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柔顺机构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构。由于柔顺机构减少了刚性机构中的间隙、磨损、摩擦及润滑等较复杂问题,从而可以提高机构精度、增加可靠性等。所以,柔顺机构在提高性能和降低成本上比传统刚性机构具有明显的优势,是现代机构发展的新方向。目前,柔顺机构的动力学分析大多数是基于单自由度伪刚体模型的。本文首次建立模拟度更高的多自由度动力学模型,对动力学特性进行更加深入地研究。
首先提出了两自由度伪刚体动力学新模型。以柔顺机构中的柔顺杆为研究对象,建立了末端受不同载荷形式(力矩或垂直力)作用下的2R伪刚体动力学模型,分析其动能和势能,应用拉格朗日方程推导出动力学方程,利用MATLAB求解得到响应曲线。通过与1R伪刚体动力学模型对比,从方程特征、响应曲线等方面分析了各伪刚体动力学模型的特点,表明2R伪刚体动力学模型不仅可以反映柔顺杆整体大范围变形状况,而且描述出杆件内部局部变形状况。
然后以平行导向柔顺机构为例,分别推导出1R伪刚体模型和2R伪刚体模型的动力学方程,求解得到响应曲线及位形图等,并进行了响应特性分析,验证了2R伪刚体动力学模型的有效性和优越性。
最后建立了柔顺机构的三自由度伪刚体动力学模型。基于3R伪刚体动力学模型分析了柔顺杆的动能与势能,应用拉格朗日方程推导其动力学方程并做了动态响应分析。通过与2R伪刚体动力学模型进行比较,分析各模型的优缺点,进而得到适用于柔顺机构分析和设计研究的动力学模型。