无伴随运动对称两转一移并联机构的设计原理及运动特性研究

The symmetrical parallel mechanisms with two rotational and one translational (2R1T) degrees of freedom have wide application prospects in the manufacturing industry. However, all the existing 2R1T symmetrical parallel mechanisms have the problem of parasitic motion which brings much difficulty in the calibration and path planning, and severely restricts the applications of this kind of parallel mechanisms.In order to solve the problem, a novel class of symmetrical 2R1T parallel mechanisms without parasitic motion are proposed in this project. Based on the type synthesis and performance analysis, the systematic synthesis and analysis theories of this kind of mechanisms are established. First, based on the screw theory, the constraint properties and type synthesis of this kind of parallel mechanisms are studied and the systematic synthesis theory are devoloped. Then, the specific motions of this kind of parallel mechanisms, which refers to the continuous rotations about any given axis, and their influence on the motion characteristics will be analyzed in depth. The performance indices of this kind of parallel mechanisms will be established. Finally, a couple of novel symmetrical parallel mechanisms without parasitic motion and possesse high practical uses will be obtained by the optimization and mechanism screening. The research of this project, which will enrich the theory of the parallel mechanisms and promote the applications of the lower mobility symmetrical parallel mechanisms, will have important significance in theory and practice.

对称两转一移并联机构在制造业领域有着广阔的应用前景。但现有的对称两转一移并联机构都普遍存在有伴随运动问题，给机构的标定和轨迹规划带来很大困难，严重制约了这类机构的工程应用。针对该问题，本项目提出一类新型无伴随运动的对称两转一移并联机构，并对其进行构型设计和性能分析，建立这类机构系统的设计和分析理论。首先，以螺旋理论为基础，对这类并联机构进行约束特性分析和新机构综合，建立这类机构系统的型综合理论。然后，对这类机构所特有的绕任意轴线连续转动的特性进行深入研究，分析这种运动特性对机构性能的影响，并建立其性能评价体系。最后，通过对这类并联机构进行优化设计和构型筛选，得到多种具有较高实用价值的新型无伴随运动对称并联机构。本项目的研究可以丰富和完善对称少自由度并联机构学理论体系，推动少自由度并联机构的工程应用，具有重要的理论意义和实际应用价值。

高端数控机床等先进加工技术是制约我国从制造大国向制造强国转变的瓶颈，我国对具有自主知识产权的先进加工装备的需求在日益扩大。而并联机构由于具有刚度大、承载力强、运动精度高等优点，在并联机床、3D打印设备等领域有着很好的应用前景。相对于六自由度并联机构，少自由度并联机构的分支数量有所减少，可以降低加工和维护成本。本项目系统地研究了一类无伴随运动的对称少自由度并联机构，该类机构能实现绕空间固定轴线和固定点的转动，可以有效地避免伴随运动的发生。本项目的研究涉及构型综合、运动学设计与分析、动力学分析与验证、样机建造与性能实验等。本项目利用螺旋理论，通过研究分支运动子链与分支约束之间的关系，提出了一种基于约束螺旋理论和运动子链的型综合方法，发明了多种无伴随运动的对称少自由度并联机构。以其中典型的3-CRC、SNU 3-UPU及3-UPU并联机构为对象，进行了位置求解、运动和奇异分析、工作空间分析等。选择具有较高运动性能的3-UPU并联机构，依据虚功原理法建立其动力学模型，并通过联合仿真验证了该建模方法的可行性和有效性，得到了该种机构在发生定轴转动时的动力学特点，最后通过仿真软件建立了其虚拟样机模型，并完成了样机的制造及运动实验。本项目研究成果在Journal of Mechanical Engineering Science、机械工程学报及中国机械工程等国际或国内著名期刊发表论文6篇，其中SCI收录1篇，EI收录5篇；提出了多种新型无伴随运动对称两转一移并联机构，并已申请国家专利，其中14项已授权；培养硕士研究生2名。