高速并联机械手静动态特性分析及优化设计

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.10.016

华南理工大学学报（自然科学版） ›› 2015, Vol. 43 ›› Issue (10): 108-115.doi: 10.3969/j.issn.1000-565X.2015.10.016

高速并联机械手静动态特性分析及优化设计

臧家炜¹,梅江平¹,刘松涛²,宋涛²

1．天津大学机械工程学院，天津 300072; 2．辰星(天津)自动化设备有限公司技术部，天津 301701

收稿日期:2015-03-26 修回日期:2015-07-06 出版日期:2015-10-25 发布日期:2015-09-06
通信作者: 臧家炜(1988-)，男，博士生，主要从事工业机器人及其自动化系统研究． E-mail:jjangzjw@126.com
作者简介:臧家炜(1988-)，男，博士生，主要从事工业机器人及其自动化系统研究．
基金资助:
天津市人才引进与科技合作项目(13RCHZGX01118);天津市“科技型中小企业技术创新项目”(14C26211200362)

Static/Dynamic Analysis and Optimal Design of a High-Speed Parallel Manipulator

Zang Jia-wei¹ Mei Jiang-ping¹ Liu Song-tao² Song Tao2

1． Tianjin University，School of Mechanical Engineering，Tianjin 300072，China; 2． Technical Department，
Chenxing (Tianjin) Automation Equipment Co．，Ltd．，Tianjin 301701，China

Received:2015-03-26 Revised:2015-07-06 Online:2015-10-25 Published:2015-09-06
Contact: 臧家炜(1988-)，男，博士生，主要从事工业机器人及其自动化系统研究． E-mail:jjangzjw@126.com
About author:臧家炜(1988-)，男，博士生，主要从事工业机器人及其自动化系统研究．
Supported by:
Supported by Tianjin Talent Introduction and Scientific Cooperation Project(13RCHZGX01118) and Tianjin
Small and Mid-sized Enterprise Technology Fund(14C26211200362)

摘要/Abstract

摘要： 以一种可实现选择顺应性装配机器手臂(SCARA)运动的4 自由度高速并联机械手(以下简称 Cross-IV 机械手)为研究对象，将运动学理论与有限元分析相融合，提出一种全域参数化有限元模型的建模策略和结构参数的优化设计方法．首先以运动学逆解分析为基础，利用有限元软件 Ansys 的编程语言(APDL)实现机械手在位姿、尺寸和结构参数变化时整机有限元模型的快速创建;然后利用参数化有限元模型提出一种分析整机系统全域静刚度和低阶固有频率分布规律的循环建模策略，进而获得全域内性能最差位形．最后定义一种评价机械手机构动态特性的性能指标，以一组尺度参数为例，利用正交试验，深入分析结构参数对系统动态性能的影响，进而综合得到一组最优结构参数．

关键词: 并联机械手, 参数化模型, 有限元分析, 全域静动态特性, 结构参数优化

Abstract: By combining the finite element analysis with the kinematical theory，a modeling strategy of the global
parametric finite element model and an optimal design of structural parameters are proposed for a 4-DOF high-speed parallel manipulator which can realize SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) motion． First，based on the inverse kinematic analysis of the Cross-IV manipulator，the finite element model of the manipulator under different conditions of configurations，dimensions and structures can be rapidly constructed by means of the Ansys programming language APDL． Next，by using the parametric finite element model，a circular modeling strategy is presented to evaluate both the global static stiffness and the low-order natural frequency distribution of the whole machine，and the configuration of the worst performance is obtained． Finally，a novel performance index is defined to estimate the dynamic characteristics of the manipulator，and the effect of structural parameters on the dynamic performance of the system is deeply analyzed through the orthogonal experiments of a set of scale parameters．Thus，a set of optimal structural parameters are obtained．

Key words: parallel manipulator, parametric modeling, finite element analysis, global static and dynamic characteristics, structural parameter optimization

中图分类号:

TH112
TP242

臧家炜梅江平刘松涛宋涛. 高速并联机械手静动态特性分析及优化设计[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(10): 108-115.

Zang Jia-wei Mei Jiang-ping Liu Song-tao Song Tao . Static/Dynamic Analysis and Optimal Design of a High-Speed Parallel Manipulator[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2015, 43(10): 108-115.

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高速并联机械手静动态特性分析及优化设计

Static/Dynamic Analysis and Optimal Design of a High-Speed Parallel Manipulator

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