大负载SCARA并联机器人刚度建模及性能预估

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作者 梁栋 韩志强 +1 位作者 宋轶民 畅博彦 《机械工程学报》 北大核心 2025年第21期213-226,共14页

针对纺织、食品、物流运输等领域对高速、高精度以及大负载作业装备的需求,研究一种含闭环子结构SCARA并联机器人精细化刚度建模方法及其性能分析。首先,对该机器人进行结构描述和位置分析;其次,在螺旋理论框架下,引入虚拟弹簧法,推导主... 针对纺织、食品、物流运输等领域对高速、高精度以及大负载作业装备的需求,研究一种含闭环子结构SCARA并联机器人精细化刚度建模方法及其性能分析。首先,对该机器人进行结构描述和位置分析;其次,在螺旋理论框架下,引入虚拟弹簧法,推导主/被动平行四边形子结构的刚度矩阵,获得支链的刚度模型,进而通过刚度叠加原理,建立整机刚度模型;在此基础上,借助数值计算和有限元仿真对六组典型位姿下的线刚度和扭转刚度进行对比,结果显示相对误差均在10%以内,验证了刚度理论模型的正确性及有效性,并对姿态角为0°时工作空间不同平面内的刚度分布进行了可视化,阐明了相关变化规律;最后,为有效统一线变形和扭转变形的量纲,基于瞬时变形能构造出具有清晰物理含义的刚度性能指标,据此分析了不同姿态角下任务工作空间内的刚度性能,为该机器人的高速、高刚度一体化设计及样机开发奠定了理论基础。 展开更多

关键词 SCARA并联机器人 螺旋理论 刚度矩阵 虚拟弹簧法 有限元分析

原文传递

零耦合度空间2T1R并联机构运动学与刚度建模分析 被引量：16

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作者 沈惠平 朱忠颀 +2 位作者 孟庆梅 吴广磊 邓嘉鸣 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期411-420,共10页

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出一种零耦合度、含1条冗余支链的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构,并对该机构进行拓扑分析。结果表明:该机构具有符号式位置正解和部分运动解耦特性,其被动冗余支链能避... 根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出一种零耦合度、含1条冗余支链的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构,并对该机构进行拓扑分析。结果表明:该机构具有符号式位置正解和部分运动解耦特性,其被动冗余支链能避免奇异位置,改善刚度;因机构耦合度为零,易求解出其符号式位置正解,并分析了机构可能产生的3种奇异位置;运用虚拟弹簧法建立了每条支链的刚度模型并进行求解,给出并分析了机构笛卡尔刚度矩阵中扭转刚度和线性刚度的变化趋势,讨论了冗余支链对整体刚度性能的影响,验证了冗余支链可使机构整体刚度性能提升约22%。 展开更多

关键词 并联机构 拓扑设计 刚度矩阵 虚拟弹簧法 冗余支链

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零耦合度部分运动解耦三平移并联机构刚度建模与分析 被引量：14

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作者 孙驰宇 沈惠平 +2 位作者 王一熙 许正骁 袁军堂 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期385-395,共11页

(RPa∥3R)2R+RPa机构是基于方位特征(POC)方程并联机构拓扑综合理论的一种非对称并联机构,其耦合度为零,且具有部分运动解耦性。本文对该机构进行刚度建模和特性分析。首先,对该机构进行拓扑结构描述,基于虚拟弹簧法对机构支链进行刚度... (RPa∥3R)2R+RPa机构是基于方位特征(POC)方程并联机构拓扑综合理论的一种非对称并联机构,其耦合度为零,且具有部分运动解耦性。本文对该机构进行刚度建模和特性分析。首先,对该机构进行拓扑结构描述,基于虚拟弹簧法对机构支链进行刚度建模,给出支链的静力学方程,并求解机构的刚度矩阵;其次,给出机构在工作空间中的整体刚度分布,并分别对x、y、z轴方向的扭转、线性刚度进行分析;进一步对机构进行有限元分析,并与虚拟弹簧法所得的机构变形结果进行对比,验证刚度结果的正确性;最后,对比非对称的(RPa∥3R)2R+RPa机构与对称Delta机构在不同截面下的刚度特性,结果表明,(RPa∥3R)2R+RPa机构的刚度大于Delta机构。 展开更多

