基于虚功原理的一种新型锻造操作机主运动机构动力学分析

提出一种新型6自由度前后双提升驱动式锻造操作机。基于复矢量法对操作机主运动机构的运动学进行全面分析。其次将液压缸的缸体和活塞杆简化为一个构件的情况下,基于虚功原理推导并建立主运动机构的动力学数学模型。分别在水平升降运动、俯仰运动以及前后缓冲运动三种运动状态下对夹钳末端进行正弦速度规划,并在给定负载情况下对动力学模型进行了仿真分析。将该简化模型与实际中将液压缸的缸体和活塞杆分为两个构件的动力学模型进行仿真对比分析,得到各驱动液压缸分别在三种运动状态下输出驱动力的误差曲线。结果表明该新型锻造操作机的主要承重构件为前提升缸。简化模型等效于实际模型,并且有效简化了动力学的建模过程。研究结果为该机构的设计和应用提供了重要的理论依据。     

操作机主运动机构的解耦性研究

巨型重载操作机是极限制造装备技术的重要体现,为了降低操作机的控制难度,研究3种常见锻造操作机主运动机构的解耦性问题。建立3种锻造操作机的运动学模型,并求解机构的速度输入—输出关系矩阵,发现在传统的输出参数定义下,3种操作机的输入始终处于耦合状态。根据实际工作状态重新定义输出参数,在此基础上提出一个新的解耦定义方法。分别单独求解每个动作下的速度的输入—输出关系矩阵,并且利用Matlab仿真验证,发现其中一种操作机的主运动机构是完全解耦的,而另外两种操作机属于部分解耦。从锻造操作机主运动机构的解耦过程来看,重新定义输出是一种直观的解耦方法,该方法为并联机构的解耦提供一种新思路。     

锻造操作机的可视化刚体动力学仿真

在分析锻造操作机工作原理的基础上,采用ADAMS软件平台,建立锻造操作机的可视化三维数字化模型.考虑锻造操作机自重和外负载影响,对操作机各个部件施加相应的约束和载荷,然后进行多刚体系统的动力学三维可视化仿真,得到了典型工况运动过程中操作机受力的变化情况,并对极限载荷情况进行分析.仿真结果为锻造操作机的零部件合理设计提供了参考依据.     

自由锻造操作机顺应过程分析

以自由锻造操作机的一次锻打工况作为研究对象,建立锻造操作机"锻造-机械-液压"多领域耦合动力系统模型。基于模块化建模思想,模型中锻造子系统,机械子系统和液压子系统均采用状态方程统一表达,通过定义子系统间的输入输出关系,可耦合成系统的动力学模型。利用此模型对锻造操作机一次锻打过程中的顺应过程进行描述和分析,揭示了顺应运动应分为两个阶段:2自由度主动顺应阶段和3自由度主被动顺应阶段。针对某典型作业条件,分三种不同工况:缓冲缸失效、缓冲缸背压恒定以及实际作业工况,对某型号锻造操作机的顺应过程进行仿真和分析。仿真结果验证了顺应运动一方面能够保护操作装备免受过大载荷的破坏,另一方面能够改善装备的外部载荷环境,对保证锻造操作机正常工作具有重要意义,同时为操作机的设计和性能优化提供了重要的理论依据。     

一种典型DDS锻造操作机运动学分析

锻造操作机的运动学分析是实现操作机运动控制的基础,鉴于大部分学者仅对典型DANGO&DIENENTHAL(DDS)锻造操作机的主运动机构进行运动学分析,对一种典型DDS锻造操作机的整体机构进行运动学分析。该整体机构是由一个平行四杆机构和一个并联机构组成的串并联形式的混联机构。采用修正的Grübler-Kutzbach公式计算其中并联机构的自由度,计算结果表明并联机构的自由度数多于其主动输入数,所以该并联机构的运动无法直接确定。究其原因是机构中4S闭环的侧摆运动规律不唯一,因此对4S闭环的侧摆运动进行优化分析,利用旋转相似变换得到4S闭环侧摆后其输出件的姿态可用yzy欧拉角描述,从而确定该并联机构的运动。采用yzyy欧拉角描述钳杆的姿态,使得前三个姿态角恰好为4S闭环发生侧摆后其输出件的姿态角,从而很容易地建立该操作机整体机构主动输入与钳杆位姿之间的位置关系。在此基础上对该操作机整体机构进行速度分析,并用ADAMS软件对位置分析和速度分析进行仿真验证。     

