基于柔性多体动力学的并联机构动态特性研究及优化分析

成果基本信息
关键词：	多体动力学;并联机构;动态特性
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	360-16-18270032	资源采集日期：	2017-02-20

研究情况
单位名称：	沈阳建筑大学	技术水平：
评价证书号：	11001507-1672	评价单位：	国家自然科学基金委员会
评价日期：	2015.04.24	评价证书号：	11001507-1672

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
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成果简介
并联机构因其为闭环机构链，理论上具有好的动态特性、高的精度和结构刚度等优势，自1994年以来已经引起学术界和工业界的广泛关注。近10年来，国内外对并联机构进行了许多研究并提出了多种构型，申请了大量有关专利，国外已有一批并联构型的机床成功地进入商业市场并得到一定范围的应用。将并联机构轻、小型化，以期作为高速、高精度执行机构一直是并联机构学工作者和工程界关注的研究热点之一。对这类机构的性能要求为在高速运行状态下，末端在作业空间内精确达到预定点位；以给定末端点位预定精度为约束，尽量提高其速度和加速度，以便有效地缩减操作时间，提高生产率。从机械系统动力学观点看，要实现上述目标必须保证机构系统具备良好的动态特性，这就需要深入系统地研究并联机构的动力学特性与动态特性。另外并联机构作为金属切削机床用于加工时，其动态特性的优劣对加工精度和切削过程稳定性方面具有很大的影响，机床切削时的振动和变形将显著影响机构的加工质量，其动态特性直接影响加工精度和质量。因此，必须对其进行详尽的结构动态特性分析，并以其为基础进行结构优化，使有限的空间和有限的材料能最大限度地发挥其性能，保证整个机构的结构布局和性能达到最优。　　我国已研究问世的大多数并联构型机床均存在动态刚度和加工精度较低的共同问题，机构的动态特性在整个工作空间内具有高度非线性，难以对其进行很好的改善，这严重影响和制约并联机床合理切削参数的选择、数控编程和使用性能。它已成为阻碍我国并联构型机床产业化进程的共性关键技术，影响了其产品成功进入市场，也影响了社会对并联机构的期望热情和认同程度。这是我们应用基础理论研究工作者目前迫切需要深入进行研究和给予解决的问题。抓住新技术起步阶段的时机，面向我国具体的生产和市场环境，尽快解决其关键瓶颈技术问题，开发新型并联机构产品并实现产业化，其意义十分巨大。　　本项目涉及先进制造技术、计算机技术、有限元理论、振动理论及多体动力学理论，是一项多学科交叉的科技前沿课题。随着计算机技术的快速发展，将多学科的先进技术和理论综合研究并联机构的重点和难点问题，并进行广泛而深入的理论研究，为并联机构的研究开辟一条新的研究途径。　　本项目以3-TPT并联机构为研究对象，综合考虑机构的杆件柔性、关节结合部柔性以及关节间隙等因素，提出了一种基于机构柔性多体动力学理论的提高并联机构动态特性的研究方法，并通过建立参数化的机构多体动力学仿真模型进行仿真验证，最后通过实验来修正理论模型并验证优化的效果。综上所述，本项目的主要论点：　　1、针对并联机构在高速高精度加工方面的特点，考虑机构杆件柔性、关节结合部柔性、关节间隙等因素的影响，建立整个机构的柔性多体动力学完整的非线性模型，研究机构的多体动力学特性以及其在不同位姿、不同载荷情况下机构整机的等效刚度和阻尼的非线性特性和变化规律；分析机构的几何参数以及动力学参数对动态性能的影响规律。　　2、在柔性多体动力学模型的基础上，推导柔性杆件的变形量、关节刚度和阻尼与整个机构的等效刚度和阻尼之间的关系，得到等效刚度和阻尼系数特性在机构运动过程中的变化规律，确定柔性杆件变形量、关节刚度和阻尼对机构动态特性的影响规律和变化范围；分析机构的几何参数、动力学参数对机构固有频率、动态响应等动态特性的影响规律；建立机构动刚度和动态误差的理论模型，分析机构的动力学参数对其动刚度和动态误差的影响规律；以实现运动规划的驱动力矩和动态位置误差两项性能的最优为目标函数进行优化，提出优化设计方案。　　3、利用多体动力学仿真软件，研究复杂机构的柔性多体动力学参数化建模方法，建立机构的参数化仿真模型，对机构的动态响应、驱动力矩和固有频率等动态特性进行仿真计算，并利用此参数化模型以提高动刚度和优化驱动力矩为目标对机构进行优化分析，对理论分析和优化方案进行仿真和修正。　　本项目的主要创新点如下：　　1、综合考虑杆件柔性和关节结合部柔性、关节间隙的影响，建立机构完整的柔性多体动力学模型，并结合实验对模型进行修正和完善；　　2、研究并联机构的动刚度和动态位置误差；以实现机构运动规划的驱动力矩和动态位置误差两项性能最优为目标函数进行机构优化，提出机构优化设计方案。　　3、实现复杂机构的多体动力学系统的参数化建模，形成一套完整的参数化建模方法，在此基础上对机构的动态特性进行仿真和优化。　　项目针对并联机构动态特性差和高度非线性这一关键共性问题，对其在进行柔性多体动力学理论和实验研究基础上，以动刚度和动态误差为重点研究对象分析其动力学参数对机构的动态特性的影响规律，建立动态特性优化的目标函数，寻求有效改善机构动态特性、优化机构结构的技术途径，解决其技术实现的主要理论和技术关键问题，提高机床加工精度和效率，为推动我国并联机床技术理论发展和实现实用化和产品化提供理论基础和关键技术。

