计及铰间隙的多柔体机械臂动力学特性.pdf

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1、第35卷第3期振动、测试与诊断Vol_35NO．32015年6月JournalofVibration．Measurement&DiagnosisJun．2015计及铰间隙的多柔体机械臂动力学特性任武，吴运新，张赵威(1．中南大学高性能复杂制造国家重点实验室长沙，410083)(2．新乡医学院生物医学工程学院新乡，453003)摘要地面长臂机械研究中一般都将铰当成理想铰处理而忽略铰间隙的影响，为得到更符合实际运动学规律和动力学特性的结果，首先，采用Lankarani—Nikravesh模型并选取合适的摩擦因数，分析加入第1节臂和加入全部4节臂油缸连接旋转铰间隙接触摩擦的影响；

2、其次，建立对应的多柔体臂架的刚柔混合模型，对理想铰和铰间隙臂架模型的末端轨迹和振动特性进行数值分析。结果表明：加入铰间隙模型的末端振动位移比理想铰模型的末端位移增大，第1节臂液压油缸最大受力值也对应增大；考虑铰弹性的第1阶固有频率比理想铰模型有所降低，证明此类机械铰间隙的影响不能忽略。最后，通过臂架实验台验证了模型的合理性和数值仿真的正确性，为此类机械设计和工程应用提供参考。关键词多柔体；机械臂；铰间隙；动力学；固有频率中图分类号TU646；TH17笔者在多刚体机械臂的基础上对4节臂进行柔引言性化，根据接触摩擦原理建立4节臂及其对应油缸连接铰的间隙和摩擦模型，计算出相应的参

3、数，建立现代地面机械诸如高空作业车操作臂、长臂挖非理想铰多柔体机械臂模型进行数值仿真，对比分掘机、桥梁检测车工作臂、水泥混凝土泵车臂都可等析不同模型的动力学特性和运动学规律，并通过实效为连杆、铰、臂等组成的质量轻、柔度大的多柔体验验证了提出方法的合理性和仿真的正确性。机械臂系统，这些机构的大范围位姿变换中臂的柔性和铰间隙的接触摩擦容易造成位置偏差和振动加多柔体机械臂理想铰模型剧，给动态特性求解带来困难。Lenord等[1]通过阻尼优化将线性模型和非线利用模态缩减理论建立的理想铰刚柔混合性模型进行了对比，得出水泥混凝土泵车符合实际模型如图1所示，其中4节臂柔性化，连接的短杆仍

4、的线性阻尼参数。Gazzulani等[2建立了水泥混凝采用刚体，铰连接采用理想铰，每节臂采用液压油缸土泵车臂架的1：3缩减模型，利用了模态空间法对单独驱动。末端振动控制做了研究。Sun等提出了一种闭环监测和开环控制方法用于减小柔性臂架末端振动。Pedersen等针对柔性液压起重机操作臂开发了一种交互式实时建模方案。戴丽_7]对比分析了泵车臂架刚柔模型的动力学特性。秦仙蓉等分别对某轻型柔性汽车架和大型机械的振动进行了测试和结构优化分析。白争锋等l_】叩建立了间隙接触碰撞图1理想铰多柔体臂架拓扑结构力的混合模型，研究了连杆机构中的铰间隙的影响。Fig．1Topologysket

5、chofflexiblemultibodyboomwithMukras等口研究了考虑铰间隙的平面曲柄滑块idealjoints机构的动力学特性。Dupac等I】和Koshy[1分析了平面柔体连杆机构的间隙影响，指出系统动力学模型具体参数见表1。特性研究中间隙作用不应忽视。*国家基础研究发展计划(“八六三”计划)资助项目(2008AA042802)收稿日期：2013—07—10；修回日期：2013—08—31第3期任武，等：计及铰间隙的多柔体机械臂动力学特性上，式(5)中f，，，，f分别为接触摩擦力、相对切向速度、摩擦因数和碰撞力。修正后的摩擦因数模型见图4。臂摩擦因数一sg

6、n(v)~／4=)一D(m·S-)图5考虑铰间隙多柔体臂架拓扑结构Fig．5Boomtopologysketchwithjointclearance-“l：—I一择见表2，步长为1000步，时间为10s，对比分析滑动状态加入铰间隙前后的模型的动力学特性和运动学规律图4修正摩擦因数变化。Fig．4Simplifiedfrictioncoefficientmodel1)末端位移变化如图6所示，可知理想铰模型的末端振动位移最大为200mrll，考虑第1节臂间摩擦因数的计算见表3。隙时的末端振动位移最大达270mm，如果4节臂表3接触摩擦模型中的摩擦因数函数间隙全部考虑进去末端位移

7、最大则达500mm，可Tab．3Frictioncoefficientfunctionofcontactfrictionforcemodel见加入铰间隙影响增大了臂架的末端振动。表3中，口为静态摩擦因数和临界速度。在相对切向速度绝对值大于时，摩擦因数采用动摩擦因数；当相对切向速度绝对值小于时，采用step插值函数。根据文献1-16]，本模型中动摩擦因数选0．1。t1-理想铰模型；2-第1节臂铰间隙模型：3—4节臂铰间隙模型3带铰间隙多柔体机械臂模型图6计算间隙前后的末端位移对比模型中运动副采用转动副、平动副、固定副