轮毂打磨5-DOF机械臂动力学建模与驱动参数预估

提出了一种基于2-UPS+UPU机构的5-DOF机械臂,建立了机械臂的手腕运动状态与其关节驱动参数之间的传递方程显式表达式,从而得到机械臂的伺服电机驱动参数峰值预估模型,计算出各伺服电机中的驱动转速最大理论值为25.1r/s,驱动力矩最大理论值为6.2N*m。以一组具体的结构参数作为算例,计算出伺服电机中的驱动转速最大值为18.7r/s,驱动力矩最大值为4.73N*m,算例伺服电机选型的预估功率为700W,证明了伺服电机峰值驱动参数预估模型的合理性。     

码垛机器人Z轴升降机构动力学分析

以码垛机器人Z轴升降机构为研究对象,首先以等效参数法计算伺服电机驱动力矩,并为验证其正确性及参数取值的合理性,考虑系统的刚性、阻尼和惯量等因素,建立升降机构动力学方程及其动力学模型,当其处于极限工况下,使用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析后,结果表明升降机构伺服电机最大驱动力矩为1.48N·m,小于伺服电机的额定驱动力矩2.70N·m,升降机构的结构参数取值是合理的,并且有一定的优化空间。同时建立了无补偿时升降机构的动力学模型,为后期建立其全闭环控制系统,减少系统振动,提高定位精度提供了可靠的理论基础。     

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.     

基于并行计算的平面可调五杆机构动力学解析模型与仿真

基于凯恩动力学方程、数字-符号方法和并行计算建立了杆长和惯性参数可变平面可调五杆机构的动力学解析模型,并对驱动构件质量和杆长对驱动力/力矩的影响进行了仿真分析。将动力学模型的推导问题转化为特定条件下运用运动学和动力学计算公式求解机构驱动力矩的问题,并将广义坐标以及驱动构件杆长和惯性参数作为符号量,导出了模型矩阵元素数字-符号表达式。     

卫星太阳帆板展开的动力学仿真分析与应用

研究了卫星帆板展开对整星姿态的影响,优化了展开策略。对单块帆板的展开进行了理论建模,得到了转动角度和时间关系的解析解;结合某卫星工程实际对单块帆板进行了ADAMS动力学仿真,建立了更接近实际的ADAMS模型和参数设置。通过搭建的单块帆板展开试验机构进行展开试验,测得了驱动力矩、阻力矩等参数,并对理论模型和ADAMS模型进行了参数修正。修正后的结果显示理论计算、仿真和试验结果相差在5%以内。对于10.6kg帆板而言,驱动力矩每增加0.09N·m,展开时间缩短0.4~0.5s,冲击载荷相应增加400N左右。修正过的ADAMS模型可应用于整星帆板展开动力学分析,得到不同展开策略对卫星姿态影响的大小,为展开模式的选择、姿态精确控制提供参考依据。     

风洞模型强迫振动装置的动力学仿真研究

为了验证风洞模型强迫振动装置的结构参数取值的合理性,建立了强迫振动装置的动力学方程及相对应的模型,并用MATLAB／SIMULINK软件进行仿真分析;装置中部分构件之间存在摩擦,并且具有一定的刚度,由于风洞模型强迫振动装置是一种精度要求很高的系统,为保证计算结果的准确性,在建立强迫振动装置的动力学方程时必须考虑这些因素;当高度调节机构处于极限工况时,计算结果表明：伺服电机的最大驱动力矩为8．2N·m,小于伺服电机的额定驱动力矩9．23N·m,强迫振动装置的结构参数取值是合理的,并且有优化的空间。     

混合驱动五杆月球车动力学分析

根据月球车腿式移动机构的优点,针对混合驱动五杆月球车用拉格朗日法推出混合驱动五杆月球车的动力模型,得出各杆线速度和驱动力的表达式。通过设置具体参数对混合驱动五杆月球车模型进行分析,得出了混合驱动月球车的五杆机构运动仿真图、主动关节等效惯量,耦合惯量和驱动力矩的变化规律。结果表明,对于给定的运动规律,机构的位形对系统的主动关节等效惯量、耦合惯量和驱动力矩的影响较大。     

