基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。     

空间微振动模拟器柔性铰链设计

设计基于万向柔性铰链的Stewart平台作空间微振动模拟器,模拟空间振动辅助空间光学遥感器的隔振研究。Stewart平台要有效模拟空间微振动,铰链特性设计最为关键,要求其轴向刚度足够大而旋转刚度足够小。将万向柔性铰链建立杆件模型,由材料力学知识推导铰链各向刚度公式,利用Patran/Nastran建立有限元模型进行仿真验证,分析了结构参数对各向刚度的影响。根据性能指标和材料强度参数确定了柔性铰链最佳结构参数。另外,通过有限元软件对铰链进行强度校核。结果表明,设计的万向柔性铰链满足要求,总结出的铰链刚度特性规律对设计有一定指导意义。     

倒圆角直梁型柔性铰链刚度研究

为研究倒圆角直梁型柔性铰链的刚度性能,利用材料力学和微积分的相关知识推导出该型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸或压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度。将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。改变倒圆角直梁型柔性铰链的各结构参数,根据所推导出的刚度公式,利用Matlab软件编程计算出刚度值,并分析倒圆角直梁型柔性铰链的弯曲刚度与其各结构参数之间的关系。     

Stewart平台的振动研究

采用线性化方法推导了预载情况下Stewart平台的刚度矩阵和阻尼矩阵 ,建立了Stewart平台的非比例阻尼自由振动方程 ,针对系统的非比例阻尼条件 ,采用复模态分析的方法求解了该方程。最后结合实例研究了Stewart平台结构参数和姿态对刚度的影响 ,并对Stewart平台的振动响应进行了分析     

倒圆角直梁型柔性铰链设计计算与应用

首先推导出倒圆角直梁型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式;然后改变倒圆角直梁型柔性铰链的各结构参数,根据所推导出的刚度公式,利用MATLAB软件编程计算出刚度值,分析倒圆角直梁型柔性铰链的刚度与其各结构参数之间的关系;最后为验证推导出的刚度计算公式的正确性,采用三维实体单元对由倒圆角直梁型柔性铰链构成的柔性T型联结节的弯曲和拉伸刚度进行有限元求解,数值计算结果表明文中所推导的倒圆角直梁型柔性铰链刚度计算公式是正确的。     

摆线柔性铰链的设计计算与性能分析

提出了一类基于摆线方程切口的新型柔性铰链。利用变截面梁弯曲理论推导其转动刚度数学模型,根据微元法下的胡克定律叠加原理推导其拉伸刚度的数学模型,通过有限元验证了计算公式的正确性,讨论了结构参数对转动刚度的影响关系和显著程度,比较了新型柔性铰链与传统柔性铰链的性能。分析表明转动刚度与弹性模量、宽度和最小厚度成正比,而与拱高参数成反比,且对最小厚度的变化最敏感,新型柔性铰链的柔度仅次于椭圆型,相较于圆弧型和抛物线型柔铰对载荷的敏感程度平均提高了10%和30%以上,新型摆线柔铰为柔性铰链的设计选型提供了新思路。     

大射电望远镜精调Stewart平台结构刚度分析

建立了大射电望远镜精调Stewart平台的有限元模型,对其位于典型工作位置的结构进行了刚度和模态分析。利用Ansys参数化设计语言(APDL)实现有限元模型的参数化设计,使之能对锁定在不同位姿的Stewart平台结构进行刚度和模态分析,从而计算出Stewart平台在其任务空间内的刚度和固有频率分布。根据伺服系统设计准则,进一步确定了Stewart平台的伺服带宽。     

结构参数对并联型双轴直圆柔性铰链刚度的影响

为了深入分析并联型双轴直圆柔性铰链的微位移变形性能,基于弹性梁的小变形假设、变截面连续梁弯曲理论及微积分叠加原理,推导出其角变形及转角刚度计算公式;根据胡克定律,得到拉压变形时的伸长量和拉伸刚度计算公式,并对柔性铰链在不同结构参数下进行有限元分析;同时,对影响转角刚度和拉伸刚度的结构参数进行研究。结果表明,转角刚度有限元解与解析解的误差在7%以内,拉伸刚度有限元解与解析解的误差在3%以内;刚度与最小厚度、弹性模量成正比关系,与切割半径成反比关系,且最小厚度对刚度的影响最显著,切割半径次之,弾性模量最弱。     

