基於勢能分配的操作機構剛度分布評價與靜剛度綜合

《基於勢能分配的操作機構剛度分布評價與靜剛度綜合》是依託上海交通大學，由王皓擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於勢能分配的操作機構剛度分布評價與靜剛度綜合
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王皓
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

機構的末端剛度特性對製造裝備的定位精度、順應性、動態特性等有重要的影響，在輥壓包邊機和鍛造操作機等用於成形製造的操作機構中，末端剛度對提高軌跡精度以保證成形質量、緩衝材料變形抗力以保障設備安全具有重要意義。在高精度、大承載的工況下，機構關節和構件的結構剛度不可忽略。目前，根據主被動關節剛度和構件剛度進行末端剛度分析的方法已較為成熟。而在確定末端剛度要求後，如何反演設計機構各關節和構件的剛度，即剛度綜合問題尚缺乏有效的理論方法。.項目提出以能量分配來評價和指導剛度分配的思路。以彈性勢能為度量建立機構關節和構件剛度對末端剛度貢獻的評價指標和剛度分布設計原則，通過勢能的二次型表達和等勢面變形量分解，實現主被動關節和構件剛度的概念設計，然後在輥壓包邊機和鍛造操作機的剛度分布設計中進行套用研究。項目成果有望建立操作機構的靜剛度綜合方法，為概念設計階段的操作機構剛度設計提供理論和方法的支持。

結題摘要

項目針對考慮構件彈性的機構剛度設計問題，取得一系列成果： 建立了考慮構件、關節彈性變形的機構廣義剛度映射。綜合考慮了構件的彈性變形等諸多因素，通過機構的多柔體動力學模型，建立了機構廣義剛度映射模型：涵蓋了驅動剛度、主動力、重力、慣性力引起的機構位形變化、集中彈性元素和集中阻尼元素、構件變形和剛柔耦合項對末端剛度的影響。為機構剛度的分析、評價和最佳化奠定了重要基礎。 建立了基於彈性勢能分配的機構剛度分布評價指標。用於計算機構中各構件、關節剛度的彈性分布情況，評價各彈性環節對末端剛度的貢獻。具體包括基於自由振動、運動彈性靜力、運動彈性動力三個層次的剛度分布指標。指標反映了構件彈性變形能占機構總彈性變形能的比例，以及構件的變形能密度在機構中的地位。該指標反映了構件結構剛度分布的均勻性和承載的均勻性，體現了本項目的核心思想，是從剛度分析到剛度設計的關鍵步驟。 建立了基於約束操作界面匹配的剛度設計準則。針對機器人的約束操作（主要是順應性能）對機構剛度設計的要求，提出了基於機構剛度和環境約束剛度匹配的剛度設計準則。採用機器人剛度橢球，提出了機構剛度與等效接觸剛度的形狀相似度和主軸正交度指標，為約束操作機構的剛度設計或控制提供了明確的設計目標。 採用上述理論方法，針對TRICEPT機構進行了案例分析研究。具體分析了TRICEPT並在線上構各個構件的基頻彈性勢能分布情況。分析表明，機構中萬向鉸鏈的彈性勢能分布率大大高於驅動支鏈連桿的彈性勢能分布率，因此萬向鉸鏈的剛度較弱，嚴重影響驅動支鏈的整體剛度。在改進設計中，將萬向鉸鏈的剛度適當增大從而得到其改進後能量分布的變化情況，結果表明改進後的機構裝備剛度分布大為改善。 項目成果具體套用在以下工程對象的設計當中：採用彈性分布指標分析了輥壓包邊機器人的順應效果，驗證了緩衝保護作用；採用彈性分布計算方法分析和改進了一台多頭加工工具機的構件剛度設計；以上改進設計方案在實際裝備設計中均得到實際套用。 共發表和錄用論文10篇，其中SCI檢索論文5篇，EI 檢索論文3篇，獲得發明專利授權1項。畢業碩士研究生5名。在第6屆亞洲多體動力學會議（ACMD2012）擔任組織委員會共同主席（Co-Chair），參加了第2屆IFToMM-IUTAM多體動力學聯合國際會議（IMSD2012）和第6屆國際智慧型機器人及套用(ICIRA2013)國際會議。