含有柔性负载的电驱动系统建模与控制策略

为了抑制伺服电机启动和运行过程中产生的转速波动和振动,提出了一种基于极点配置的PI控制策略.首先,根据基尔霍夫电压定律和拉格朗日原理建立了伺服电机与柔性负载的整体动力学模型,并通过拉普拉斯变换计算系统的传递函数.其次,通过设计控制器的参数,分析了采用相同幅值的极点配置方法对控制效果的影响.最后,通过与传统的Z-N方法和无控制方法进行对比,验证了该极点配置方法的优势.通过数值仿真和实验研究,实现了对伺服电机启动和运行过程中产生的角度误差的控制,有效抑制了电机转速的波动,保证了系统的稳定性.

模糊整定PI参数的双柔性机械臂振动抑制

机械臂伺服驱动系统中柔性因素的存在易导致机械臂输出转速波动,甚至引发系统谐振.为抑制系统转速波动,使机械臂传动系统性能稳定,使用模糊理论整定PI控制器参数的控制策略.根据假设模态法和拉格朗日动力学方程建立了考虑LuGre摩擦模型的双柔性机械臂传动系统动力学方程,并分析了动力学方程中耦合非线性项对系统传动特性的影响.使用极点配置策略确定PI控制器参数的取值范围,后根据模糊规则实时调整控制器参数,以减小伺服系统输出转速的波动,进而抑制系统谐振.最后,借助数值仿真分析和机械臂控制实验,与传统PI控制策略对比,发现本文所述控制策略可使电机端转角跟踪误差绝对值的平均值降低43.066%,柔性负载转角误差的标准差降低46.506%,更加验证了所提模糊规则整定PI控制器参数抑振方法的有效性.

圆柱面结合部接触应力的三维分形模型

为了对机械结构中圆柱结合部的承载能力进行研究,基于Hertz接触理论,并结合修正的三维分形理论,应用三维分形曲面来模拟实际工程中的结合面,在综合考虑宏观特性因素与微观形貌因素的情况下,建立了圆柱结合部接触应力的三维分形模型,并与Hertz接触模型进行了对比分析,证明了所建立模型的合理性。通过Matlab仿真分析得到,从宏观特性因素上,可以选用内接触圆柱结合部,或增大小圆柱体的半径来降低接触应力,提高承载能力;从微观形貌因素上,可以减小分形尺度参数,或减小材料特性参数来降低接触应力。分形维数对接触应力的影响比较复杂:当2.1≤D≤2.5时,增大分形维数,可以降低接触应力;当2.5≤D≤2.9时,减小分形维数,可以降低接触应力。

螺栓联接结合面三维分形刚度模型与实验研究

为更准确地分析螺栓联接体的静动态特性,根据三维分形理论,考虑微凸体弹塑性接触在内的4种变形阶段,分别得到螺栓联接结合面的法向载荷与切向载荷,进而建立了螺栓联接结合面法向刚度与切向刚度模型,并分析了各参数对螺栓联接结合面刚度模型的影响关系。开展了有限元分析与实验研究,应用所建立的法向刚度与切向刚度模型,将考虑结合面影响的螺栓联接体有限元分析结果分别与忽略结合面影响的螺栓联接体有限元分析结果以及实验结果对比。研究结果显示,增大预紧力、工作载荷、分形维数、材料特性参数,或是减小分形尺度参数,可增大螺栓联接结合面的刚度;应用所建立结合面刚度模型的螺栓联接体有限元分析结果与实验结果误差在8%以内,远小于忽略结合面影响的有限元分析误差。

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。

具有变胞功能的平行四杆机构动力学特性研究

变胞机构在机器人结构设计中应用广泛。为了研究一种常见输电线巡检机器人具有的平行四杆变胞机构动力学特性,首先建立运动循环图对其运动中的构态变换过程进行分析,确定了构态变换方式;其次利用Lagrange方程建立此移动变胞机构的动力学模型,通过数值仿真,分析质量和杆长参数变化时对其动力学特性的影响。研究结果表明:此平行四杆变胞机构属于二构态变胞机构;随着质量的增大,速度峰值在增大,而随着杆长的增大,速度峰值却在减小;两个参数对加速度的影响很小。研究结果对于具有此变胞机构形式的巡检机器人动力学研究提供了借鉴作用。

