平面柔性铰链导向机构刚度分析与实验测试

柔性导向机构是精密仪器设计中的一种重要的导向形式,其在导向方向的刚度计算是机构设计的关键技术.基于材料力学的弯矩方程,推导出平面柔性铰链的抗弯刚度解析式,并采用能量法求解出平面柔性铰链导向机构的刚度解析式.为验证解析公式的正确性,设计并加工了平面柔性铰链导向机构,在精密弹簧拉压实验仪上进行刚度测试,实验结果与理论计算结果进行对比,二者的相对误差为4.7%,证实了解析公式的正确性.     

等刚度高灵敏探头弹性机构设计

针对微型和小型元件的测量问题,设计了一种微纳米三坐标测量机的接触式探头高灵敏弹性机构。弹性机构由铍铜合金簧片、铝合金悬浮片、钢混合玻璃纤维探针以及红宝石测球构成。当测球与被测物体接触时,簧片产生弹性形变,根据弹性理论对弹性机构进行分析并对尺寸进行优化设计,得出弹性机构的刚度可以达到0.110 m N/μm以下。最后通过ANSYS软件对弹性机构进行仿真验证,分析结果的正确性并得出结论。     

集中质量对模拟测头基频的影响

为了改善三维模拟测头的响应特性及其动态稳定性,对三维模拟测头进行了基频分析.将模拟测头的各主要组成部件简化为集中质量模型,采用模态分析方法分析了工作基频对响应特性及测量精度的影响.通过集中质量分布位置及其影响敏度分析,结果表明:集中质量及其位置对于测头系统基频的影响呈非线性关系.以集中质量为约束条件的频率响应特性分析可有效提高模拟测头动态性能及测量精度,为提高模拟测头测量精度及动态性能提供了新途径.     

基于弹性导轨的整体三维测头及标定机构设计

测头是坐标测量技术中最关键的零部件之一,测量的精度直接依赖于测头的设备精度.针对目前我国市场上高精度三维测头匮乏的现状,通过对弹性导轨受力模型和受力与平行位移之间关系的研究,在考虑柔性铰链特性的基础上,同时考虑到测头工作中的重力平衡,设计出了整体式三维测头机构与标定机构,该机构与双频激光干涉仪结合对参数进行标定.该方案所设计的测头结构紧凑,测量范围广,工艺性好,标定工作台和标定方案设计科学合理.     

簧片哨噪声功率谱密度分析

针对簧片哨空化噪声的问题,首先通过ANSYS模拟簧片哨的振动,研究簧片哨的振动频率;然后通过水听器测量方法采集簧片哨的空化噪声数据,并利用ORIGIN软件分析噪声谱,最后分析模拟结果与噪声谱的关系.结果表明,簧片哨模拟振动频率与实际测得的频率基本相符;在不同水压条件下,簧片哨的噪声谱基本一致,测得的基频为0.8 k Hz,泛频为1.6 k Hz、2.4 k Hz、3.2 k Hz、4.0 k Hz、4.8 k Hz等;簧片哨的噪声谱具有明显的线状谱特点,但噪声谱的频率为可听声频率范围而不是超声频率范围.簧片哨的线状空化噪声谱特点有利于加强空化效果.     

RRSS空间机构的刚体导向综合

本文提出RRSS空间机构刚体导向综合的一种方法。以共面、等距条件和反位移原理建立R-R两副杆综合方程和以共球面条件建S-S两副杆综合方程,使得同样的综合问题其方程数和设计变量减少,从而缩短了计算时间。最后给出了一个数字例说明这种方法的应用。     

自动垂直钻井工具的理论与技术研究

实施垂直钻井中的主动纠斜需要解决诸如井斜动态测量、纠斜机构动力的获取和可靠控制等问题。通过滤除迭加在重力加速度计上的振动信号,以及对由于加速度计随钻杆转动产生的离心力带来的信号失真进行补偿,可有效解决井斜实时控制中的井斜测量问题;通过对液控导向机构的理论建模和动力学仿真,确定了可适用于井下恶劣工况的导向纠斜装置的动力机构,并且井下超常环境压力还可使这种机构具有更好的响应性能;返程泥浆对旋转中的导向活套的冲击将会产生阻碍活套随钻杆转动的反向扭拒,从而可使活套与钻杆之间产生转差,便于导向机构从钻杆的转动中获得足够的动力,用计算流体力学软件给出具体的结果。     

一种平行片簧结构扫描测头的研制

针对凸轮轴及曲轴测量的实际需要,设计了一种一维扫描测头,建立了测头的力学理论模型,并重点研究其核心部件平行片簧机构的受力变形理论,推导完善了平行片簧机构的变形公式.定量分析了影响测头测量精度的因素,找出误差产生的根源.以凸轮轴测量仪为实验平台完成了测头的性能实验,采用VDI-3441评价标准得到测头的重复定位误差为1.72μm.     

