箱结构,使得连接箱静力学分析结果有了较大的改善,对比分析显示,其应变值降低了44%,应力值下降了18.1%,减重10.9%,达到预期效果。     

数控加工中心空间误差场建模与仿真软件设计

针对数控加工中心中存在影响加工精度的几何误差问题,进行了空间几何误差场建模分析并设计了一种通用的空间误差场仿真分析软件。首先,基于多体系统理论对几何误差元素进行了分析,根据加工中心拓扑结构建立了空间误差场模型,模型与加工中心的工件链和刀具链中的运动轴类型和位置密切相关。为了方便分析不同类型加工中心的误差场,基于Visual Studio平台设计了三轴数控加工中心通用的空间误差场仿真软件,可实现加工中心误差场的可视化,同时可针对工件的加工代码生成补偿后加工代码,有利于加工中心的结构设计和后续误差补偿。最后将误差场仿真软件应用到Carver800T型立式加工中心。结合测量得到的误差项数据对加工中心工作空间误差场进行分析,得到工作空间误差分布曲线以及整个工作空间的误差场分布,同时得到工件补偿加工代码,为该加工中心的精度提高和误差补偿提供了依据。