机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 88-103.doi: 10.3901/JME.260409
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祝高永1,2, 鹿业波1, 张玲玲2, 叶伟3, 杨超1,4
ZHU Gaoyong1,2, LU Yebo1, ZHANG Lingling2, YE Wei3, YANG Chao1,4
摘要: 为了解决并联机构多闭环多约束特征带来的动力学和刚度建模困难,提出了一种同时适用于预设计阶段与样机设计阶段的并联机构弹性动力学与刚度建模一体化方法。该模型首先基于矩阵结构分析方法建立每一个离散体的单元刚度和质量矩阵,然后结合多点约束理论与机构约束方程提取机构全局坐标系下的全局独立广义位移坐标,结合拉格朗日方程建立机构的弹性动力学方程,结合静态缩聚技术建立反应出口节点的静刚度模型。基于拉格朗日方程和整体刚度矩阵建立反映机构刚度极值与各向同性的椭球指标,采用多目标遗传算法建立多目标优化问题的Pareto前沿,进一步结合合作平衡点方法确定最优解,在此基础上开展并联机构样机设计,借助有限元软件提取涉及非规则横截面的零部件的刚度和质量矩阵,并替换预设计阶段梁单元刚度和质量矩阵,实现3PRRR并联机构三维模型性能的快速评估。提出的弹性动力学与刚度一体化模型与有限元仿真软件的最大误差在1.48%之内,优化前后机构的基频、线刚度与角刚度各向同性指标分别提升了2.3%、19.05%与43.75%,最后基于螺旋理论开展的连杆横截面的合理设计进一步提高了机构的性能指标,验证了本文模型的正确性与有效性。
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