关键词 并联机构 三平移输出 刚度分析 虚拟弹簧法

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超贫胶结材料本构模型 被引量：29

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作者 孙明权 杨世锋 张镜剑 《水利水电科技进展》 CSCD 北大核心 2007年第3期35-37,共3页

针对胶凝材料含量大于30 kg/m3的超贫胶结材料应力应变曲线达到峰值后呈软化形态的问题,采用虚加刚性弹簧法,建立具有软化特性的超贫胶结材料的本构模型,确定了模型相应的参数,给出了该模型的一个应用实例,为超贫胶结材料的非线性分析... 针对胶凝材料含量大于30 kg/m3的超贫胶结材料应力应变曲线达到峰值后呈软化形态的问题,采用虚加刚性弹簧法,建立具有软化特性的超贫胶结材料的本构模型,确定了模型相应的参数,给出了该模型的一个应用实例,为超贫胶结材料的非线性分析奠定了基础。 展开更多

关键词 超贫胶结材料 本构模型 虚加刚性弹簧法

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基于虚加刚性弹簧法的守口堡坝的有限元分析 被引量：1

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作者 田青青 杨世锋 +1 位作者 柴启辉 孙明权 《华北水利水电大学学报（自然科学版）》 2015年第5期30-33,共4页

基于虚加刚性弹簧法,结合山西守口堡坝实际工程,在已经建立的具有软化特性的胶凝砂砾石材料的本构关系模型的基础上确定模型需要的参数,对坝体进行有限元分析,得到坝体的应力与位移的等值线图.经有限元分析知,虚加刚性弹簧法的弹性模量... 基于虚加刚性弹簧法,结合山西守口堡坝实际工程,在已经建立的具有软化特性的胶凝砂砾石材料的本构关系模型的基础上确定模型需要的参数,对坝体进行有限元分析,得到坝体的应力与位移的等值线图.经有限元分析知,虚加刚性弹簧法的弹性模量大小对坝体的应力和位移影响不大,虚加不同的弹性模量的目的在于解决应力-应变曲线的软化问题.该成果可以为胶凝砂砾石坝体拟定合理的剖面提供依据. 展开更多

关键词 守口堡坝 虚加刚性弹簧法 本构模型 应力与位移 软化

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服装二维裁片虚拟模拟技术 被引量：6

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作者 朱广舟 李晓久 《纺织学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第10期141-145,共5页

在三维服装虚拟缝合及试衣过程中,服装二维裁片虚拟模拟是关键技术之一。应用服装CAD软件绘制服装纸样并存储成DXF格式,通过DXF文件接口程序将纸样载入系统。采用正则栅格法对裁片进行四边形剖分,连接四边形对角线完成对二维裁片的三角... 在三维服装虚拟缝合及试衣过程中,服装二维裁片虚拟模拟是关键技术之一。应用服装CAD软件绘制服装纸样并存储成DXF格式,通过DXF文件接口程序将纸样载入系统。采用正则栅格法对裁片进行四边形剖分,连接四边形对角线完成对二维裁片的三角网格化。以三角形顶点为质点,三角形边为弹簧,构建裁片质点-弹簧模型,通过模型受力分析、数值求解,完成对二维裁片的虚拟模拟。以男士背心为例,通过裁片网格剖分实验验证正则栅格法的有效性;同时完成对背心裁片自然下落于桌面和背心虚拟缝合效果模拟。 展开更多

关键词 服装裁片 正则栅格法 质点-弹簧模型 虚拟模拟

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不连续介质静、动力分析的刚体-弹簧元法 被引量：34

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作者 卓家寿 赵宁 《河海大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 1993年第5期34-43,共10页

