三自由度并联机构的平行机设计【7张CAD图纸和说明书】

 摘要 文中从运动副分析入手，对一种运动解耦的三自由度并联机构进行了构型研究，该机构由三个正交分布的支链组成，且机构的运动副均为转动副，构成了机构动平台x、y、z三个方向的平动解耦；在机构构型研究的基础上，对其进行了运动学分析，推导出了该并联机构的运动学正反解，分析了机构输入/输出的速度和加速度等，验证了该机构运动解耦的特性。这对该机构的动力学分析、控制策略、机构设计和轨迹规划等方面的研究，具有一定的理论意义。 关键词： 三自由度并联机构；构型；运动学；第一章 引言11 并联机器人的出现及特点并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，与目前广泛应用的串联式机器人在应用上构成互补关系，在新的历史阶段中，并联机器人还将有更为广泛的应用。它可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种6-TPS结构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件3维转动的活动范围一般只在60°上下，角度最大也达不到±90°。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。由于串联、并联在结构上和性能特点上的对偶关系，串联、并联之间在应用上不是替代作用而是互补关系，且并联机器人有它的特殊应用领域。因此可以说并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。12 并联机器人机构的定义并联机器人机构可以严格定义为：上下平台用2个或2个以上分支相连，机构具有2个或2个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。但从机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分配在不同的环路上的并联多环机构都可称之为并联机构。13 3-RPS机构图1-1所示的是一个3自由度的并联机构，由3支RCS链连接一运动平台和一固定平台组成的，因为绕圆柱副轴线的转动是一局部自由度，所以圆柱副也可以用移动副来倒替，分支等效于RPS支链，该机构的分支结构是对称的，因此，这机构称为3-RPS平台机构，以3个移动副作为输入。（S是指球面副，球面副允许两构之间具有3个独立的，以球心为中心的相对转动，具有3个自由度；R是指转动副，允许两构件绕公共轴线作相对转动，描述了两构件之间的空间相对关系，具有一个自由度；P是指移动副，允许两构件沿公共轴线作相对直线移动，具有一个自由度）。源于军工需求，将3-RPS并联机器人应用到火箭发射装置中可以改良传统火箭炮的平衡，射角，精确度等方面的问题。它的多自由度和便捷的数字控制方式是多年来火箭发射装置梦寐以求的。由自由度的计算可知，该机构能够完成两个方向的回转和一个升降运动。这一系列运动都可以通过电机带动，经过三条RPS空间运动链的运动，从而促动上平台的各种运动姿势。         回转运动：在这种3-RPS并联机器人的机构中，下平台上的电动机带动丝杆传动。该丝杆为滑动丝杆，滑块的运动能带动其上的RSP链随球面副摆动，从而上平台绕转动副作回转运动，即有X与Y两方向的回转运动。        升降运动：三条RPS空间运动链的同时伸缩能促动上平台的升降运动。                         图1-1  3-RPS结构14 并联机构工作空间的分析工作空间（Workplace）：设给定参考点C是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。完全工作空间（Complete workplace）：动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。定向工作空间（Constant workplace）：动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。最大工作空间（Maximal workplace）：动平台执行器端点可到达的点的最大集合，并考虑其具体位姿。完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集.另外，工作空间是并联机构的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个： 杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。 转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。 杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为D的圆柱体，两相邻杆件轴线之间的距离为Di,则DiD。15 设计简介与设计要求    本设计是在3-RPS并联机构的内部设置一种平衡机，以使得上平台运动到任何位置时，电动推杆上的推力基本相等，给电机的控制创造条件。该平衡机的结构形式应能适应机构的工作空间。本设计涉及到机构学、机械传动、电力拖动与控制等方面。通过设计工作的训练，可有效提高毕业生工程实践能力。3-RPS并联机构的运动范围为：俯仰±20°，倾侧±20°，升降300，载荷1.4T。平衡机要求能抵消总载荷的70%。16 主要的研究方法和内容首先研究电机的机械性能，对3-RPS并联机器人进行运动学描述和受力分析；然后着重研究如何实现机器的平衡问题，进行专用平衡机总体设计，并在此基础上作详细的计算与分析。1了解并联机构，对已有的3-RPS并联机器人的工作空间进行分析；2分析平衡力矩图，探讨平衡方案，选择平衡机的安装位置，进行平衡能力计算；3关键零部件的设计与计算。