3-UPS/PU飞行模拟器运动平台伺服电机参数预估

研究一种三自由度飞行模拟器运动平台的伺服电机参数预估方法,该运动平台由动平台、静平台以及二者之间的3条无约束主动支链和1条恰约束从动支链组成。提出了运动平台的恰约束从动支链由气动支撑单元和对动平台约束的机构构成。其中,气动支撑单元通过压缩气体承载动平台的自重和主要负载,减小了主动支链的驱动力。通过虚功原理建立了运动平台"最坏情况"的逆动力学模型,研究了运动平台在"最坏情况"下的伺服电机参数预估,并以此为依据进行伺服电机的选型。在算例中,研究了气动支撑单元支撑力对伺服电机峰值力矩的影响,通过运动平台"最坏情况"模拟某青岛到北京航班起飞部分过程对伺服电机参数进行校核,验证了方法的有效性和选择伺服电机的合理性。     

绳驱动机械臂动力学建模及ADAMS仿真研究

针对绳的引入造成绳驱动机械臂动力学建模较难获取的问题,考虑绳的单向受力性,研究了绳对机械臂动力学模型的影响、绳子对所有经过的连杆之间的受力情况、预紧力对连杆受力及驱动力矩的影响等方面。在传统刚性机械臂动力学模型基础上进行了归纳,分析了绳子引入对机械臂受力造成的影响;基于递推形式的牛顿欧拉公式得到了完整的绳驱动机械臂动力学模型,并在此基础上分析了施加预紧力对连杆受力及驱动力矩造成的影响;利用ADAMS对三自由度串联绳驱动机械臂进行了仿真。仿真结果表明:理论驱动力矩与仿真力矩基本吻合,说明所建串联绳驱动机械臂动力学模型是正确的;预紧力的施加只会影响各连杆之间的相互作用力,不会改变驱动连杆所需的驱动力矩。     

2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算模型

理论和试验研究2自由度行波型超声波电动机的机械特性计算问题.分析2自由度行波型超声波电动机空间结构关系和定转子接触面的摩擦力.利用空间位置关系,计算得到了行波定子和球转子接触面上任一点的摩擦驱动力和摩擦阻力.根据运动稳定时行波定子轴向力平衡关系,推导给出2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算解析式.通过研制的样机进行理论和试验分析,证实计算模型有效性和准确性,并分析各种电动机参数对输出机械特性的影响.研制的样机实现最大堵转转矩达0.10 N·m,空转转速为90 r/min左右.研究工作为下一步球形行波型超声波电动机的设计、优化和控制提供了理论基础.     

基于机械臂位姿变换的柔性负载伺服驱动系统控制策略

伺服驱动系统的柔性负载端转动惯量等参数随柔性机械臂位姿变化而变化,进而影响伺服驱动系统电动机输出端转速。为降低电动机输出端速度波动,采用极点配置的方法设计伺服驱动系统转速环PI控制器参数,该参数的选择随柔性机械臂位姿变化而变化,从而使伺服驱动系统在不同位姿下获得良好的动态响应特性,避免机械谐振发生。首先根据连续体振动理论和拉格朗日原理建立了柔性负载伺服驱动系统动力学模型,并通过状态方程求得电动机转速到柔性负载驱动转矩的传递函数。将变参数PI控制策略应用于伺服驱动系统转速环控制中,分析了柔性负载对转速环的控制特性的影响,采用极点配置的方法设计控制器参数。接下来分别采用相同幅值、相同阻尼系数、相同实部3种极点配置策略设计控制器参数。讨论了这 3 种极点配置策略不同参数对系统谐振峰值、谐振频率和带宽的影响。最后通过数值仿真分析表明:伺服驱动系统等效柔性负载参数与机械臂的位姿有关;柔性负载回转半径、转动惯量较大的情况,不适宜使用相同实部的极点配置方法,但其余两种方法可通过适当选择参数使电动机输出转速波动程度减小。     

一种三自由度串并联结构旋转台的动力学分析

对三自由度旋转台进行了动力学分析。该旋转台只有3个方向的转动自由度,由二自由度球面并联机构和串联在其上的旋转电机构成。根据旋转台的几何和运动特性建立了系统的输入输出速度方程,得出了速度Jacobian矩阵和动能方程。利用拉格朗日法和虚功原理,建立了系统的动力学模型,解决了特定外载荷和速度、加速度条件下如何求解驱动力矩的问题。给出了动力学的仿真运算实例,讨论了在匀速和匀加速情况下,二自由度球面并联机构驱动力矩的变化。最后根据动力学方程,得出了串联在二自由度球面并联机构上的第三个自由度的力矩与输出转角的运动学方程。     