本文从力学和数学两个角度,阐明了刚体-弹簧元法的机理,首次导出了界面应力的一般公式(适用于不同介质的交界面);并且根据哈密顿原理,推导了刚体-弹簧元分析结构动力响应的计算公式,编制了相应的程序;数值计算了典型考题、印度柯依那(Ko... 本文从力学和数学两个角度,阐明了刚体-弹簧元法的机理,首次导出了界面应力的一般公式(适用于不同介质的交界面);并且根据哈密顿原理,推导了刚体-弹簧元分析结构动力响应的计算公式,编制了相应的程序;数值计算了典型考题、印度柯依那(Koyna)重力坝的自振特性及该坝在实际地震波作用下的动力响应.计算结果与有关文献及该坝的实际震害均较一致. 展开更多

关键词 弹簧元法 介质 刚体 结构

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半对称三平移Delta-CU并联机构的刚度建模与分析 被引量：2

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作者 王一熙 吴广磊 +4 位作者 沈惠平 李家宇 孟庆梅 李菊 邓嘉鸣 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第17期2050-2058,共9页

研究了Delta-CU机构的刚度及其特性,运用虚拟弹簧法建立了支链的柔性模型,并给出了支链的静力学方程。利用旋量方法得到了支链中的运动微分映射,根据静力学方程得出机构的笛卡儿空间刚度矩阵,并通过有限元分析验证了矩阵的正确性。最后... 研究了Delta-CU机构的刚度及其特性,运用虚拟弹簧法建立了支链的柔性模型,并给出了支链的静力学方程。利用旋量方法得到了支链中的运动微分映射,根据静力学方程得出机构的笛卡儿空间刚度矩阵,并通过有限元分析验证了矩阵的正确性。最后,利用虚功刚度指标对给定参数下的Delta-CU机构进行算例分析,并将其与Delta机构进行了比较,结果表明Delta-CU机构与Delta机构具有基本相同的刚度特性。 展开更多

关键词 三平移并联机构 刚度分析 虚拟弹簧法 虚功刚度指标

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一种并联振动筛驱动机构的结构降耦设计及刚度分析

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作者 邓嘉鸣 李文华 +1 位作者 沈惠平 吴广磊 《机械设计》 CSCD 北大核心 2019年第8期88-95,共8页

以一种单自由度输入、三平移一转动输出的并联振动筛驱动主机构为例,采用结构降耦设计方法将其耦合度由2降为1,通过并联机构拓扑结构设计方法确定了机构的驱动副及其安装方位,并基于螺旋理论运用虚拟弹簧法分析了该机构降耦前后的结构... 以一种单自由度输入、三平移一转动输出的并联振动筛驱动主机构为例,采用结构降耦设计方法将其耦合度由2降为1,通过并联机构拓扑结构设计方法确定了机构的驱动副及其安装方位,并基于螺旋理论运用虚拟弹簧法分析了该机构降耦前后的结构刚度及其变化,为少输入-多输出并联机构的优化和应用提供了参考。 展开更多

关键词 并联机构结构降耦 少输入-多输出并联机构 虚拟弹簧法 结构刚度

原文传递

一种新型低耦合度3T1R非全对称并联机构的刚度性能分析 被引量：6

10

作者 许正骁 吴广磊 沈惠平 《机械传动》 北大核心 2019年第12期131-139,共9页

具有空间三平移一转动(3T1R)功能的并联机器人操作手,因其具有工作空间大、易实现高速、成本低等优点,在工业上获得广泛应用。针对作者提出的一种新型3T1R非全对称并联机构进行了刚度性能分析。首先,对该机构进行了拓扑结构的描述;其次... 具有空间三平移一转动(3T1R)功能的并联机器人操作手,因其具有工作空间大、易实现高速、成本低等优点,在工业上获得广泛应用。针对作者提出的一种新型3T1R非全对称并联机构进行了刚度性能分析。首先,对该机构进行了拓扑结构的描述;其次,基于虚拟弹簧法建立了每条支链的刚度模型并求解其刚度矩阵;然后,对机构笛卡尔刚度矩阵中扭转刚度和线性刚度的变化趋势进行了分析,并讨论了冗余支链对整体刚度性能的影响;最后,结合ANSYS的有限元分析对该方法的计算数值进行了验证。研究结果为该并联机器人操作手的结构设计、样机研制奠定了基础。 展开更多

