柔性万向节的分析和仿真

以并联机构中的万向节为研究对象,由于转动副存在一定的间隙,对机构的输出造成一定的影响。提出用柔性关节替代普通万向节的思想,对新型转动副进行承载能力及运动变形能力分析。通过有限元分析,表明所设计的柔性转动副在一定载荷和运动范围内是允许的。     

柔性万向节的分析和仿真

以并联机构中的万向节为研究对象,由于转动副存在一定的间隙,对机构的输出造成一定的影响。提出用柔性关节替代普通万向节的思想,对新型转动副进行承载能力及运动变形能力分析。通过有限元分析,表明所设计的柔性转动副在一定载荷和运动范围内是允许的。     

平面折展机构S形柔性铰链设计与试验

设计平面折展柔顺机构的关键技术之一是设计柔性铰链。提出了一种用于平面折展柔顺机构的S形柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其等效刚度进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度和扭转等效刚度计算公式。通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性。制作了基于S形柔性铰链的平面折展柔顺滑块机构的实物模型,仿真分析和测试结果表明,该机构在工作状态可具有较大变形,并且滑块位移达到76 mm时仍能保持良好的精度,仿真与测试结果基本一致,误差仅为0.76%。     

Nested-LET柔性铰链设计与性能分析

针对平面折展机构中柔性铰链在承受拉压载荷时变形大、转动精度差等问题,基于外LET铰链和嵌套结构的方法,提出了一种Nested-LET柔性铰链。设计了该铰链的结构,利用等效弹簧模型推导了其弯曲及拉压等效刚度计算公式并给出了修正系数。通过设计实例的理论计算和仿真分析,验证了理论分析的正确性和设计的可行性。比较了相同尺寸的Nested-LET与外LET铰链的弯曲性能与抗拉性能,结果表明,Nested-LET铰链弯曲刚度增加了1.5倍,拉压刚度提升了30倍,且转动中心漂移量有所下降。最后,通过拉伸实验验证了分析的正确性。     

椭圆抛物线型复合柔性铰链机构研究

本文提出一种新型椭圆抛物线型复合柔性铰链机构,该柔性铰链由半个椭圆、半个抛物线复合而成。通过建立力学模型,推导出椭圆抛物线型复合柔性铰链的柔度计算公式,并利用有限元仿真软件对该复合柔性铰链进行仿真,验证了所推导公式的正确性。并分析该复合铰链各个结构参数对其柔度的影响,为其在精密传动与制造方面的应用提供了理论基础。     

全柔性四杆机构伪刚体模型分析计算方法的改进

针对介于具有集中柔度和具有分布柔度之间的全柔性机构,在利用伪刚体模型分析具有集中柔度的全柔性铰链四杆机构基础上.考虑构件的线弹性变形,对伪刚体模型的分析方法加以改进,给出了其一般公式.全柔性铰链四杆机构改进前后的分析计算实例和有限元仿真,验证了该分析方法的有效性.     

基于粒子群算法的农用轮胎柔性环模型参数辨识方法

轮胎柔性环模型能准确表达轮胎变形,但模型的刚度参数无法直接测定,因此模型刚度参数的辨识成为建模过程中的关键。本文基于轮胎柔性环模型运动学方程,分析农用轮胎固有频率与刚度参数之间的关系,提出基于粒子群算法的柔性环模型刚度参数辨识方法。通过轮胎模态试验获取轮胎固有频率,采用粒子群算法对柔性环模型刚度参数进行辨识。将固有频率的试验值与预测值的平均误差作为评价指标,对比粒子群算法与传统算法及遗传算法辨识结果,结果表明粒子群算法的参数辨识结果精度较高,平均绝对误差为1.67Hz,平均相对误差为1.66%,相较于遗传算法,平均相对误差降低16.16%,运算时间减少93.19%。通过接地印痕试验获取农用轮胎接地角度,结合辨识所得刚度参数,估算轮胎所受到的垂向力,对比垂向力的试验值与预测值,结果表明粒子群算法的参数辨识结果精度较高,垂向载荷估算平均相对误差为1.97%,相对于遗传算法,平均相对误差降低12.05%。     

2-UPR-PRU并联机构静刚度模型建立与性能分析

针对2-UPR-PRU两转一移三自由度并联机构,采用螺旋理论和应变能方法对其进行系统的静刚度模型建立与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-PRU并联机构的运动学逆解模型。考虑分支杆件的柔性,采用螺旋理论和应变能方法推导2-UPR-PRU并联机构各分支的刚度矩阵,结合变形协调方程构建2-UPR-PRU并联机构的整体刚度矩阵,得到外载作用下机构在不同位型的变形情况和整体柔度矩阵,并通过ANSYS软件进行数值仿真验证。基于静刚度模型分析2-UPR-PRU并联机构的虚功刚度指标,获得2-UPR-PRU并联机构在不同外载和操作高度情况下的静刚度性能分布图谱。研究结果对于设计样机、提高机构的控制精度方面有重要的参考价值。     

