一种新型并联机构运动学及动力学仿真分析

一种新型并联机构的运动学及动力学仿真分析 摘要:综合刚性、柔索并联机构的特点，提出一种基于刚柔结合的并联机构新构型，在机构中加入柔索，达到提高机构精度、减小机构振动的目的。首先对机构的构型以及相关性能、优点作了系统的介绍，然后应用ADAMS仿真软件建立并联机构的虚拟样机模型，并对其进行运动学、动力学仿真分析，最后参考仿真所得结果曲线图，进行对比分析，验证了机构的动力学相关性能有所提升。关键词： 并联机构； ADAMS； 运动学； 动力学； 仿真 中图分类号：TP391 文献标识码：ADesign of the organization and kinematics simulation in a new-type of parallel mechanism LI Qi1，2，LIU Hongjun1, , WEI Lin2(1. Institute of Mechanical Engineering， Shen yang Li gong University ,Shen yang 110168，China; 2. Institute of Mechanical Engineering Bohai Shipbuilding Vocational College, Liaoning Huludao 125000，China；)Abstract： This paper brings up one new type of parallel mechanism on the base of rigid-flexible combination，it comprehensives characteristic of rigidity and flexibility parallel mechanism. Import wires in the organizations in purpose to improve organizations precision and reduce its vibration. First, it has done the systematic introduction to the type, relevant performance, advantage of the organization, then uses software ADAMS to build a virtual prototype of this parallel mechanism, and dose the simulation for the kinematics and dynamics . Finally, consults the income result curve graph of emulation, compare with analysis, the relevant performance of dynamics of the certifying organization is promoted to some extent . Key words: Parallel Mechanism; ADAMS; Kinematics；Dynamics；Simulation1前言相对其它传统机构而言，并联机构具有刚度大、精度高、动态性能高等特点，正适应了近代的机器对机构重载、高精度和高刚度的要求。因此被广泛应用于机床、医疗器械、航空航天、精密定位装置以及工业机器人等领域。并联机构可以定义为由动平台（或称末端执行器）通过至少2个独立的运动链与定平台相连接，具有两个或两个以上自由度且以并联方式驱动的一种闭环机构，是随着机构学的发展而出现的一类新型机构。它的出现可以回溯至20世纪30年代。 目前的并联机构大都是以典型的Stewart构型为基础而开发出来的，驱动构件多为刚性驱动。而近年来新兴的一种柔索驱动的并联机构则是纯柔性驱动并联柔索机构，它继承了并联机构的许多优点，同时由于机构用柔索驱动来代替连杆驱动,大大降低了机构的重量,使机构具有高承载力、低能耗等特点。2新型并联机构构型及性能介绍本文研究的新型并联机构，是一种充分利用柔索并联机构的优点，在典型的STEWART并联机构基础上提出的基于刚柔结合的并联机构，如图1所示为机构的简图。在机构中加入柔索，目的是在不影响机构运动学特性的基础上，提升其动力学相关特性，使并联机构更好的应用于实际生产加工中。图1：新型并联机构构型简图动平台在T1、T2、T3、T4处分别用铰链与4个定长杆相连,连杆的另一端分别在S1，S2，S3，S4处用铰链与沿机架移动的四个滑块相连,其中S3和S4处的运动副为1个自由度的转动副(R),S1和S2处的运动副为2自由度的万向铰链(U), T1、T2、T3、T4处的运动副为球副(S)。