PD结合输入整形抑制单模态弹性机构振动仿真研究

小阻尼单模态弹性机构的动力学特性表现为长时间减幅振动特性,如果仅仅考虑时域性能指标和频域性能指标设计PID控制器对其进行控制,可能导致系统过大的超调量和长时间的残留振动。为有效解决这一问题,将输入整形引入PD反馈控制系统中,提出PD结合输入整形控制策略。研究在4种典型输入信号作用下PD结合输入整形控制系统响应和控制力的通用表达式,定量分析输入整形对系统响应、控制力和能耗的作用规律。在相同反馈增益的情况下与PD反馈控制相比较,PD结合输入整形控制使系统产生较小的超调量,需要较小的控制力,允许系统具有较大的振动频率和较小的阻尼比,从而提高了系统的响应速度,而且输入整形有效地抑制系统的残留振动,从而减小系统的稳定时间,降低系统的能耗。通过仿真进一步证明了这一控制策略的有效性。     

模态参数识别和输入整形相结合的抑振方法

针对输入整形技术对模态参数的高度依赖性以及整形器给系统带来延时的问题,提出一种模态参数识别和无延时输入整形结合的复合方法。以单自由度机械臂为对象,研究在S型曲线输入信号作用下系统的振动特性,定量分析该方法对机械臂残余振动幅值的影响。搭建了机械臂残余振动抑制测试的实验平台,并采用对系统模态参数最敏感的零振动(zero vibration,简称ZV)型整形器进行间歇-间歇(rest-to-rest)实验。结果显示,使用该方法后机械臂残余振动的最大振幅仅为原最大振幅的31%,稳定时间由整形前的0.118s缩短到整形后的0.043s,机械臂运动控制的总时间由1.738s降为1.643s,表明该方法有效地抑制了机械臂的残余振动,并保证了机械臂的工作效率。     

多模态输入整形法抑制一种3自由度并联机器人的残余振动

输入整形法能够有效地抑制单模态系统的残余振动,但是当系统的高阶模态对系统振动影响较大时,就要使用多模态的输入整形法。介绍了一种3自由度并联机器人的结构与原理,并通过实验获得了系统共振频率和阻尼比。表达了两模态的ZV、ZVD和EI输入整形器构建原理,构建了这种3自由度机器人的两模态输入整形器。从减振效果和鲁棒性等方面与单模态输入整形器进行了对比。数字仿真结果表明,当考虑了两个模态作用时,两模态输入整形器的减振效果要好于单模态输入整形器。     

输入整形法在旋转起重机消摆控制中的应用

针对旋转起重机在作业中由于惯性力、离心力和外界干扰的存在,吊重会产生摆动,从而影响生产效率,增加安全隐患的问题,将输入整形技术应用到起重机的消摆中.首先,对旋转起重机进行分析,建立了旋转起重机数学模型,得出了动力学方程;然后阐述了输入整形法的消摆原理;最后,利用Matlab中RTW模块构建半实物仿真实验平台,以旋转起重机样机为实验对象,设计了零振荡(ZV)输入整形器,把输入整形算法应用到抑制吊重残余摆动中.通过整形前后吊重在平面内摆角的比较,发现ZV法有效地抑制了吊重在起重机运行结束后的残余摆动,能够将摆动抑制到整形前的10％左右.研究结果表明,输入整形法在旋转起重机消摆问题上能够起到良好的效果,且易于实现,具有一定的工程价值.     

