液压机械臂的接触作业控制方法进展

【目的】液压机械臂具备负载能力强、响应速度快、无极调速范围大、受辐射电磁干扰小等特点,被广泛应用于隧道掘进装备、桥梁建设装备等交通基础设施建设领域。文章旨在总结液压机械臂的接触作业控制方法,介绍力与位置精确协调控制方法,最后对其未来的研究方向提出展望。【方法】在实际工程应用中,液压机械臂常常要与外界环境进行接触,而其接触作业控制涉及与位置的精确协调控制,而力与位置的精确控制需要精准的动力学模型和末端力的精准估计。【结果】国内外学者针对力与位置精确协调控制进行深入研究,在实现液压机械臂稳定、准确、安全接触作业取得了一些重要的研究成果。【结论】针对这些成果,阐述了液压机械臂在动力学建模、动力学参数辨识、末端接触力估计方法和柔顺控制等方面的研究内容,并且对下一步的研究提出了建议和展望。

负载口独立控制挖掘机机液耦合模型建立与试验

负载口独立控制挖掘机系统是一个包含许多未知参数的机液耦合系统。为了准确建立参数化模型,需要精确地辨识各元件参数,并包含机械系统与液压系统的耦合联接。为此首先建立各系统的数学模型,通过试验测试获得各个关键参数。采用基于试验测试结果的NLPQL多目标优化方法寻优难以估计特性参数的最优值,提高参数辨识的速度和精度。基于辨识参数的数学模型,建立参数化的机液耦合仿真模型。相比于现有研究中的联合仿真模型,该模型在同一参数化平台下运行,计算时间短,并且易于根据不同工况修改机械系统参数,仿真效率更高。最后将2 t小型挖掘机的试验结果与仿真进行对比,结果证明该仿真模型具有较高的计算精度,可为负载口独立技术在移动液压中的控制策略研究提供参考。

负载口独立控制系统压力速度复合控制的耦合特性

以2个比例方向阀组成的负载口独立控制系统为研究对象,分析其压力与速度复合控制中的耦合特性.基于相对增益矩阵,推导反应其相互干扰程度强弱的耦合因子;理论分析其耦合程度与系统不同工作参数之间的关系,总结降低耦合程度的负载口独立系统设计及控制准则.通过仿真模型以及2t小挖系统试验测试,分析该系统的速度及压力特性,验证理论分析的正确性.针对耦合特性的准确分析可为改善负载口独立系统多变量控制性能提供了理论参考.

百万伏大功率操动机构液压系统优化设计

作为高压断路器核心部件之一,液压操动机构具有响应快、流量大、瞬时爆发大功率、长期等待性等特点,该文以1100kV特高压断路器液压操动机构为对象,研究基工作原理及关键部件(电磁铁,大流量高响应控制阀,高速液压缸内缓冲结构等)。基于AMESim仿真平台,建立包括电磁铁、蓄能器、高压大流量多级控制阀、高速液压缸内缓冲结构和连杆传动机构等在内的大功率操动机构液压系统仿真模型。通过实验测试的液压缸分闸过程行程曲线与仿真曲线对比,证明仿真模型的准确性,指导大功率操动机构液压系统的优化设计。

液压电梯液压系统抗摇摆设计

液压电梯具有运行平稳、传递力大,易于无级调速,井道面积小,工作寿命长等优点。该文以200kg船用防爆液压电梯为研究对象,考虑纵摇以及横摇的复杂工况,设计在摇摆情况下能正常工作的液压电梯液压设备。静态分析摇摆情况下油液液位情况,并通过摇摆实验,动态分析液压系统的抗摇摆性能。比较其不同工况下上下行速度及加速度曲线,验证设计的的可靠性。

基于泵阀联合控制的负载口独立系统试验研究

为了解决工程机械液压系统能耗高、效率低的问题,提出负载口独立节能系统的泵阀联合控制策略.系统每个执行器由2个比例方向阀分别控制进出口,多个执行器共用一个电比例变量泵.同时考虑变量泵与比例方向阀,设计2层结构的控制器实现该系统的运动控制及节能控制.上层控制器通过负载与指令速度选择合适的工作模式;下层控制器根据选择的工作模式,采用计算流量反馈的速度控制和压力反馈的背腔压力控制调节进出口比例阀阀口开度,利用变压力裕度的电液负载敏感方法控制变量泵的排量.为了验证提出的控制器的有效性,在2t小型挖掘机上,针对挖掘机动臂和斗杆的运动进行试验.试验结果表明,根据不同的工况,动臂和斗杆执行器可以选用相应的工作模式,在满足控制要求的情况下尽可能降低系统能耗;变压力裕度的排量控制器可以根据指令速度改变系统压力裕度,降低传统负载敏感系统压力裕度过大导致的能耗.

