旋量键合图在Delta型3D打印机动力学建模中的应用

围绕Delta型3D打印机多能域机、电耦合系统动力学建模展开研究。利用旋量键合图在并联机器人动力学建模上的优势,构建了该打印机机械本体子系统的动力学模型,并结合传统键合图建立了驱动子系统的动力学模型,获得了打印机系统机、电耦合的全局动力学模型,形象、直观地描述了该系统各能域之间能量传递与交换的关系,并且体现了各构件之间运动力的传递关系。最后,通过MATLAB软件进行理论计算以及ADAMS软件进行数值仿真,对比验证了该系统动力学全局模型的合理性,为动力学控制研究奠定了基础,同时也为打印机系统动力学建模提供了新的思路。     

4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

以4-DOF混联机器人为研究对象,分析了混联机器人的运动学,接着基于传统键合图建立了系统驱动部分（电动机和气动部分）键合图模型,基于旋量键合图建立了系统机械本体动力学模型,由于系统的并联部分引入冗余驱动,提出了采用输入力矩优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的机、电、气耦合的多能域系统动力学全解模型。冗余驱动分支在随动和施加优化得到的力矩（力/位混合控制）两种情况下,借助键合图自动化仿真软件（20-sim）进行多能域动力学仿真;并进行样机的控制试验,将仿真与试验得到的驱动力矩进行对比,验证了所建机器人系统多能域动力学模型的正确性。通过试验可以证明：力/位混合控制时样机运行更加平稳且能有效提高机构的运动精度。     

复杂机电系统动力学相似分析的键合图法

现有动力学相似方法只适用于单能量域中元件(或部件)的动力学相似分析,难以对复杂机电系统这类多能域耦合系统的动力学相似展开研究。基于此,以适用于多能域系统建模的键合图为工具,论述复杂机电系统键合图相似的前提条件,推导出键合图各要素相似所对应的动力学相似条件。在此基础上,根据键合图的模态分析理论,进行系统模态相似研究,给出系统频率、振型等主要模态参数的相似关系,从而提出复杂机电系统动力学相似的键合图分析法。利用该方法既能很容易地导出系统的相似要求,而无须知道各现象的物理方程,又可以实现用简单的单能域模型系统来对多能域原型系统进行动力模型试验研究,从而为工程中复杂机电系统的动力学相似研究提供新的方法和思路。所提供的算例表明,该方法在指导复杂机电系统动力学相似设计及模型试验时,能快速、简便而又直观地得到系统相似所需满足的相似条件。     

键合图理论及应用研究若干问题的发展及现状

由于实际工程系统不仅仅涉及单一能量形式,往往是多种能量形式的耦合。这使得键合图理论在多能域耦合系统全局动力学的研究中占有重要的地位。本文对键合图理论及应用研究领域中的非线性系统因果关系及其在系统建模中的作用、分布参数系统的动力学建模与仿真、基于键合图的概念设计及非连续系统的建模与仿真若干重要问题的发展及现状做了系统的阐述,对该领域的研究工作具有积极的推动作用。     

回转键合图法进行空间多体动力系统建模与仿真

为提高多能域耦合空间多体动力系统建模与仿真的效率及可靠性,提出了回转键合图法。阐述了建立空间多体系统键合图模型的一般方法及其动力学原理。基于回转键合图推导出便于计算机自动生成的系统状态方程及运动副约束反力方程的统一公式,克服了微分因果关系及非线性结型结构给系统自动建模与仿真所带来的代数困难。所述方法特别适合于多能域并存的系统,通过实例说明本文方法的有效性。     

基于键合图的多体系统耦合动力学的发展及现状

介绍了键合图理论及应用研究的概况,阐述了键合图理论在多能域耦合系统全局动力学的研究中所占有的重要地位。详细地阐述了基于键合图理论的多体系统耦合动力学的发展及现状,包括多体系统键合图模型的建立方法、多体系统键合图模型中微分因果环的解耦策略、系统状态方程及运动副约束反力方程的计算机辅助建立方法等重要问题。     

基于键合图的失谐叶盘系统振动试验方法研究

以适用于多能域系统建模的键合图为工具,提出了一种能应用于复杂叶盘系统动力学特性研究的模拟试验方法,建立了叶盘系统的键合图模型和相应的动力学试验模型,利用该方法在指导叶盘系统动力学模拟试验时,能快速、简便而又直观地得到系统动力学特性研究结果,从而为工程中复杂叶盘系统的动力学研究提供了新的方法和思路。     

永磁同步电机-2R机构多非线性耦合系统动力学分析及混沌控制

以研究多能域耦合系统的现代建模方法之一——键合图为基础,建立了永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)-2R机构多非线性耦合系统数学模型,并采用龙格-库塔法对其进行求解。在该耦合系统中,通过双参数混沌边缘法、分叉图以及最大李雅普诺夫指数,分析了多非线性系统之间的耦合作用对系统动力学特性的影响。当各子系统均处于混沌运动状态时,用通过主动控制方法调整耦合强度对其混沌运动进行了控制。研究发现,当耦合子系统都处于混沌运动状态时,由于子系统之间的耦合作用,系统动力学特性也随着耦合作用强度的改变而改变,耦合强度增大,系统混沌吸引子消失,逐渐从混沌运动状态变成周期运动状态。     

多能域过约束并联机器人系统动力学建模方法*

采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。     

复杂机电系统的全局耦合建模方法及仿真研究

运用键合图和功率拓扑键合图,建立了一个典型复杂机电系统——高速轧机的全局耦合动力学模型,揭示了各子系统之间的耦合关系,分析了由于耦合导致的影响,借助拓扑约束键及因果线,系统数学模型可由子系统数学模型分立——联合运行求解,大大降低了模型的病态程度和仿真时间;数学模型高度模块化,因而可方便地拆卸、拼装以适用于不同类型的轧机。对研究结果进行对比表明所建立的全局耦合动力学模型比一般孤立系统动力学模型更接近实测数据。方法具有一般意义,可用于其他复杂机电系统的动力学建模和分析。