機械設計外文翻譯-動態優化的一種新型高速高精度的三自由度【中文4200字】【PDF+中文WORD】

機械設計外文翻譯-動態優化的一種新型高速高精度的三自由度【中文4200字】【PDF+中文WORD】,中文4200字,PDF+中文WORD,機械設計,外文,翻譯,動態,優化,一種,新型,高速,高精度,自由度,中文,4200,PDF,WORD 【中文4200字】 動態優化的一種新型高速，高精度的三自由度機械手① 彭蘭（蘭朋）②，魯南立，孫立寧，丁傾永 (機械電子工程學院，哈爾濱理工學院，哈爾濱 150001，中國) ( Robotics Institute。Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，P。R。China) 摘要 介紹了一種動態優化三自由度高速、高精度相結合，直接驅動臂平面并聯機構和線性驅動器，它可以提高其剛度進行了動力學分析軟件ADAMS仿真模擬環境中，進行仿真模擬實驗.設計調查是由參數分析工具完成處理的，分析了設計變量的近似的敏感性，包括影響參數的每道光束截面和相對位置的線性驅動器上的性能.在適當的方式下，模型可以獲得一個輕量級動態優化和小變形的參數。一個平面并聯機構不同截面是用來改進機械手的.結果發生明顯的改進后的系統動力學仿真分析和另一個未精制一個幾乎是幾乎相等.但剛度的改進的質量大大降低，說明這種方法更為有效的。 關鍵詞: 機械手、ADAMS、優化、動力學仿真 0 簡介 并聯結構機械手（PKM）是一個很有前途的機器操作和裝配的電子裝置，因為他們有一些明顯的優勢，例如：串行機械手的高負荷承載能力，良好的動態性能和精確定位的優點等. 一種新型復合3一DOF臂的優點和串行機械手，也是并聯機構為研究對象，三自由度并聯機器人是少自由度并聯機器人的重要類型。三自由度并聯機器人由于結構簡單，控制相對容易，價格便宜等優點，具有很好的應用前景。但由于它們比六自由度并聯機器人更復雜的運動特性，增加了這類機構型綜合的難度，因此對三自由度并聯機器人進行型綜合具有理論意義和實際價值。本文利用螺旋理論對三自由度并聯機器人進行型綜合，以總結某些規律，進一步豐富型綜合理論，并為新機型的選型提供理論依據，以下對其進行闡述。 如圖-1所示 機械手組成的平面并聯機構(PPM)包括平行四邊形結構和線性驅動器安裝在PPM.兩直接驅動電機c整合交流電高分辨率編碼器的一部分作為驅動平面并聯機械裝置.線型致動器驅動的聲音線圈發動機.這被認為是理想的驅動短行程的一部分.作為一個非換直接驅動類，音圈電機可以提供高位置敏感和完美的力量與中風的角色，高精密線性編碼作為回饋部分保證在垂直方向可重復性。 另一方面，該產品具有較高的剛度比串行機械手，因為它的特點和低封閉環慣性轉矩。同時，該系統可以克服了柔性耦合力學彈性、齒輪、軸承、被撕咬支持，連接軸和其他零件，包括古典驅動設備，因此該機械手是更容易得到動力學性能好、精度高。 圖-1 3自由度的混合結構的機械手 當長度的各個環節的平面并聯機時，構決定于運動學分析和綜合[4-7]，機械優化設計的首要任務，應加大僵硬、降低質量.關于幾個參數模型.這是它重要和必要的影響，研究了各參數對模型表現以進一步優化。本文就開展設計研究工具，通過參數分析亞當斯，又要適當的方式來獲得一個輕量級的優化和小變形系統。 1 仿真模型 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis 0f Mechanical System)自動機械系統動力學分析是一個完美的軟件，對機械系統動力學模擬可處理機制包括有剛性和靈活的部分，仿真模型可以創造出機械手的亞當斯環境 如圖-2。OXYz是全球性的參考幀，并OXYz局部坐標系，兩個直流驅動電機、交流和02M O1A表示，與線性驅動器CH被視為剛性轉子轉動慣量電機傳動的120kg/cm2。大眾的線性驅動器是1.5kg，連接AB、德、03F和LJ被視為柔性體立柱、橫梁GK，通用公司和公里，形成一個三角形，也被當作柔性傳動長度的鏈接是決定提前運動學設計為AB =O3F = 7cm，DE=IJ=7cm，GK= 7cm，GM =11.66cm， = 8.338cm。其它維度，這個數字是01A = 02M =7cm，CB=CD=HJ 2.5cm。EF=EG=JK= 3cm。 雖然總平面并聯機構的運動都是在水平、垂直和水平剛度必須在豎向剛度特征通常低于水平僵硬，因為它的角色在垂直懸臂梁的截面尺寸計算每一束平面并聯機構和相對位置的線性驅動器是兩個非常僵硬的影響因素的系統。 運動支鏈可分為三類："主動鏈（由驅動器賦予確定獨立運動的支鏈。一般是單驅動器控制一個自由度的運動），從動鏈（不帶驅動器、被迫作確定運動的支鏈。又分為以下兩種：約束鏈：獨立限制機構自由度的從動鏈。冗余鏈：重復限制機構自由度的從動鏈）復合鏈（有單驅動器、但限制一個以上的機構自由度的支鏈，實際是主動鏈與約束鏈的組合）-并聯機構是由這幾種支鏈用不同形式組合起來的。動鏈中的約束鏈除了可以提高機構剛度和作為測量鏈外，其更主要的作用是用來約束動平臺的某一個或幾個自由度，以使其實現預期的運動。 圖-2 仿真模型 2 仿真模擬結果 在本節中，平均位移的末端是用來描述動態剛度，這是在不同的配置在不同的線性驅動器向前，從最初的位置的目的地，一般的豎向位移的機械手是作為目標來研究豎向剛度，平均差別的橫坐標、縱坐標點之間有一個剛性數學模型，模型，作為目標來研究水平剛度。 并聯機器人的構型設計即型綜合是并聯機器人設計的首要環節，其目的是在給定所需自由度和運動要求條件下，尋求并聯機構桿副配置、驅動方式和總體布局等的各種可能組合。國內的許多學者正致力于這方面的研究，其中比較有代表性的有如下幾種方法："黃真為代表的約束綜合法；楊廷力等人的結構綜合法；代表的李代數綜合法。以上各種方法自成體系，各有特點，都缺乏理論的完備性。