成果名称：	基于柔性多体动力学的并联机构动态特性研究及优化分析	关键词：	多体动力学;并联机构;动态特性
成果类别：		一级分类名称：	机械制造
二级分类名称：	机械学	三级分类名称：
研究起止时间：	2012.01 至2014.12	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	沈阳建筑大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：	TH113	课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	51105258
经费实际投入额（万元）：	25.00	评价单位：	国家自然科学基金委员会
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2015.04.24	转让范围：
评价证书号：	11001507-1672	推荐单位：
推广形式：	无	成果登记号：	360-16-18270032
成果简介：	并联机构因其为闭环机构链，理论上具有好的动态特性、高的精度和结构刚度等优势，自1994年以来已经引起学术界和工业界的广泛关注。近10年来，国内外对并联机构进行了许多研究并提出了多种构型，申请了大量有关专利，国外已有一批并联构型的机床成功地进入商业市场并得到一定范围的应用。将并联机构轻、小型化，以期作为高速、高精度执行机构一直是并联机构学工作者和工程界关注的研究热点之一。对这类机构的性能要求为在高速运行状态下，末端在作业空间内精确达到预定点位；以给定末端点位预定精度为约束，尽量提高其速度和加速度，以便有效地缩减操作时间，提高生产率。从机械系统动力学观点看，要实现上述目标必须保证机构系统具备良好的动态特性，这就需要深入系统地研究并联机构的动力学特性与动态特性。另外并联机构作为金属切削机床用于加工时，其动态特性的优劣对加工精度和切削过程稳定性方面具有很大的影响，机床切削时的振动和变形将显著影响机构的加工质量，其动态特性直接影响加工精度和质量。因此，必须对其进行详尽的结构动态特性分析，并以其为基础进行结构优化，使有限的空间和有限的材料能最大限度地发挥其性能，保证整个机构的结构布局和性能达到最优。　　我国已研究问世的大多数并联构型机床均存在动态刚度和加工精度较低的共同问题，机构的动态特性在整个工作空间内具有高度非线性，难以对其进行很好的改善，这严重影响和制约并联机床合理切削参数的选择、数控编程和使用性能。它已成为阻碍我国并联构型机床产业化进程的共性关键技术，影响了其产品成功进入市场，也影响了社会对并联机构的期望热情和认同程度。这是我们应用基础理论研究工作者目前迫切需要深入进行研究和给予解决的问题。抓住新技术起步阶段的时机，面向我国具体的生产和市场环境，尽快解决其关键瓶颈技术问题，开发新型并联机构产品并实现产业化，其意义十分巨大。　　本项目涉及先进制造技术、计算机技术、有限元理论、振动理论及多体动力学理论，是一项多学科交叉的科技前沿课题。随着计算机技术的快速发展，将多学科的先进技术和理论综合研究并联机构的重点和难点问题，并进行广泛而深入的理论研究，为并联机构的研究开辟一条新的研究途径。　　