指令整形扩展控制对柔性臂抑振及灵敏度分析

针对传统指令整形各整形方法脉冲序列的局限性及鲁棒性问题,提出一种基于传统指令整形技术上的改进扩展控制方法,采用指令整形的扩展法对柔性臂的残余振动进行抑制,并对两种整形器的灵敏度进行了分析。以镀锌薄钢板为研究对象进行仿真实验研究,研究结果表明该方法能有效消除残余振动平均达97.97%以上,而且系统运动超调平均降低达46.81%以上;改进后的ZVD整形器灵敏度是同脉冲ZV整形器的近3倍,且系统稳定时间增加了8.4%,鲁棒性较好,并得出在5%残余振动下其能够抑制系统振动模态的频率比。     

一种三自由度支链嵌套并联机器人末端残余振动的主动抑制

针对三自由度支链嵌套可连续回转并联机器人末端残余振动问题,提出了基于经典正脉冲输入整形和最优S形轨迹曲线相结合的主动控制方法。首先采用拉格朗日法对刚性杆柔性部件组成的支链嵌套并联机器人进行刚柔耦合动力学建模,并通过动态特性分析确定对末端残余振动影响较大的低阶模态。结合实验分析和仿真获得共振频率和阻尼比,并根据线性化二阶欠阻尼系统在脉冲序列作用下的残余衰减振动模型,采用前反馈正脉冲输入整形与最优S形轨迹曲线相结合来改变驱动器的输入信号,从而达到对支链嵌套并联机器人末端残余振动的主动抑制。最后通过实验和数值分析对该方法进行了验证。实验结果表明,应用该方法后此种支链嵌套并联机器人末端残余振动的衰减时间缩短了14%,最大振幅降低了22%,有效提高了并联机器人在高速高精度硅片搬运过程中的定位精度和轨迹精度。     

并联机构机电耦合动力学计算

并联机构动力学模型是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂机电系统,目前还没有一个成熟的并联机构动力学建模和仿真计算方法.针对三自由度并联机构,建立了包括机械机构、伺服电机一体化的动力学模型.最后在设计好的运动平台轨迹下,计算了移动腿的位移、驱动电机的负载转距;分析了移动腿的误差.计算机仿真结果展示了控制器对机构位移和伺服电机转距良好的控制.     

基因测序仪运动平台的高精度定位控制

为了实现对基因测序仪运动平台的高精度定位控制,建立了基因测序仪运动平台控制系统。对该系统所采用的数学建模、模型辨识、控制器设计、输入整形等方法进行研究。根据运动平台动力学方程和永磁同步直线电机电压-推力关系构建了运动平台数学模型,利用频域扫描法在实物实验的基础上辨识出运动平台的模型参数。最后,基于运动平台模型设计了双闭环控制器和前馈控制器组成的复合控制器来保证运动平台的稳定性和高精度,同时根据整个系统的主导极点设计了输入整形器以抑制运动平台的残余振荡。实验结果表明:加入了输入整形的复合控制器将运动平台的稳态重复定位精度从±1.47μm提高到±0.354μm。较传统复合控制器,本文提出的方法能使基因测序仪运动平台更快进入可用重复定位精度范围,并基本满足基因测序仪采集图像时所需的稳定性强、精度高等要求。     

4-SPS(PS)并联机构模糊自适应滑模控制系统设计

针对并联机构传统控制方式轨迹跟踪精度误差较大的缺陷,提出了一种基于4-SPS(PS)并联机构的动力学方程和模糊自适应(Fuzzy-Adaptive SMC)滑模控制器的控制系统。首先,基于螺旋理论及反螺旋理论,设计了一种4-SPS(PS)并联机构,并采用微运动法(Micro-Motion Method)对机构的运动学方程进行了探讨。其次,基于机构的动力学方程,结合模糊自适应算法,设计了一种新型滑模控制器(SMC),模糊自适应算法的作用是实时地修正系统的不确定和非线性项参数,有效抑制了SMC系统的抖振现象。最后,建立了机构的系统仿真框图和实验平台,分别对机构进行仿真分析和实验研究。结果表明:模糊自适应滑模变结构控制器的轨迹跟踪精度高,鲁棒性强,稳态误差小,从而验证了该新型SMC控制器的有效性。     