太阳能电池自动布贴机器人动力学分析与仿真

对空间太阳能电池片自动布贴机器人的大尺寸机构系统进行了深入研究,考虑关节运动为全约束运动,利用Eu ler变换法和Lagrange方程对机器人的两个主要运动系统导向定位系统和布贴系统进行了运动学和动力学建模分析,导出了描述两运动系统的雅可比矩阵以及显示形式的动力学方程,通过仿真证明了数学模型的正确性,为进一步研究该机器人的运动控制和轨迹规划问题打下了基础.     

基于电路模拟解决多杆机构弹性动力学建模问题

多杆机构的弹性动力学的传统建模方法采用拉格郎日第二类方程、虚功原理和有限元方法建立,针对传统建模方法相对复杂等问题,提出了应用电路模拟方法解决多杆机构的弹性动力学建模问题。从研究电学与机械振动学数学相似性入手,研究了一个等值电路,归纳了电路模拟建模方法的一般规则,并应用上述原理解决了多杆机构的弹性动力学建模问题,给出了一般求解公式。     

基于动态特性的剑杆织机共轭凸轮开口机构的设计方法

重新建立了共轭凸轮开口机构的动力学模型,组成相应的弹性振动微分方程.用矩阵摄动法分析该微分方程,并设计织机的开口机构.与传统的求解方法相比,计算时间减少20%,减小综框的振动以及降低断纬频率达到65%以上.     

含拐点的柔顺机构动力学建模及分析

为分析含拐点的大变形柔性梁的动态响应,建立含拐点的柔顺杆的动力学模型,基于拉格朗日方程推导其动力学方程组,在MATLAB软件中求解出其转角随时间变化的特性曲线,并与ADAMS软件仿真所得角位移曲线进行比较.研究表明:含拐点柔顺机构的拐点关节依靠各杆间的动力学耦合运动,拐点关节的转角变化很大,这体现了含拐点的柔顺机构动力学模型与不含拐点的柔顺机构动力学模型的区别,柔顺机构动力学模型能精确地反映柔顺机构的运动和变形.     

织机打纬凸轮机构的动力学响应

在织机打纬共轭凸轮机构的静态设计基础上,考虑到打纬凸轮机械的质量、刚度等动力学特性参数,建立了该机构系统的动力学模型,求出了摆杆的起初运动规律,最后求解了动力打纬凸轮的廓线方程。     

高速瓦楞辊机构的中高度及其动挠度曲线方程

论述了高速瓦楞辊机构扣高度的动力学特片，建立了相应的上、下瓦楞辊的设计中高度的数学模型，导出对应的动挠度曲线方程。     

Dynamic Modeling and Analysis of 4UPS-UPU Spatial Parallel Mechanism with Spherical Clearance Joint

球面关节间隙4UPS-UPU空间并联机构的动力学建模与分析

陈修龙,崔梦强

（山东科技大学 机械电子工程学院,山东 青岛266590）

创新点说明：

现有研究主要集中在平面机构中转动副间隙的动力学,而考虑空间并联机构的球铰间隙动力学的研究较少。本文提出用拉格朗日乘子法建立空间球面关节间隙并联机构动力学方程的一般方法。以含球面关节间隙的4UPS-UPU空间并联机构为研究对象,建立球铰间隙的运动学模型和接触力模型。采用拉格朗日乘子法系统地推导出具有球铰间隙的4UPS-UPU空间并联机构的动力学方程。分析了间隙处摩擦系数对4UPS-UPU球铰间隙并联机构动态响应的影响。当前针对空间机构混沌现象的研究较少,本文也着重研究了球铰间隙处和机构动平台的混沌现象,利用Poincare映射、相图和分岔图分析了间隙值和摩擦系数对间隙关节和机构动平台非线性特性的影响。

研究目的：

随着机械产品的广泛应用,人们对其设备高精度的要求越来越高。然而,在实际工作条件下,由于间隙的存在,机械设备会产生振动、磨损、噪声等不利影响,进而导致零件变形和损坏,影响加工精度,降低机械效率。间隙的存在对空间并联机构动态响应有着很大影响,尤其是球铰在空间机构中应用十分普遍。通过本文的研究可较准确地预测含球铰间隙4UPS-UPU空间并联机构的动力学特性,为机构的间隙参数设计、混沌控制和之后的润滑磨损分析奠定基础。

研究方法：

首先建立球铰间隙的运动学模型,并采用L-N模型建立了机构的法向接触力模型,利用改进的库仑摩擦模型建立了机构的切向摩擦模型,利用拉格朗日乘子法建立了考虑球铰间隙4UPS-UPU空间并联机构的动力学方程。其次,利用MATLAB软件分析了考虑球铰间隙的并联机构在不同摩擦系数下的动力学特性。然后,利用相图、庞加莱映射和分岔图研究了机构在不同间隙值和不同摩擦系数下的非线性特性。最后,利用ADAMS软件对含球铰间隙空间并联机构动态响应结果的正确性进行了验证。