胡麻茎秆离散元柔性模型建立与接触参数试验验证

针对胡麻联合收获过程中茎秆位姿变化与运动特性等关键环节离散元研究缺乏柔性模型和接触参数的问题,本文以胡麻根部茎秆、中部茎秆、颈部茎秆为研究对象,以其本征参数为研究基础,计算得胡麻茎秆各部建模参数,采用离散元法bonding模型构建胡麻茎秆柔性模型,并以胡麻茎秆各部本征参数、接触参数试验值为水平值,通过Plackett-Burman试验和Central-Composite试验确定胡麻茎秆之间、茎秆与收获装备之间的接触参数,通过胡麻茎秆剪切试验与堆积角试验验证模型可靠性。结果表明：胡麻植株离散元柔性模型参数中法向刚度Kn为1.13×109N/m3,切向刚度Ks为5.6×108N/m3,法向临界应力σ为6.67MPa,切向临界应力γ为8.5MPa,粘结半径Rj为0.25mm;胡麻茎秆-收获装备间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.33、0.28、0.14,胡麻茎秆-胡麻茎秆间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.3、0.508、0.033;剪切试验中胡麻茎秆根部、中部、颈部剪切最大载荷与仿真结果相对误差分别为1.67%、3.09%、5.44%,堆积角试验中胡麻茎秆平均堆积角与仿真结果相对误差为0.31%,误差较小。胡麻茎秆柔性模型与接触参数和实际情况较为相符,可表征胡麻茎秆物理特性,为胡麻茎秆离散元仿真提供参考。     

刚柔耦合串联机械臂末端位置误差分析与补偿

机械臂连杆柔性、关节柔性等非线性变形的综合影响,导致其末端位置发生偏离而产生误差。本文以IRB1410型串联机械臂为研究对象,采用理论分析、仿真分析与实验验证相结合的方式,对机械臂末端位置误差进行分析与补偿研究。首先,建立机械臂刚柔耦合理论误差模型,并运用Newmarkβ法进行数值仿真分析;联合ANSYS和ADAMS进行刚柔耦合机械臂末端位置运动误差仿真;为了实现快速补偿,提出基于BP神经网络的伪目标点法对位置误差进行补偿,补偿后其位置误差均方根减小了68.3%,说明该方法具有较好的补偿效果;最后,自主设计并搭建了测量实验平台,采用所提算法进行了误差补偿实验,对比补偿前后距离误差,补偿后误差均方根减小了77.01%,验证了伪目标点法对柔性误差补偿的有效性。     

双螺母滚珠丝杠副导程误差与摩擦力矩关系研究

为了准确计算双螺母滚珠丝杠副的摩擦力矩,基于载荷和变形协调理论,分析了导程误差对载荷分布不均匀程度的影响,结合预紧力和滚珠形变提出双螺母滚珠丝杠副导程误差与摩擦力矩的关系模型。利用行程误差试验台测量不同精度等级丝杠的导程误差,并将各丝杠分别匹配同一套螺母、垫片、滚珠,组成丝杠副,测量滚珠丝杠副的摩擦力矩。结果表明,在考虑滚珠丝杠导程误差和滚珠载荷分布不均的情况下,导程误差与摩擦力矩呈线性关系,不同精度等级丝杠对应的摩擦力矩计算结果与试验值的相对误差为0~8.79%,均小于文献\[6\]模型的计算结果,从而验证了本文模型的有效性。     

柔顺关节并联机器人设计与实验

通过实验研究,运用结构参数化方法设计了满足要求的柔顺关节,用以代替传统运动副进行传动,建立了含有柔顺关节的柔顺并联机器人机构,并与控制系统和OPTOTRAK测量系统一起组成实验系统,开展柔顺关节并联机器人动力学建模、分析、设计、规划与控制等方面的系统研究.以3自由度柔顺并联机器人为研究对象,分别对用转动副传动的刚性并联机器人和用柔顺关节传动的柔顺并联机器人进行了实验研究.通过对实验数据的对比分析,各项实验指标相对误差均控制在允许之内,表明在并联机器人中用柔顺关节取代转动副的有效性.     