参考并联柔索驱动机器人中柔索的固定方式，在机构中加入一根柔索。柔索的一端与动平台以套环连接，连接件套环相当一个万向铰，可以实现周向运动；另一端由电机驱动，固定在滑轮上与电机相连。通过主轴驱动，带动滑轮转动并控制柔索的伸长和缩短随动平台的运动而同步变化。机构具有沿Y、Z方向的移动、绕X方向的转动、绕T3T4轴线的转动。当给定机构中四个滑块确定的输入时,动平台具有确定的相对运动。3运动学仿真分析如图2所示为ADAMS软件环境下建立的四自由度并联机构模型，以下将用该模型对并联机构进行仿真分析。并联机构由动平台、静平台（机架）、定长杆（4根）、柔索以及滑块(4个)组成，利用ADAMS/VIEW中提供的零件库，依次将上述零件添加到模型中。各个构件间的连接约束同第2部分所述。图2：ADAMS下并联机构建模图对机构的运动学仿真分析的目的是要通过考察各个部件的相对运动状态，检验支链是否发生干涉，并考察和评价系统速度和加速度等特性。这里主要研究的是机构中滑块随动平台的运动而发生的位置、速度以及加速度的变化规律。在ADAMS/VIEW下，为了求出动平台按照某种运动规律运动时各个滑块的运动规律，在动平台质心点为动平台施加一个一般点的运动激励，如式（1）所示，运用ADAMS/VIEW提供的函数生成器定义关于时间的函数来构造该运动激励在各个方向的运动，使动平台绕X轴作转动的同时沿Z轴作往复运动。施加的方法如下图3所示。 （1）图3：动平台质心点运动的施加应用软件提供的对象测量功能，对模型作运动学分析。在ADAMS/VIEW中进行5S、100步的仿真模拟，使动平台实现上式（1）所定义的运动激励。最后在ADAMS/PROCESSOR后处理器中测得的4个滑块位置、速度、加速度随时间变化沿Z方向的变化曲线。如下面图4、图5、图6所示。图4.各个滑块沿Z方向的位移变化图5.各个滑块沿Z方向的速度变化图6.各个滑块沿Z方向的加速度变化分析以上仿真所得曲线可以看出，在逆解分析中，给定动平台以确定的周期性运动，各个滑块也沿Z方向作周期性的往复运动，且运动的速度、加速度和位移等变化平稳，无突变，不会对机构产生冲击，符合机构设计中的基本要求。柔索的加入对动平台的运动学性能不会产生影响。图7.柔索长度变化随着机构的运动，柔索将会产生一定的变形，柔索长度发生平稳而有规律的变化，其变形规律如下图7所示。4.动力学仿真分析4.1改进机构的动力学分析鉴于机构的运动学仿真是在稳态下进行的，因此不考虑机构运动的动态性能，且与加入的柔索无很大关联。下面将对机构进行动力学仿真分析。首先在动平台质心点施加一个任意的运动激励，如下面式子2所示：X(t)=200*sin(time),y(t)=300*sin(time),z(t)=0 （2）图8:运动副位移测量的建立检验为了获取各个滑块的运动轨迹，在4个滑块和立柱之间的移动副上分别建立一个位移测量（Motion Joint Displacement）来测量运动过程中各滑块的位置变化，如图8所示。然后进行动力学仿真，把测量得到的位置数据在AdamsPost Processor中生成4条样条曲线，分别将其定义为s、s1、s2、s3。接着去掉动平台刀头点的激励运动，给各滑块运动上分别加上沿立柱方向的移动，定义滑块的位移曲线与样条曲线相同，即施加的函数为: -cubspl(time,0,s,0)、-cubspl(time,0,s,0)、-cubspl(time,0,s2,0)，-cubspl(time,0,s3,0). （3）再进行运动模拟，使动平台实现预期运动。这时在动平台质心点沿垂直方向上施加一个大小为1000N的力和大小为1000N*m的力矩，则可测得4个移动滑块在Y方向的受力情况，（考虑机构运动中，Y向受力典型且为主要受力方向）。接着，在该软件提供的分析和后处理模块Adams/Processor下，将机构各个滑块在Y方向的驱动力变化规律以曲线的形式输出，如图9所示：图9：各滑块在y方向所受驱动力的变化图 从上面的曲线图可以看出，在整个运动中，机构中的驱动滑块所受到的驱动力成连续平滑曲线变化，曲线首尾也能够平滑过渡。因此无冲击，大小也符合机构设计要求。4.2无柔索机构的动力学分析用上述4.1中同样的方法和步骤，对去掉柔索的并联机构进行动力学仿真分析，得到驱动力随时间变化的曲线图如下图10所示图10：各滑块所受驱动力在y方向的变化图机构去掉柔索，平台仍旧按照式子（2）所示进行运动。由曲线可以看出各个驱动力变化依旧平缓，曲线的起点和终点能够平滑过渡，对机构无冲击。 43对比分析对比实时数据可以发现，当加入柔索以后，在初始时，机构的驱动力有所减小。即在整个运动中，减小了加工力对机构的初始冲击。这就说明加入的柔索是在对机构不产生突变驱动力和冲