小型液压压力机液压控制系统设计及仿真（英文）

设计了一种采用PLC控制的小型液压压力机的液压系统,主要进行了系统设计、液压缸内径的确定、PLC系统配置和选型以及控制程序设计,该系统主要特点在于响应快,高效率,操作方便,工作可靠。同时采用AMESim液压机械仿真软件对该液压系统进行了仿真分析。仿真结果表明:在压力机液压系统设计中采用辅助缸来实现快速上下行,响应速度快,工作效率高,功率损失少,为液压压力机的液压系统设计及其半自动化控制提供了一定的理论参考。

基于关节力矩补偿的液压机械臂末端力软测量

为满足液压机械臂在复杂环境下高精度的作业要求,需使其具备一个精确的力测量系统。由于液压机械臂工作环境复杂且末端接触负载大,力传感器容易受到破坏,因此,针对液压机械臂无末端力传感器的末端力精确感知的难题,以3自由度液压重载机械臂为研究对象,提出了基于关节力矩补偿的液压机械臂末端力软测量方法。本研究通过有限傅里叶级数模型设计激励轨迹,并采用递推最小二乘法辨识机械臂动力学参数。以非线性摩擦力矩模型代替库伦粘性摩擦模型,提升机械臂动力学模型精度。建立神经网络关节力矩补偿模型,减小不确定因素对液压机械臂动力学模型精度的影响。搭建AMESim/Simulink联合仿真模型,设计液压机械臂末端运行三角形轨迹,验证了本研究提出的动力学模型精度较高。分别在液压机械臂末端的水平方向和竖直方向施加500 N的恒力负载和0~500 N的变力负载,在恒力负载下,水平方向和竖直方向的末端力软测量精度分别为4.84%、2.79%;变力负载下,水平方向和竖直方向的末端力软测量精度分别可达5.73%、4.81%。通过与未优化前的末端力软测量精度对比,验证了本研究提出的基于关节力矩补偿的液压机械臂末端力软测量模型可有效提高末端力软测量的精度。

基于科研项目提升机械类研究生创新能力研究——以华东交通大学为例

参与导师科研项目,是培养机械类研究生创新能力的重要途径。文章以华东交通大学为例,针对目前机械类研究生创新能力培养中存在的实际问题,提出了相应的改进建议及策略,旨在进一步完善和细化现有的机械类研究生创新能力教育培养机制,进一步提升机械类研究生创新能力。

分布式独立二次调压电液控制系统设计与仿真

通过多路阀实现负载敏感电液控制(LS)系统等集中式液压系统流量分配,会产生较大的节流损失,能量效率较低。分布式独立电液控制系统(DIEHCS)采用单泵单执行器的排量控制方式,基本消除节流损失,节能效果显著,但普遍存在独立式驱动装机功率大、分布式安装结构不紧凑等问题。为此,本文以6 t挖掘机为对象,提出了一种分布式独立二次调压电液控制系统(DIEHCS-SPR)。该系统主要由3个独立布置于臂架上的开式电液执行器(EHA)及1个恒压控制的主泵(布置于舱室内)组成。各EHA根据执行器预期速度和负载力方向实现四象限工况的精确运转。6 t挖掘机虚拟样机仿真结果表明,在同一个工作周期下,提出的DIEHCS-SPR系统相比于LS系统节能率可达42%~46%。相比于现有DIEHCS,所提出系统各EHA峰值输出功率最高可降低70%~74%,可显著减小各EHA外形尺寸和质量,不仅节约了关键元件(EHA)的制造成本,更降低了分布式安装时自重所产生的额外能耗。

基于最小流量的液压机械臂冗余分解

针对冗余液压机械臂预设轨迹下的能量优化问题,提出基于最小流量的液压机械臂冗余分解方法.采用D-H参数法推导液压机械臂的运动学方程,构建末端速度与液压缸缸速的映射,建立系统能耗模型.基于最小缸速范数法求解能量次优的冗余分解以部分降低能耗.以液压系统流量最小为目标,通过优化加权雅可比矩阵求解能量最优的冗余分解.为了提高计算效率,提出加权雅可比矩阵权值的动态优化方法,实现在线最优运动规划.在研制的液压机械臂试验平台对冗余分解方法进行试验验证.三关节平面运动试验结果表明,相比于现有梯度投影法和最小缸速范数法,所提最小流量优化方法相同末端轨迹的运动能耗降低超过5%.

