双立柱式堆垛机三级货叉刚度建模与优化

堆垛机的多级货叉在叉取货物时易产生较大的变形,为了解决多级货叉取货的精度问题,基于力学理论与有限元方法,对多级货叉进行了末端刚度建模与优化设计。首先,提出了一种堆垛机的整体结构与工作原理,详细地分析了货叉组件的结构与多级直线差动式货叉的工作原理;其次,基于理论力学与材料力学建立了货叉组件的力学模型,并求解了货叉在多组载荷下的挠度值;然后,建立了货叉组件的有限元模型,求解出了货叉组件的刚度并与理论计算结果进行了对比,验证了理论计算的准确性;最后,对货叉组件进行了参数优化,选取了三级货叉的最优截面参数,并完成了优化后货叉组件的静力学有限元分析。研究结果表明:优化后的三级货叉整体刚度提升了14.5%,在实际应用中效果良好。

Exechon并联模块的静刚度建模与分析

为研究Exechon并联模块的刚度性能,采用子结构综合方法建立该模块的刚度解析模型。分别采用虚拟关节法和有限元法计入各关节和支链体的柔性,并通过推导动平台和支链装配体间的变形协调方程构建出系统的弹性静力学模型。由系统方程抽取出动平台刚度矩阵,据此预估Exechon并联模块在典型位姿和工作全域内的刚度性能,并将其与有限元仿真结果进行对比。结果表明,所建解析模型具有较高计算精度,可快速预估机构工作全域的刚度特性;Exechon并联模块在工作空间任一截面内的刚度关于x轴对称分布,且沿w方向的刚度受机构位形影响较小。

类Exechon并联模块的结构设计与刚度建模

针对Exechon并联机构工作空间内动平台转动能力较差这一问题,采用机构变异方法,提出了机构构型为2RPU&1RPS的类Exechon并联模块,并对其进行了结构设计。围绕所设计的类Exechon并联模块,借鉴子结构综合思想,建立了该并联模块的刚度模型,并推导出动平台刚度矩阵的解析表达。分析了类Exechon并联模块在典型位姿下的刚度性能,并将其与有限元仿真结果进行了对比。结果表明,所建解析模型具有较高计算精度,可用于机构工作全域内刚度特性的快速预估。

一种协作机器人非线性刚度建模方法

提出了一种有限元和虚拟关节法相结合的协作机器人非线性刚度建模方法,该方法不仅包含连杆和关节模块线性及耦合刚度,还考虑了机器人传动系统非线性刚度、负载作用下雅可比矩阵变化率以及负载和自重引起的位姿变化对机器人刚度非线性的影响。通过有限元子结构法提取机器人各模块的结构刚度矩阵,与传动系统非线性刚度模型相结合,建立机器人各模块的非线性综合刚度模型;采用数值计算方法计算在外力和自重工况下的静力平衡位姿及各模块受力情况;基于虚拟关节法构建机器人的非线性刚度模型,通过非线性有限元仿真验证了该建模方法的正确性。

重载智能堆垛装备刚度建模与结构优化

针对重载、高精度、高可靠性、长距离等货物搬运要求,提出重载智能堆垛装备的结构方案.通过对堆垛装备的工作原理及承载受力分析,提出基于V型滚轮接触力计算法的堆垛装备综合刚度求解方法,给出计算实例.利用有限元方法求解V型导轨的接触刚度及堆垛装备的综合变形量,与理论计算结果进行对比,验证了理论方法的准确性.通过建立基于刚度最大为优化目标的优化模型,对龙门立柱与三级货叉进行结构优化,得到立柱优化结构以及货叉最优的截面参数.对堆垛装备进行实机运行及静态承载下的综合挠度检测.结果表明,优化后的堆垛装备能够满足工程应用的要求.

机匣类工件五轴铣削工艺系统的刚度建模技术

为了探究机匣类工件五轴铣削工艺系统因刚度不足引起的加工振动问题,该文针对KMC600SU机床、刀具、薄壁类零件及其夹具组成的整体工艺系统进行了建模分析。首先通过有限元分析和锤击实验,确定了工件和刀具部分的动刚度特征和测量方式;然后基于悬挂式电磁激振器的机床动刚度测量装置和XGBoost模型,建立了包含五轴数控机床位姿信息的机床动刚度模型,并通过有限元仿真建立了刀具、零件及夹具的动刚度模型;接着利用刚度串联理论和坐标变换完成对整体工艺系统的动刚度建模。在此基础上,建立一种可以通过铣削实验测量工艺系统动刚度的XGBoost模型,以获取新的工艺系统动刚度数据;最后采用自适应等弦高欠采样算法对已有的工艺系统动刚度模型进行校准和迭代。结果表明该文建立的工艺系统动刚度模型的误差率满足3σ原则。

