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        3—RPS柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真

        2014-02-10 01:44:01孟彩茹等
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年4期
        關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)學(xué)

        孟彩茹等

        摘 要:對(duì)具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真。首先,以3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),將機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副用柔性鉸鏈代替,研制了一臺(tái)具有三自由度的精密定位機(jī)構(gòu);其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺(tái)等效為偽剛體模型,利用齊次坐標(biāo)變換方法和矢量閉環(huán)方法構(gòu)建其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;最后,利用軟件RecurDyn進(jìn)行仿真分析,測(cè)量出其位移與速度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明所建立的機(jī)構(gòu)理論模型合理,且機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。

        關(guān)鍵詞:柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu);偽剛體模型;運(yùn)動(dòng)學(xué)

        引言

        隨著納米技術(shù)的興起與迅猛發(fā)展,具有高分辨率和高精度的超精密定位機(jī)構(gòu)在近代科學(xué)的研究領(lǐng)域以及尖端工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著越來越重要的角色,它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為各國(guó)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

        運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)械系統(tǒng)分析中的首要問題。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要包括求解機(jī)構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置、速度以及加速度的關(guān)系[2]。全柔性機(jī)構(gòu)的首要目標(biāo)就是精確實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng),因此對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究在機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位[3]。

        1 機(jī)構(gòu)描述

        如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)的仿真模型。該機(jī)構(gòu)的定平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位于三個(gè)平行板式柔性鉸鏈中,通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動(dòng)與之相連的桿件進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)整個(gè)柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)的目的。

        2 建立偽剛體模型及分析

        普渡大學(xué)的Her I為了體系化的研究柔性機(jī)構(gòu)問題,提出了“偽剛體模型”的概念,該方法是將柔性桿與柔性運(yùn)動(dòng)副等效簡(jiǎn)化為相應(yīng)的剛性桿、剛性運(yùn)動(dòng)副所組成的純剛性模型,再利用剛性體結(jié)構(gòu)學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和綜合[4]。

        2.1 機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

        2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析

        用封閉向量表示,如圖3所示

        2.3 速度分析

        3 基于RecurDyn的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

        3.1 基于ANSYS創(chuàng)建*.rfi文件

        在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步:

        (1)在ANSYS中建立有限元模型:用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實(shí)體模型,將其導(dǎo)入ANSYS里,選擇求解精度較高的Solid45單元,它是一種高階單元,適于各種較復(fù)雜的實(shí)體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料,這里均采用45號(hào)鋼,在ANSYS中對(duì)應(yīng)的材料彈性模量為2.1e11Pa,泊松比為0.3,密度為7850kg/m3。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        3.2 基于RFlex進(jìn)行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真

        4 結(jié)束語

        (1)對(duì)該機(jī)構(gòu)建立了“偽剛體模型”,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,建立了逆解、速度模型,在此基礎(chǔ)上,對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。(2)利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn提供的RFlex方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在仿真結(jié)束后,測(cè)量出了各支鏈的位移,速度的數(shù)據(jù)和曲線。為該柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)的后續(xù)研發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

        [2]王國(guó)強(qiáng),張進(jìn)平,馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

        [3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設(shè)備的精密定位工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)[D].天津:天津大學(xué)出版社,2010.

        [4]楊啟志,馬履中,謝俊,等.三平移全柔性并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(11):110-113.

        作者簡(jiǎn)介:孟彩茹(1980-),女,河北省無極人,講師,博士,主要從事工程機(jī)械開發(fā)與應(yīng)用以及機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。endprint

        摘 要:對(duì)具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真。首先,以3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),將機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副用柔性鉸鏈代替,研制了一臺(tái)具有三自由度的精密定位機(jī)構(gòu);其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺(tái)等效為偽剛體模型,利用齊次坐標(biāo)變換方法和矢量閉環(huán)方法構(gòu)建其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;最后,利用軟件RecurDyn進(jìn)行仿真分析,測(cè)量出其位移與速度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明所建立的機(jī)構(gòu)理論模型合理,且機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。

        關(guān)鍵詞:柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu);偽剛體模型;運(yùn)動(dòng)學(xué)

        引言

        隨著納米技術(shù)的興起與迅猛發(fā)展,具有高分辨率和高精度的超精密定位機(jī)構(gòu)在近代科學(xué)的研究領(lǐng)域以及尖端工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著越來越重要的角色,它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為各國(guó)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

        運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)械系統(tǒng)分析中的首要問題。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要包括求解機(jī)構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置、速度以及加速度的關(guān)系[2]。全柔性機(jī)構(gòu)的首要目標(biāo)就是精確實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng),因此對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究在機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位[3]。

        1 機(jī)構(gòu)描述

        如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)的仿真模型。該機(jī)構(gòu)的定平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位于三個(gè)平行板式柔性鉸鏈中,通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動(dòng)與之相連的桿件進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)整個(gè)柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)的目的。

        2 建立偽剛體模型及分析

        普渡大學(xué)的Her I為了體系化的研究柔性機(jī)構(gòu)問題,提出了“偽剛體模型”的概念,該方法是將柔性桿與柔性運(yùn)動(dòng)副等效簡(jiǎn)化為相應(yīng)的剛性桿、剛性運(yùn)動(dòng)副所組成的純剛性模型,再利用剛性體結(jié)構(gòu)學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和綜合[4]。

