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各类少自由度并联机构中,两转一移三自由度(2R1T)并联机构是非常重要的一类机构,特别是在五自由度混联机器人方面得到了成功应用,其在航空航天、船舶等高端制造领域复杂结构件作业方面具有工作空间大且操作灵活的明显优势。并联机构运动副数目越少,其结构越简单,更加容易实现高结构刚度的设计,因此本论文提出了一类极少运动副2R1T并联机构的构型综合方法,并在得到的一种四支链极少运动副2R1T并联机构2RPU-UPR-RPR动平台上方添加一个单自由度摇摆头实现另一水平方向的方位调整,并将并联机构基座安装在一单自由度移动工作台实现另一水平方向位置的调整,构造一种能够同时满足大工作空间与高结构刚度的五自由度混联机构加工机器人,进而对其进行尺度优化设计与虚拟仿真分析,主要工作内容如下:首先,基于约束螺旋理论分析论证三支链和四支链2R1T并联机构末端受到的极限约束力螺旋系,基于此极限约束力螺旋系综合一系列具有极少运动副的三支链和四支链2R1T并联机构,包括2RPU-UPR-RPR和RPU-2UPR-RPR机构。其次,针对构造得到的结构对称性较好的两种四支链机构2RPU-UPR-RPR和RPU-2UPR-RPR,以工作空间、刚度为评价指标对其对比分析,然后基于性能更优的2RPU-UPR-RPR机构构造一种五轴混联机器人,并采用等效串联机构法对五轴混联机器人机构的位置正反解进行了分析,为后面的尺度优化与切削加工仿真提供了算法依据。然后,基于一类实际航空航天零件的特点和需求,定义一个圆柱加工工件的大小,在满足设计工作空间的条件下,基于力/运动传递性能指标对五轴混联机器人机构进行尺度优化,得到一组使机构性能优异的尺寸组合。最后,基于优化得到的混联机器人机构关键尺寸大小,建立五轴混联机器人的仿真模型,并基于开源机器人仿真软件V_Rep对设计的机器人进行了运动仿真以及表面切削加工仿真,并用加工球面轨迹的算例对所建运动学模型的正确性进行验证,通过与理论分析结果对比,验证前面构型综合、运动学反解模型的正确性,为以后的机器人的实际应用奠定一定的基础。