3-SPR并联机构超越3-RPS：静刚度与有限元分析对比

本文主要探讨了并联机构在机械设计中的静刚度分析与有限元模拟，以经典的3-RPS（三个旋转关节的行星轮系）和其变异机构3-SPR（三自由度串联-平行-串联结构）为例。首先，作者构建了这两种机构的6×6形式雅可比矩阵，雅可比矩阵是描述并联机构运动传递关系的关键工具，它在静态分析中起到决定性作用，用于计算系统的虚位移和力的关系。 通过考虑约束反力的影响，研究者对这两种机构的刚度模型进行了建立。刚度反映了机构在载荷作用下的抵抗变形的能力，是衡量其结构强度和稳定性的重要指标。研究发现，3-SPR并联机构在静刚度性能上优于3-RPS机构，这意味着在相同的载荷下，3-SPR机构能够提供更小的位移响应，从而具有更好的工作精度和稳定性。 接着，实体建模软件SolidWorks被用来创建两种并联机构的三维模型，这一步骤对于后续的数值模拟至关重要，因为它提供了实际物理结构的精确几何表示。利用商用有限元分析软件Workbench，研究人员进行了详细的结构力学分析，对机构在不同方向上的刚度进行了定量评估，尤其是比较了Z方向（垂直于水平面的方向）与X、Y方向（水平平面内的方向）的刚度差异。 结果表明，无论是3-RPS还是3-SPR，并联机构的Z方向刚度都显著高于X、Y方向，这可能与机构的几何特性、连杆长度以及负载分布等因素有关。这为设计工程师提供了关于如何优化机构设计以提高抗侧向变形能力的重要参考依据。 本文通过理论分析和数值仿真相结合的方法，深入研究了两种不同并联机构的静刚度特性，并为设计和优化并联机构提供了实用的工程指导。这对于精密机械、机器人技术以及自动化设备等领域有着重要的实践意义。