3SPR并联机构论文关于3SPR并联机构的工作空间论文范文参考资料

3SPR并联机构论文关于3SPR并联机构的工作空间论文范文参考资料 幸坤亚 林光春 （四川大学制造科学与工程学：，四川成都610065） 摘要：基于Solidworks&SimMechanics 对三自由度并联机构3-SPR 的工作空间进行分析。先利用Solidworks 对该机构进行三维实体建模，通过模型转化接口技术实现3-SPR 并联机构的SimMechanics 可视化建模，然后添加输入输出模块，让该机构的末端执行器的运动轨迹坐标点输出到MATLAB 的Workspace 中，并将这些点描绘在同一坐标系中，得到本机构的工作空间。 关键词：3-SPR 并联机构；工作空间；模型转化接口技术 ：TH112 ：A ：1673-1069（xx）02-189-2 0 引言 与串联机构相比，并联机构具有更高的推重比、结构刚度、控制精度和更低的惯性等优点，因此得到了更广泛的关注1，2。并联机构的工作空间是指并联机构末端执行器的工作范围，工作空间是并联机构性能的重要指标，因此它的研究尤为重要。 并联机构的机构紧凑，因而工作空间范围比较小，所以并联机构工作空间的研究相对于串联机构来说难度较大，研究并联机构工作空间的方法很多，运用最广泛的是数值法和解析法。在数值法研究方面，主要有Tocobi 法、网格法、优化法和蒙特卡洛法，这几种方法都需要固定末端执行器姿态，在利用位置反解方可求出机构的工作空间，因而这几种方法的求解效率和精度较低。最具代表性的是Fichter 研究了6自由度并联机构的工作空间3，利用的是并联机构的位置反解方程，固定3 个位姿参数和一个位置参数，而让其他两个参数变换的方法。在解析法方面最具代表性的是几何法，利用几何法求解并联机构的工作空间是最精确的，因为几何法是要求出并联机构工作空间的边界曲线，因此几何法工作量相对而言较为复杂烦琐。1990 年Gosselin 利用几何法推导出了6-SPS 并联机构工作空间的边界曲线4。除以上几种分析方法外，还有许多学者利用软件对并联机构的工作空间进行分析，其中MATLAB 中的SimMechanics 模块就提供了分析工作空间的平台。SimMechanics 是MATLAB 中的一个软件包，可以对很多机构进行建模和仿真5，6，王国明等就利用SimMechanics 模块对二自由度串联机构进行系统的建模和仿真7。然而复杂的并联机构在利用SimMechanics 建立模块并设置参数时容易出错。Solidworks 具有强大的实体建模能力，所以通过Solidworks 与MATLAB 相连接，在Solidworks中建模，并将模型导入MATLAB 中，MATLAB 会自动生成模型和各个构件的数据， 这样就能更有效更快捷的建立SimMechanics 模型8。 本文采用Solidworks 与MATLAB 相联接建立3-SPR 的SimMechanics 模型，然后在此模型的基础上添加相应的输入输出模块，以此来进行此机构的工作空间分析。 1 Solidworks 与MATLAB 接口问题 Matlab 与Solidworks 具有较好的兼容性，Matlab 为Solidworks 预留了插件接口，下面以Solidworksxx 与MatlabRxxa 为例，简单介绍一下接口连接的步骤： 淤从MathWorks 公司的官网上下载需要的MATLAB 插件smlink.rxxa.win32 的压缩文件和安装的M 文件install_addon.m。 于不用解压，将压缩包和安装的M 文件install_addon.m置入用户安装的MATLAB 的工作目录中（C:ProgramFilesMATLABRxxabin。），根据路径运行install_addon。盂插件安装完成后在MATLAB 中输入doc simlink 查看自述文件。 榆安装Solidworks 插件：在命令行中输入smlink_linksw，程序中出现suessful link。 虞启动Solidworksxx， 在工具插件选项中出现SimMechanics Link 复选框， 勾选插件， 重新启动Solidworksxx 即可成功建立连接。 