新型磨机换衬板机械手运动控制系统设计与分析

发布时间：2017-09-15 03:39

  本文关键词：新型磨机换衬板机械手运动控制系统设计与分析

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【摘要】：磨机是矿山选矿中使用的重要设备,内部衬板由于长期经受磨体和物料的冲击,极易被磨损破坏,实际工程中,矿企会视衬板磨损破坏情况定期更换衬板。国内矿企普遍采用吊装作业方式进行衬板更换,这种落后的换衬板方式十分耗时,延长磨机停机时间,且工人劳动强度大,人身安全得不到保障。本文以国内某矿企?4.8×13.8m型球磨机及相应衬板为对象,针对全新的换衬板机械手本体,以开发设计出一套多自由度磨机更换衬板机械手运动控制系统为目的,主要进行的研究内容包括:(1)运用D-H参数法构建各关节坐标系,推导机械手的正运动学计算公式,然后对机械手逆运动学进行求解。由于结构不满足Pieper准则而难以运用齐次逆变换法求出封闭解,于是文中详细阐述了基于正运动学的雅克比矩阵迭代求解法,但该方法求解较为繁琐,耗时很长,所求解为唯一解,因此不适合工程运用。在观察各目标点的逆解,发现机械手6轴相对于5轴基本都保持在92°左右,于是将6轴当作一个外轴,再次运用齐次逆变换法对机械手进行求解,成功求出其封闭解。(2)研究机械手的轨迹生成,为使机械手在运行过程中不会受到冲击力作用,需保证各关节加速度连续。在通用型机器人研究方法基础上,针对磨机换衬板机械手的具体设计进行部分优化,关节空间的轨迹规划采用5次多项式插值法,笛卡尔空间下的直线位置规划采用多项式拟合的梯形加速度控制曲线,直线姿态规划采用基于四元数的球面线性插值法。最后在Matlab和Solidworks Mtion环境下分别做了机械手PTP和CP运动控制仿真,从仿真结果来看,能够保证机械手整个工作过程中轨迹平滑、运行平稳。(3)采用牛顿—欧拉法推导磨机换衬板机械手的动力学方程,并对动力学方程中的重力、惯量和哥氏力与离心力项分别进行了详细分析,得出结论:重力矩占据动力学特性的主导地位,惯量项及关节1的哥氏力与离心力项也是影响机械手轨迹精度的主要因素。(4)对磨机换衬板机械手的控制器进行设计。首先将机械手的各个关节看做是独立关节,利用基于平均重力补偿的PD控制设计其控制律,在Matlab\Simulink中建立控制系统仿真模型,并通过动力学逆运算及运用欧拉积分得到机械手的动力学子模块。从轨迹跟踪响应来看,简单的线性控制对于磨机换衬板机械手而言具有较高的稳态精度,但轨迹跟踪存在一定误差。为进一步提高磨机换衬板机械手的轨迹控制精度,采用一种基于模型的计算力矩法,在控制律中计算动力学参数以“抵消”系统的非线性因素,得到一个解耦的、线性的系统,并建立仿真模型。仿真结果表明,各关节的轨迹跟踪精度控制在1%以内,且稳态误差也远低于1%,表明该方法对于提高机械手的控制精度具有明显效果。
【关键词】：磨机换衬板机械手 运动控制 仿真分析
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 工程背景10-11
• 1.2 课题研究目的和意义11-12
• 1.3 国内外磨机更换衬板机械手发展研究现状12-14
• 1.4 磨机换衬板作业过程介绍14-15
• 1.5 论文主要研究内容15-16
• 第二章 磨机换衬板机械手连杆运动学设计16-34
• 2.1 磨机换衬板机械手本体介绍16-19
• 2.2 机械手空间描述与变换19-24
• 2.2.1 位置与姿态描述19-20
• 2.2.2 齐次坐标变换20-21
• 2.2.3 换衬机械手连杆坐标系与齐次变换矩阵21-23
• 2.2.4 机械手的正运动学求解23-24
• 2.3 磨机换衬板机械手逆运动学分析24-33
• 2.3.1 逆运动学的数值解25-30
• 2.3.2 逆运动学的封闭解30-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 磨机换衬板机械手的轨迹生成34-48
• 3.1 机械手轨迹生成概述34
• 3.2 机械手轨迹的关节空间规划34-38
• 3.2.1 三次多项式插值34-36
• 3.2.2 五次多项式插值36-38
• 3.3 机械手轨迹的笛卡尔空间规划38-43
• 3.3.1 直线位置规划38-40
• 3.3.2 直线姿态规划40-43
• 3.4 轨迹仿真43-47
• 3.4.1 Matlab 环境下的机械手轨迹仿真44-45
• 3.4.2 Solidworks Motion 环境下的机械手轨迹仿真45-47
• 3.5 本章小节47-48
• 第四章 磨机换衬机械手连杆动力学分析48-59
• 4.1 动力学方程推导48-55
• 4.2 动力学结果分析55-58
• 4.2.1 重力项55-56
• 4.2.2 惯量56-57
• 4.2.3 哥氏力与离心力项57-58
• 4.3 本章小节58-59
• 第五章 磨机换衬板机械手控制器的初步设计59-69
• 5.1 机械手的线性控制59-65
• 5.1.1 控制律设计59-61
• 5.1.2 动力学仿真61-62
• 5.1.3 控制系统仿真62-65
• 5.2 机械手的非线性控制65-68
• 5.2.1 控制律设计65-66
• 5.2.2 控制系统仿真66-68
• 5.3 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 全文总结69-70
• 6.2 不足与展望70-71
• 参考文献71-73
• 致谢73-74
• 攻读学位期间研究成果74-75

【参考文献】

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本文编号：854135