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1、汕头大学学士学位论文三自由度运动模块3UPS-RU刚度分析、仿真与优化Stiffness analysis, simulation and optimization of a motionmodule 3UPS-RU with three degrees of freedom摘要本文紧密结合现阶段制造领域以及自动化领域对三自由度运动模块的需求，详细地研究了三自由度并联模块3UPS-RU的自由度、运动学分析、正反解仿真、动静刚度分析、整体优化设计等内容，主要取得研究成果包括：首先运用Kutzbach-Gruler公式分析机构的自由度，建立坐标系并通过运动学分析推导机构位置反解和位置正解表达式。根
2、据速度映射和力映射分析推导速度雅可比和力雅可比并分析两种之间的联系。应用三维建模软件SolidWorks进行三维建模并验证机构自由度。将实体模型导入ANSYS Workbench中并添加惯性约束、材料参数与几何约束，通过ANSYS Workbench对模型进行结构静力分析学，得到机构在不同位姿的各向静刚度、总体变形、应力等变形参数。利用模态分析得到机构不同模态下的频率和振型。通过谐响应分析得到机构在的频响函数，以预测和避免共振等现象。运用瞬态动力学分析得到机构在运动时的动刚度变化情况。通过DesignXplor优化模块中的响应曲面优化法，对支链的杆进行结构优化，并对底盘进行拓扑优化。通过模态分
3、析对机构进行一级固有频率优化，得到动态优化结果。对比和分析优化前后的刚度、质量等参数确定优化的情况，最终确定机构的结构参数和惯性参数。通过在ANSYS Workbench中的运动分析分析模块对模型进行运动仿真。在运动正解的情况下，得到支链的杆的位移、动平台的角度变化运动参数。在运动学反解的情况下，得到支链中杆的位移、速度变化运动参数。本论文将对于3UPS-RU并联模块的工程应用和理论分析有一定的参考意义。关键字：3UPS-RU并联结构；刚度分析；机构仿真；优化设计； AbstractThis thesis has a detailedly analysis of degree of freed
4、om, kinematics, simulation of inverse kinematics and forward kinematics, stiffness and optimization. Which has a closed connection with the need in the period of manufacturingand automation. The main research contentsinthis thesisincludethefollowing aspects.Firstly, Using the Kutzbach-Gruler formula
5、 to analysis the DOF of the mechanism. Deducing the expression of inverse position and forward position through establishing coordinate system and kinematics analysis. According to the mapping of force and velocity, Jacobi matrix of force and velocity can be constructed and the connection of these t
6、wo matrix can be obtained.Using the 3D modeling software SolidWorks to constructed the mode of 3UPS-RU Parallelmodule and confirm its DOF. With the using of ANSYS Workbench software, the structural static analysis can be obtained, its static stiffness of different position, total deformation and str
7、ess can be explicated. Importing the mode of 3UPS-RU parallelmodule into ANSYS Workbench and load inertia constraints,material parameters and geometric constraints. Through modal analysis, different natural frequency and vibration mode in different modal can be obtained. Frequency response of mechan
8、ism can be constructed by the using of harmonic response in order to predict andavoid resonance phenomenon. The change of dynamic stiffness can be obtained by usingtransient dynamic analysis model.The response surface optimization module in DesignXplor can be used in the structure optimization of 3U
9、PS-RU parallelmodule and topological optimization can be used in the fixed platform. Using modal analysis to continue the first order natural frequency optimization in order to obtained a dynamic optimization results. Structural parameter and inertial parameter can be confirmed due to the compare an
10、d analysis of stiffness and mass before and after the optimization.Through the rigid dynamics analysis modulein ANSYS Workbench, kinematic simulation of 3UPS-RU parallelmodule can be obtained. In the condition of forward kinematics, the displacement of branched rods and the angle variation of moving
11、 platform can be obtained. Also, the displacement parameter and velocity parameter of branched rods can be obtained in the condition of inverse kinematics.This thesis have certain significance for the engineering application andtheoretical analysis for the 3UPS-RU parallelmodule.Keywords: 3UPS-RU Pa
12、rallel Manipulator; Stiffness analysis; Mechanism Simulation; Optimization design.目 录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1并联机器人的介绍及应用11.1.1并联机器人的介绍11.1.2并联机器人的应用11.2并联机器人国内外发展现状41.3并联机器人的刚度研究分析现状41.4本论文的主要研究内容及意义51.5本章小结5第二章 3UPS-RU并联模块运动学分析72.1 引言72.2 3UPS-RU并联机器人自由度分析72.3 3UPS-RU并联机器人运动学分析72.3.1 机构描述与坐标系的建
13、立72.3.2 机构位姿分析92.3.3 机构位置反解102.3.4 机构速度雅可比矩阵的建立112.3.5 机构力雅可比矩阵的建立132.4 本章小结14第三章 3UPS-RU并联模块刚度分析153.1 引言153.2静刚度模型的建立153.3静刚度有限元分析153.3.1三维模型的建立153.3.2 ANSYS Workbench14.0简介163.3.3 有限元模型的建立163.3.4 静刚度解算分析173.4模态分析273.5 谐响应分析293.6 本章小结30第四章 3UPS-RU并联模块优化334.1引言334.2 静刚度优化334.2.1 ANSYS优化方法介绍334.2.2 伸
14、缩杆结构优化分析334.2.3 底盘的拓扑优化354.2.4 优化前后比较374.3 动刚度优化394.3.1 一阶固有频率优化394.3.2 优化前后比较414.4机构参数的确定454.5 本章小结45第五章 3UPS-RU并联模块运动仿真475.1 引言475.2 3UPS-RU并联机构的仿真475.2.1 机构仿真模型的建立475.2.2 机构仿真模块的介绍475.2.3 机构正解仿真分析475.2.4 机构反解仿真分析50 5.3 本章小结53第六章 总结与展望556.1 总结556.2 展望55参考文献56致谢57作者简介58 I第一章 绪 论1.1并联机器人的介绍及应用1.1.1并
15、联机器人的介绍并联机器人为动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构1 曹毅.六自由度并联机器人奇异位形的研究:博士学位论文.燕山大学,2005。由澳大利亚机构学著名教授Hunt在1978年提出，到80年代中期，仅有McDowell、Earl、Fichter、等寥寥无几的人研究且研究成果不多。到80年代末90年代初，并联机器人才受到较大的注意2 黄真.并联机器人机构学理论及控制M.北京:新华书店, 1997 :3-4。从90年代后开始，各国不同学者对并联机器人的研究开始成为机器人学科领域一个热门的主题。并联机器从此开始应用于并联机床等领域并取得一系列的成果，被誉为“21世纪新一代机床的范例”3 刘善增,余跃庆,杜兆才,杨建新.并联机器人的研究进展与现状J.组合机床与自动化加工技术，2007(7)。21世纪，并联机构普遍应用于航天、医疗、机械等方面，并联机构已成为广阔的发展前
