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组合柔性机械臂动力学特性与振动抑制性能的研究

张庆  
【摘要】: 为了抑制柔性机械臂的振动,论文提出将柔性机械臂做成组合结构型式,利用接触面阻尼效应抑制柔性机械臂的振动。论文以叠层结构型式的单根组合柔性机械臂为对象,通过试验、理论分析、有限元仿真等手段,研究组合柔性机械臂的静、动力学特性,振动抑制能力,结构参数对其静、动力学特性及抑振能力的影响、动力学建模、动力学模型参数识别以及运动微分方程的求解。为组合柔性机械臂振动抑制研究,减振设计与运动控制提供了理论依据和有效方法。论文的主要内容如下: 通过静力弯曲试验了解组合柔性悬臂梁力-变形特性和能量耗散特点,并根据接触面作用机理作出了解释。在对试验结果分析、综合的基础上,将组合柔性臂力-变形曲线简化为—双折线模型,并用第一刚度k_1、第二刚度k_2、转折点变形量y_B三个特性参数描述其力学特征。给出了三种工况下组合柔性臂变形时的能量耗散率w计算式。讨论了能量耗散率最大时组合柔性臂的变形状态,并做了试验验证。 通过大量试验,研究了夹紧力、叠层刚度、叠层层数、叠层材质等结构参数对组合柔性臂力-变形特性及能量耗散率的影响,从而提出了增加能量耗散率、减轻叠层质量的措施。这些研究结果为组合柔性机械臂的结构设计提供了理论依据。 建立了组合柔性臂质量系统的三种动力学模型。根据Bernoulli-Euler梁理论,分析并建立主梁与叠层之间的变形关系,力作用关系,用Newton-Euler法推导出了组合柔性臂连续系统运动偏微分方程组。采用等效原理,将组合柔性臂组合层之间的相互作用等效为双线性滞迟模型,引入形函数表示组合柔性臂的变形,根据Hamilton原理建立组合柔性臂质量系统的集中参数模型。用接触单元模拟组合层之间的相互作用,考虑大变形对组合柔性臂刚度的影响,建立组合柔性臂质量系统的有限元模型。 通过组合柔性悬臂梁质量系统的自由振动试验和激振试验,证明了组合柔性臂对振动具有优良的抑制效果。根据响应特点,将组合柔性臂质量系统的自由振动分为变频快速衰减振动和微幅振动两个阶段。分析了两个阶段振动衰减的原因,制定了衡量振动衰减的指标。 通过大量试验,研究了夹紧力、接触面摩擦系数、叠层刚度、叠层层数、叠层材质、系统质量配置等结构参数对组合柔性臂质量系统抑振性能的影响。为组合柔性机械臂的减振性设计、研究提供了理论依据。 应用有限元模型对组合柔性臂进行静、动力学试验数值仿真。仿真结果与试验结果一致性好,能准确反映组合柔性臂动、静力学特性,为组合柔性机械臂的减振性设计、研究提供了有效方法。 用有限元仿真试验,取代实物试验,对组合柔性臂质量系统进行动力学模型参数的识别。用四次多项式逼近组合柔性臂变形的形函数,并根据组合柔性臂有限元仿真试验数据确定了组合梁的形函数。通过动态恢复力滞迟回线分解和最小二乘法确定了组合柔性臂质量系统集中参数动力学模型参数。 研究了振幅与振动频率对动力学模型参数的影响。研究结果表明,组合柔性臂质量系统动力学模型参数基本稳定,为组合柔性臂质量系统动力学模型的应用提供了理论依据。 用S函数编制了动态恢复力和三次非线性弹性力Simulink计算模块。用Simulink仿真求解了组合柔性机械臂集中参数动力学非线性运动微分方程,并用试验验证了求解结果的准确性。结果表明,本文采用的组合柔性臂质量系统集中参数动力学模型参数识别方法和动力学运动微分方程求解方法准确可行,为组合柔性臂质量系统的建模与求解提供了有效方法。


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