毕业设计（论文）说明书学 院专 业年 级姓 名指导教师2011年6月17日毕业设计（论文）任务书题目：3-UPS/PU并联机构的运动学设计学生姓名学院名称专 业学 号指导教师职 称一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）近年，少自由度并联机构的设计理论与方法已成为国际机器人机构学的研究热点。以Delta、Tricept、Sprint Z3等为代表的少自由度并/混联构型装备，现已在工业发达国家的食品、医药、新能源、汽车制造及航空航天等领域得到了成功应用。3-UPS/PU机构是一种典型的少自由度并联机构。该机构由静平台、动平台、3条无约束主动支链UPS，以及1条恰约束从动支链PU构成，可实现1平动、2转动（1T2R）自由度。以其为核心功能部件，并与X、Y轴串联集成，可搭建一种新型5坐标可重构作业单元。面向国家汽车、航空制造业的重要需求，本毕业论文拟初步研究上述5坐标可重构作业单元本体（即3-UPS/PU机构）的设计理论与方法，内容涉及运动学分析、尺度综合及虚拟样机设计等。自1997年以来，天津大学机械工程学院制造装备与系统研究所已对并/混联构型装备的设计理论与关键技术进行了深入研究，在样机建造、性能检测及工程示范应用等方面积累了丰富经验，取得了一批标志性成果，享有较高的国际学术声誉。除可提供必要的理论指导、商用软件及计算设备外，本研究所拥有多台具有我国自主知识产权的并/混联构型装备原型样机，如Diamond、Delta-S、TJU-A3及TriVariant-B等。因此，本毕业论文研究条件良好。二、参考文献1 黄真, 赵永生, 赵铁石. 高等空间机构学M. 北京: 高等教育出版社, 2006.2 Tsai L W. Robot analysis: the mechanics of serial and parallel manipulators M. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1999.3 Gosselin C M, Angeles J. The optimum kinematic design of a spherical three- degree-of-freedom parallel manipulatorJ. ASME Trans. Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automations in Design, 1989, 111(2): 202-207.4 Huang T, Whitehouse D J, Wang J S. Local dexterity, optimum architecture and design criteria of parallel machine toolsJ. Annals of the CIRP, 1998, 47(1): 347-351.5 Carretero J A, Podhorodeski R P, Nahon M A, et al. Kinematic analysis and optimization of a new three degree-of-freedom spatial parallel manipulatorJ. ASME Trans. Journal of Mechanical Design, 2000, 122(1): 17-24.6 Huang T, Li M, Li Z X, et al. Optimal kinematic design of 2-DOF parallel manipulators with well-shaped workspace bounded by a specified conditioning indexJ. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2004, 20(3): 538-542.7 Li M, Huang T, Zhang D W, et al. Conceptual design and dimensional synthesis of a reconfigurable hybrid robotJ. ASME Trans. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2005, 127(3): 647-653.8 Liu X J, Wang J S, Zheng H J. Optimum design of the 5R symmetrical parallel manipulator with a surrounded and good-condition workspaceJ. Robotics and autonomous system, 2006, 54: 221-233.9 Liu H T, Huang T, Zhao X M., et al. Kinematic design of a 5-DOF hybrid robot with large workspace/limb-stroke ratioJ. ASME Trans. Journal of Mechanical Design, 2007, 129(5): 530-537.10 齐明, 刘海涛, 梅江平, 等. 3-PUS/PU 3自由度并联机构运动学优化设计J. 