本项目以3-TPT并联机构为研究对象，综合考虑机构的杆件柔性、关节结合部柔性以及关节间隙等因素，提出了一种基于机构柔性多体动力学理论的提高并联机构动态特性的研究方法，并通过建立参数化的机构多体动力学仿真模型进行仿真验证，最后通过实验来修正理论模型并验证优化的效果。综上所述，本项目的主要论点：　　1、针对并联机构在高速高精度加工方面的特点，考虑机构杆件柔性、关节结合部柔性、关节间隙等因素的影响，建立整个机构的柔性多体动力学完整的非线性模型，研究机构的多体动力学特性以及其在不同位姿、不同载荷情况下机构整机的等效刚度和阻尼的非线性特性和变化规律；分析机构的几何参数以及动力学参数对动态性能的影响规律。　　2、在柔性多体动力学模型的基础上，推导柔性杆件的变形量、关节刚度和阻尼与整个机构的等效刚度和阻尼之间的关系，得到等效刚度和阻尼系数特性在机构运动过程中的变化规律，确定柔性杆件变形量、关节刚度和阻尼对机构动态特性的影响规律和变化范围；分析机构的几何参数、动力学参数对机构固有频率、动态响应等动态特性的影响规律；建立机构动刚度和动态误差的理论模型，分析机构的动力学参数对其动刚度和动态误差的影响规律；以实现运动规划的驱动力矩和动态位置误差两项性能的最优为目标函数进行优化，提出优化设计方案。　　3、利用多体动力学仿真软件，研究复杂机构的柔性多体动力学参数化建模方法，建立机构的参数化仿真模型，对机构的动态响应、驱动力矩和固有频率等动态特性进行仿真计算，并利用此参数化模型以提高动刚度和优化驱动力矩为目标对机构进行优化分析，对理论分析和优化方案进行仿真和修正。　　本项目的主要创新点如下：　　1、综合考虑杆件柔性和关节结合部柔性、关节间隙的影响，建立机构完整的柔性多体动力学模型，并结合实验对模型进行修正和完善；　　2、研究并联机构的动刚度和动态位置误差；以实现机构运动规划的驱动力矩和动态位置误差两项性能最优为目标函数进行机构优化，提出机构优化设计方案。　　3、实现复杂机构的多体动力学系统的参数化建模，形成一套完整的参数化建模方法，在此基础上对机构的动态特性进行仿真和优化。　　项目针对并联机构动态特性差和高度非线性这一关键共性问题，对其在进行柔性多体动力学理论和实验研究基础上，以动刚度和动态误差为重点研究对象分析其动力学参数对机构的动态特性的影响规律，建立动态特性优化的目标函数，寻求有效改善机构动态特性、优化机构结构的技术途径，解决其技术实现的主要理论和技术关键问题，提高机床加工精度和效率，为推动我国并联机床技术理论发展和实现实用化和产品化提供理论基础和关键技术。
联系人：	钱施光	成果登记日期：	2016-12-20
联系人email：		单位代码：	92100106
邮政编码222：	110168	联系人电话：	024-24693178
单位传真：	024-24690111	单位通讯地址：	辽宁省沈阳市浑南高新技术产业开发区浑南东路9号
单位所在省市：		单位电话：	024-24690019
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2016	知识产权形式：
成果完成人：	朱春霞	资源采集日期：	2017-02-20

基于柔性多体动力学的并联机构动态特性研究及优化分析

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