基于混合约束的多自由度并联柔顺微位移工作台综合方法研究

随着精密加工与特种加工中对微位移工作台性能和工作环境要求的不断提高，解决并联柔顺微位移工作台综合的一些深层次问题已是当务之急，本课题在基于自由度约束互补拓扑并联柔顺机构综合方法的基础上，提出了一种基于混合约束的并联柔顺微位移工作台综合方法，综合考虑几何约束、物理约束和性能约束，建立各类约束与冗余约束子集和关联模型之间的关系，并建立各类约束的相容性模型。通过该方法能够研制出综合性能指标较优、结构简单、加工方便、节约成本且对环境要求较低的并联柔顺微位移工作台。研究主要针对多自由度并联柔顺微位移工作台自由度和非冗余约束选择策略、性能约束和物理约束与冗余约束子集和几何参数的关联模型以及几何约束、物理约束和性能约束的相容性模型展开研究。课题的提出是综合考虑几何约束、物理约束和性能约束研制多自由度并联柔顺微位移工作台的有益尝试，为并联柔顺微位移工作台的研究提供新的理论基础与方法。

随着精密加工与特种加工中对微位移工作台性能和工作环境要求的不断提高， 解决并联柔顺微位移工作台综合的一些深层次问题已是当务之急，本课题在基于自由度约束互补拓扑并联柔顺机构综合方法的基础上，提出了一种基于混合约束的并联柔顺微位移工作台综合方法，综合考虑几何约束、物理约束和性能约束，建立各类约束与冗余约束子集和关联模型之间的关系，并建立各类约束的相容性模型。通过该方法能够研制出综合性能指标较优、结构简单、加工方便、节约成本且对环境要求较低的并联柔顺微位移工作台。研究主要成果和结论包括：.1）研究了自由度与约束互补拓扑方法的螺旋理论模型，构建了可视化的多自由度并联柔顺机构自由度空间、约束空间和子约束空间，通过弹性力学中Euler梁理论和Timoshenko梁理论建立各类柔顺单元的刚度矩阵以及柔顺工作台整体刚度矩阵，利用matlab软件将空间六个自由度的约束空间和自由度空间编写成既方便又可视化选择设计需求的自由度空间的设计软件。.2）研究了刚度、力的灵敏度、力矩的灵敏度、力的各向同性度和力矩各向同性度等柔顺机构重要性能指标，建立了各类性能约束与柔顺机构结构参数之间的关联模型；为研究空间柔顺机构任意方向刚度性能指标，研制了可实现空间任意力加载的多轴力加载台；研究了温度场对输出结果的影响，建立了温度载荷与输出位移间的转换矩阵，进而得到温度载荷影响与结构参数之间的对应关系。.3）在根据自由度约束互补集得到的非冗余约束的基础上，以主要性能指标为目标，以次要性能指标和物理约束为约束条件，通过逐次优化的方式保证了几何约束、性能约束和物理约束之间的相容性，建立了基于混合约束的并联柔顺机构优化模型。.4）建立了多自由度并联柔顺微位移工作台自由度与约束互补集构型知识库，研究了刚度、各向同性、灵敏度等性能指标以及温度场等环境因素与冗余约束子集的关联模型子模块，开发了基于以上模型的冗余约束子集和几何参数选择模块，完成了可视化多自由度并联柔顺微位移工作台设计与优化软件的程序编写；应用以上提出的设计模块对并联微位移柔顺机构进行构型综合和尺度综合，研制了二自由度、三自由度微位移工作台，并做了相应的模拟仿真和静态和动态实验，获得了良好的静动态性能指标；研制了一种可用于椭圆振动切削的空间柔顺机构，将理论成果应用于生产。