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.     

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.     

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.     

含三维间隙铰空间可展机构动力学数值分析

全面考虑空间可展机构铰单元中的轴向和径向间隙,从三维间隙铰节点几何构形出发,给出销轴和轴套间在销轴轴向和径向最小距离的解析表达.构造了三维间隙铰节点接触与分离的切换点判别条件,考虑销轴和轴套“分离”和“接触”的2种状态,法向接触力采用非线性弹簧阻尼模型,摩擦力采用Coulomb摩擦模型,分段建立了含三维间隙铰节点可展机构的动力学方程.对含三维间隙铰节点可展桁架的运动过程进行了数值计算,计算结果表明,销轴和轴套间不仅发生桁架平面内的接触碰撞,而且径向间隙导致桁架平面外也产生波动的接触碰撞,瞬时的接触力可达理想铰十几倍.     

考虑球副间隙及磨损的3RSR并联机构动力学建模与特性分析

运动副难以避免地存在间隙,间隙的存在将引起碰撞与磨损,而运动副间隙和磨损会影响机构动力学特性.考虑3RSR(R为转动副,S为球副)并联机构中球副间隙,基于改进的Flores接触力模型和修正的Coulomb摩擦力模型,利用牛顿-欧拉法建立机构的动力学模型,引入标准四元数搭建约束方程,并采用四阶Runge-Kutta法进行...     

基于SIMULINK的含间隙机构动力学仿真研究

为了分析间隙对平面机构的动力学效应,利用MATLAB软件中的动态仿真工具SIMULINK建立了含间隙机构动力学仿真模型,并以含间隙曲柄滑块机构为例,介绍了运用此方法的过程。通过仿真数据,得到以下结果:与理想无间隙机构相比,含间隙机构稳定性较差。在含间隙机构中,当曲柄以100 rad/s转动时,运动副间隙始终大于半径间隙,轴销与轴套始终保持连续接触;当曲柄以低速20 rad/s转动时,系统处于极不稳定的震荡状态,在转至300°左右时,运动副间隙小于半径间隙,脱离接触,发生明显的分离碰撞现象。在含间隙机构中,曲柄以低速20 rad/s转动,当取法向阻尼系数为175 N.s/m时,副元素发生明显的分离碰撞现象;当取法向阻尼系数为220 N.s/m时控制了副元素的分离,副元素一直处于连续接触状态。由仿真结果可知,运动副间隙的存在降低了机构的稳定性,而提高机构的速度或增大法向阻尼系数可降低运动副间隙对机构稳定性的影响。     

含柔顺关节的空间RSSP常力机构建模与分析

为了解决机构在一定输入范围内需要输出常力的问题,提出在一般初始位形下,空间曲柄滑块机构（RSSP）空间柔顺常力机构的建模与参数优化方法.建立机构柔顺关节的变形量与机构无量纲几何参数的关系.运用虚功原理,建立机构输出端与外部环境接触力与柔顺关节的扭矩的力学模型.以接触力采样点相邻差值和的方法表征接触力波动特征的大小,建立起表征接触力波动的目标函数.优化得出一般初始位形下的空间柔顺常力机构的无量纲化结构参数.设计出实验装置,测得实际输出接触力.结果表明,实际接触力围绕着理论接触常力在5%以内波动.     

含间隙3-CPaR&R1R2混联机构磨损特性分析

为研究不同物理条件下间隙关节磨损特性,本文以3-CPaR&R1 R2混联机构为研究对象并在转动副中考虑间隙的存在,运用Flores接触力模型及修正Coulomb摩擦模型分别建立关节元素间接触点法向接触力及切向接触力模型,关节润滑力则通过Sommerfeld润滑条件下无限长轴颈-轴承的润滑力模型建立,最终运用拉格朗日方程...     