关键词 并联机构 刚度矩阵 虚拟弹簧法 冗余支链

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一种低耦合度非完全对称2T1R并联机构的运动分析与刚度建模 被引量：1

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作者 陈谱 沈惠平 +1 位作者 邓嘉鸣 吴广磊 《常州大学学报（自然科学版）》 CAS 2021年第2期52-61,共10页

基于方位特征(POC)的并联机构设计理论,提出了一种低耦合度非完全对称的2T1R并联机构。首先根据序单开链法的机构运动学建模原理,分别给出该机构位置正反解的求解算法,并通过数值算例验证了其正确性;其次针对该机构的刚度特性问题,基于... 基于方位特征(POC)的并联机构设计理论,提出了一种低耦合度非完全对称的2T1R并联机构。首先根据序单开链法的机构运动学建模原理,分别给出该机构位置正反解的求解算法,并通过数值算例验证了其正确性;其次针对该机构的刚度特性问题,基于虚拟弹簧法建立了该并联机构的刚度模型;最后分析了该机构刚度矩阵中扭转刚度和线性刚度的变化趋势,得出该机构的刚度在工作空间内变化较为平稳,能承受较大载荷,为该机构的动力学分析及样机设计提供了理论基础。 展开更多

关键词 拓扑设计 方位特征集(POC) 刚度矩阵 虚拟弹簧法

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空气弹簧对车辆运行平稳性的影响分析 被引量：2

12

作者 杜淼 石广田 李彪 《噪声与振动控制》 CSCD 2020年第3期233-239,共7页

考虑到列车空气弹簧具有良好的弹性性能,建立含有Nishimura空气弹簧的车辆垂向振动改进模型,应用虚拟激励法计算仿真车辆的垂向振动响应。采用Sperling指标作为车辆平稳性的评价标准,分析不同空气弹簧参数、车体质量、车速对于车辆系统... 考虑到列车空气弹簧具有良好的弹性性能,建立含有Nishimura空气弹簧的车辆垂向振动改进模型,应用虚拟激励法计算仿真车辆的垂向振动响应。采用Sperling指标作为车辆平稳性的评价标准,分析不同空气弹簧参数、车体质量、车速对于车辆系统平稳性的影响。结果表明:空气弹簧参数在较低频段内对车体垂向加速度功率谱密度的影响比较明显。附加气室容积和节流孔直径与对应的Sperling平稳性指标呈负相关;空气弹簧有效面积与对应的Sperling平稳性指标呈正相关;随着本体容积的增大,对应的Sperling平稳性指标呈先增大后减小的趋势。不同的车体质量、车速不会改变空气弹簧参数对于Sperling指标的影响规律。 展开更多

关键词 振动与波 车辆垂向振动 空气弹簧 虚拟激励法 功率谱密度 Sperling指标

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虚拟手术中软组织形变仿真研究综述 被引量：5

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作者 郭煜 秦璟 《集成技术》 2013年第2期52-61,共10页

软组织结构是一种非线性、各项异性、近似不可压缩的粘弹性材料体,而软组织变形仿真是虚拟手术系统中最重要的研究方向之一,同时也是难点之一。本文首先对虚拟手术做了大致的介绍,然后重点分析和总结了软组织形变的各种方法,从几何方法... 软组织结构是一种非线性、各项异性、近似不可压缩的粘弹性材料体,而软组织变形仿真是虚拟手术系统中最重要的研究方向之一,同时也是难点之一。本文首先对虚拟手术做了大致的介绍,然后重点分析和总结了软组织形变的各种方法,从几何方法到物理方法,从网格模型到无网格模型,并列举了最近几年的研究情况。其中对目前比较流行的有限元方法做了较为详细的说明。最后对未来发展方向进行了展望和总结。 展开更多

