面向运动精度的少自由度并联机构可靠性评估与设计

Parallel mechanism (PM) \ robot has an extensive applying prospect owing to its various advantages of high stability and stiffness, strong laden ability. From its appearance, PM has become a popular research field in the world. At present, parallel robots and parallel kinematic machines have played a key role in several industrial fields, which offer great contributions to the development of economy in main western countries,whereas, our nation's research on this field is still laggard especially owing to the accuracy problem which can determine whether PM will succeed in industrialization. Accuracy analysis of the parallel mechanisms in previous studies ignored the randomness of each input error component, which leads to an imprecise evaluation result. In this study, on the basis of mechanical kinematics and dynamics, considering the randomness of input errors (dimension related errors,errors originating at the joints, driving errors, etc.) and some dynamics parameters (quality, rigidity, load, etc.), as well as the interference of each error, an evaluation method which based on the kinematic accurate reliability is established..Further, a reliability designing theory for parallel mechanism is formated applying intelligent optimization algorithm。As a basic theoretical problem for the application of parallel mechanism, the reliability research on accuracy of lower-mobility parallel mechanisms helps solve the key of the national parallel mechanical industrialization and offers important reference for theoretical and practical research on the application of new mechanisms in advanced manufacturing technology.

并联机构具有结构刚度大、承载能力高等优点。从其出现至今，并联机构一直是国际上研究的热点。目前，国外在并联机器人和并联机床产业化方面已经取得了突破性进展，但国内并联机构在生产实践中的应用情况并不十分理想，其中精度问题是制约其能否实际应用的关键。以往并联机构运动精度分析中，往往不考虑误差的随机性，造成评价结果不准确。本课题从机构运动学和动力学入手，在综合考虑输入误差(尺寸误差、间隙误差、驱动误差等)随机性，质量、刚度、工作载荷等动力学参数随机性和各误差源之间耦合性的基础上，建立并联机构运动精度可靠性的分析评价模型，进而利用智能优化算法开展基于运动精度可靠性指标的并联机构设计方法的研究。作为并联机构应用的共性基础理论问题，开展典型少自由度并联机构运动精度可靠性研究有助于攻破影响国内并联机构产业化的瓶颈，对于抢占先进制造技术下一代科技制高点具有重要的理论和现实意义。

精度问题是制约并联机构实际应用的关键因素之一。以并联机构精度分析时，往往不考虑误差的随机性，造成评价结果不准确。以平动和转动独立的Delta型并联机构为对象，利用齐次坐标变换推导了机构的位置反解和位置正解，应用几何法推导并验证了机构的位置正解计算。利用ADAMS软件仿真验证了正反解求解的正确性。推导了机构的雅可比矩阵及速度、加速度表达式，分析了机构的奇异性和灵巧性，完成了机构的工作空间分析。利用虚位移原理推导了机构的静平衡方程，建立了输入驱动力矩与外载荷、构件重力、惯性力/力矩之间的动力学平衡方程；利用机构势能的Hessian矩阵定义了机构的刚度评价指标，建立了机构的连续刚度模型。基于机构位置反解，应用泰勒展开建立了考虑机构结构参数尺寸误差和驱动误差的位置误差模型；利用有效长度模型，推导了考虑转动副间隙误差的机构位置误差模型；综合利用ADAMS和ANSYS软件给出了Delta型并联机构杆件弹性变形对机构运动精度影响的仿真计算模型。分别应用解析法和差分法就机构末端执行器位置误差对各个误差源和主要设计参数的灵敏度进行了分析计算，定量的得出了各类误差和结构参数对机构运动精度的影响程度。基于并联机构运动学分析和静态位置误差模型，考虑各原始误差的随机性，分别就各个原始误差相互独立且符合正态分布和均服从正态分布但相关两种情况，给出了机构运动可靠度计算模型，提出了评价并联机构运动可靠性高低的量度和计算方法。采用构造响应面函数代替极限状态函数的方法计算可靠性灵敏度，定量的得出了机构运动可靠度对各类误差随机性的敏感程度。针对给定的运动可靠度指标要求给出了包含各个构件的制造公差带、驱动误差等主要误差源的均值和方差的分配原则和方法。基于ADAMS软件二次开发功能，利用软件提供的参数化建模、用户自定义函数等关键技术，建立了Delta型并联机构运动可靠性分析的仿真模型。应用该模型，用户只需输入机构的结构参数、误差随机变量的数字特征等参数，便能自动完成机构运动可靠性分析计算。开展了综合工作空间、运动学性能、动力学性能、刚度性能要求的Delta型并联机构的多目标机构尺寸优化设计研究，利用遗传算法求解了机构尺寸的最优解，通过验证已设计机构的各项性能指标满足要求，证明了优化设计方法的可行性和有效性，为并联机构运动可靠性设计体系的建立提供了前提和基础。