含球面副间隙的空间并联机构动态特性

为了分析含球面副间隙的5-PSS/UPU并联机构的动态特性,建立含多个球面副间隙的空间并联机构的刚体动力学模型. 基于“接触-分离”二状态模型建立含球面副间隙的运动学模型;基于改进的接触模型和修正的Coulomb摩擦模型建立运动副元素之间的法向与切向接触力模型,进一步将接触力转化到运动副元素对应的部件质心;采用牛顿-欧拉法并结合拉格朗日乘子建立含间隙空间并联机构的动力学模型,利用数值仿真分析其动态特性,计算得到间隙分别为0.05、0.10、0.20、0.40 mm时的动平台角加速度均方根误差（RMSE）指标,分别为40.046、65.385、98.489、145.715 rad/s². 结果表明,在存在多个球面副间隙的情况下,当间隙增加时,空间并联机构的动态性能严重退化.     

含球关节间隙的RSSR机构动力学建模与仿真

为研究含球关节间隙对空间连杆机构动态性能的影响,建立含间隙的球关节运动学模型,基于拉格朗日乘子法,建立含球关节间隙的RSSR空间机构动力学模型,仿真分析了关节接触力模型、曲柄输入转速、间隙尺寸等因素对机构的动态性能的影响.仿真结果表明:不同的关节接触力模型,对仿真结果影响较大;球头与球窝的碰撞接触点主要分布在间隙球的两个局部区域;间隙尺寸对机构摇杆输出角加速度波动以及球关节接触力影响最大,间隙尺寸的大小与摇杆角加速度、关节接触力大小的变化呈现非线性正相关的趋势.     

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

     

含间隙铰链并联机构的动力学分析

以3-RRRT并联机构为对象,基于ADAMS仿真软件平台,在考虑库仑摩擦力条件下,利用非线性等效弹簧阻尼的概念建立含间隙铰链的接触动力学模型,在此基础上构建了机构的动力学分析模型.对该模型进行仿真,分析铰链在理想接触和含间隙时并联机构的动力学性能,同时还比较研究了机构一条支链存在铰链间隙和三条支链均存在铰链间隙时的动力学性能.结果表明铰链间隙对并联机构动平台的加速度及机构接触力都有较大影响,在机构设计时需要加以考虑.     

考虑杆件弹性和三维间隙铰机构动力学研究

为了能准确预测太空中可展机构的展开性能,在动力学模型中同时考虑杆件弹性和三维间隙铰的影响．间隙铰通过“T”字形杆件模拟,接触力采用非线性弹簧阻尼模型,分别考虑理想铰、三维间隙铰以及杆件弹性3种情况对可展桁架的一个单元进行展开过程数值仿真分析．设计了一个桁架单元装置,通过实验初步验证杆件弹性和间隙铰对机构动力学的非线性影响．分析结果表明间隙铰中存在径向和轴向碰撞接触力,轴向碰撞接触力影响桁架平面外稳定性,杆件弹性振动效应使能量发生转移,减小了最大碰撞接触力,加剧了轴套和销轴之间的碰撞接触次数．     

飞机大部件调姿机构磨损预测模型的构建与仿真

针对飞机大部件调姿机构球铰磨损量预测问题,提出一种含间隙的球铰磨损模型.根据球铰的几何结构构建运动学模型;采用含迟滞阻尼系数的连续接触力模型与改进Coulomb摩擦力模型建立球铰的动力学模型;结合Archard方程建立球铰的磨损模型.为了能够获得接触表面的磨损分布情况,将磨损表面离散,借助Hertz接触理论计算接触力的分布,并以离散后的单张曲面为单元分别计算与保存单张曲面磨损量.针对一种四定位器的调姿机构,模拟调姿过程进行仿真计算,结果显示：单个球头表面磨损分布并不均衡,4个球头之间的磨损分布情况类似,但是磨损量存在一定的差异.该磨损模型能够用于调姿机构寿命的预测,并对调姿机构的机械设计提供参考.     