基于刚度模型和高斯过程回归模型的重载工业机器人分步标定方法

针对串联工业机器人由于关节柔性导致的重载下绝对定位精度较低的问题,提出了一种机器人定位误差分步标定方法。采用局部指数积模型对机器人进行几何误差标定。提出了一种基于建模和机器学习的非几何误差标定方法。在该部分中,首先建立了机器人的刚度模型对非几何误差中最主要的变形误差进行标定,然后采用数据驱动的高斯过程回归(GPR)模型对残余误差进行标定。实验结果表明,该方法可以有效提高机器人带载下的绝对定位精度,并且具有位置精度不随载荷变化而产生明显波动的优点。

粗糙表面接触刚度模型的研究进展

航空发动机结构存在许多机械结合面,这些结合面间的接触在微观尺度上是各粗糙峰的接触,而由粗糙峰接触所产生的接触刚度具有随机性,开展粗糙表面接触刚度模型研究,对有效分析发动机部件和整机结构的动力特性及其稳定性与可靠性至关重要。主要从统计学和分形理论两方面归纳了粗糙表面接触刚度模型的建模方法。基于统计学的粗糙表面接触刚度模型描述简单明了,且能极大程度缩短求解过程;利用分形理论所描述的物体形貌特征不受空间的束缚,更接近客观物体的真实属性与状态。重点对接触刚度的计算过程进行了详细阐述。研究表明,目前粗糙表面接触刚度模型主要采用统计学描述与分形描述的解析模型,统计学描述接触刚度模型日渐成熟与完善,分形接触刚度模型能定量表达总的接触刚度与粗糙度的关系。但解析模型未考虑微尺度效应及材料基体变形对微凸体变形的影响,未来对基于纳米级粗糙表面接触刚度模型、考虑基体变形的粗糙表面接触刚度模型进行研究将具有重要意义,考虑微观接触的宏观接触有限元模型可弥补解析模型的不足,将成为研究热点。

三支链六自由度并联骨外固定支架刚度优化设计

传统的下肢骨折治疗方案普遍存在复位精度差、易造成二次创伤与并发症、延迟愈合等局限性.随着现代医学和机器人学的交叉融合,基于六自由度并联机构的微创骨折复位与固定技术得到广泛关注和应用.现有六支链并联骨折外固定支架普遍存在术前CT扫描易造成伪影、影响骨折复位轨迹规划的不足.针对上述问题,本文设计了一种三支链六自由度并联外固定支架3-SPRP.由于此支架用于人体下肢骨折的复位与固定,为了满足外固定支架的轻质量高刚度需求,本文开展了将支架质量与刚度均视为优化目标的多目标优化设计.首先,采用闭环矢量法建立3-SPRP并联外固定支架的位置逆解模型,基于瞬时旋量建立运动/力映射模型;其次,采用半解析建模法建立3-SPRP并联外固定支架的静刚度模型,对比理论刚度模型与有限元仿真模型在6个典型位姿下的各向线刚度,验证支架刚度模型的准确性;最后,以瞬时变形能为刚度指标,将3-SPRP并联外固定支架的刚度与质量均视为优化目标,开展多目标优化计算,定义最小距离法确定支架刚度与质量的最佳匹配关系.优化后整机质量约为0.889 kg,相较于优化前仅增加24 g,而各向线/角刚度值普遍提升50%左右,表明3-SPRP并联外固定支架的刚度优化设计的有效性.上述工作将为后续三支链六自由度并联骨折外固定支架的物理样机制造与实验研究提供理论基础.

精密机床直线进给轴位姿误差建模方法研究

机床直线进给轴的位姿误差是影响机床整体性能的重要因素之一,直线轴位姿误差建模是精度预测和精度设计的关键环节。文章针对精密机床直线进给轴姿态误差建模问题,综述了各种姿态误差的建模方法,包括静力平衡建模法、等效刚度建模法和有限元建模法,总结了现有主要建模方法的特点,并探讨了其未来的研究方向。旨在为建立导轨几何误差与运动轴姿态误差之间的映射关系,实现精密机床直线进给系统姿态误差的精准预测和控制,提高直线进给轴运动精度和整个机床的性能提供理论参考。