变长度柔性机械臂的双柔性伺服驱动系统振动抑制策略

变长度的柔性机械臂在旋转运动过程中由于受到环境扰动以及自身柔性的影响导致了伺服驱动系统输出转速的波动现象,这会加剧柔性机械臂的振动,严重影响了柔性机械臂的运动精度.基于此,设计了一种基于干扰观测器的PI控制策略来抑制伺服驱动系统转速的波动.首先使用拉格朗日原理建立了双柔性伺服驱动系统的动力学模型并分析了双柔性伺服驱动系统的传动特性;其次将基于干扰观测器的PI控制策略应用于双柔性伺服驱动系统的速度环中,并通过鲁棒稳定性分析设计干扰观测器中的低通滤波器参数;最后开展了数值仿真分析和控制实验.实验结果验证了提出的控制策略能够有效减少变长度柔性机械臂的转速波动,提高伺服驱动系统的运动精度.

可变重心线路巡检机器人摆振分析及抑制

针对野外输电线巡检机器人(power transmission line inspection robot,PTLIR)受自然风影响出现的机身摆动问题,提出一种在机器人的可变重心箱体中加装摆式动力吸振器(dynamic vibration absorber,DVA)的摆振抑制策略。描述了输电线系统与巡检机器人加装摆式动力吸振器的结构特点。基于Davenport风速谱与输电线系统的特点建立了风扰动模型。分析了机器人行走对输电线的影响,建立了简化后风扰动影响下机器人摆动的动力学模型,仿真了抑振前机器人在风扰动影响下的风振响应;基于拉格朗日方程建立了加装动力吸振器优化后的巡检机器人动力学模型,并完成了吸振器的参数设计。通过仿真不同风速下机器人的风振响应,验证所提出的振动抑制策略的有效性。基于改进结构下的巡检机器人样机,开展了室内风扰动试验。结果表明,所提出的吸振器抑振策略可在一定程度上抑制机器人的机身摆动,提高工作稳定性。该研究过程对其他摆式结构设备的振动抑制具有一定的参考价值。

采用模糊补偿滑模控制器的空间柔性机械臂振动抑制方法

空间柔性机械臂可以安装于空间站协助宇航员开展在轨维修、航天器交会对接和太空垃圾捕获等任务。空间柔性机械臂因其细长的结构在运动过程中会出现振动现象,进而影响操作精度和飞行安全。为了减弱空间柔性机械臂的振动,采用模糊补偿滑模控制策略对空间柔性机械臂的旋转运动进行控制。通过提高空间柔性机械臂的转动控制精度间接地减弱振动。首先根据假设模态法描述空间柔性机械臂的变形,使用拉格朗日原理建立了考虑了二维变形的模态和转角耦合的动力学方程。然后,利用模糊规则的万能逼近特性辨识、补偿包括柔性非线性项和外界干扰的动力学模型的不确定成分。接下来,根据李雅普诺夫函数设计模糊补偿滑模控制策略的控制律和自适应律以保证空间柔性机械臂的闭环稳定性。最后,开展了空间柔性机械臂的仿真和物理样机控制试验。试验结果表明,模糊补偿滑模控制策略可以有效地提高空间柔性机械臂的转动控制精度,间接地减弱振动幅值。与传统的滑模控制策略相比,提出的控制策略可以使转角跟踪误差绝对值的平均值下降17.86%,使横向加速度的标准差下降31.91%。

双柔性机械臂伺服系统PI控制策略

柔性机械臂系统中的负载柔性、关节柔性会导致输出转速波动,故使用PI控制策略对伺服系统进行控制.根据连续体振动理论和拉格朗日方程建立同时考虑负载和关节两种柔性的动力学模型,并分析了两种柔性对系统传动特性的影响.使用Arnoldi方法对传递函数进行降阶,并对降阶误差进行评价.采用极点配置方法设计控制器参数,讨论了极点阻尼系数、自然频率等对系统动态特性的影响.最后进行双柔性机械臂的仿真分析和转动控制实验,结果表明:适当调整控制器参数可以有效减弱柔性机械臂伺服传动系统末端的转速波动,进而抑制机械谐振现象,使系统趋于稳定.