本文提出添加約束法，是從限制自由度的角度出發，增加約束，去除不需要的自由度，因每條主動鏈只有一個驅動裝置，讓其控制一個自由度，其余自由度通過純約束鏈去除，這樣可以使主、從動運動鏈的作用分離，運動解耦，有利于控制。具有三自由度的并聯機床，當采用條主動支鏈作為驅動時，機構就需要約束另三個自由度，通過選擇無驅動裝置的從動鏈來完成，則整個機構成為有確定運動的三自由度的并聯機構。黃真等提出的約束綜合法對完全對稱的少自由度并聯機器人機構進行了型綜合，完全對稱的支鏈結構相同，都屬于復合鏈，每條支鏈除都有一個單驅動器，控制一個自由度外，還應約束一個以上自由度才能使機構的六個自由度全部受控，使機構有確定的運動。 2.1 截面效應 扭轉變形位移的連結將會引起的，所以，扭轉常數的橫截面，重力是研究裝系統來研究，采取扭轉剛度的垂直切片lxx不變的各個環節和梁作為設計變量的變化，從 0.1 x 105mm4 與 3.5 x 105 mm4。 圖-3 不斷的效果在垂直變形扭轉 圖-3顯示了平均位移與截面扭轉常數末端的各個環節和梁，根據它的變化速率的環節，是最大的，AB是鏈接，LJ依次分別GK梁和KM有在豎向剛度性能。其他的仿真結果表明，水平位移之間的差異進行比較，結果表明該模型體育智力H和剛性模型變化小就改變了恒定不變的時候扭加載慣性力的線性驅動器，但是水平位移的變化，這意味著在這種模擬豎向變形的生產水平位移系統機械手。注意端面線性驅動器的主要原因是水平變形、線性驅動器機器人是由兩個節點C和H . 所以，我們計算了不同的Z-coordinate攝氏度之間，如圖所示，在圖4 -扭轉常數的影響差別的鏈接德。其次是最有效的通用和連接梁，連接O3F，梁GK有效果。 因此，應采取AB和連接區段大扭常數的免疫力，豎向剛度較大并行扭轉不變的鏈接德也使較少的均勻性，降低線性驅動器不可以降低水平變形。 圖-4 在不影響扭不變 如圖-5、6所展示的影響是區域慣性轉矩的設計變量是區域剛度和慣性轉矩的各個環節和梁lz，圖顯示增加lw卡爾減少的速度高于垂直位移的不斷增加Ixx扭轉。這個Yxx AB、梁的鏈接，鏈接O3F是Iyy三個主要因素決定了豎向剛度。 圖-6 所示 鏈接的AB、梁公里，連接03F也是其中的三個主要因素決定的均勻性線性傳動裝置、不同的分析結果表明，Izz效果好，具有至少兩個垂直和水平剛度，這意味著這種結構，具有足夠的水平，降低Izz剛度的鏈接和增加Iyy AB、梁的鏈接，鏈接O3F公里的好方法，優化系統。 圖-5 瞬間的慣性效應對垂直位移 圖-6 轉動慣量不平衡的影響 2.2影響的線性驅動器的相對位置 線性執行器的慣性是主要載荷之一，在機械手的運動，不同的相對應的垂直位置產生不同的變形，圖7顯示了絕對平均的最終效應垂直位移時驅動馬達以恒定的加速度旋轉，我們可以看到，過低或過高的相對位置會造成比格變形，最好的位置是一對Z = 24毫米的地方大概是從中間環節連接O3F到 AB. 圖-7 影響線性驅動器的相對位置 3 分析改進的機械手 根據上述模擬結果，所有改進的機械手的設計，時間如下：鏈接截面AB，DE，lJ 與30mm的基礎和高度，10毫米的厚度;鏈接O3F和矩形空心梁與30mm的基礎和高度工型鋼，l0mm法蘭和6mm網;梁競，通用汽車與8mm的堅實基礎和30mm高的矩形。 圖-8 梯形運動姿態 圖-9中回應的是機械手，相比之下，圖-10中提高初始的反應，在其中所有的鏈接和機械手的矩形截面梁的堅實基礎，用30毫米，高度的差異是曲線，C和H的曲線積分，二是垂直位移的末端，改進系統中最大位移0.7Um最初的0.12Um相比，爭論的振動激勵后仍停留在O.06Um±0.15% s±O.05Um相比的初始變形改善系統的初始小于前者具有較少的慣性，因為在相同的步伐不斷加快，保持振動瓣膜差不多一樣，它對這整個系統中來說，仍然改善系統的剛度，幾乎相當于初始制度，針對大規模的平面并聯機構在該系統相比下降了30%，這樣的初始優化是有效的。 圖-9 、 圖-10 動態響應 4 結論 本文設計了一種新型三自由度機械手變量的敏感性進行了研究在ADAMS環境中，可以得出以下結論： 1） 機器人具有較大的水平剛度，最終水平位移，效應主要是由機械手垂直變形造成的，因此，更重要的是增加的幅度比剛度豎向剛度。 2） 參數Ixx，Iyy并鏈接'截面剛度Izz有不同的效應，Iyy已經對垂直剛度的影響最大，Ixx在第二位的是，Ixx具有在垂直剛度的影響最小，他們都較少對水平比垂直剛度剛度。 3） 橫截面的不同環節都有不同的影響，連線豎向剛度AB和德應該使用區扭轉常數和慣性力矩大，如變形、長方形、橫梁KM，，線 03F應該使用區段形梁等重大時刻轉動慣量、橫梁GK，和GM 可以使用盡可能的一小部分，從而降低了質量。 4） 最佳的線性驅動器的相對位置可以減少變形，最好的位置是垂直的平行結構。 5） 改進的機械手的動態分析表明該優化設計方法研究的基礎上的效率。 參考文獻 [ l ] Dasgupta B，Mmthyunjayab T S。 The Stewart platform manipulator：a review。Mechat~m and Machine Theory，200o。35 (1)：15—40 [ 2 ] Xi F，Zhang D，Xu Z，et al。A comparative study on tripod u ts for machine Lo0ls。Intemational Journal of Machine TooLs&Manufacture，2003，43(7)：721—730 [ 3 ] Zhang D，Gosselin C M。