定压预紧下角接触球轴承的动力学建模方法

针对定压预紧下的角接触球轴承在动态条件下的接触状态进行动力学建模.分析了定压预紧机理和受力特点,考虑了陀螺力和离心力的影响,基于Hertz接触理论,提出了一种角接触球轴承动态非线性模型的建模方法.通过对模型的数值迭代,确定了角接触轴承的动力学参数以及包括轴承内外圈在动态情况下的法向接触力、接触角、最大压应力、轴向位移、接触斑点和刚度值等动态接触参数集.设计了一个装有定压预紧轴承组的试验台,通过预紧力和转速调整,测量轴承在不同工况下内外圈的相对位移,与构建的模型进行了比对,验证了建模方法的正确性,为轴承生热量和疲劳寿命分析提供了理论依据.     

规范多agent系统动态模型及其属性验证机制

针对规范多Agent系统（NMAS）并发性、动态性和规范性的特点,提出了一种规范多Agent系统动态模型和基于模型检验的属性验证机制.其中动态模型包括行为约束规范语言TNAL和联合行为转移结构两大部分.TNAL以现实世界法律法规为参考,实现了规范的时态特性和道义特性的建模.联合行为转移结构以多Agent联合行为作为状态转移标记,以规范剪枝后的计算树描述规范系统的动态语义,使系统属性描述语言和规范语言相互独立.以CTL*作为系统属性描述语言,借助现有模型检验工具即可实现NMAS的属性验证,这种实现方式使系统验证工作具有更高的灵活性.     

机场刚性道面结构材料参数的动态反演研究

以运动荷载下粘弹性地基上矩形板系统为基础,考虑板间接缝传力的边界条件,利用变分法、贝蒂功互等功定理等数学方法求解运动荷载作用下的道面板的弯沉解析解.以实测动弯沉和理论计算动弯沉为基础,应用非线性最小二乘原理和奇异值分解技术建立刚性道面结构参数的动态反演方法.通过工程实例验证本文理论,可为机场道面的无损检测和承载力评价提供理论依据.     

合作机器人的关键技术及实验研究

为了使合作机器人(Cobot)在同一作业空间内与人直接进行物理合作,对Cobot的不完全约束关节机构和虚拟轨迹控制2项关键技术进行了建模及实验研究.建立了基于双超越离合器的不完全约束关节机构的模型及约束控制模型,并以五杆式Cobot为实验样机对关节机构的被动约束特性进行了实验验证.提出了基于操作力的轨迹规划方法,建立了轨迹规划模型,并对Cobot跟踪给定直线和圆弧轨迹进行了实验研究.研究结果表明,不完全约束关节机构具有被动特性,可以约束Cobot关节的运动状态;轨迹规划方法可以实现Cobot的轨迹控制.文中的研究成果经过进一步完善,可以应用到合作机器人系统,对完善人机合作技术、扩大机器人产业和提高机器人的作业水平等具有重要的实际意义.     

考虑装配条件的C/C复合材料指尖密封动态性能Symbol`@@

针对航空发动机装配条件影响指尖密封性能的问题,构建考虑装配条件的C/C复合材料指尖密封动态性能分析方法. 根据指尖密封与转子间的力学行为构建多层叠置指尖密封的分布质量等效动力学模型;确定模型中等效质量、等效结构刚度系数、接触刚度系数、摩擦阻力以及转子激励等参数;借助等效动力学模型计算泄漏率和指尖梁/转子接触压力等指尖密封的动态性能. 计算结果表明：依间隙配合、无间隙配合和过盈配合条件的顺序,指尖梁位移响应和指尖梁与转子之间的泄漏间隙均会随之降低,但其接触压力会随之增大,体现出指尖密封泄漏和磨损的“矛盾”性. 在确定的装配条件下,可以通过结构设计改变指尖梁的结构刚度,以使指尖密封泄漏和磨损性能均达到最优.     

Dynamics Response and Non-linear Characteristics Analysis of Complex Planar 2-DOF Mechanism with Revolute Clearances

二自由度含回转间隙九杆机构的动力学响应及非线性特性分析

陈修龙 潘鹏

（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单间隙的单自由度机构上,而考虑多间隙多自由度的机构研究较少,本文以含双间隙具有两个自由度的新型九杆机构为对象,该机构中的三角板处于摆杆位置,其承载能力较大,可作为多连杆压力机的主体机构,对此机构进行了系统的动态响应研究,分析了机构在不同间隙位置、间隙值和间隙数下的动态响应;当前针对机构混沌现象的研究较少,本文也着重研究了转动副间隙处的混沌现象,分析了其非线性特性,并利用相图和庞加莱映射图对其混沌现象进行了识别,给出了不同间隙值和驱动速度下的分岔图。