柔顺机构PR伪刚体动力学建模与特性分析

基于伪刚体模型,综合考虑柔性杆的横向变形和轴向变形的影响,建立了末端受力作用下柔顺机构的PR伪刚体动力学模型,应用拉格朗日方程推导了其动力学方程.从方程特征、响应曲线等方面显示了PR伪刚体动力学模型的性能变化.数值分析结果表明:PR伪刚体模型引入了P副来模拟柔性杆件的轴向运动,可以更真实地体现出柔顺机构的动力学特性,更适合于柔顺机构的动力学分析与设计.     

考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化

为了改善润滑间隙效应引起的空间并联机构动态性能的渐变劣化问题,以■RPaR冗余并联机构为研究对象,提出一种考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化方法。建立了考虑润滑转动副间隙的■余并联机构动力学模型;以优化末端执行器的动力学响应误差和优化间隙关节处的约束反力为目的设置目标函数,通过优化末端执行器质量以及转动惯量的方式来缓解运动副间隙导致的劣化效应,建立了考虑润滑间隙效应■余并联机构动力学优化模型;试验验证了所建动力学模型的有效性,对比分析两种目标函数对优化效果的影响以选择最佳优化方式,并分析优化前后考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学特性,结果表明动力学优化使润滑间隙转动副处约束反力峰值降低16.16%,为改善间隙效应提高空间并联机构动态性能提供了理论支撑。     

柔顺关节并联机器人动力学建模与控制研究

对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究。基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程。为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性。仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性。     

真实齿面相交干涉误差来源及接触分析

考虑安装误差、支撑条件和齿轮承载变形等因素的影响,研究了基于有限元计算渐开线斜齿轮变速器箱体系统误差的新方法,利用齿轮空间啮合理论,得出各个齿轮副的系统误差及人为误差,给出齿轮综合误差的计算公式。搭建真实渐开线斜齿轮相交干涉齿轮副模型,对标准齿轮和相交干涉齿轮的齿廓应力变化、齿向接触区域分布进行对比分析研究。计算结果表明,考虑齿轮副安装误差时,点接触和线接触的接触应力均有上升,线接触状态只变化了10.8%,而点-线接触的接触应力变化了46.4%,说明斜齿轮点-线接触对齿轮综合误差敏感性大于线接触。      

基于半圆型波纹周期梁的柔顺恒力机构优化设计

为了解决柔顺恒力机构中正刚度模块的几何非线性问题,基于半圆型波纹周期梁设计了正刚度模块,负刚度模块采用双稳态梁,利用正负刚度叠加原理设计了柔顺恒力机构。采用莫尔积分法和柔度矩阵法建立了正刚度模块的理论模型,采用椭圆积分法建立了负刚度模块的理论模型,并通过ANSYS有限元仿真软件分析了柔顺恒力机构的力-位移曲线以验证理论模型,两者相对误差在10%以内。为了扩大恒力区间范围,采用响应面法对柔顺恒力机构的几何参数进行优化,并对影响恒力范围的几何参数进行了灵敏度分析。利用3D打印技术加工柔顺恒力机构样机进行实验验证,实验结果表明,机构能在输入位移1.1～6.2 mm的范围内保持约18.8 N的恒力,验证了所设计的柔顺恒力机构的可行性、优化方法的有效性和理论模型的准确性。     

改进喷油泵试验台量油系统的研究

为解决喷油泵试验台量油系统测量误差较大的问题,本研究对原量油系统进行了改进,通过采集喷油器针阀升程、喷油压力、转速等信号精确测得喷油量,该系统的相对误差为0.793%,优于原系统的1.285%,适合现代精确测量和控制的要求。     

基于光谱信息的玉米变量追肥控制系统优化设计与试验

基于近地光谱信息的玉米变量追肥技术是实现氮肥科学合理施用的有效途径。为提高追肥控制系统的光谱信息获取精度及控制精度,对光谱传感器布置方式及系统控制方法进行了优化设计,并进行了田间追肥试验。对行式及分布式布置方式对比试验表明：光谱传感器分布式布置方式采集NDVI优于对行式布置方式,获取NDVI均值平均提高6.4%,方差平均降低0.038。NDVI采集数据采用滑动窗口均值滤波算法进行滤波,滑动窗口边长为15,均方差为0.0079。系统响应特性试验表明,系统的平均响应时间为1.5s,平均稳态误差绝对值为0.775r/min,平均超调量为10.6%,系统在排肥轮工作转速范围内具有较高的控制精度。田间施肥量控制效果评价试验表明,排肥理论转速与监测转速的平均相对误差为3.35%,可以实现精准施肥的目标。