结 果：

随着间隙处摩擦系数的减小,含球铰间隙空间并联机构的动态响应峰值和振动频率增大,机构的输出精度降低。随着摩擦系数的减小,球铰关节处的运动由周期状态变为混沌状态,但是该机构动平台具有良好的稳定性,不存在混沌现象。随着间隙值的增大,机构动平台始终处于单周期运动状态,球铰关节处只存在准周期运动状态,不存在混沌现象。

结 论：

1）系统地描述了球铰间隙关节处的几何关系。提出用拉格朗日乘子法建立具有球铰间隙4UPS-UPU空间并联机构动力学方程的一般方法,并用龙格库塔法求解其动力学方程。

2）分析了摩擦系数对4UPS-UPU球铰间隙并联机构动态响应的影响。分析了机构动平台的位移、速度和加速度曲线,以及间隙关节处的接触力。在前三条曲线中,摩擦系数对加速度的影响最大,其为机构间隙参数的选择和设计提供了可靠的依据。

3）研究不同因素下4UPS-UPU球铰关节间隙空间并联机构的混沌特性。随着间隙关节处摩擦系数的减小,其间隙关节处的运动状态变得不稳定;当摩擦系数减小到一定值时,关节处会出现混沌现象。然而,该机构具有良好的稳定性,不存在混沌现象。随着间隙值的增大,机构动平台始终处于单周期运动状态;球铰关节处只存在准周期运动状态,不存在混沌现象。结合这两个因素的分析可知,间隙值的变化对机构的影响较小,机构动平台的稳定性远高于球铰关节处的稳定性。发现合理的间隙值和摩擦系数有利于机构的稳定。

关键词：空间并联机构;球铰间隙;动力学建模;动力学分析

     

Dynamic modeling and analysis of 3-RRS parallel manipulator with flexible links

The dynamic modeling and solution of the 3-(R)RS spatial parallel manipulators with flexible links were investigated. Firstly, a new model of spatial flexible beam element was proposed, and the dynamic equations of elements and branches of the parallel manipulator were derived. Secondly, according to the kinematic coupling relationship between the moving platform and flexible links, the kinematic constraints of the flexible parallel manipulator were proposed. Thirdly, using the kinematic constraint equations and dynamic model of the moving platform, the overall system dynamic equations of the parallel manipulator were obtained by assembling the dynamic equations of branches. Furthermore, a few commonly used effective solutions of second-order differential equation system with variable coefficients were discussed. Newmark numerical method was used to solve the dynamic equations of the flexible parallel manipulator. Finally, the dynamic responses of the moving platform and driving torques of the 3-RRS parallel mechanism with flexible links were analyzed through numerical simulation. The results provide important information for analysis of dynamic performance, dynamics optimization design, dynamic simulation and control of the 3-RRS flexible parallel manipulator.     

多模型集成的高炉炼铁智能控制专家系统

为达到高炉冶炼过程的最优控制，提出了高炉冶炼过程的多模型集成的专家系统. 阐述了专家系统的各个组成部分: 工艺计算机理模型、炉况诊断推理模型、系统优化参数模型、混合动力学机理和炉温控制方程.在保证炉况平稳运行的基础上，专家系统对几个主要运行参数进行了优化.同时通过对高炉冶炼过程混合动力学机理的分析，揭示了高炉炉温波动所隐含的非线性能耗规律，得到在不同生产目标状态下的最优操作区间.对复杂的生产状况做出准确的预测并给出了对应的控制措施，在实际应用中取得了增加产量和降低能耗的实际效果.     

配气凸轮机构动力学计算

将汽车发动机配气凸轮机构简化为单自由度质量—弹簧振动系统动力学模型,用有限差分法求解其运动微分方程,并得出气门运动线图．     

弹载捷联惯性导航系统算法及仿真

为了提高制导炮弹对目标的命中概率和毁伤概率,根据末制导炮弹的射程近、飞行时间短的特点,建立简化的捷联惯性导航模型.在等效旋转矢量四元数更新算法基础上,采用优化三子样算法建立捷联惯性导航仿真平台,并通过模拟飞行轨迹和实测弹体飞行数据对系统进行仿真验证.仿真结果表明,采用的算法解算精度明显高于四元数毕卡求解法,同时对弹体飞行的18.95 s时间内实测数据求解姿态的最大理论误差达到10-6数量级,满足实时性和精度要求,同时减小了方向漂移对制导炮弹精度的影响.     

强夯法加固地基的三维有限元动力固结分析

针对强夯动力固结模型解析解的复杂性 ,考虑地基惯性力及动接触应力 ,基于三维有限单元法建立了土体动力平衡方程 ,并给出该方程的迭代计算格式 .通过算例计算分析 ,得到了强夯作用过程中土体动态响应的一般规律 ,为精确模拟分析强夯加固机理提供了有效途径 .