研究目的：

由于制造、装配误差和磨损等原因,机构中必然存在间隙,降低了机构的使用寿命和工作精度,对平面机构的动态响应有很大影响。通过本文研究可较准确地预测含间隙九杆机构的动力学特性,为机构的间隙设计、混沌控制和可靠性设计奠定基础。

研究方法：

首先,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,利用拉格朗日方程建立了多间隙平面机构的动力学方程。然后,利用MATLAB软件分析了含多间隙九杆机构在不同间隙数、不同间隙值和不同位置下的动力学特性。最后,利用庞加莱映射和分岔图研究了机构在不同间隙值和不同驱动速度下的非线性动力学特性。

研究结果：

随着间隙值的增大,含多间隙九杆机构的动态响应峰值和振动频率增大,间隙处的轴心轨迹变得更加混乱,机构的输出精度降低。随着间隙数的增加,机构的动态响应峰值和振动频率增大,输出精度降低。随着间隙值的增大,机构的运动由周期状态变为混沌状态。随着驱动速度的增大,机构的混沌现象更加明显。

结论：

1）采用L-N模型建立机构的法向接触力模型,利用改进的库仑摩擦模型建立机构的切向摩擦模型。通过拉格朗日乘子法,建立了改进的动力学模型。

2）分析不同间隙位置、间隙值和间隙数对机构动态响应的影响。不同位置间隙对机构动态响应的影响不同。随着间隙值的增大,机构的动态响应峰值和振动频率增大,间隙处的轴轨迹变得更加混乱,机构的输出精度降低。随着间隙数的增加,机构的动态响应峰值和振动频率增大,输出精度降低。其为机构间隙的选择和设计提供了可靠的依据。

3） 研究不同间隙和驱动速度对间隙接头处非线性特性的影响。利用相图和庞加莱映射图分析机构中的混沌现象,得到不同间隙值和不同驱动速度下的分岔图。结果表明,随着间隙值的增大,机构的运动由周期状态变为混沌状态。合理的间隙值有利于机构的稳定。随着驱动速度的提高,机构的混沌现象更加明显。因此,适当降低驱动速度也有利于提高机构的稳定性。

关键词：平面连杆机构;转动间隙;动态响应;非线性特性;混沌现象

     

水轮发电机组转子-轴承系统横向振动特性分析

将非线性Capone油膜力模型与考虑电机磁极对数分布的不平衡磁拉力模型相结合,建立了水轮发电机组转子-轴承系统非线性动力学模型。基于Matlab语言程序采用4阶5级Runge-Kutta法对系统进行了数值分析计算。研究了在考虑与不考虑不平衡磁拉力的情况下,轴承长径比、转子质量偏心及轴颈间隙等参数的变化对转子轴心轨迹以及频域特性的影响。数值结果表明,同轴承长径比及转子质量偏心相比,轴颈间隙是影响系统轴心轨迹和频域特性的主要因素。相关结论可为进一步研究水轮发电机组在电磁和机械等结构参数共同作用下的运动特性提供部分参考。     

具有非驱动关节机器人模型的研究

以具有非驱动关节的水平两自由度机械手（大臂为驱动臂，小臂无驱动、自由）为对象，建立了其动力学数学模型，对其非完全约束（约束条件为不可积）情况进行了分析，在此基础上，利用解非线性方程的有效方法一平均值法对模型进行了处理，得到了与原系统动力学性能基本等价的平均系统，使模型得到简化，通过非线性系统相平面分析的方法，对原模型与简化后的平均系统模型在扰动作用下的特性进行了分析，得到了满意的仿真结果，验证了简化方法的有效性，简化后的模型可方便地用于该机械手的位置控制。     