一种新型两自由度柔性并联机械手的主动振动控制及其仿真

针对一种新型两自由度柔性并联机械手,在含有压电元件的有限元模型基础上,基于模态理论和滑模变结构理论,研究其振动主动控制问题。采用有限元法和模态理论建立系统的动力学模型。根据系统的性能要求,采用最优化方法确定滑移面,基于Lyapunov直接法设计滑模控制器。控制器能对系统的前几阶模态实施控制,实现机械手的振动主动控制。仿真结果表明,该控制器可有效地抑制柔性构件产生的弹性振动,减小并联机械手动平台的位置误差,从而验证了该控制器的可行性和有效性。     

并联机构的结构降耦原理及其设计方法*

机构学的难题之一是寻找机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的映射规律。前期研究表明,降低机构的结构耦合度可直接降低机构运动学、动力学求解的难度,这揭示了机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的关系之一,因此,如何降低机构的结构耦合度已成为机构拓扑结构优化的重要内容,但目前国内外研究很少。研究并联机构的结构降耦原理、设计方法及其应用。定义并联机构结构降耦的概念,澄清并揭示机构结构降耦与机构运动解耦之间的内在区别与联系。从并联机构支链本身的拓扑结构以及支链在动/静平台之间布置的拓扑结构两方面,提出保持并联机构自由度和方位特征不变而降低机构耦合度的两个结构降耦原理,据此,进一步提出了基于设计混合支链的、基于运动副复合的、基于方位特征支链主动化的三种结构降耦设计方法,并分别给出设计例子,得到相应的自由度和方位特征保持不变但耦合度降低的新机构,为其应用研究提供了优选机型。提出的机构结构降耦原理与设计方法,适用于所有的复杂平面和空间平面。     

并联机构驱动奇异的分层递阶滑模控制方法

以提高奇异鲁棒稳定性、控制精确性和降低控制能耗为目标,研究了并联机构的驱动奇异运动控制。以3-RPR型并联机构为例,运用螺旋理论和多刚体动力学理论进行了运动学分析和动力学建模;分别采用基于分层递阶结构的滑模控制方法和基于伪逆的滑模控制方法设计了运动控制器,对工作空间内不同的典型奇异位置进行了镇定控制仿真。结果表明,这两种控制方法均可达到较高的控制精度和较快的响应速度,且前者控制输入量更小、能耗更低。     

并联机构实轴伺服电机的振动抑制

分析了Turbo PMAC运动控制器的超前观测功能,将其应用于并联机构实轴电机的振动抑制.在PRS-XY混联加工平台上进行的实验证明,在使用Turbo PMAC运动学功能进行并联机构控制时,利用其超前观测功能,能有效地抑制电机振动.研究证明,Turbo PMAC的超前观测功能实质上是一种变插补周期的控制方式,不依赖于具体机构的运动学模型.     

OPTIMAL SYNTHESIS OF PLANAR 4 LIMBS 3-DOF OVERACTUATED PARALLEL MECHANISMS

Optimal synthesis of a 3-DOF 4 limbs planar parallel mechanism with actuated redundancy is studied. The kinematics equation of the mechanism is developed and the topology of the mecha-nism is classified. The kinematics and force properties of the mechanisms according to the topologies are compared. Furthermore, a global optimizing formulation is derived from the condition number that is a local index usually used to scaling the manipulability isotropy quantitatively. The optimiza-tion is solved by genetic algorithm. The numerical results show that the topology of the mechanisms can influence the kinematics and force property considerably, and the manipulation dexterity of the mechanisms can be improved distinctly by the given formulations and the suggested optimization algorithm.     