基于绳驱并联机器人系统刚度的力/位混合控制

对8绳6自由度绳驱并联机器人进行支撑刚度分析，基于刚度模型进行了力/位混合控制研究。首先，对绳驱并联机器人进行系统描述；接着，根据矢量封闭原理进行运动学分析，并对动平台进行受力分析，推导出静力平衡方程；然后，在操作空间通过刚度矩阵建立负载变化与位姿变化之间的关系，推导出支撑刚度的解析表达式，进而分析了影响支撑刚度的因素。另外，考虑系统刚度、动平台位姿精度和力控制稳定性等因素，综合出力/位混合控制器。仿真结果表明，在系统刚度基础上提出的力/位混合控制策略有效降低了动平台的位姿误差。最后，通过实验验证了刚度模型与力/位混合控制策略的准确性和有效性。     

弹性铰链设计

根据高等材料力学的知识推导了弹性铰链的刚度公式，并利用有限元软件ANSYS进行了铰链刚度校核和应力校验。     

基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法

优化直接进给轴伺服参数对提高进给轴抗干扰性能具有重要作用。分析了数控系统中应用伯德图优化伺服参数存在的问题,研究了一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法。通过建立直接进给轴动力学模型,给出了基于脉冲激励的动刚度测量方法,依据测量方法确定进给轴动刚度频谱图,建立了直接进给轴伺服系统动刚度模型,分析得到影响动刚度的主要因素,结合动刚度频谱图,给出了伺服参数快速优化策略。优化策略中依据动刚度频谱图判断共振点所在频段,应用电子滤波器抑制共振频段。以驱动系统为SINUMERIK 840D的自构建直线电机进给轴实验平台为对象,进行了伺服参数优化实验,实验结果表明,该方法能有效避免误判共振频段,可直接确认共振点,与应用伯德图优化伺服参数方法相比,优化后使速度环伯德图0dB频段增加58.6Hz,且首个尖峰延后11.7Hz。     

VARIABLE INERTIAL DAMPER AND ITS APPLICATION IN ZERO-DRIVE GEAR HOBBING MACHINE

A variable inertial damper, whose viscous damping coefficient can be adjusted by changing the gap between inertia wheel and motor spindle, is designed in servomechanism of zero-drive hobbing machine and is directly attached on the motor spindle. The mathematical model of servo system with inertial damper is built. By using theoretical analysis and system simulation, it is demonstrated that the variable inertial damper with optimal damping coefficient and moment of inertia should lead to no resonance point in wider frequency range of exciting force. Therefore, its application in zero-drive hobbing machine makes this system not only achieve higher system stiffness to overcome load torque fluctuation, but also gain better stability.     

考虑液压缸影响的Stewart平台动力学分析

由于液压系统的特点及Stewart平台的结构特性,液压驱动Stewart平台得到越来越广泛的应用.针对负载小的情况,在对Stewart平台进行运动学分析时,考虑了缸铰点的速度和加速度.详细分析液压缸缸筒、活塞杆两体由于重力和惯性力的作用,在平动和转动时对Stewart平台动力学分析时产生的影响.建立包括液压缸影响的、详细的Stewart平台动力学模型,为Stewart平台的准确设计、分析和控制奠定基础.     

一种基于固有频率分析的液压6自由度并联机构参数优化方法

液压6自由度并联机构存在固有频率低成本高体积大的缺点,在动态响应要求较高的场合使用常用的优化方法较难得到最佳性能,提出了基于固有频率的参数优化方法,建立了数学模型。考虑了液压系统主要运动部件活塞杆和油缸的摆动惯量,经过准确性验证后分析了液压缸面积、构件质量和结构尺寸等参数对系统固有频率的影响,实现了参数的优化。该优化方法简单、精确、高效,为固有频率较低的液压6自由度平台的参数优化及固有频率指标校核提供了新的理论研究手段,对实际工程具有指导意义。     

