新型4-UPS-UPU并联坐标测量机刚柔耦合动力学性态

　　0　引　言

　　并联式坐标测量机是一种全新的坐标测量系统[1-2],是对串联机构坐标测量机应用局限的补充。并联式坐标测量机在外载荷及周期性变化的惯性力的作用下,运动构件将产生一定程度的弹性变形,从而导致测量机的运动误差、运动构件及测量机系统的弹性振动,使测量机的运动学、动力学性能和测量精度大大降低。对于具有较高精度和性能要求的并联坐标测量机,必须考虑其构件的弹性因素。因此,并联式坐标测量机系统实质上是一个空间多闭环、多柔体与刚体耦合的动力学系统。

　　M.Giovagnoni[3]提出了用虚功原理对闭链柔性机器人进行弹性动力学分析的方法。Wang等[4]提出了一种闭链柔性杆机构的子结构动力学建模方法,应用有限元法和Craig-Bampton理论建立了平面3-PRR柔性连杆并联机器人的动力学模型,分析了动平台的响应和连杆末端的振动。Zhou等[5]采用有限元理论建立了3-PRS柔性机器人的动力学模型,对其进行了振动分析。Zhang等[6]利用假设模态法建立了3-PRR柔性杆并联机器人的动力学模型,通过对模型进行数值仿真和实验模态测试验证了理论模型的正确性。杜兆才等[7]运用弹性动力学理论和Lagrange方程推导出柔性并联机器人的动力学模型,以平面3-RRR柔性并联机器人为例,说明模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。于淼等[8]把多柔性系统动力学的建模方法引入虚拟轴混联研抛机床的动力学分析中,应用Lagrange方程建立了空间刚-柔耦合多柔体系统非线性动力学方程。刘善增等[9]利用KED方法建立了空间3-RRS柔性并联机器人的弹性动力学方程,分析了系统固有频率与机构基本参量之间的关系。但迄今为止,国内外学者针对并联机器弹性动力学建模、分析方法及实验的研究还很不成熟,而且并联机器弹性动力学模型建立和求解过程都非常复杂,特别是建立精细的并联机器弹性动力学模型相当困难。

　　因此,不建立数学模型实现并联机器弹性动力学性态的分析,以提高测量机运动学、动力学性能,并推动其在工程实际中的应用已成为并联坐标测量机研究的一个重要方向。

　　本文以具有三维移动、两维转动的4-UPS-UPU并联式空间五坐标测量机为例,协同利用SolidWorks、ANSYS和ADAMS平台,建立该测量机的刚柔耦合虚拟样机,并应用此模型对测量机的位移输出响应、速度输出响应、加速度输出响应、驱动杆动应力和固有频率等动力学性态进行仿真分析。本文研究结果可为测量机的动力学参数优化设计提供理论参考。

　　1　测量机机构