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．     

Dynamics Analysis of Square Unit and its Combined Mechanism with Joint Clearance

考虑运动副间隙的正方形单元及其组合机构的动力学分析

李剑锋,王三民,李博,智常建,彭麒安

（西北工业大学 机电学院,西安 710072）

创新点说明：

1.为精确研究正方形单元及其组合机构的动力学性能,通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。

2.在Floures接触力模型和LuGre摩擦力模型的基础上建立了考虑运动副间隙的正方形组合机构的动力学分析方法,并采用Baumgarte提出的稳定约束法来解决积分过程中的约束违约现象。

3.采用具体算例验证了本文方法的有效性。该方法简化了正方形单元及其组合结构动力学分析过程,拓展了其应用范围,具有较高的实际应用价值。

研究目的：

为精确研究该机构的动力学性能,通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型,分析运动副间隙对正方形单元及其组合机构动力学的影响。

研究方法：

通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型;其次,在Floures接触力模型和LuGre摩擦力模型的基础上得到了考虑间隙转动副元素之间的切向和法向接触力;最后,建立了考虑运动副间隙的正方形组合机构的动力学分析方法,并采用Baumgarte提出的稳定约束法来解决积分过程中的约束违约现象,运用Matlab对具体算例计算和分析。

结果：

结果发现正方形单元及其组合结构转动副随着间隙值的增加,正方形可展机构动态曲线的变化范围更大,波动幅值较大,预测随着间隙值的继续增加,碰撞过程会更加严重,直至机构失效。表明运动副间隙对正方形组合机构动力学性能的影响不可忽视。

结论：

1.基于接触-分离-碰撞过程,成功地将运动副间隙效应引入到正方形可展机构的动力学模型中,分别采用Floures模型和修正的Coulomb摩擦力模型计算接触碰撞力,并使用Baumgarte稳定约束法有效的避免了积分过程中产生的约束违约现象。

2.含间隙正方形可展机构动力学特性的研究表明：机构动力学行为的计算需要考虑运动副间隙效应对的影响。

3.通过对间隙值分别为0.25mm和0.5mm的分析可知：随着间隙值的增加,正方形可展机构动态曲线的变化范围更大,波动幅值较大,随着间隙值的继续增加,碰撞过程会更加严重,直至机构失效。

关键词：正方形单元及其组合机构,间隙,Floures接触力模型,动力学

     

小型卫星立式对接测试平台的动力学分析

为了研究小型卫星立式对接测试平台的动力学特性,对测试平台和三爪式对接机构进行了动力学联合仿真,建立了接触瞬间滚转装置的动力学模型和试验系统坐标系,分析了接触点的作用力,采用质量动代换的方法对运动装置进行简化,建立了对接初始条件下滚转装置的动力学方程.依据Hertz弹性碰撞模型理论,利用ADAMS软件分别在正碰和斜碰状态下选取两组对接初始条件进行了动力学仿真.仿真结果表明:不同初始条件下的球关节运动学特性及受力状况是不同的,球关节质心处的受力随着初始角度的增大而变大,而且运动学特性也随之改变.     

Dynamics modeling and simulation of mechanism with joint clearance

The existence of clearance in the joints of mechanisms system is inevitable.The movements of the real mechanism are deflection from the ideal mechanism due to the clearances and the motion accuracy is decreased.The effects of the hinge clearance on the crank and rocker mechanism system are studied.The system dynamics equation with clearance is presented.The contact dynamics model is established using the nonlinear equivalent spring-damp model and the friction effect is considered by using Coulomb friction model.Then the models are incorporated into ADAMS,and based on the model,large numbers numeric simulations are made.The regularity of contact forces in clearance are studied in detail.And the effects of clearance size,clearance friction on the mechanism dynamics characteristic are analyzed.The simulation results can predict the effects of clearance on the mechanism dynamics characteristic preferably.     

间隙对曲柄滑块机构灵敏度的影响研究

针对含间隙机构运动精度低、可控性差的特点,利用连续接触模型对含间隙曲柄滑块机构进行动力学分析,得出含间隙机构的动力学方程组,通过龙格-库塔法求解该方程组,得到机构的运动特性图像,并从自由度理论的角度对机构可控性差的原因进行分析。结果表明:机构间隙大小和机构自由度的可变性是影响机构灵敏度的两大因素。     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.