六自由度装配机器人的动态柔顺性控制

为了提升工业机器人装配的精确性与柔顺性,提出适合工业六自由度装配机器人的动态柔顺性控制策略,使之不仅能够实现快速高精度的参考轨迹跟踪,而且能够动态地切换到工件装配时的接触力控制,并能够保持良好的柔顺性接触力.构建机器人关节空间的标准动力学模型,并变换到末端执行器操作空间,获得操作空间的动态特性.给出该控制策略,主要包含参考轨迹给定模块、内环的轨迹跟踪控制器以及动力学参数辨识模块等.采用滑模算法设计轨迹跟踪控制器;采用阻抗滤波器,生成装配作业时末端执行器的期望运动轨迹;采用sigmoid函数设计轨迹跟踪与接触力控制的判别模块;采用最小二乘算法,设计动力学参数辨识模块.采用Lyapunov函数证明了该控制策略的大范围渐进稳定性和收敛性.基于装配实验台上进行现场装配和动态轨迹跟踪的对比性仿真实验研究.仿真实验结果表明：与典型的比例微分（PD）控制相比,动态柔顺性控制能够在较宽广的范围内实现更精确的空间轨迹跟踪和接触力柔性控制,平均相对误差可以有效地控制在-4%到+4%之内.     

基于接触表面非均匀压强分布的栓接结合部动力学模型

针对栓接结合部在多螺栓耦合作用下接触表面压强不均匀分布的特点,提出基于接触表面非均匀压强分布的栓接结合部动力学模型。假设栓接接触表面在宏观尺度上为平滑表面,基于有限元方法获得表面压强分布规律。栓接表面微观尺度上为粗糙表面,采用分形接触理论,建立基于表面接触压强的栓接结合部法向和切向刚度阻尼模型。构建框型栓接结构件实验装置,并通过模态测试获得栓接结构件在不同预紧力下的固有频率和频响函数。与仿真结果进行对比,所提出的模型能够准确描述栓接结合部动态特性。     

基于断裂力学理论的诱导缝开裂相似试验模拟

为了研究诱导缝在结构模型破坏试验中的开裂相似条件和试验模拟方法,进行了材料的断裂特性实验和力学理论推导。根据结构模型试验的相似性要求和诱导缝的工作原理,原型、模型材料须满足开裂特性和抗剪断强度相似的要求。通过材料的断裂特性试验,获得了考虑尺寸效应的碾压混凝土的断裂韧度值和石膏的断裂韧度与水膏比的关系曲线。在此基础上运用断裂力学理论,分析应力强度因子与断裂韧度之间的关系,推导出诱导缝的开裂特性相似条件和满足开裂条件的诱导缝模型尺寸。试验中选用包裹聚脂薄膜的铜片来模拟诱导缝,按f、c综合效应满足了抗剪断强度相似条件。从而在结构模型试验中实现了诱导缝的开裂相似模拟,并为研究含诱导缝拱坝的开裂和破坏机理提供了依据。     

基于分形理论多孔含油介质结合面动态刚度研究

将含油结合面刚度分为固体接触刚度和液体油膜动态刚度2个部分,且2个部分为并联连接.利用接触分形理论,建立含油结合面固体法向接触刚度和结合面实际固体接触面积的关系模型;在此基础上,结合面间充满油的面积即为名义接触面积和固体实际接触面积之差,利用平均流动的广义雷诺方程,建立多孔含油材料固定结合面液体油膜法向动态刚度模型;两者并联即可获得含油结合面综合动态刚度模型.通过仿真计算和前期试验结果对比,验证该建模方法的正确性.研究表明:结合面间加入润滑油介质可以有效地提高结合面刚度;而利用多孔含油材料,即自润滑材料,是实现在结合面间加油的有效方案.     

Modeling and simulation of Cobot based on double over-running clutches

In order to analyze characteristics of Cobot cooperation with a human in a shared workspace, the model of a non-holonormic constraint joint mechanism and its control model were constructed based on double over-running clutches. The simulation analysis was carried out and it validated passive and constraint features of the joint mechanism. In terms of Cobot components, the control model of Cobot following a desired trajectory was built up. The simulation studies illustrate that the Cobot can track a desired trajectory and possess passive and constraint features ; a human supplies operation force that makes Cobot move, and a computer system con- trois its motion trajectory. So it can meet the requirements of Cobot collaboration with an operator. The Cobot model can be used in applications of material moving, parts assembly and some situations requiring man-machine cooperation and so on.     

刀具-工件接触动静刚度分析与计算研究

以回转体零件加工为例,考虑加工中变形及径向力的作用,对工件-刀具接触中动静刚度进行了分析与计算,提出了刚度系数的计算公式,并对其动态特性分析。结论与实验结果一致,从而为合理确定切削用量提供了一种途径。