负载口独立控制系统非线性滤波振动抑制方法

针对负载口独立控制系统在作业过程中时常因控制信号突变而造成执行器速度振荡及液压缸两腔压力波动,从而导致操作舒适性和机器可靠性降低甚至引发安全事故的问题,首先,分析了负载口独立控制系统压力流量复合控制策略以及传统阻尼补偿方法抑振的局限性,阐明了引发速度振荡与压力波动的原因;然后,基于该控制系统,提出了采用非线性滤波器修改突变控制信号的抑振方法,并给出了非线性滤波器的边界选取原则;最后,设计了负载口独立控制系统的进出口阀控制器,通过修改参考流量信号,降低了不同突变信号对执行器速度带来的影响。基于20 t挖掘机负载口独立控制系统开展数值仿真,结果表明:相较于传统阻尼补偿方法,采用所提方法能够有效降低阶跃、斜坡信号引起的执行器速度振荡与压力波动,且在动臂液压缸全伸、全缩典型工况下压力波动较小,并使速度振荡降低了32.5%~64.7%,从而有效改善了系统的动态特性。

电液负载敏感负载口独立多模式切换控制能效研究

针对传统电液控制系统单一工作模式能耗高、效率低等问题,提出了一种负载口独立多模式切换控制系统。该系统基于负载口独立控制,通过改变传统液压回路连接方式,为系统拓展多种节能工作模式并设计了多模式切换控制器。该控制器首先根据负载方向和速度方向,将系统切换至能量最优的工作模式;然后再根据工作模式为执行器进、出口配置最佳阀控策略,而泵控方式采用电液负载敏感方法使系统压力适应负载压力。为验证该系统在出口压力损失和能量再生两方面的节能效果,以传统电液负载敏感系统为对比对象,在小型挖掘机上进行了实验验证,并评估能效。实验结果证明,与传统电液负载敏感系统相比,采用负载口独立多模式切换控制方法在不降低运动跟踪性能的同时,能有效提高系统的能量效率,节能率达21.95%。

面向混联液压机械臂的高精度运动控制方法

针对串并混联液压臂中因结构耦合和系统非线性导致其末端位置控制精度差的问题,基于虚拟分解建模方法和液压系统控制理论,提出了一种混联液压臂的高精度运动控制方法。该方法通过对系统进行精确建模,消除了传统液压臂控制方法由于忽略结构耦合和系统非线性而引入的误差,从而提高了运动控制精度。首先,将混联液压臂复杂的串并联驱动结构分为摆动缸驱动的开链结构、活塞缸驱动的闭链结构和活塞缸驱动的并联结构3类,并根据3类结构的特征将机械臂进一步虚拟分割成简单的子系统;然后,根据刚体动力学方程和流量连续方程分别建立了各子系统的动力学模型和液压执行器驱动模型,通过引入基于模型的前馈控制量和实时位置误差的反馈控制量设计了面向混联液压机械臂的高精度运动控制器。在七自由度混联液压机械臂试验平台上对该方法的有效性进行验证,结果表明:与传统PID控制器相比,采用该方法后液压臂末端在x和z方向的误差分别从59.63mm和19.6mm降低至11.17mm和6.48mm,仅为PID控制器的18.73%和33.06%,有效提高了混联液压机械臂的运动控制精度。

带流量前馈与工作腔压力反馈的电液负载敏感系统节能方法

基于流量前馈控制的电液负载敏感系统为容积节流复合调速系统,可将阀口全开以降低能量损失,但在超越工况下,系统速度特性会受阀口阻尼降低的影响,引发执行器超速下坠甚至安全事故等问题。据此,提出了适用于带阀后压力补偿的电液负载敏感系统的解决方法:将负载进油口容腔压力控制为一恒定值,并研制了相应的压力串级控制器。该控制器以速度反馈作为内环以提高系统抗负载干扰能力,并以带抗积分饱和补偿的PI控制器作为外环以控制工作腔压力为一定值。基于2 t挖掘机不同负载工况下的试验结果表明:工作腔压力控制与传统手柄直接控制阀口的方法相比,可在降低比例阀阀口损失的同时保证执行器速度控制性能。