三自由度柔顺球面运动链的设计与刚度分析

柔顺机构具有众多的优点,在很多精密场合应用较多,球面柔顺机构作为空间柔顺的一种形式,串联柔顺球面3R开链的建模与分析还存在待解决的问题。在此基础上,针对柔顺球面3R开链的2种形式:曲线梁柔性铰链和直线梁柔性铰链,首先给出了球面运动链的闭合柔度方程,然后分析了单一柔性铰链的柔度模型,在此基础上建立了曲线梁柔性铰链和直线梁柔性铰链的串联柔度模型,然后通过仿真分析与对比的方法,对曲率半径R和包角θ对柔度因子的影响进行了分析。从结果可以看出,曲线梁柔性铰链相对于直线梁柔性铰链更适合产生球面运动。

基于刚度预测-神经网络的调姿平台误差补偿

变形误差对高精度调姿装备末端定位精度的影响不可忽视。为提高2RRPU/2RPU/U两轴并联调姿平台精度,提出了基于刚度模型预测误差趋势与神经网络算法提升预测精度的误差补偿模型。首先,在调姿平台全雅克比矩阵和弹性变形矩阵的基础上建立理论刚度模型,与Ansys数据刚度模型预测对比验证受载变形趋势预测的有效性。然后,搭建基于Simulink-Adams-Ansys-OPC的模拟仿真环境,随机载荷下采集平台全姿态仿真数据,基于刚度模型和速度雅克比矩阵对姿态误差和驱动误差趋势进行预测,基于速度雅可比实现末端误差到驱动补偿的映射,进一步利用神经网络算法提升误差预测的精度。仿真实验结果表明采用误差补偿模型后调姿平台获得位姿精度提高9%,验证了“刚度预测-神经网络”模型对平台姿态精度提升的有效性。

卧式加工中心立柱与滑块的联接刚度分析

卧式加工中心的立柱是影响机床静、动态性能的重要部件之一。以某卧式加工中心为例,分析了机床立柱与导轨滑块之间在不同联接刚度条件下的整机静、动态性能,并结合现有参考资料总结了一种计算固定结合面刚度的方法。

核用小直径传热管衬管焊接TIG焊枪的设计及优化

随着我国核工业进入第3个30年发展阶段,核用设备的维修需求日益迫切。核用蒸汽发生器内部结构复杂,关键传热管结构管径小、管道长、拆卸安装难度大,传统修复方法难度极高。针对核用小直径传热管因长期处于高温高压工况而出现的腐蚀破坏问题,文中设计了一种全位置自动化TIG衬管焊接修复焊枪,并进行了焊枪可靠性验证和焊接修复试验。首先,提出了焊枪的总体结构设计方案,并阐述了所设计焊枪相对传统钨极TIG焊枪的优势;接着,完成了焊枪传动系统的设计与验证,所设计的传动系统体积小、空间利用率高;随后,对焊枪关键部位——导电轴进行了刚度理论建模、分析和实例计算,并通过有限元求解验证了理论模型的可靠性,在此基础上提出了焊枪结构的优化方法;最后,进行了现场挠度检测和焊接试验,验证了导电轴的刚度满足现场焊接工况,并用线性回归方程和挠度修正公式定量预测焊枪挠度变形,验证了所设计结构的合理性;焊接试验表明焊枪工作时传动系统的转速稳定可控,焊缝成形良好。文中所研制的焊枪能够满足核用蒸汽发生器不锈钢传热管的衬管焊接修复工艺要求。

新型环状柔性球铰刚度计算与分析

为了降低柔性球铰的加工难度和制造成本,提出了一种环状柔性球铰。对该类型球铰的刚度特性与设计方法进行了研究。利用分割法、数值计算方法、位移矩阵法和位姿变换公式对其进行刚度建模。采用变量唯一的方法分析环状柔性球铰结构参数对其刚度的影响。根据所得的刚度数学模型,采用一组实例进行刚度计算,同时对其进行有限元和刚度实验分析,分析结果表明,有限元和刚度实验分析结果与其理论值最大误差不超过7%,验证了所推导刚度矩阵的正确性和设计方法的有效性,对柔性球铰的设计和力学特性研究具有重要的参考价值。