愚将Solidworks 三维实体模型另存为.xml 形式。 舆在MATLAB 中运行mech_import,将模型的.xml 文件导入即可建立SimMechanics 模型。 2 建立3-SPR 并联机构模拟框图 2.1 建立3-SPR 实体模型 本文研究的是一个对称分布的3-SPR 并联机构，机构的三个球副与基座连接，三个转动副与动平台连接，球副杆件与转动副杆件通过移动副连接， 基座是一个半径（R）为100cm 的圆台，动平台是一个半径（r）为50cm 的圆台。该机构的Solidworks 三维实体图如图1 所示，机构简图如图2 所示，其中S1P1P1 组成的支链为r1，S2P2R2 组成的支链为r2，S3P3R3 组成的支链为r3。 2.2 建立3-SPR 并联机构模拟框图将3-SPR 三维实体模型导入MATLAB 中得到如框图3。 以上模拟框图并不完整，我们还需要添加输入和输出，此SimMechanics 模拟框图方可运行，完整模型如图4 所示。 由于该模拟框图是通过Solidworks 建模之后导入，因此除了之后添加的输入和输出模块参数没有设置之外，其他杆件的质量、惯性矩阵、坐标以及所有运动副坐标在模型导入MATLAB 时已经自动生成，这比自己输入数据要精准很多，因此这种方法可以大大提高工作效率。 3 3-SPR 工作空间分析 为了得到该机构的工作空间，对移动副（P 副）输入斜坡函数（Ramp 模块）。设置活塞与液压缸的最大相对位移（即最大输入）为30cm，设置斜坡斜率为3，运行时间10 秒。 3.1 工作空间下边界分析 淤首先对r1 设置参数，斜坡函数斜率为3，活塞与液压缸初始位置为0，r2、r3 参数不变，开始模拟，得到一组末端执行器运动轨迹，并将数据点输入Workspace 中。 于改变r2 的斜坡函数参数，将r2 支链的移动副的初始相对位置设置为3cm，然后逐步增大r2 支链移动副的初始相对位移直到与r1 支链移动副最大输入相等，然后停止操作，将得到的多组轨迹参数输入Workspace 中。 盂保持r1 参数设置不变，将r2 变为无输入状态，同时将r2 上的斜坡函数的设置方式用在r3 上，同样得到多组轨迹参数，并将数据点输入Workspace 中。 榆保持r3 上的输入不变，将r1 设置成无输入状态，r2 设置成r1 的状态，这样又得到多组轨迹参数。 通过对驱动参数的输入，可以看出，这些轨迹参数共同构成了3-SPR 工作空间的下边界。 3.2 工作空间上边界分析 淤将r1 的斜坡函数斜率设置为3，活塞与液压缸初始相对位移设置为30，r2 的活塞与液压缸初始相对位置设置为3，r3 活塞与液压缸的初始相对位置设置为30，然后运行该机构，这样得到一组数据，并输入Workspace 中。 于变化r3 参数，逐步递增活塞与液压缸的初始相对位置，每一次递增都会得到一组轨迹参数，并输入Workspace中。 盂将r1 与r2 参数对调，r3 参数设置不变，同样会得到一组轨迹参数坐标点，将坐标点输入Workspace 中。 榆然后将r3 与r2 的参数设置对调，r1 参数设置不变，又得到一组轨迹坐标参数，并将轨迹参数输入Workspace 中。 通过分析可知，所有轨迹坐标参数共同构成了工作空间的上边界。 3.3 数据的输出与绘图 我们将以上通过分析得到的所有数据都以txt 文本的形式输出在当下工作目录中，以下小程序即可实现：Save data.txt simout-ascii 这些数据将以ascii 码的形式储存在data.txt 文件中。为了将这些数据同时显示在一个三维坐标中，一个M 文件。如下所示 load data.txt x=data(:,1);y=data(:,2);z=data(:,3); scatter3(x,y,z) 该程序能够准确快捷的将所有轨迹坐标数据以多组曲线的形式表达在三维坐标中。 4 结论 利用Solidworks 建立机构的三维实体模型，导入MATLAB 中，软件自行建立3-SPR 并联机构模型框图，这种方法简单方便不易出错。然后添加适当的输入输出模块，通过输入适当的驱动参数，对机构进行运动