位移差动自感式磁流变阻尼器设计与试验

针对磁流变车辆半主动悬架减振系统中使用磁流变阻尼器与传感器分离布置易造成安装空间大、系统可靠性低、维护成本高以及传感器信号易受外部环境干扰等不足,设计了一种位移差动自感式磁流变阻尼器。该阻尼器活塞头凹槽内缠绕2层铜线圈,内层线圈为阻尼励磁线圈,通过控制阻尼励磁线圈输入电流就可控制输出阻尼力,实现阻尼力可控;外层线圈为产生感应电压信号所需感应激励线圈,当给感应激励线圈通入高频交流电励磁信号时,缠绕在绕线缸体上的两组感应线圈可分别感应出同频率的位移信号,并通过差动原理实现位移差动自感应。推导了位移差动自感应数学模型;搭建测试系统进行自感应特性测试及阻尼力学性能分析。试验结果表明:静态拉伸时阻尼器活塞位移与感应电压成线性关系;动态拉伸时,当振幅分别为5、10、15 mm时,能够产生幅值为0.3、0.6、0.9 V的感应电压,通过拟合可得到阻尼器活塞头位移与自感应电压成线性关系;给阻尼励磁线圈施加1 A直流电时,能产生360 N左右的可控阻尼力。

改进型径向流磁流变阀压降特性研究

在常规型径向流磁流变阀基础上设置导磁零件和不导磁零件,引导磁力线垂直通过未被利用的轴向液流通道,在未改变阀整体外形尺寸和液流通道总长度下,使常规型径向流磁流变阀同时具备有效径向和轴向阻尼间隙,得到一种改进型径向流磁流变阀.采用有限元法(FEM)仿真模拟以观察零件设置对磁流变阀的磁通量分布和压降变化的影响,并结合推导的磁流变阀压降数学模型评估磁流变阀性能.为了验证仿真结果,组建了磁流变阀压降性能测试平台,加工了同样结构尺寸参数的改进型和常规型径向流磁流变阀,并进行实验对比分析.实验数据表明:同样结构参数和磁场参数下,电流为1.8A时,常规型径向流磁流变阀压降为3 MPa,而改进型径向流磁流变阀压降可达4 MPa,压降有效增加了33%,从而使磁流变阀应用范围进一步得到拓宽.

大学生创新创业竞赛积极性测量研究

目的:编制一个适合我国大学生创新创业竞赛积极性的测量工具,并考察大学生创新创业竞赛积极性的现状。方法:在冯江平的《员工工作积极性测评问卷》的基础上编制了初步的大学生创新创业竞赛积极性问卷。264名大学生填写了自编的大学生创新创业积极性问卷。结果:1) 探索性因素分析提取出3个因子;2) 问卷3个因子的内部一致性系数为0.880~0.921;3) 大学生创新创业竞赛积极性水平比较高;4) 大学生创新创业竞赛积极性在性别、年龄、专业上不存在差异;5) 大学生创新创业竞赛积极性在参赛动机上存在差异,如自愿参加的大学生积极性高于为了评奖学金、跟风参加的大学生。结论:1) 大学生创新创业积极性包括三个因素:认可度、参与感、价值认知;2) 自编创新创业竞赛积极性问卷有较好的内部一致性信度,有较好的结构效度和效标关联效度。

新工科建设背景下高校机械工程本科创新人才培养的思考

新工科建设是我国为适应创新驱动发展战略而提出的创新人才培养改革措施,新工科建设对机械工程本科创新人才培养提出了新要求。本文论述了新工科建设的背景,分析了新工科建设对机械工程创新人才的要求,阐述了现有机械工程本科创新人才培养过程中存在的问题,提出了优化机械工程本科创新人才培养的新思路,希望为我国机械工程本科创新人才培养提供一定的借鉴意义。

功能集成型磁流变阻尼器结构设计研究进展（英文）

磁流变阻尼器(MRD)是一种广泛应用于汽车悬架、桥梁建筑等领域的智能减振器件。为使MRD在半主动系统中控制效果更好,同时避免传统MRD工作过程中振动机械能以热能方式耗散,MRD功能集成就显得尤为重要。阐述了传统MRD工作原理及其在车辆悬架中的应用,并结合功能集成思想,详细分析了自感应型、振动能量采集型以及自感应自供电型等功能集成型MRD的结构、工作原理及国内外研究现状;同时介绍了课题组研制的系列功能集成型MRD。相关分析结果可为功能集成型MRD结构设计及工程应用提供一定的理论参考。