基于势能分配的操作机构刚度分布评价与静刚度综合

机构的末端刚度特性对制造装备的定位精度、顺应性、动态特性等有重要的影响，在辊压包边机和锻造操作机等用于成形制造的操作机构中，末端刚度对提高轨迹精度以保证成形质量、缓冲材料变形抗力以保障设备安全具有重要意义。在高精度、大承载的工况下，机构关节和构件的结构刚度不可忽略。目前，根据主被动关节刚度和构件刚度进行末端刚度分析的方法已较为成熟。而在确定末端刚度要求后，如何反演设计机构各关节和构件的刚度，即刚度综合问题尚缺乏有效的理论方法。.项目提出以能量分配来评价和指导刚度分配的思路。以弹性势能为度量建立机构关节和构件刚度对末端刚度贡献的评价指标和刚度分布设计原则，通过势能的二次型表达和等势面变形量分解，实现主被动关节和构件刚度的概念设计，然后在辊压包边机和锻造操作机的刚度分布设计中进行应用研究。项目成果有望建立操作机构的静刚度综合方法，为概念设计阶段的操作机构刚度设计提供理论和方法的支持。

项目针对考虑构件弹性的机构刚度设计问题，取得一系列成果：.建立了考虑构件、关节弹性变形的机构广义刚度映射。综合考虑了构件的弹性变形等诸多因素，通过机构的多柔体动力学模型，建立了机构广义刚度映射模型：涵盖了驱动刚度、主动力、重力、惯性力引起的机构位形变化、集中弹性元素和集中阻尼元素、构件变形和刚柔耦合项对末端刚度的影响。为机构刚度的分析、评价和优化奠定了重要基础。.建立了基于弹性势能分配的机构刚度分布评价指标。用于计算机构中各构件、关节刚度的弹性分布情况，评价各弹性环节对末端刚度的贡献。具体包括基于自由振动、运动弹性静力、运动弹性动力三个层次的刚度分布指标。指标反映了构件弹性变形能占机构总弹性变形能的比例，以及构件的变形能密度在机构中的地位。该指标反映了构件结构刚度分布的均匀性和承载的均匀性，体现了本项目的核心思想，是从刚度分析到刚度设计的关键步骤。.建立了基于约束操作界面匹配的刚度设计准则。针对机器人的约束操作（主要是顺应性能）对机构刚度设计的要求，提出了基于机构刚度和环境约束刚度匹配的刚度设计准则。采用机器人刚度椭球，提出了机构刚度与等效接触刚度的形状相似度和主轴正交度指标，为约束操作机构的刚度设计或控制提供了明确的设计目标。.采用上述理论方法，针对TRICEPT机构进行了案例分析研究。具体分析了TRICEPT并联机构各个构件的基频弹性势能分布情况。分析表明，机构中万向铰链的弹性势能分布率大大高于驱动支链连杆的弹性势能分布率，因此万向铰链的刚度较弱，严重影响驱动支链的整体刚度。在改进设计中，将万向铰链的刚度适当增大从而得到其改进后能量分布的变化情况，结果表明改进后的机构装备刚度分布大为改善。.项目成果具体应用在以下工程对象的设计当中：采用弹性分布指标分析了辊压包边机器人的顺应效果，验证了缓冲保护作用；采用弹性分布计算方法分析和改进了一台多头加工机床的构件刚度设计；以上改进设计方案在实际装备设计中均得到实际应用。.共发表和录用论文10篇，其中SCI检索论文5篇，EI 检索论文3篇，获得发明专利授权1项。毕业硕士研究生5名。在第6届亚洲多体动力学会议（ACMD2012）担任组织委员会共同主席（Co-Chair），参加了第2届IFToMM-IUTAM多体动力学联合国际会议（IMSD2012）和第6届国际智能机器人及应用(ICIRA2013)国际会议。