Kinetostatic analysis 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R .China) ( ? Robotics Institute, H缸bin Institute of Technolo町，Harbin 15僅見I , P.R.China) Absti古董ct After introducing a novel 3-DOF high speed and high precision manipulator which combines direct driven planar parallel mechanism and linear actuator, ways of increasing its stiffness a陀 studied through dynamics simulation in ADAMS softw缸它 environment . Design study is carried out by parametric analysis tools to analyze the approximate sensitivity of the design V缸iables , including the effects of p缸沮netens of each beam cross section and relative position of linear actuator on model performance. Conclusions a陀 drdwn on the appropriate way of dynamics optimization to get a lightweight and small deformation manipu- lator. A planar parallel mechanism wi出 different cross section is used to an improved manipulator. Re- suits of dynamics simulation of the improved system and another unrefined one 缸e compa配d . η1e sti旺－ ness of them is almost equal , but the mass of 由e improved one decreas臼 greatly , which illustrates the ways efficient . Key words: manipulator, ADAMS, optimization , dynamics simulation 0 Introduction Parallel kinematic manipulatons ( PKM ） 耐 a class of promising machine for the manipulation and assemble of electronic device, because they have some advantages over the serial manipulator, such as high load ca町ing capacity , g0<對 dynamic performance and precise position- ing[1l . A novel hybrid 3-DOF manipulator, which com- bines the advantages of parallel manipulator and serial manipulator, is studied in this paper. As shown in Fig. 1, the manipulator is composed of planar parallel mechanism ( PPM ) including parallelogram structure and linear actuator mounted on the end of PPM . Two A巳 di- 陀ct driven moto囚 integrated high 陀田lution em selected as driven part of planar par茍Ilel mechanism . Lln- 回 actuator is driven by voice coil motor, which is con- sidered as ideal driven part for short travel . As a kind of non-commutated di陀ct 世ive , hysteresis-free, cog-free device, voice coil motor can provide both high 歸sition sensitivity 阻d pert<叩force vensus stroke character. Hi班 precision linear encoder is used as feedback parts to 伊ar- ante悟 出e 陀陰暗tability in vertic況Idirection . Compared with higher degree of freedom parallel ma- nipulator, for example Steward platform or Tricept robot , kinematic and d嚴1amic m叫els of PPM ar吃 simple[ i-3] _ On the other hand , it has higher stiffness 由m 出e serial manipulator because of its close loop feature and low mo- ment of inertia . Meanwhile, the system can ove陀ome the mechanical elasticity introduced by flexible coupling, gear teeth, be白噸，bearing support , connecting shaft and other parts included by classical drive system . So this ma- nipulator is more easily to get well dynamics perfonnance and high p即ision . Planar parallel mechanism Motor Fig.1 3-00F hyhrid structUJ它 manipulator When the length of each link of pl四ar parallel mechanism is d配ided by kinematics analysis and syn出e- sis[4-7l , the primary task of optimal desi伊 should be in- creasing the stiffness and dee陀asing 由e mass. With re- gard to model wi由several par淚neters, it is important and 咀1at makes real time control possible and is mo陀 precise . neees ry to study the influence of each p neter on 田 缸田 ① Supported by 配 High Technology Research and Development Pr咱出nme of China ( No. 2003AA刷刷）） ． ② To whom coπ呵lOndence 動 uld be addressed . E而 mail: l皿 p@ sma. 凹陽 Ri,cpjved on Sept. 29，刻Xl4 維普資訊 h吐p://www .叫v1p.com 64 1-DGH TECHNOLO(,Y LF.ITERSI Vol.12 No. I I Jan. 2(脅 model performance in order tu make fu出er optimization . This paper will carry out design study by parametric anal- ysis tools of ADAMS, and then p陀sent appropriate ways of optimization to get a lightweight and small deformation system . 1 Simulation model ADAMS ( Automatic Dynamic Analy附 of Mechanical System) is a perfect software tool for dynamics simulation of mechanical system . It can deal with mechanism con- sisting of both rigid and flexible parts . Simulation model of the manipulator can be created in the ADAMS environ- ment as shown in Fig.2. OXYZ is the global reference frame , and o.切:yz is local reference frame. Two AC direct driven motors, expressed as 01A and Oi M , and linear actuator CH are t陀ated as rigid 以,dy . 幣1e rotor inertia of motor is 120kg · cm2 . 幣1e mass of linear actuator is 1.5kg. Links AB, DE, 03F and U are tr臼ted a,;; flexible effector is used to characterize the dynamic stiffness, which is different at different configuration during the lin- ear actuator moving fmward from initial position to the destination . 咀1e average vertical displacement of the end- effector is taken as the ob ective to study vertical stiff- n白白. The average difference of X-coordinate and Y『coor- dinate of point H between 由is model and a rigid model is 時cen as the objective to study level 叫iffness. 2 .1 Effect of er鴨 ”ction 。 