天津大学学报, 2007, 40(6): 649-654.11 Pierrot F, Nabat V, Krut S, et al. Optimal design of a 4-DOF parallel manipulator: from academia to industryJ. IEEE Transaction on Robotics, 2009, 25(2): 213-224.12 Mohan R N, Mallikarjuna R K. Dimensional synthesis of a spatial 3-RPS parallel manipulator for a prescribed range of motion of spherical jointsJ. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(2): 477-486.13 Sun T, Song Y M, Li Y G, et al. Dimensional synthesis of a 3-DOF parallel manipulator based on dimensionally homogeneous Jacobian matrixJ. SCIENCE CHINA Technological Sciences, 2010, 53(1): 168-174. 14 王正林, 龚纯, 何倩. 精通MATLAB科学计算M. 北京: 电子工业出版社, 2009.15 关鼎, 肖平阳. SolidWorks三维造型典型实例教程M. 北京: 机械工业出版社, 2006.三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）1研究内容1) 新型5坐标可重构作业单元概念设计；2) 3-UPS/PU机构逆运动学分析（Matlab）；3) 3-UPS/PU机构运动学设计（Matlab）；4) 作业单元本体虚拟样机设计（Solidworks）；2主要指标与技术参数（暂定）1) 工作空间Z向行程：1000mm；A轴摆角范围：40；B轴摆角范围：402) 负载能力X向（铅垂）负载：600kg（静载荷）3具体要求1) 阅读相关科技文献，了解少自由度并联机构研究动态，并完成外文资料翻译任务（5,000字）；2) 了解样机设计开发流程，并熟练使用相关软件（Matlab、Solidworks等）；3) 撰写开题报告1份；4) 撰写毕业论文1份（15,000字）。指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称3-UPS/PU并联机构的运动学设计学院名称专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师一、课题研究背景及意义：并联机构由于具有高刚度、高承载能力、高动态性能、结构紧凑等特点得到越来越广阔的应用，也成为机构学研究的重要内容。早期的并联机构通常是6自由度的6-SPS Stewart平台机构（其中P表示移动副，S表示球面副），该机构存在的局限有 ：构件干涉、运动学和动力学模型复杂、工作空间小。而少自由度并联机器人与 6自由度并联机器人相比具有如下特点 ：可以在满足满足大多数工业操作的前提下，降低机构的复杂程度和成本，简化运动学和动力学模型，控制简单，因此在工业生产及其它领域有着广阔的应用前景，成为国内外学者研究较多的一类机构。近年，少自由度并联机构的设计理论与方法已成为国际机器人机构学的研究热点。以Delta、Tricept、Sprint Z3等为代表的3自由度并/混联构型装备，现已在工业发达国家的食品、医药、新能源、汽车制造及航空航天等领域得到了成功应用。在航天领域，为保证设计强度，现代飞机设计广泛采用整体结构设计。飞机整体结构件包括整体框、梁、肋、机翼、龙骨等复杂结构件，约占全机机加零件的85%。这类零件形状与理论外形有关，金属切削量约占成品件的80%以上。因此整体结构件数控加工装备在航空制造业中至关重要。为满足生产需求，基于SKM的解决方案是大型五坐标立式龙门机床，它有精度高等优点。但其本身有体积重量大、不宜实现高速运动、立式走刀排屑困难、刀具空间定向速度低，金属切除率一般 3000 4000 cm3/min，难以满足大型铝合金结构件的高效加工需求等无法克服的缺点。且有国内现有大型铝合金结构件加工装备的开工率已趋于饱和的矛盾。基于PKM的解决方案有两个，其一是将内副驱动的 3UPS-UP-2R （Tricept）混联机构作成一种五坐标动力头，以其为功能部件，附以优势方向，构成航空大型复杂结构件高速加工单元。还有一种将外动副驱动的3-PRS（或变异型3-RPS）并联机构作成一种三坐标动力头，即Sprint-Z3（Tju-A3）三坐标并联动力头作为功能部件，与 X/Y 轴集成，构成大型复杂结构件五坐标高速加工单元。本课题所研究的机构也是一种三坐标并联动力头，以其为核心功能部件，并与X、Y轴串联集成，可搭建一种新型5坐标可重构作业单元。3-UPS/PU机构是一种典型的少自由度并联机构。该机构由静平台、动平台、3条无约束内副驱动的主动支链UPS，以及1条恰约束从动支链PU构成，可实现1平动、2转动（1T2R）自由度。这种机构最初是由Zhang Dan14 提出, 并对这种机构进行了刚度分析。和上面提到的Tricept 混联动力头、Sprint-Z3（Tju-A3）三坐标并联动力头相比，这种机构具有重力自平衡的优点，X、Y方向刚度大，且Z向行程较大，无需串联辅助Z轴。二、国内外发展状况：鉴于本文主要研究3-UPS/PU机构的逆运动学分析、工作空间分析、尺度综合等内容，故在此仅介绍相关领域研究现状。逆运动学分