【摘 要】
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并联机构由于具备刚度大、承载能力强、无累积误差等特性,在重型载荷和复杂工况下得到广泛应用。其中,少自由度并联机构在满足使用要求下具有运动学模型容易构建和控制简单等优点。常见的并联机构设计是包含机构构型综合与尺度综合两方面的复杂工程:在构型综合可能性中确定优选构型,并以当前使用要求为基准设置多个性能指标,最终进行尺度参数的多目标优化,这样的设计流程充分减少了设计环节的不必要重复,提高了设计质量与效率
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并联机构由于具备刚度大、承载能力强、无累积误差等特性,在重型载荷和复杂工况下得到广泛应用。其中,少自由度并联机构在满足使用要求下具有运动学模型容易构建和控制简单等优点。常见的并联机构设计是包含机构构型综合与尺度综合两方面的复杂工程:在构型综合可能性中确定优选构型,并以当前使用要求为基准设置多个性能指标,最终进行尺度参数的多目标优化,这样的设计流程充分减少了设计环节的不必要重复,提高了设计质量与效率。本文以重载工况下大型特种装备的2T1R平面位姿调整机构为研究对象,首先进行了构型优选,并建立了运动学、动力学、刚度和动态性能的评价指标,最后搭建出尺度参数多目标优化平台并进行了优化和结果分析,为该类型机构的前期综合设计与产品优化更新提供了方案。根据2T1R并联机构应用要求罗列出PR副组合的8种构型,结合应用环境和复杂工况,考虑驱动器布置形式、构件受力分析、构件转动惯量、系统固有频率、系统刚度和液压驱动器受侧向载荷等因素优选出液压直驱的3-PRR构型方案。以工程实践要求为基准,分析3-PRR并联机构的重点关注性能,并基于广义雅克比矩阵与广义动力学方程建立相关运动学、动力学、刚度和动态性能广义评价指标。针对3-PRR并联机构进行逆运动学分析,构造出输入端与输出端速度映射三阶雅克比矩阵,根据“量纲分离法”将雅克比矩阵拆分成量纲不同的两个子矩阵,避免基于雅克比矩阵建立的性能评价指标(运动学、动力学、刚度性能)出现物理意义不明确的问题。分析机构所有运动构件到输出端的速度和加速度映射关系,基于虚功原理构建出完整刚体动力学方程。通过解析法与多刚体运动学、动力学仿真对比验证运动学、动力学数值分析模型的正确性,数值模型的建立为运动学、动力学性能指标提供具体表达式。综合液压驱动刚度与传动支链刚度建立系统等效刚度模型,建立了更为全面完善的刚度分析模型。基于“量纲分离法”和全时域均值思想,对各项性能指标进行完善,使其能综合完整评估并联机构多个性能。根据设备使用环境和设计要求,确定性能指标的目标函数和设计参数设计空间,建立多目标优化模型。针对未经优化的实验平台进行标定实验和设计参数辨识,将所有设计参数实际值代入各项性能全域数值分析模型,论证尺度参数多目标优化的必要性。采用多学科优化工具搭建试验设计DOE和多目标优化平台,分析设计参数对各个响应的影响,以近似优化解为初值,利用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)对3-PRR并联机构进行尺度参数多目标优化,在Pareto解集中选取折衷解作为推荐设计点。将推荐设计点代入各项性能评价模型,与未优化的实验平台评价结果进行对比,验证多目标优化的效果显著。依据推荐设计点对实验平台进行结构参数改进,对比改进前后位姿调整精度实验的最大误差,分析性能指标优化对末端精度的提升效果。
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