锻造操作机顺应性能评价与优化方法

研究操作机的刚度与顺应性能,基于雅可比矩阵的各时变线性关系项对机构的运动学性能进行分析,构造关节速度与操作空间速度变换项的均方差模型,建立运动性能评价矩阵,其中对角项为各速度变换项相对其平均值的波动程度,反对角项为速度变换的耦合程度,具有明确的物理意义.通过构造操作刚度矩阵各项元素的均方差变换模型,建立关节刚度与操作刚度变换的线性耦合度评价指标.建立Matlab程序计算某型操作机的速度变化和刚度耦合关系的函数曲面,对操作机运动性能和各方向顺应性能进行评价.研究操作机运动学参数的优化模型,计算得到了运动学近似解耦的某型操作机关键几何尺寸和关节位置,基于运动性能指标和顺应性能指标对运动学参数进行评价,对优化机构参数和原操作机参数进行对照.所获得的操作机运动性能和顺应性优化结果为操作机本体结构参数设计提供了一种有效的性能优化和评价方法.     

3种锻造操作机主运动机构受力比较分析

首先分析了3种锻造操作机主运动机构的位置正解,然后利用传统的方法对3种锻造操作机主运动机构进行了受力分析,得到了升降缸驱动力和机架铰接处受力与升降缸输入位移之间的关系,并分析了锻件偏心距变化对3种锻造操作机主运动机构升降缸驱动力的影响。通过对上述结果的比较分析,其中一种新型锻造操作机主运动机构被选为实际应用中优先考虑的机构。     

锻造操作机相似模型逆动力学建模与非线性控制器设计

锻造操作机是自动化锻造作业当中不可缺少的重要装备之一,在提高生产效率、保证加工质量等方面发挥了重要作用。为了提高锻造操作机的工作性能,针对某一型号的锻造操作机设计相似机构以便于开展试验研究。针对此相似机构,采用虚功原理方法建立其逆动力学模型。为减小机构动力学非线性对响应性能的影响,采用动力学前馈方法将钳杆按期望轨迹运动时所需的驱动力分配给各液压缸驱动单元,并以液压缸驱动单元位置动态性能的提高来改善钳杆的位姿跟踪性能。为此,考虑液压系统的非线性,利用反馈线性化方法将液压缸驱动单元转化为一个二阶线性系统,通过4个参数的设定来确定液压缸驱动单元的自然频率及阻尼比以及改善系统的动态响应过程。仿真结果表明了这种控制方法的有效性。     

锻造操作机钳口的结构优化设计

建立锻造操作机带有凸齿结构的钳口有限元模型,在钳口与工件的接触区域添加位移约束,经静力分析得到钳口的应力结果。在不影响钳口夹持性能的条件下,选取恰当优化变量,对钳口进行钳口质量最小、应力不超过许用应力为优化目标的结构优化,减轻重量18.3%。     

锻造操作机相似试验台设计和仿真

锻造操作机具有重载、大惯量、机构混联等特性,这对操作机的快速高精度控制提出了很高的要求.为了满足操作机的控制要求,各种控制方法被提出并通过仿真验证了可行性.但是,直接将这些控制方法应用到重载荷的操作机上是不恰当的.设计了一台机、电、液一体化的锻造操作机相似模型,该模型在尺寸、运动和受力特性上和作为原型的某锻造操作机相似.同时,还建立了该样机的ADAMS虚拟动力学模型,适用于控制方法的仿真和验证.     

四自由度锻造操作手模拟实验台动力学建模与控制

锻造操作手在时变工况下的动力学特性直接影响着锻件的成形质量.采用拉格朗日方程法建立四自由度锻造操作手模拟实验台动力学模型,并将数学模型与ADAMS虚拟样机的动力学仿真结果进行对比验证,证明了模型的合理性.在此基础上,设计基于重力补偿的PID控制器,仿真结果显示控制性能良好.研究结果为实际锻造操作手的动力学研究和轨迹规划提供了有价值的参考.     

Impedance analysis of forging process and strategy study on compliance for forging manipulator

In the field of heavy forging, there are numerous researches on deformation rule in forging process by FEM simulation, however, not many scholars take the equipment constraint and the mutual reaction load between the forging manipulator clamp and the forging blank into account, which will impact on safety of manipulator body and quality of forging blank. This paper presents an impedance model to describe the load and formulates compliance strategies correspondingly to reduce the mutual reaction load for forging manipulator. Firstly, an FEM model of forging process is built. Meanwhile, the clamp of forging manipulator is added to the model as movement constraint and interaction part between the manipulator and the forming process. Secondly, a typical forging process is simulated by changing the movement constraint, and then an impedance model is established to describe the relationship between the load and movement constraint. Finally, two kinds of compliance strategies are formulated according to the impedance model, one is called free compliance, and the other is initiative/passive compliance. The simulation results show that compliance strategies reduce the load amounting to 5 000 kN in z direction between the manipulator clamp and the forging blank obviously, which may lead to serious accidents, such as the capsizing of forging manipulator, the fracture of manipulator clamp, and so on. The proposed research simulates the more real forging process, gets the initiative/passive compliance strategy which is more simple and suitable to the real producing and better for forming a forging process planning and control system in the modern production, and improves the quality and efficiency of heavy forging.     