双稳态平面并联机构

以提高多自由度并联机构的运动性能为目标,探索柔顺双稳态机构在克服并联机构力奇异问题中的应用。提出一种双稳态凸轮柔顺机构,利用双稳态机构在非稳态位形的非零内力,为并联机构提供柔顺过驱动输入,利用柔顺过驱动输入消除并联机构在运动奇异和力奇异位形时的运动或操作力不确定性。以平面五杆2-DOF并联机构为例进行了机构工作空间分析、运动奇异位形分析、以及力奇异位形分析。计算结果证明采用提出的双稳态凸轮柔顺机构能实现该平面2-DOF机构奇异位形的控制。     

平面连杆机构运动分析的梁单元法

给出一种仅用一种基本构件即平面梁单元去分析平面连杆机构运动的方法，首先对组成平面连杆机构的平面梁单元进行了分析，给出了描述单元的变形模态分量与单元端点坐标之间的函数关系，进而用传递函数的概念对机构的位置，速度和加速度进行了分析，在此基础上，编制了计算机程度ＣＡＡＭ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｓｍｓ），结合实例，给出了数值模拟结果。     

基于刚柔结合的并联机构研究

并联机构的静刚度大、动力响应迅速等优点,使其在金属切削机床、工业自动化、医疗设备等领域具有广泛的应用前景;然而,并联机构在运动学、动力学等方面上的复杂特性使它在实际应用遇到许多困难。从传统并联机构的性能出发,结合并联柔索机构的特点,提出了一种基于刚柔结合的并联机构的新构型。对基于刚柔结合的并联机构进行构型设计,在此基础上,对影响机构精度的主要因素和误差问题进行分析。基于刚柔结合的并联机构在保持机构原有特点的基础上,提高了机构的精度和动力学性能,并有效的抑制了机构在运动过程中的振动问题,为机构的应用奠定了良好的基础。     

基于广义坐标形式牛顿－欧拉方法的空间并联机构动力学正问题分析

基于具有广义坐标形式的牛顿－欧拉方法建立一般空间并联机构动力学正问题建模与仿真的通用方法。在动力学建模时,选取空间并联机构动平台的工作空间变量作为系统广义坐标,从各构件的牛顿－欧拉方程出发,结合运动学逆解和虚功原理,得到与广义坐标相对应的系统动力学方程－运动微分方程和系统理想铰约束力方程。对6-UPS型空间并联机构进行动力学建模,计算外力作用下的动态响应,验证了该方法的有效性。理论分析和仿真案例表明,该方法可以简化并联机构动力学正问题的建模步骤,提高计算效率。     

A new planar 3-DOF parallel mechanism with continuous 360-degree rotational capability

This paper presents a novel three degrees of freedom (3-DOF) planar parallel mechanism with a 360-degree rotational capability, which can be used as a positioning device. A high rotational capability is necessary to reduce process time and to apply the mechanism to various fields such as micro-machining and printed circuit board (PCB) depaneling. The proposed mechanism has the advantage of a continuous rotational capability over existing planar parallel mechanisms with limited rotation. The position and velocity kinematics are derived, and the singularities are analyzed based on the Jacobian matrices. The workspace can be determined not to have a singularity inside, and the kinematic variables for enlarging the singularity-free workspace are determined. The application example on the PCB depaneling process is proposed for future work.     

Type Synthesis of 1T2R Parallel Mechanisms Using Structure Coupling-Reducing Method

Direct kinematics with analytic solutions is critical to the real-time control of parallel mechanisms.Therefore,the type synthesis of a mechanism having explicit form of forward kinematics has become a topic of interest.Based on this purpose,this paper deals with the type synthesis of 1T2R parallel mechanisms by investigating the topological structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism.With the aid of the theory of mechanism topology,the analysis of the topological characteristics of the 3UPSUP parallel mechanism is presented,which shows that there are highly coupled motions and constraints amongst the limbs of the mechanism.Three methods for structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism are proposed,resulting in eight new types of 1T2R parallel mechanisms with one or zero coupling degree.One obtained parallel mechanism is taken as an example to demonstrate that a mechanism with zero coupling degree has an explicit form for forward kinematics.The process of type synthesis is in the order of permutation and combination;therefore,there are no omissions.This method is also appli cable to other configurations,and novel topological structures having simple forward kinematics can be obtained from an original mechanism via this method.