一种五轴并联加工单元的参数与刚度优化设计

大型复杂构件具有尺寸大、结构复杂、局部加工特征多等特点,针对该类构件的高精加工需求,提出了“大范围定位+局部五轴精雕细刻”的原位加工模式,开发了“全向移动平台+高刚度定位机构+高精度五轴并联加工单元”的移动式混联加工机器人。该装备的核心部件是末端的五轴并联加工单元,对整机装备的加工性能影响重大。为了进一步提升五轴并联加工单元的运动/力传递性能以及刚度,开展了基于运动/力传递性能评价方法的结构和尺寸参数分层优化和以提升刚度为导向的结构优化。提出了多参数分层优化方法,实现了多结构和尺寸参数优化,使运动/力传递性能相对于参数优化前提高了48.37%;采用虚拟铰链法和有限元法建立了五轴并联加工单元的刚度模型,揭示了各构件刚度对末端刚度的影响规律,辨识出机架为五轴并联加工单元的刚度薄弱环节。建立了基于刚度贡献率的刚度逐级优化方法,并针对机架进行了结构优化,使五轴并联加工单元的刚度提高了63.83%,刚度质量比提高了52.06%。基于上述优化设计结果,设计了运动/力传递性能以及刚度性能更优的五轴并联加工单元,为研发加工性能更优的新一代移动式加工装备奠定了基础。

绳驱动踝关节康复机器人的运动学与刚度研究

针对现有踝关节康复机器人存在的人机结构匹配度不高、柔顺性不足、适应性弱等问题,提出了一种新型绳驱动变刚度踝关节康复机器人。考虑到绳索的单向受力特性使得绳驱动机器人具有变刚度特性,基于柔性并联机构理论创新设计了一种结构简单紧凑、刚度―拉力线性度高的变刚度装置,以提高变刚度控制的范围和精度。通过康复机器人的运动静力学和刚度建模分析,揭示了调节绳索长度来调控机器人位姿,以及调节绳索张力来调控机器人刚度的规律。在此基础上,提出了面向刚度的绳索张力分配算法以实现刚度控制,并通过仿真案例验证了算法的可行性。最后,设计了绳驱动踝关节康复机器人的控制系统,研制了机器人样机,通过实验验证了机器人运动控制方法。研究结果表明所设计的绳驱动踝关节康复机器人具有人机结构匹配、刚度可调等优点。

柔性并联六维力传感器力映射解析研究

针对由柔性铰链构成的柔性并联Stewart平台六维力传感器弹性体结构,提出一种可用于柔性一体式并联六维力传感器六维外力与各柔性测力分支拉/压力间的精确力映射解析建模方法。基于虚功原理和几何相容条件并根据柔性铰链空间形式的柔度矩阵,构建传感器柔性串联支路末端的柔度矩阵和传感器的整体刚度矩阵。推导得到六维外力与传感器柔性分支杆所受轴向拉/压力间的解析映射关系。通过具体算例和传感器的有限元模型,对上述理论推导过程进行仿真验证。结果表明:理论值与仿真值基本吻合,最大误差在7%以内,从而说明了所提出的力映射解析方法具有较高的求解精度,并为柔性并联六维力传感器的尺寸优化设计奠定了理论基础。

冗余正交式六维力感知机构性能分析与实验研究

基于冗余容错和测量重构的思想,提出了一种具有可重构测量模型的冗余正交式并联六维力感知机构,并进行了相关理论分析及实验研究。利用柔度矩阵理论建立了机构的刚度模型,通过仿真验证了建模方法的正确性。最后,对设计的力感知机构进行了样机研制,搭建了标定实验平台,对样机进行了重构实验。针对不同维度力选择不同测量分支组合的测量模型进行测量,实验结果表明,在五维力和三维力的测量模型重构后,测量精度分别提高了1.29%和3.19%。实现了测量模型重构的多维力感知机构面向不同测量任务的多维力测量,为冗余六维力感知机构的研究提供了理论依据及实验基础。

基于变刚度驱动的下肢外骨骼

针对传统刚性驱动的外骨骼在复杂人机交互环境中柔顺性不足、无法保证人体安全等问题,设计一种变刚度下肢外骨骼用于康复训练。提出了一种可重构的变刚度原理,通过调整关节弹簧的预紧力来实现关节刚度的改变,同时通过滑轮组的重构来增大外骨骼的刚度调整范围。基于所提出的可重构变刚度原理,设计了用于驱动外骨骼主动关节的变刚度执行器,并进一步设计了变刚度下肢外骨骼的机械结构。建立了外骨骼的理论刚度模型,并对其刚度特性进行了仿真分析。搭建了变刚度下肢外骨骼的试验平台,对样机的刚度特性进行了试验验证。结果表明,试验得到的刚度曲线与理论模型吻合。基于变刚度驱动的扭矩-偏角特性,提出一种无交互力传感器的外骨骼行走跟随控制方法,并在不同速度下进行了行走跟随试验。试验结果表明,外骨骼与人体的最大交互力矩为0.8243 N·m,证明外骨骼可以跟随人体运动。