伸缩杆式两自由度并联机构的虚拟仿真及静动态特性分析

【摘要】少自由度并联机构得到了广泛研究应用,伸缩杆式两自由度并联机构由动静平台和连接动静平台的3条支链组成,通过改变伸缩杆的长度,使动平台能够绕X、Y轴旋转一定的角度,动平台可以实现将空间任一平面旋转到水平面上。本文对并联机构进行了以下研究：首先,运用螺旋理论对该伸缩杆式并联机构进行自由度分析,验证其能实现绕X、Y轴的旋转运动。由于伸缩杆是该机构的重要部件,所以对其结构形式进行研究,主要研究了液压式、直线电机式和电动推杆式结构；由于直联式电动推杆传动精度高、空间尺寸小及结构简单,故选用直联式电动推杆的结构形式。依据被加工零件的尺寸及翻转角度,确定相应零部件的尺寸参数。其次,使用Pro/E软件对其零部件进行三维实体建模,按照各零部件的相互关系对其虚拟装配,得到整个并联工作台的实体模型。在Pro/E环境中对并联工作台实体模型进行虚拟仿真,检查各零部件之间有无干涉、尺寸是否合理,根据仿真结果对模型进行修改、调整。通过运动仿真,可观察并联工作台的运动过程,确定并联工作台的4种位姿,分别为水平位置、两伸缩杆最长位置、两伸缩杆最短位置和伸缩杆一长一短位置。再次,对其进行静态特性研究,使用有限元方法建立结构静力学模型,使用ANSYS软件分析并联工作台在不同极限位姿处承受钻削负载时各零件的变形及应力分布情况,获得结构的最大变形量及最大应力值,经验证其满足材料的强度刚度要求,较薄弱环节主要为球铰链处,因此需对其改进,加大铰链球的直径,同时可以适当对其它变形及应力较小的部件进行改进改进以减轻整体机构的重量。最后,对其进行动态特性的研究,使用有限元方法建立动力学模型,使用ANSYS软件获得其相应的动态参数。首先通过对其进行模态分析,可获得并联机构在不同极限位置处的固有频率和振型,获得并联工作台在这些固有频率下的振动特性,由结果可知动平台在前三阶频率下和定长杆在四五六阶频率下的振幅较明显,可对定长杆进行改进,加粗其直径,再次进行分析得定长杆在四五六阶频率下的最大振幅减小,整个结构的动态特性提高；其次对结构进行谐响应分析,获得动平台在一定频率范围内的幅频曲线,由结果可确定并联工作台在工作过程中应该避开70Hz及300.400Hz频率范围内。
【作者】张忠政；
【导师】蔡善乐；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】并联机构；伸缩杆；有限元方法；静态特性；动态特性；

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