三自由度运动模块3UPS-RU刚度分析、仿真与优化

,三自由度运动模块3UPS-RU刚度分析、仿真与优化Stiffnessanalysis,simulationandoptimizationofamotionmodule3UPS-RUwiththreedegreesoffreedom,指导老师：,报告人：,学号：,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,经济全球化步伐的不断加快加速了新兴制造业的发展，首当其冲的就是研究并制造出具有高精度和高效率的机器人机床。并联机构的动平台由2条或2条以上的运动链联接，有着刚度好、精度高、承载能力强、控制简单、动力学性能好等特点。如下图中，并联机器人的应用。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,并联机器人的刚度包含静刚度和动刚度。刚度作为一项机构重要的性能指标，不仅与机构的结构有关，还与横截面积、杆长、材料等因素有关。在国内的研究中，艾青林、黄伟锋、张洪涛等人详细说明了并联机器人的刚度以及静力学研究及进展。周玉林等采用变形法和基于小变形叠加原理得到整体刚度矩阵模型。敖银辉等研究了并联机构并提到了使用冗余驱动方式的方法建立了刚度矩阵。朱春霞采用ANSYS软件分析3-TPT静刚度并研究机构性能。在国外研究中，Shneor和Portamn采用最小线性刚度评价方法对五轴并联机器人进行了刚度分析。Dong等人分析一种具有柔性铰链结构机器人的刚度。刚度是并联机器人一个重要的性能指标，本文主要利用ANSYSWORKBENCH对其进行刚度的分析。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,3UPS-RU并联模块运动学分析,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,自由度与位姿分析,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,空间机构的自由度可以采用Kutzbach-Grule公式进行计算,运动学反解,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,根据上述建立的动静坐标系以及旋转变换矩阵相关计算得到杆长矢量如下：,可通过末端位姿求得杆长的伸缩量,雅可比矩阵,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,通过下图中的速度分析和力分析得到力雅可比矩阵和力雅可比矩阵,分析可知两个雅可比矩阵是互为转置矩阵。通过这种广义互为对偶关系可以很方便求解出机构的速度、力的映射关系，从而较为简捷地分析出机构的性能等信息。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,3UPS-RU并联模块刚度分析,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,刚度分析对于并联机器人来说是十分重要的。建立刚度模型常用的方法主要有刚度分析法和有限元法。本章主要是通过有限元方法运用虚拟样机对刚度进行分析。,SOLIDWORKS,ANSYS网格划分,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,施加载荷和约束，求解机构在123132213231312321000七种位姿,位姿123,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,位姿000,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,(1)3UPS-RU并联机器人在不同位姿下的x和y方向上的静刚度基本一致，这体现了此并联机构的结构对称性，而z轴的刚度要明显高于x和y轴的静刚度。(2)比较位姿000和其它位姿时可以得知机构在y和x轴上的刚度基本一致，而z轴刚度却相对下降。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,模态分析,一阶,二阶,三阶,四阶,模态分析主要是为了了解机构的振动特性和改善机构动力学性能，在模型设计、准备时也要进行相应模态分析，为的是避免共振的产生,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,模态分析,五阶,六阶,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,谐响应分析,谐响应分析的目的是为了计算机构在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线，可以预测结构的持续动力学特征，从而验证是否有共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。,设置频率范围是0-1000Hz,加载10000N大小的力（对动平台）,x轴,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,z轴,y轴,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,3UPS-RU并联模块优化,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,静刚度优化,伸缩杆结构优化,底盘拓扑优化,1.伸缩杆结构优化,以上图三个设计变量作为设计目标，要求输出参数质量最小，最大变形最小，并重新更新求解。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,2.底盘拓扑优化,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,静刚度优化前后对比,优化前变形和应力图,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,优化后变形和应力图,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,从优化前后的刚度和质量等参数分析中可以看到，机构的刚度明显提高了很多，同时总体的质量下降了一倍多，在降低质量的情况下提高机构整体和局部的刚度的这种优化方案是可取的，此在工程中既考虑了刚度等重要条件又兼顾到机构整体的重量体积等参数。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,动刚度优化,动刚度作为结构在特定的动态激励下抵抗变形能力的一种指标已经成为在对并联模块进行优化时的一个方向。动刚度通常以固有频率的形式表现出来，提高机构的整体固有频率从某方面来说就提高了机构的动刚度，本小节主要通过响应曲面优化模块对机构的一阶固有频率进行优化。,要求输出参数质量不超过15kg和一阶固有频率最大，并重新更新求解,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,从中可以看到设计点A和设计点B较为符合要求。考虑到本小节是对一阶固有频率进行优化使其最大，故选择设计点A作为最后的优化结果。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,将设计点A作为设计参数，结合上述拓扑优化的结果，建立如下图所示的模型图并导入到ANSYSWorkbench中重新分析，得到前六阶模态图。,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,一阶,二阶,四阶,三阶,五阶,六阶,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,相比于静刚度优化而言，动刚度优化更可以反映机构的动力学性能和对外在激励的反映情况，故通常把动刚度优化结果作为最终的结构尺寸参数。结构的最终设计图如上图所示。最终得到的机构的质量为8.1307kg，体积为轴方向长度为158.89mm，轴方向长度为182.3mm，轴方向长度为322.11mm。,最终三维图,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,3UPS-RU并联模块运动仿真,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,本章的分析采用的是ANSYSWorkbench中的RigidDynamics模块，即刚体动力学模块。,运动反解,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,运动正解,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,总结与展望,论文背景和研究现状,3UPS-RU并联模块运动学分析,3UPS-RU并联模块刚度分析,3UPS-RU并联模块优化,3UPS-RU并联模块运动仿真,总结与展望,总结：本文对3UPS-RU并联机构的刚度、仿真和优化进行了深入研究，以理论分析为基础，以虚拟样机分析为辅助，采用SolidWork