考虑运动副间隙的平面并联机构动力学与控制研究

发布时间：2018-01-13 14:41

  本文关键词：考虑运动副间隙的平面并联机构动力学与控制研究　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 模块化建模 多体机构 运动副间隙 动力学分析 3-RRR并联机构

【摘要】：由于装配误差、加工精度和磨损的影响,机构中运动副间隙不可避免地存在,使机构的运动精度和动力学性能受到很大影响。同时,构型复杂的多体机械系统动力学模型的建模效率有待提高。因此含运动副间隙机构的动力学建模与分析越来越受到科研人员的重视。本文从平面多体机构的模块化动力学建模、运动副间隙的数学模型等方面入手,提出体现拓扑结构层次性的模块化动力学建模方法,并可拓展到含间隙机构的动力学分析,通过改进的数值积分算法求解非线性微分代数方程组,系统地分析运动副间隙对机构动力学性能的影响,进而指导样机结构参数与间隙分配的集成优化。本文主要进行以下研究:为了提高复杂多体机构的动力学建模效率,通过多体系统的拓扑图对机构进行分类,提出多体系统的模块划分方法;采用体铰矢量和通路矢量建立平面多体机构中运动副的约束方程,用关联数组描述系统的拓扑结构,实现系统约束雅克比矩阵的自动集成,形成复杂多体机构的约束雅可比矩阵的模块组装,实现模块化、层次化的动力学建模,使动力学模型中包含机构的拓扑结构信息。针对动力学模型的微分代数方程组,提出基于Hermite插值的数值积分方法。以平面三自由度并联机构为应用案例,建立通用动力学模型,体现所提出的模块化动力学建模方法的层次性和可重用性。为了更精确地确定出运动副元素在机构运行过程中相对运动状态的互相转换,采用状态变换法描述运动副间隙模型,利用相邻两时间节点的接触表面变形量的关系改进运动副元素的相对运动状态判断准则。提出适用于机构高速运行时的间隙碰撞力模型,结合Lankarani-Nikravesh接触力模型完整地表达了间隙运动副中的接触碰撞力。为了能够量化地评价运动副间隙的不同参数对机构动力学性能的影响,提出间隙效应评价指标体系。以含有铰链间隙的曲柄滑块机构为例进行动力学分析,验证了所提出的间隙模型的正确性。针对平面并联机构在工程中应用最广泛的一种构型——平面3-RRR并联机构,采用提出的模块化动力学建模方法建立动力学模型。考虑与动平台相连接的三个转动副间隙,将运动副的间隙作用力作为广义外力引入到系统动力学方程中。采用所提出的基于Hermite插值的数值积分方法对该微分代数方程组进行求解,深入细致地探讨运动副间隙对该机构动力学性能的影响。采用庞加莱映射和分岔图的手段对机构进行非线性动力学分析,揭示含间隙平面3-RRR并联机构的非线性动力学行为。对于含有运动副间隙的机构,由于间隙作用力产生的高度非线性因素,传统控制策略的控制效果难以令人满意。针对含运动副间隙的平面3-RRR并联机构,对比分析基于间隙作用力模型的固定补偿控制策略,进而提出能实现间隙作用力自适应补偿的非线性自适应控制策略。引入增益自适应律使机构能够更快地达到稳定状态,设计参数自适应控制律和非线性自适应控制律,实现在运动副间隙存在的情况下机构运动精度的提高,并有效减轻间隙作用力对机构运动平稳性的不良影响。基于间隙效应评价指标体系和指数加工成本模型,建立含运动副间隙机构的间隙分配与结构参数集成优化的目标函数。基于遗传算法中的杂交机制,采用自适应杂交概率,并引入自适应惯性权重和异步学习因子,改进了混合粒子群优化算法。辅以工作空间、传递性能等约束条件,优化得到机构的间隙参数和结构设计参数,设计加工平面3-RRR并联机构实验样机系统。通过加工不同半径的轴颈,实现不同大小和数量的运动副间隙。采集机构动平台中心点位置、速度信号,进行含运动副间隙的平面3-RRR并联机构动力学响应的实验研究。考察间隙运动副个数、运动副间隙的大小对机构动力学性能的影响,验证前期理论分析的正确性。考虑运动副间隙的多体机械系统的动力学分析与研究,具有重要的理论价值和实际指导意义。
[Abstract]:In order to improve the dynamic modeling efficiency of a complex multi - body mechanism , the dynamic modeling and analysis of the kinematic pairs in a complex multi - body mechanism are presented . In this paper , the experimental research on the dynamic response of plane 3 - RRR parallel mechanism with different size and quantity is realized by machining the journal with different radius .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH112

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本文编号：1419293