轴电流损伤球轴承的载荷分布和刚度变化分析

基于轴电流损伤凹坑的表面形貌,提出故障表征模型,对损伤后角接触球轴承的载荷分布和刚度变化进行研究。首先,建立了考虑弹性接触和滚动体与滚道间相互作用力的角接触球轴承分析模型,并验证模型的准确性;其次,提出了具有不同长度、宽度、深度的轴电流外滚道损伤凹坑的故障模型及分段函数表达式;最后,利用该故障模型研究了具有不同大小和形状的轴电流损伤凹坑对轴承载荷分布和刚度变化的影响。结果表明:滚动体从滚入到滚出轴电流损伤凹坑过程中,将释放一定量变形,导致损伤区域轴承承载力部分或全部丧失;随着轴电流损伤凹坑变大,轴承刚度变化更大、更迅速。

含轴电流损伤的球轴承动力学建模及特性分析

以风力发电机球轴承为研究对象,提出了凹坑形式的轴电流损伤模型,分析该损伤对轴承动力学特性的影响规律.利用半正弦和分段激励函数建立了一个含长度、宽度和深度的损伤模型,用于描述轴电流的不同损伤程度;建立了含轴电流损伤的轴承动力学模型,来研究损伤凹坑的大小和形状及外载荷对轴承的振动特性影响;通过轴承的接触分析,研究了轴电流损伤程度对轴承载荷分布的影响;将仿真结果和实验对比,验证了模型的正确性.研究结果表明:所提出的模型可以准确地描述由凹坑形式的轴电流损伤导致的冲击激励与周期性变化现象;随着轴电流损伤程度的增大,轴承的振动响应和接触力变大,系统趋于不稳定.

模糊PI控制器与干扰观测器相结合的空间柔性机械臂的转动控制策略

为了减少外部干扰对空间柔性机械臂的系统误差,提高系统的控制精度,提出了一种模糊PI控制器与干扰观测器相结合的转动控制策略。首先,采用假设模态法和拉格朗日方法,建立了含有干扰力矩的空间柔性机械臂的初始动力学模型;其次,提出了分别忽略二维变形和忽略非线性项的2种简化动力学模型,并通过仿真分析对比2种简化模型的建模精度;第三,基于极点配置方法和模糊规则设计了模糊PI控制器,并基于系统的名义模型设计了干扰观测器;最后,通过仿真分析和地面物理样机实验验证了该方法的有效性。研究结果表明:忽略非线性项的简化模型与初始模型具有相似的建模精度,极大地降低了计算难度,能够代替初始模型进行控制系统的设计;模糊PI控制器与干扰观测器相结合的转动控制策略能够实时调整控制器参数,观测并补偿干扰力矩引起的系统误差,有效提高系统的控制精度。

平行四边形变胞移动机构的构态变换随机性分析

变胞机构在运动过程中可以实现不同的构态变换。为了研究变胞机构构态变换过程中的随机性影响,建立一种常见的平行四边形变胞移动机构模型。以等效阻力梯度模型为基础,对机构进行动态静力学分析,并最终对其构态变换过程进行研究。分析不同参数变化时,对平行四边形变胞移动机构构态变换过程中的随机性影响,得出转速、杆长、外力、外力矩不同参数变化情况下构态变换过程中产生的随机性影响。结果表明:随着转速、外力、外力矩的增大,使变胞机构构态变换过程中更容易产生随机构态,杆长的影响不明显。研究结果对于未来如何利用和控制具有作业任务的变胞机构中的随机构态起到借鉴作用。

某型数控车床床身的模态分析与结构优化

利用ANSYS有限元分析软件,以某型机床床身为研究对象,建立床身的简化有限元模型,以固有频率作为衡量床身动态性能优劣的指标,通过模型在不同参数下的前六阶固有频率及振型进行对比分析,重点研究了不同床身高度时床身固有频率的变化趋势,以及主轴箱支撑台筋板不同布置方式对床身动态特性的影响,并对此提出有效的解决方案.结果表明,优化后的机床床身具有良好的动态性能,进而能够提高机床加工精度的保持性和可靠性.

