并联构型装备刚度精确建模理论及方法研究

刚度性能评价是并联构型装备结构设计的重要内容，本课题密切结合开发新型并联构型装备的需求，针对目前并联构型装备刚度建模中存在的问题，深入研究刚度解析建模及评价方法，刚度有限元快速精确建模方法与刚度实验方法。主要研究内容有：考虑机构位形改变引起的Jacobian矩阵微分的变化，基于CCT刚度转换理论推导并联机构末端刚度解析模型及刚度矩阵的一般形式；针对含恰约束链的少自由度并联机构，根据虚功原理和子结构综合思想，提出一种综合考虑机构驱动及传动部件弹性，并考虑约束链柔性的末端刚度解析模型构建方法；深入研究并联机构中各种常用铰链的有限元精确建模技术，提出一种并联构型装备整机有限元快速建模策略与实施方法；并通过虚拟仿真与样机刚度试验验证刚度解析模型的有效性。该课题的研究对指导并联构型装备的机械结构设计，保证其刚度性能、提高控制精度具有重要的意义, 为我国高性能制造装备的研制提供理论支撑。

并联构型装备，尤其是少自由度并联机构成为近年来的研究热点，主要在于其具有高刚度可以承受较高的负载，误差小，精度高，适于精确控制的场合。并联机构的刚度是衡量机构承受载荷能力的重要参数，影响静、动态特性和负载下的定位精度。刚度性能评价是并联构型装备结构设计的重要内容，尤其当该类机构应用于高精度或高负载的场合，正确的关节空间和操作空间的刚度转换更为重要。.本课题密切结合开发新型并联构型装备的需求，深入研究机构刚度解析模型、刚度性能优化及评价、刚度有限元快速建模及刚度实验方法。主要完成工作包括：.（1）基于CCT刚度转换理论，考虑机构位形改变引起的Jacobian矩阵微分的变化，研究并联机构末端刚度解析模型及刚度矩阵的一般形式；针对含恰约束链的少自由度并联机构，根据虚功原理及虚拟关节设置方法，建立考虑约束链柔性刚度解析模型构建方法。.（2）重点考虑机构刚度，同时兼顾机构运动灵活度、承载能力、工作空间等性能，在建立局部、全域动态性能评价指标（刚度、条件数、梯度、灵巧度、承载能力等）基础上，基于多学科设计优化软件Isight进行并联机构刚度等性能多目标尺度综合研究，构建多目标优化设计基本流程与实现平台；并运用粒子群算法、蚁群算法、Pareto多目标优化方法等，对并联机构进行全局刚度优化研究。.（3）深入研究并联机构中各种常用铰链的有限元精确建模技术，提出一种并联构型装备整机有限元快速建模策略与实施方法，并构建一种基于虚拟正交实验和回归模型的并联机构刚度求解分析方法。.（4）面向工程应用需求，以4-SPS-1-S型、3-UPS-1-S型、4-UPS-PU型以及3-UPU-UPU型等含中间支链少自由度并联机构及其衍生机构为研究对象，研究机构刚度在任务空间的分布规律，搭建了并联机器人机构及零部件刚度及相关性能测试系统，开展了刚度性能实验研究，为工程应用奠定基础。.按照既定计划，已经完成了研究任务。依托该基金，已经发表论文15篇，申请国家发明专利3项（已经公开），培养硕士研究生8名。该项目的研究成果已应用于盾构法施工隧道管片拼装并联微调机构、煤矿救援机器人并联构型掘进机构、汽车柔性装配并联构型输送支撑定位装备等工程领域，取得了良好的社会效益，并具有较强烈的推广应用价值，对指导并联构型装备的机械结构设计，为我国高性能制造装备的研制提供理论支撑。