重载锻造操作机夹持系统并联驱动动力学建模与均载控制

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1、中图分类号UDC62l博士学位论文学校代码密级10533重载锻造操作机夹持系统并联驱动动力学建模与均载控制Dynamicmodelingofparalleldrivingandloadbalancecontroltorthegrippmgsystemotheavyduty／orgmg1⋯1一-，，1—1一manipulators作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：副指导教师：徐震机械工程机械电子机电工程学院邓华教授一一掣中南大学2013年5月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论

2、文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：缁三墨≥日期：殍年丘月五日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向

3、社会公众提供信息服务。期：狸堕年上月五日重载锻造操作机夹持系统并联驱动动力学建模与均载控制摘要：重载锻造操作机是一种与自由锻压机联合实现锻件锻造的大型生产设备。重载锻造操作机在夹持重达上百吨，直径有4m锻件的情况下，所需的驱动力矩也达到上百吨米，单个驱动系统很难达到快速启停定位的要求，所以必须采用并联驱动方式才能解决。然而，并联驱动系统动态特性的差异、间隙和摩擦等因素引起驱动作用力的不均衡，造成驱动机构偏载、力流畸变等不确定力学行为，降低了驱动机构的使用寿命甚至功能失效。因此，必须对锻造操作机夹持系统并联驱动均载性进行研究。由于锻造操作机是与自由锻压机配合实现自

4、动锻造操作，锻造操作机夹持系统必须进行频繁快速启停的非连续旋转运动，此时驱动机构中的齿轮传动是在一种矩形类脉冲间歇驱动方式下进行，而齿轮间隙会引起齿轮传动的冲击现象更加明显，并且系统中间环节的变化比如齿轮传动的作用力变化是无法直接测量得到，所以需要一种有效求解齿轮接触／冲击动力学方程的计算方法对齿轮传动在间歇冲击驱动下的动力学行为进行研究。另外，重载锻造操作机夹持系统转动惯量大、液压系统元件的强非线性、齿轮的间隙和摩擦等非线性和不确定性，对锻造操作机夹持系统并联驱动在时变重载工况下的均载性和快速启停定位造成不同程度的影响，所以必须对锻造操作机夹持系统并联驱动进行

5、均载分析与均载控制研究。本文针对上述问题进行了以下主要研究工作：针对锻造操作机在频繁启停、间歇驱动下非连续运动的齿轮接触／冲击问题，提出了基于Newmark积分的动量迭代运算方法。该方法将力的二阶运动方程变为动量的一阶运动方程，便于求解计算，同时消除了系统频繁启停造成的非连续运动影响。通过与齿轮非连续运动的三维有限元动力学仿真和实验结果比较，验证了该方法的合理性且保证了计算精度和效率。为了研究重载锻造操作机夹持系统并联驱动中齿轮传动的作用力，建立了一种包含转动惯量、间隙和重合度的齿轮传动接触／冲击作用力模型。然后，利用阀值函数将其化简为可参数估计的模型结构，采用

6、最小二乘迭代估计法对模型参数进行估计，并通过齿轮传动实验验证了模型的合理性。针对锻造操作机夹持系统并联驱动的一些非线性因素，建立了夹持系统并联驱动的全局动力学模型，并通过实验验证了模型的合理性。针对系统动态特性差异的主要因素，如油压差异、阀芯行程差异、马达排量差异以及齿轮的刚度系数和间隙的差异等进行了均载分析研究，分析结果显示系统的动态特性差异对并联驱动均载性造成不同程度的影响。根据建立的夹持系统并联驱动模型，构建基于系统模型的近似内模控制器和扭矩误差补偿反馈控制方法进行并联驱动的均载控制研究，并针对系统动态特性差异主要因素的影响进行均载控制仿真分析和实验研究，

7、实验结果表明该控制方法满足夹持系统并联驱动的均载控制要求。实际中并联驱动系统的复杂性和一些不确定非线性因素会造成系统建模误差，所以采用神经网络模型对系统模型进行补偿，并通过实验修正神经网络近似模型，建立了由神经网络近似内模控制器和扭矩误差补偿反馈的均载控制策略，控制仿真结果表明该控制策略有效保证了均载和快速启停定位的控制要求。关键词：动量迭代运算；齿轮接触／冲击作用力；并联驱动；神经网络近似内模控制；均载控制分类号：THIIIDynamicmodelingofparalleldrivingandloadbalancecontrolforme铲ippingsyst

8、emofheavydut