基于6—UPS并聯(lián)構(gòu)型的運動學(xué)建模與仿真

李曉剛+林新峰+胡耀增

摘 要：為了更好的對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和了解機構(gòu)的運動特性，對機構(gòu)進行運動學(xué)仿真分析是一種常要的研究方法;本文針對6-UPS并聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)，用adams軟件對其運動學(xué)的位移、速度、加速度進行仿真分析，并觀察驗證其合理性。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機構(gòu);6-UPS;adams仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.106

0 前沿

由于并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計和計算比較費時費力，因此研究者不斷地在尋找一種實用的方法以解決這個問題，借鑒于新的科學(xué)技術(shù)，許多最新的高效的大型綜合的動力學(xué)仿真軟件都集成了許多強大的仿真和后處理功能，通過這些功能可以較快的建立仿真模型和對模型進行仿真研究，從而避免了求解繁瑣的方程組。

1 6-UPS并聯(lián)機構(gòu)建模

通常一個復(fù)雜的并聯(lián)機構(gòu)包含許多簡單的實體構(gòu)件，本文在對設(shè)計和仿真結(jié)果不產(chǎn)生影響的情況下，對整個機構(gòu)進行了必要的簡化，并添加必要的約束。建立6-UPS并聯(lián)平臺簡化后的虛擬樣機模型如圖1所示：

2 虛擬樣機工作環(huán)境的設(shè)置

為了使樣機模型仿真結(jié)果和后處理結(jié)果的輸出方便，本文對影響虛擬樣機的結(jié)果輸出可能產(chǎn)生的影響的相關(guān)因素進行了相關(guān)修改設(shè)置：選取通用的國際單位制，設(shè)置適當比例和重力的方向;為了方便區(qū)別和找尋某個部件，對部件的名稱進行了重命名，并用不同顏色進行區(qū)分。

建立完六自由度并聯(lián)平臺的虛擬樣機模型后，添加各種約束來約束和限制多余的約束，確保各個構(gòu)件組成一個完整的機械系統(tǒng)。

對虛擬樣機添加完約束之后，然后添加相應(yīng)的驅(qū)動，對動平臺中心點添加的點驅(qū)動函數(shù)如公式如1所示：

（1）

3 并聯(lián)平臺運動學(xué)的仿真

由于力和力矩對并聯(lián)平臺作用的情況產(chǎn)生的影響不是很大，這里對其不在考慮。由于并聯(lián)平臺的運動不是某個構(gòu)件的單一運動，而是許多構(gòu)件的協(xié)調(diào)運動，因此其驅(qū)動函數(shù)復(fù)雜且難以準確的確定，因此在仿真時，本文從運動學(xué)逆解著手來研究，觀察并且查看其是否發(fā)生部件相互干涉的情況和是否能夠達到預(yù)期的運動狀態(tài)。就并聯(lián)平臺而言，最能體現(xiàn)運動平臺的運動性能的是空間螺旋線運動。本文在保證各個鉸鏈在約束范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，同時通過添加空間螺旋線運動來進行運動學(xué)仿真，其空間運動運行軌跡如圖2所示。在運動平臺運動公式用如（2）所示的函數(shù)表示動平臺中心點的運動規(guī)律：

（2）

對動平臺中心點添加方程組（2）所表示的運動函數(shù)，并對其進行逆解處理。在求解的過程中，動平臺中心在X和Y軸都是做正弦運動，且振幅不斷逐漸增加;而在Z軸則做直線運動，則此時動平臺中心點的各參數(shù)個曲線如圖3、4、5、6、7。

通過對圖3可以分析，動平臺中心點的位移沿Z方向做勻速直線運動，沿X和Y方向做振幅逐漸增大的正弦運動，合位移是X、Y、Z三個方向在空間的合成。

通過圖4和圖5可以看出，動平臺中心點速度沿Z方向做勻速運動，加速度為零;速度和加速度沿X、Y方向做振幅逐漸增大的正弦運動;合成方向速度和加速度則是對應(yīng)的各個方向速度在空間的合成。

從圖6和圖7可以看出，動平臺中心點角速度和角加速度在X和Y方向先增大后減小，角速度是按照近似正正弦運動，以2.6秒為分界線，加速度在2.6秒取得最值;而在Z方向加速度呈現(xiàn)出是先減小后增大的變化趨勢，在2.6秒達到了極小值。由于在2.6秒是角速度發(fā)生改變的時間，所以在角加速度的極大值發(fā)生在2.6秒，不論怎么變化，其合成角速度恒為正值。

4 結(jié)論

本文利用虛擬仿真分析軟件強大的建模和分析功能，對并聯(lián)機構(gòu)進行仿真，并對速度加速度和位移分析，并對模型參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，不僅縮短了研發(fā)周期的同時使得成本得到了降低，而且大大地提高了工作效率。

參考文獻：

[1]王知行，陳輝，石勇.用七軸聯(lián)動并串聯(lián)機床加工汽輪機葉片[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2002（06）： 31-32.

[2]江崇民，王振宇，王哲元.XNZD2415型數(shù)控龍門并聯(lián)機床簡介[J].機械工程師，2003（02）：53-54.

[3]黃玉美，史文浩，高峰等.混聯(lián)式六軸聯(lián)動數(shù)控機床6PM2的方案創(chuàng)新[J].制造技術(shù)與機床，2003（06）：20-21.

[4]王希民，史家順，胡明等.PTT滑塊式并聯(lián)鋼錠修磨機床的開發(fā)[J].機械制造，2003（11）：29-31.

[5]M. Weck，D. Staimer. Application Experience with a Hexapod Machine Tool for Machiningcomplex Aerospace Parts[J]. The 3rd Chemnitz Parallel Kinematics Seminar. Chemnitz，Germany，2002： 807-815.

作者簡介：李曉剛（1986-），男，山東臨沂人，碩士研究生，助教，研究方向：機械工程。endprint