考虑摩擦因素影响的结合面切向接触阻尼分形预估模型及其仿真

为准确计入结合面表面微观形貌对结合面的影响,提出结合面的'固-隙-固'接触模型。基于该接触模型和接触分形理论以及赫兹理论,建立考虑摩擦因素影响的结合面切向接触阻尼的分形预估模型,并通过数值仿真研究揭示有关参数对结合面切向接触阻尼的影响,为后续结合面动力学建模和动力学特性分析做准备。仿真分析结果表明:结合面的切向接触阻尼随结合面实际接触面积的增大而增大;随结合面法向载荷的增大而减小;随结合面间摩擦因数的增大而趋于恒定;实际接触面积影响cte*-μ曲线转折点(即临界摩擦因数μc)的位置,随着实际接触面积的增大,临界摩擦因数μc亦同时增大;不同的分形维数取值,尤其是分形维数取值在临界值(D=1.55)的两侧时,结合面间的接触行为存在较大差异。

考虑摩擦的结合面法向刚度分形模型及仿真

为了获得微动结合面较精确的法向接触刚度模型,研究影响接触刚度的因素,基于经典的G-W(greenwood-williamson)统计模型和分形模型,建立了考虑摩擦因素的结合面的接触刚度分形模型,并推导出了相应的刚度公式。通过数值仿真探讨了分形维数、摩擦系数、接触载荷、结合面积等4个因素对结合面法向接触刚度的影响。研究表明,所推导出的法向接触刚度模型能够有效模拟具有摩擦作用的结合面,结合面间的摩擦系数对法向接触刚度的影响与结合面的尺寸有很大的关系,结合面之间的分形维数、接触载荷、结合面积对法向接触刚度有很大的影响。

考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型及其仿真分析

为建立更完善和精确的结合面接触刚度模型,本文根据分形理论和摩擦学原理,从微观角度建立了考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型.通过数值仿真分析研究了接触载荷、分形维数、摩擦系数和接触面积等因素对结合面切向接触刚度的影响.分析结果表明:结合面切向接触刚度随法向载荷和分形维数的增加而增大,而随分形尺度参数的增大而减小;摩擦系数对结合面切向接触刚度的影响较大,不同实际接触面积下的切向刚度相差较大;当分形维数较小时,摩擦系数对结合面切向刚度的影响将降低.这些研究对于进一步开展结合面的动力学特性研究具有重要意义.

数控机床加工精度提高技术的进展及其存在的问题

数控技术和数控机床的诞生开创了控制和生产领域的新时代,给机械制造业带来了一次新的技术革命。数控机床技术的迅速进步大大推进了精密、超精密加工技术的发展,使加工精度提高到了一个新的台阶,提高数控机床精度的研究也得到了极大的重视。从误差防止和误差补偿两个方面,介绍了国内外关于提高数控机床精度的研究现状,指出了具有广泛应用前景的误差补偿这项实用技术之所以难以在国内数控机床行业普及和使用所存在的核心问题。最后根据企业实际情况提出开展误差补偿技术应用研究的必要性和主要研究内容。

结合面广义间隙的等效模型研究

为了从微观和宏观相结合的角度研究结合面的动态特性,首先研究了考虑摩擦因素的结合面接触刚度分形模型;然后以组合梁为研究对象,把梁结构及它们之间的结合面重构为由固体-广义间隙-固体系统,即把结合面等效为广义间隙,利用结合面接触刚度的分形模型与材料应变能等效的方法,获得了结合面的广义间隙的材料常数,并据此材料常数进行组合梁的有限元分析;最后,为了进一步确定所建立结合面接触刚度分形模型的正确性和结合面等效方法的合理性,进行了组合梁的模态试验,把有限元分析的结果和实验结果进行比较,结果表明运用这种等效方法来处理结合面是非常合适的,结果也间接地表明了所建立的结合面接触刚度的分形模型是正确的。