自由锻造操作机冗余驱动系统的驱动力分配与协调

建立了自由锻造操作机提升系统冗余驱动机构的逆动力学模型,分析了运动协调、运动不协调、布置关节轴承协调运动3种工况下提升系统的驱动力分配情况.得到了3种工况驱动力分配与运动误差之间的关系,通过3种工况的对比分析了关节轴承的协调效果,并进一步分析了提升系统的自调特性.对现有操作机设计的合理性进行了分析,为今后新型操作机的设计打下了基础.     

30t全液压锻造操作机的液压油缸及其行程检测装置的设计与应用

根据不同的功用和具体情况,介绍30t全液压锻造操作机液压油缸及其行程检测装置的设计与应用。行程检测装置设计采用了内置式行程检测装置,按活塞缸和柱塞缸,分别介绍了从一端安装和两端安装两种方式的具体结构,安装步骤以及优缺点,归纳和总结设计过程中的问题。     

4自由度轮式悬架移动机械手动力学研究与仿真

针对4自由度轮式悬架移动机械手(平面)动力学问题进行了系统研究.该轮式移动机械手由2自由度线弹性一阻尼悬架系统的移动载体和2自由度机械手所组成,并假定移动栽体以恒速通过不规则路面(路面以正弦函数描述).综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程,并采用Cartesian 坐标,建立了该轮式移动机械手系统的完整动力学模型(正、逆动力学模型).该动力学模型综合考虑了由路面和悬架对整体系统动力学的耦合影响,最后采用数值的方法分别给出了考虑悬架与不考虑悬架工况的该动力学模型逆解的仿真结果.该模型为后续系统控制策略的选取提供了相应的理论依据.同时该动力学模型由于采用CartesiaIl坐标,致使该动力学模型的推导具有通用性.为移动机械手动力学研究提供了相应借鉴.     

新型汽车电泳涂装输送机构的动力学建模*

针对一种新型汽车电泳涂装输送机构,提出一种结合解析几何法、旋量理论与虚功原理建立机构动力学模型的方法。充分利用该机构的对称结构特点,通过解析几何的方法分析该机构中各被动关节的速度、加速度,再引入旋量理论得出该机构各主动关节的速度、加速度,在此基础上应用虚功原理建立该机构旋量形式的动力学方程,进而计算出可直接实现控制的机构各主动关节轴向驱动力。利用Matlab和ADAMS软件分别对所建立模型进行仿真,仿真结果的一致性表明了该动力学模型的可靠性。所提出的动力学建模方法可简化建模过程,其步骤清晰,易于程序化实现,其研究结果可为进一步实现该新型汽车电泳涂装输送机构的高性能控制及实际工程应用奠定基础。     

并联机器人机构新构型设计的探讨

主要探讨并联机构的新构型,针对现存并联机器人机构的种类,分布特点和技术不足以及应用需求,提出一种新型的把空间移动和转动结合起来的3自由度完全并联机构构型,并分析了它的设计思想,该并联机构可广泛应用在工业机器人,飞行模拟器,微动机器人和并联机床等领域。     

3(3-RPS)并-串联机构及其运动学分析研究

针对并联机构运动学和动力学性能方面存在的问题,提出了一种新结构-3(3-RPS)并-串联机构,对3(3-RPS)并-串联机构进行了运动学方面的研究,对3(3-RPS)并-串联机构的结构特点进行了介绍,利用螺旋理论及修正的Kutzbach–Grüble公式对3(3-RPS)并-串联机构进行了自由度计算,利用机构影响系数法和螺旋理论对3(3-RPS)并-串联机构的速度和加速度进行了建模,得到了3(3-RPS)并-串联机构速度和加速度的理论模型,利用工程分析软件ADAMS和Abaqus对3(3-RPS)并-串联机构进行了运动学仿真及结构受力分析,得到了上平台在空间中的速度和加速度曲线变化图与机构的结构受力变形图。研究结果表明:3(3-RPS)并-串联机构的自由度数为9,速度和加速度值等于各层之和;本研究分析3(3-RPS)并-串联机构运动学的方法也适合其他并-串联机构。     

2-UPU-RRC并联机构及奇异位形分析

提出一种新型三平移三自由度空间并联机器人机构,进行机构运动输出特性分析及自由度计算,并建立2-UPU-RRC并联机器人机构的位置正、反解方程。得到该机构的奇异位形。该机构解耦性好,为系统控制提供了方便。