Torsion defonnations of links will cause vertical dis- placement of the end-effector. So, torsional constants of cross section are studied first . Gravity is loaded on the system to study the vertical stiffness . Take torsional con- stant ι f section of each link and beam as design vari- able which varies from 0.1 x la5mm4 to 3 .5 x Ia5mm4 . Fig. 3 shows the average displacement of 由e end-effector body. Beam『 GK , GM and KM , which form a triangle, 即e also treated as flexible body . The length of links a陀 decided in advance by kinematics design a,;; AB ＝的F """ 7cm, DE = IJ = 7cm , GK = 7cm , GM = 11.66cm, KM = 8.338cm . 響1e other dimensions in the figure a陀 01 A = 02 M = 7cm, CB = CD = HJ ::: 2.5cm , EF = EC = JK = 3cm. Although the gross motion of planar parallel mecha- nism is in level, ho由 the vertical and level stiffness has to be considered . And the vertical stiffness is usually less than the level stiffness because of its cantilever character in vertical plane. 咀1e cross section size of each beam of -0.00相 r句Q士、 -0. 0013 ?！蕖? ，，-0.00’4 ?！匏? -0.00咀 -0.00’7 。由17 ?！尴? 0.0 0 $ ，．-- 壺 ’‘’ 1-link 03F 2-link AB 3-link DE ←→且也日 5-beam GK 6一戰am GM 7 斗:,eam KM ，。 ’5 2.0 2.5 3.0 3.6 T惆ional cons陽ts (105mm勺 planar parallel mechanism and the relative position of lin- ear actuator 缸e two important factors that affect the stiff- ness of the system. Therefore, the following study is done in these respects . Fig.2 Simulation mudd 2 Simulation r四時t In this section , the average displacement of the end- Fig. 3 Effect of torsional constant on vertial deformation versus cross section torsional constant of each link and be卻n . According to it , the change rate of link AB is the biggest . Next is link DE ，日in tum res嚴ctively . B創ms GK and KM have the least eff白t on vertical stiffness. Other simulation shows that level displacement difference of point H between this model and a rigid model changes little with respect to a change in the torsional constant when constant level inertia force is loaded on the linear actuator. But the level displacement of the end-effector changes in 出is simulation . η1at means vertical deforτna- tion of the system should produce level displacement of end回effector. Note that unevenness of the linear actuator is the main cause of level defonnation of end-effect肘，and the linear actuator is supported by two joints C and H. So we calculate the difference of Z -coordinate between 陽int C and H . As shown in Fig. 4, torsional constant of link DE affects the difference 出e most efficiently . Next is k田n GM and link U in order. Link 03F and beam GK have the leai;;t effect . 咀1erefore, links AB and DE should adopt se<;tion 維普資訊 h即／八il'WW.cqv1p .com HIGH TECHNOLC見Y IEITERSI Vol.12 No. l lJan. 2α)6 65 with big torsional constant to enhance the vertical stiff- ness. Bigger torsional constant of link DE also caus臼less unevenness of the linear actuator . Decreasing the uneven- ness can reduce the level deformation . 