New method to improve dynamic stiffness of electro-hydraulic servo systems

Most current researches working on improving stiffness focus on the application of control theories.But controller in closed-loop hydraulic control system takes effect only after the controlled position is deviated,so the control action is lagged.Thus dynamic performance against force disturbance and dynamic load stiffness can’t be improved evidently by advanced control algorithms.In this paper,the elementary principle of maintaining piston position unchanged under sudden external force load change by charging additional oil is analyzed.On this basis,the conception of raising dynamic stiffness of electro hydraulic position servo system by flow feedforward compensation is put forward.And a scheme using double servo valves to realize flow feedforward compensation is presented,in which another fast response servo valve is added to the regular electro hydraulic servo system and specially utilized to compensate the compressed oil volume caused by load impact in time.The two valves are arranged in parallel to control the cylinder jointly.Furthermore,the model of flow compensation is derived,by which the product of the amplitude and width of the valve’s pulse command signal can be calculated.And determination rules of the amplitude and width of pulse signal are concluded by analysis and simulations.Using the proposed scheme,simulations and experiments at different positions with different force changes are conducted.The simulation and experimental results show that the system dynamic performance against load force impact is largely improved with decreased maximal dynamic position deviation and shortened settling time.That is,system dynamic load stiffness is evidently raised.This paper proposes a new method which can effectively improve the dynamic stiffness of electro-hydraulic servo systems.     

基于VL Motion和AMESim的液压六自由度平台联合仿真及试验研究#br#

为研究六自由度平台的优化设计及控制策略,需要对系统进行详细建模。针对液压六自由度平台仿真建模方法进行研究,提出一种机电液联合仿真的建模方法。采用AMESim对液压系统和控制系统建模,Virtual.Lab对平台机构动力学部分建模,通过软件之间的接口将机械、液压控制系统两部分模型联合,建立液压并联机构的通用仿真模型。通过与试验结果的对比验证了仿真模型的正确性。与传统数学建模方式相比,该方法发挥了各软件的优势,使建模过程简捷且高效,适用于复杂装备的设计与研究。     

球铰刚度计算模型及靠冗余支链实现并联机床刚度的改善

以Stewart机构为例提出一种基于解析法和有限元法的刚度分析新方法。应用有限元软件模拟球铰内的非线性接触变形,将计算结果抽象成一个特征参数带入机构的刚度解析模型中,然后得到机构的刚度矩阵,以解决在解析模型中无法处理铰链刚性的问题,并采用有限元软件证实该方法的可靠性。如果在解析模型中忽略球铰变形,则整个机构的刚度解析结果将产生较大误差。在此基础上,应用该方法定量研究采用主动冗余支链对提高并联机床刚性的效果。结果表明,在一定工作空间范围内,主动冗余支链可以显著提高并联机床的刚性。     

基于逆动力学模型的Stewart平台干扰力补偿

Stewart型电液伺服平台操作空间与关节空间之间的雅可比矩阵随位姿而时变,使得各液压缸的轨迹动态同步难以保证,且各缸末端铰接于运动平台,这导致各通道存在着动态耦合的干扰力.针对此问题,在推导系统动力学模型的基础上,通过对关节干扰力的由来和作用进行分析,以系统理想轨迹逆动力学为参考模型,通过运用关节实际运动学输出的正解和系统动力学逆解求得实际关节驱动力,从而得出动态偏差力.在关节位置闭环控制基础上,利用动态偏差力,设计自适应模糊干扰力补偿规律,实现力/位置混合控制,使各支链快速趋于同步,在减小了平台抖动的同时也降低了调整时间,有效提高了系统的整体跟踪性能.     

液压驱动单元力控系统建模及其性能影响因素研究

以四足机器人关节驱动器 液压驱动单元为研究对象,依据液压驱动单元的结构组成原理,采用机理建模的方法,建立其力控系统数学模型,该模型包含了基于辨识得到的伺服阀三阶传递函数、伺服阀的压力 流量非线性环节、伺服缸两腔容积变化因素等。建立液压驱动单元力控系统框图,并利用MATLAB/Simulink平台建立其仿真模型,采用实验测试与仿真分析相结合的方法,研究不同工作参数和不同给定信号下的液压驱动单元力控性能。研究结果表明：比例增益、供油压力、力阶跃量及正弦频率等参数均会对液压驱动单元的力控性能产生影响,该研究工作对四足机器人各关节高性能的力控方法研究提供了理论和实验基础。