大流量2D伺服阀的研究与设计

为实现伺服阀的大流量,采用了2D阀的结构方案.2D阀利用伺服螺旋机构将阀芯的旋转运动转化为阀芯的直线运动,从而实现伺服阀的液压功率放大.采用步进电机作为电-机械转换器来驱动阀芯转动,为使阀芯获得较大的扭矩,采用了较大的传动比.设计了零位保持机构保证了伺服阀工作的稳定性和零位调节的精确性.对伺服阀的阀芯进行了力学分析,并建立了数学模型.最后利用MATLAB进行了仿真研究,仿真结果理想,符合设计要求.     

转塔冲床齿轮-斜楔机构优化与动力学仿真

为了提高伺服转塔冲床的动态性能,采用齿轮-斜楔机构作为伺服转塔冲床的主传动机构,在ADAMS软件中建立了该机构的参数化动力学模型;以电机所需扭矩最小为优化目标,对机构进行了优化设计.结果表明,该齿轮-斜楔机构能够有效利用伺服电机扭矩.     

精密冷轧环机工艺动力学模型

采用交流伺服电机和机械驱动进给系统的冷轧环机,其进给伺服控制系统的设计需要一个新的工艺动力学模型。给出了交流永磁同步伺服电机的数学模型,建立了机械传动机构的等效动力学模型,分析了环件冷辗扩的运动学和变形力学条件,得到了整个进给系统的工艺动力学模型。模型表达了伺服电动机电流、转矩、转速与轧制载荷、芯辊进给速度和位置,以及环件几何尺寸之间的动态关系,各变量之间存在非线性和耦合。模型已用于冷轧环工艺控制器的设计。     

A study on dynamic performance of closed-loop commuted stepping motor to improve precision motion control

To achieve precision movements, a motor with very low speed ripple and torque ripple is required. A motor with more poles will normally give higher ripple frequency and hence lower ripple magnitude. The hybrid stepping motor when commuted in closed-loop mode will behave in the form of a multi-pole brushless DC servo motor with each step similar to one pole. To reduce torque ripple further, the commutation of the coils requires careful adjustment of the lead angle in order to compensate for the time constant of the coils at different speeds. This article establishes an accurate dynamic model for the closed-loop commuted hybrid-type stepping motor, which takes into account the drive circuit and the effect of magnetic saturation. Simulations have been performed on the model using the stiff system numerical method for higher accuracy. The results show a good match between the numerical solution and the actual measurement. The dynamic model developed can be used to predict speed ripple of the motor system under various commutation methods. This provides a means of minimizing speed ripple by using software to improve the accuracy of motion control systems on high-precision machines.     

基于伺服电流与切削力关系的间接测量技术研究

分析了切削加工过程,依据三相永磁同步交流伺服电机矢量控制原理,提出伺服电流间接监测切削力的测量方法,并提取了反映切削力变化的电机电流信号特征参数.基于转矩模拟平台、霍尔元件,设计并搭建电磁转矩-进给伺服电流实验平台,进行伺服电流与转矩关系测量实验,研究实时监测进给伺服驱动单元的电流信号.     

输电线巡检机器人行走动力特性与位姿分析

根据跨越超高压输电线路障碍物的类型,提出一种新的双臂自主越障巡检机器人机构。该机器人采用复合轮爪机构在架空地线上连续行走并跨越障碍。由于架空地线呈悬链线状,机器人在连续行走过程中会出现上坡和下坡,对行走动力特性的影响非常明显。在上坡时行走电动机提供驱动力矩,在下坡时行走电动机提供制动力矩,以保持匀速巡线。详细分析了机器人在架空地线上行走时所处的加速、匀速、减速和停止的各个状态,驱动机器人所需的驱动力矩以及它们与机构参数之间的关系,并应用优化方法给出各个状态电动机驱动力矩最小时,机器人机构参数对应的最优解,为巡检机器人的设计和控制系统方案的确定提供了理论依据。