题目：3PRS/UPS冗余驱动并联机床关键技术研究

本文研究了一种新型三自由度3PRS/UPS冗余驱动并联机床的运动学、奇异、静动态特性等方面的关键技术，取得了如下创造性成果：提出了一种新型三自由度3PRS/UPS冗余并联机构，指出了这种机构用于加工中心双摆头、立式和卧式五轴机床的典型用途，该机构已经获得国家发明专利。采用解析法研究了3PRS/UPS机构的位置正解问题，通过消元，得到了只含有一个未知数的16次方程，得到了机构全部正解。在此基础上，分析了冗余支链去除正解的多解性，得到了机构的唯一解。建立了3PRS/UPS并联机床的静力学平衡方程和基于牛顿－欧拉法的动力学模型，采用广义逆法来优化机构驱动力，得到驱动力的最小2范数解。基于卡氏第二定理，得到了机构运动所需满足的变形协调方程。明确给出并联机构内力的定义，论述了内力在避免机构破坏、去除铰链间隙方面的应用并分析出冗余机构内力对空间并联机构刚度影响很小。采用数值法得到了3PRS机构的奇异轨迹为空间二维曲面，根据不可控运动的节距来判断机构奇异性质。指出了冗余驱动消除奇异的原因为冗余力对不可控运动作功，将机构因奇异获得的不可控运动变为可控运动，对于冗余驱动个数与奇异降维的关系进行了比较严格的数学推导。提出了在普通并联机构上增加冗余支链的一般原则和方法，分析了本文构造的UPS冗余支链能够保证机构在各进动角方向偏转90°均无奇异位形产生。研究了影响并联机构姿态空间的因素为物理约束和奇异约束，并从这两个方面给出了扩大姿态空间的解决方案。基于最坏位姿点，提出了实现3PRS/UPS冗余并联机构在0°至360°的进动角范围内都能达到章动角为90°的设计方法。采用有限元法中的接触单元处理铰链变形，研究了冗余支链提高并联机床的刚度效果，分析3PRS/UPS机构刚度在姿态空间中的分布，指出了应用该机床进行切削加工中，系统刚性较好的区域。基于刚度分析的解析法和有限元法，提出了一种新的刚度分析方法，即用有限元工具处理铰链刚度，然后将铰链刚度抽象成一个特征参数带入机构的刚度解析模型中，解决了刚度解析模型中球铰的刚度处理问题，定量研究主动冗余支链提高Stewart机构的刚度效果。考察了3PRS/UPS机床的动态特性，找出机床刚度的薄弱环节及切削加工中机床应避开的工作频段。进行了机床的结构设计，指出了机床结构设计中的几个关键零件的安装及定位问题，根据末端要实现的精度要求，确定出机床主要部分的加工误差，完成了工程样机的制作并对机床的姿态能力和刚度进行了实验验证。