        2.1 機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

        2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析

        用封閉向量表示,如圖3所示

        2.3 速度分析

        3 基于RecurDyn的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

        3.1 基于ANSYS創(chuàng)建*.rfi文件

        在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步:

        (1)在ANSYS中建立有限元模型:用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實(shí)體模型,將其導(dǎo)入ANSYS里,選擇求解精度較高的Solid45單元,它是一種高階單元,適于各種較復(fù)雜的實(shí)體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料,這里均采用45號(hào)鋼,在ANSYS中對(duì)應(yīng)的材料彈性模量為2.1e11Pa,泊松比為0.3,密度為7850kg/m3。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        3.2 基于RFlex進(jìn)行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真

        4 結(jié)束語

        (1)對(duì)該機(jī)構(gòu)建立了“偽剛體模型”,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,建立了逆解、速度模型,在此基礎(chǔ)上,對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。(2)利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn提供的RFlex方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在仿真結(jié)束后,測(cè)量出了各支鏈的位移,速度的數(shù)據(jù)和曲線。為該柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)的后續(xù)研發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

        [2]王國(guó)強(qiáng),張進(jìn)平,馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

        [3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設(shè)備的精密定位工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)[D].天津:天津大學(xué)出版社,2010.

        [4]楊啟志,馬履中,謝俊,等.三平移全柔性并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(11):110-113.

        作者簡(jiǎn)介:孟彩茹(1980-),女,河北省無極人,講師,博士,主要從事工程機(jī)械開發(fā)與應(yīng)用以及機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。endprint

        摘 要:對(duì)具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真。首先,以3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),將機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副用柔性鉸鏈代替,研制了一臺(tái)具有三自由度的精密定位機(jī)構(gòu);其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺(tái)等效為偽剛體模型,利用齊次坐標(biāo)變換方法和矢量閉環(huán)方法構(gòu)建其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;最后,利用軟件RecurDyn進(jìn)行仿真分析,測(cè)量出其位移與速度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明所建立的機(jī)構(gòu)理論模型合理,且機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。

        關(guān)鍵詞:柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu);偽剛體模型;運(yùn)動(dòng)學(xué)

        引言

        隨著納米技術(shù)的興起與迅猛發(fā)展,具有高分辨率和高精度的超精密定位機(jī)構(gòu)在近代科學(xué)的研究領(lǐng)域以及尖端工業(yè)生產(chǎn)中都扮演著越來越重要的角色,它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)成為各國(guó)高新技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。

        運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是機(jī)械系統(tǒng)分析中的首要問題。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要包括求解機(jī)構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置、速度以及加速度的關(guān)系[2]。全柔性機(jī)構(gòu)的首要目標(biāo)就是精確實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng),因此對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究在機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域占有重要的地位[3]。

        1 機(jī)構(gòu)描述

        如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)的仿真模型。該機(jī)構(gòu)的定平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位于三個(gè)平行板式柔性鉸鏈中,通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動(dòng)與之相連的桿件進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)整個(gè)柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)的目的。

        2 建立偽剛體模型及分析

        普渡大學(xué)的Her I為了體系化的研究柔性機(jī)構(gòu)問題,提出了“偽剛體模型”的概念,該方法是將柔性桿與柔性運(yùn)動(dòng)副等效簡(jiǎn)化為相應(yīng)的剛性桿、剛性運(yùn)動(dòng)副所組成的純剛性模型,再利用剛性體結(jié)構(gòu)學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和綜合[4]。

        2.1 機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

        2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析

        用封閉向量表示,如圖3所示

        2.3 速度分析

        3 基于RecurDyn的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

        3.1 基于ANSYS創(chuàng)建*.rfi文件

        在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步:

        (1)在ANSYS中建立有限元模型:用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實(shí)體模型,將其導(dǎo)入ANSYS里,選擇求解精度較高的Solid45單元,它是一種高階單元,適于各種較復(fù)雜的實(shí)體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料,這里均采用45號(hào)鋼,在ANSYS中對(duì)應(yīng)的材料彈性模量為2.1e11Pa,泊松比為0.3,密度為7850kg/m3。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        3.2 基于RFlex進(jìn)行剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)仿真

        4 結(jié)束語

        (1)對(duì)該機(jī)構(gòu)建立了“偽剛體模型”,并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,建立了逆解、速度模型,在此基礎(chǔ)上,對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。(2)利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn提供的RFlex方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在仿真結(jié)束后,測(cè)量出了各支鏈的位移,速度的數(shù)據(jù)和曲線。為該柔性并聯(lián)定位機(jī)構(gòu)的后續(xù)研發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

        [2]王國(guó)強(qiáng),張進(jìn)平,馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

        [3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設(shè)備的精密定位工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)[D].天津:天津大學(xué)出版社,2010.

        [4]楊啟志,馬履中,謝俊,等.三平移全柔性并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(11):110-113.

        作者簡(jiǎn)介:孟彩茹(1980-),女,河北省無極人,講師,博士,主要從事工程機(jī)械開發(fā)與應(yīng)用以及機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。endprint

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