2-link AB  stant ι ．四e Irr of link AB , beam KM and link 03F are 出e three main factors that decide the vertical stiffness. Fig. 6 shows the Irr of link AB , beam KM and link 03F 缸它 also the three main facto陀 that decide the unevenness of the linear actuator. Di征erent analysis shows that I,, has the least effect on b 由 vertical and level stiffness . 幣iat means this kind of structure has enough level stiffness. So 4一UnmkUGM d asing I,, of links and increasing ”’ of link AB, －be晦 配陀 beam KM and link 03F 缸它 the good ways to optimize the system . 2.2 Effect of the relative position of linear ac陽ator 3.7 3.6  QO 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.。 3.5 Torsional constants (1l?mm4) η1e inertia of linear actuator is one of the main loads during the motion of manipulator . Different relative ve民i- cal position should produce different deformation . Fig. 7 Fig.4 Effect of torsional constant on unevenness What Fig聲 .5 and 6 show are the effects of area m G （EE一守LD己 言ωERE昏時唱g－ 百多 .0.αJ05 shows the absolute average vertical displacement of end- effector when the driven motors rotate at a constant accel- eration . We can see that too low or too hi班 時ative posi- tion will cause bigger defonnation ．咀1e best position is at a如ut Z = - 24mm where is approximate the midst from link AB to link 03F. m E 。 ’6 m A .0.0025。。 4一link u 6 beam GM 0.5 1.0 1.5 Moments of iner由（llfmm‘｝  J d O D41 l AB 亞 刷 E u 2.0 2.5 ] Fig.5 Effect of moments of i陽rtia on vertial defo回國lion 。。  0.0 -?J.0  -40.0 .10.0 Z-coordinate (mm)  篇。 eoo 1 」ink 03F 3---link DE 5一悅am GK 2一link:AB 4--link 日 6--bE姐m GM  Fig.7 Effect of relative position of linear actuator 3 --5 ＂’ ι乙 』 回南.：：：.－..乓芫叫 .. · 、、 3 Analysis of an improved manipulator According to above simulation result , an improved manipulator is designed as follows : cross s創ions of links AB , DE ，日在附 hollow rectangle with 30mm b出e and 2.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 height , 10mm thickne制；link 向F and beam KM 町e I- Moments of inertia (105mm‘） Fig. 6 Effect of moments of inertia on unevenness moment of inertia on the stiffness. 'lbe design variable is 臟a moment of inertia lyy and ι of each link and beam . Fig. 5 shows that inc陀兇e of Irr can 配duce the vertical deformation more rapidly than increase of torsional con- beam with 30mm ba

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