关键词 虚拟手术 软组织形变 弹簧-质点模型 有限元方法 无网格模型

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梁-弹簧单元在内法兰螺栓简化中的应用

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作者 尤建 蒋昊成 +1 位作者 史超铭 朱珏 《宁波大学学报（理工版）》 CAS 2023年第4期112-120,共9页

内法兰数值模型内含的螺栓接触行为极易导致其计算不收敛,耗费大量的计算时间.为平衡计算成本和精度,构建螺栓连接结构的简化分析模型是主要手段之一.本文对多点约束-梁单元法进行了改进,提出一种梁-弹簧单元组合的螺栓简化方法,该方法... 内法兰数值模型内含的螺栓接触行为极易导致其计算不收敛,耗费大量的计算时间.为平衡计算成本和精度,构建螺栓连接结构的简化分析模型是主要手段之一.本文对多点约束-梁单元法进行了改进,提出一种梁-弹簧单元组合的螺栓简化方法,该方法使用梁单元替代螺栓,使用动力耦合约束和弹簧连接等效螺栓接触,用经过修正的虚拟热变形法施加螺栓预紧力.结果表明:该方法的分析时间和多点约束-梁单元法接近,相对全模型缩时约50%,计算精度更高、误差更小.采用该方法对通信单管塔内法兰连接节点进行分析,与精细模型和缩尺实验比较结果证明,该方法在内法兰结构中有较强的适用性. 展开更多

关键词 内法兰 螺栓简化 梁-弹簧单元 虚拟热变形法 缩尺实验

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虚拟弹簧边界Mindlin板的自由振动和屈曲分析 被引量：1

15

作者 单逸峰 向维 《起重运输机械》 2022年第1期54-61,共8页

对于Mindlin板的自由振动和特征屈曲问题,为了用少量结点数求得高精度数值解,并直接求得完整的模态向量,文中使用虚拟弹簧边界作为边界条件的施加方法,运用微分求积有限单元法推导出Mindlin板的自由振动和屈曲特征方程。基于Matlab编程... 对于Mindlin板的自由振动和特征屈曲问题,为了用少量结点数求得高精度数值解,并直接求得完整的模态向量,文中使用虚拟弹簧边界作为边界条件的施加方法,运用微分求积有限单元法推导出Mindlin板的自由振动和屈曲特征方程。基于Matlab编程计算多种边界、不同厚度的Mindlin板的自振频率和屈曲因子,并讨论计算方法的收敛性、准确性及计算效率。数值结果表明,虚拟弹簧边界与微分求积有限单元法相结合的数值方法,计算结果准确,且计算效率有所提高。 展开更多

关键词 微分求积有限单元法 虚拟弹簧边界 MINDLIN板 自由振动 特征屈曲

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粘弹性人工边界的虚位移原理 被引量：13

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作者 马怀发 王立涛 陈厚群 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2013年第1期168-174,共7页

该文将结构及其近场地基作为动力平衡系统,将在人工边界上的波动分解为自由波和散射波,并将输入地震波动转化为作用于人工边界上的等效荷载以实现波动输入。基于以上假设通过分析结构及其近场地基系统的动力平衡关系和自由场的传播机制... 该文将结构及其近场地基作为动力平衡系统,将在人工边界上的波动分解为自由波和散射波,并将输入地震波动转化为作用于人工边界上的等效荷载以实现波动输入。基于以上假设通过分析结构及其近场地基系统的动力平衡关系和自由场的传播机制,给出了自由场的位移表达式、速度表达式,以及在人工边界上由自由场产生的等效荷载一般表达形式,最后建立了粘弹性人工边界统一的动力学积分弱解形式,同时基于有限元程序自动生成系统(FEPG)开发了粘弹性边界条件元件程序。经过计算验证:该文建立的具有粘弹性人工边界的动力学问题的积分弱解方程粘弹性边界条件元件程序可靠、正确。利用这些元件程序,在前处理中可像加位移或应力边界条件一样简便快捷地施加粘弹性边界条件。 展开更多

关键词 有限元法 粘弹性人工边界 虚位移原理 粘弹性边界元件程序 半空间自由波场 散射场

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