精密传动系统的机电耦合建模及仿真分析

针对伺服系统中传动系统的机电耦合影响了系统的动态特性和响应特性,提出了基于伺服系统的精密传动系统的机电耦合因素,分析了机电系统耦合建模方法.以大型精密卧式加工中心伺服进给系统为研究对象,通过分析系统各组成环节的数学模型,得到了该系统的动态结构图,建立了该系统的机电耦合模型,仿真分析了精密传动系统的传动刚度和传动误差对伺服系统的影响.利用该模型可以分析参数变化对伺服进给系统稳定性和动态特性的影响,为参数优化提供了计算模型.     

基于RTCP功能的五轴联动伺服匹配优化

五轴联动机床的动态性能不仅取决于各单轴伺服进给系统动态特性,各轴之间的动态特性是否匹配也对其有着显著影响。该文针对具有刀具绕中心点旋转(RTCP)功能的AC型双摆头五轴联动铣床,提出了一种通过圆度测试法进行多轴间伺服匹配以提高机床整体动态精度的优化方法。该方法在选取了合理的匹配对象后,可在有效降低用于搭建各单轴机电耦合系统成本的同时保证系统较高的整体动态精度。首先基于该装有AC双摆头的五轴联动铣床的整体结构进行机构运动学分析,基于机床整体结构对其各轴伺服进给系统进行机电耦合建模并在SIMULINK中搭建各轴模型;接着基于RTCP功能设计了一条多轴参与运动的特定轨迹,对各轴在该运动轨迹下的运动关系进行分析;通过合理选择匹配对象,基于圆度测试法对X、Y、Z三轴两两轴间进行伺服匹配;而后基于SIMULINK模型,对优化前后机床在特定轨迹下运动的整体动态性能进行仿真对比。结果表明:在该优化方法下,几乎不需要提高伺服进给系统搭建成本,系统就可达到较高的整体动态性能。     

基于改进危害度和DEMATEL方法的 abc轴进给系统的故障排序

基于某型号加工中心的abc轴进给系统的故障数据,首先进行故障模式、影响及危害性分析(FMECA),然后使用群体决策理论合理地整合团队成员的评估值,采用熵权和专家评估结合方法确定各因素权重,进而计算出abc轴进给系统各个故障的改进危害度(ICR)。根据以ICR为输入数据的决策与试验评价实验室(DEMATEL)方法排列故障优先处理顺序。将最终排序结果与传统危害度排序结果以及改进危害度排序结果进行比较,得到abc轴进给系统的薄弱环节。本文方法也可以用于整机的故障分析和排序,进一步为加工中心可靠性设计和可靠性提高奠定了基础。     

直线电机进给系统机械系统动态特性研究

为了获得满意的运动精度,针对以往直线电机进给系统研究中被忽略的机械系统动态特性,利用达朗贝尔原理建立了机械系统的动力学模型,对直线电机进给实验台的机械系统动态特性及影响因素进行了理论分析和实验测试,同时分析讨论了机械系统频率特性对进给系统运动精度的影响。结果表明:尽管直线电机进给系统机械环节结构简单,但依然具有复杂的动态特性,影响系统运动精度;伺服控制速度环增益越高,机械系统进给方向固有频率越高;随着进给速度的提高,工作台各方向振动频率与幅值均增大,当速度提高1倍时,俯仰振动和偏摆振动致使工作台产生的位移波动增大2倍。     

工业机器人整机结构方案的动态性能评价

提出一种快速预测和评价机器人整机结构动态特性的建模解析方法。模型由梁单元和集中质量单元组成，并通过结合部联接；基于边界元法建立单元动柔度方程式，通过柔度矩阵合成方法建立机器人整机结构的动柔度方程式，从而可快速获得机器人整机结构的固有频率和振型特性。基于该方法开发了相应的动态特性解析软件。应用该方法和软件预测一个五自由度搬运机器人结构的动态特性，对其3种可选方案进行了动态特性评价，为该机器人的结构选型提供了理论依据。     

采用力矩电机直驱的数控机床进给系统伺服刚度优化

力矩电机直驱进给系统的刚度特性很大程度上取决于伺服刚度,伺服刚度是影响进给系统的抗干扰能力、动态响应特性、速度和精度的关键因素。该文以力矩电机直驱进给系统为研究对象,提出了一种基于Routh判据的伺服刚度优化方法,给出了控制系统稳定条件下系统各参数间相互约束关系。该优化方法可同时整定多个伺服控制参数以提高伺服刚度。首先基于直驱式力矩电机模型建立了完整的伺服进给系统机电耦合模型;在伺服系统控制参数对伺服刚度影响分析基础上,提出了系统稳定性Routh判据不等式的简化求解方法,建立了系统控制参数间的约束关系,利用Simulink对该方法进行仿真验证;最终提出了以伺服刚度为优化目标的伺服控制参数优化方法。以某五轴联动数控机床A轴力矩电机直驱进给系统为例,进行优化应用验证,结果表明:该优化方法在保持系统稳定性的同时能显著提高系统伺服刚度,并且对伺服系统动态跟踪精度等动态性能影响较小。     

出弹平台进给系统刚柔耦合动力学建模与仿真

出弹平台进给系统属于高速进给,急启急止系统,因此能否实现高加速度、高速度以及良好的进给驱动性能是设计的关键所在。通过刚体动力学理论计算出出弹平台伺服进给系统的机电参数,运用ADAMS软件建立多刚体虚拟样机模型对机电参数和伺服电机的选型进行校验,并通过ANSYS和ADAMS软件建立进给系统的刚-柔耦合动力学模型,分析刚性体和柔性体情况下模型的输出参数,得出传动误差。仿真分析结果解决了进给系统机电参数和性能匹配的问题。     

结构与控制系统的一体化设计--柔性臂和控制系统的融合设计

将结构柔性动力学理论和现代控制理论相结合,以单输入输出的柔性臂控制为例,在机械系统的转动惯量最小化、一阶固有频率最大化和系统暂态响应控制能量最小的多目标评价下,通过柔性臂的结构尺寸、驱动力的作用位置和系统状态反馈的增益等设计变量的融合设计,实现柔性臂机电系统暂态响应等综合性能的提高．提出了对于多刚体多柔体耦合的复杂机电系统设计,应用模态法降低控制器维数,通过融合设计实现机电耦合设计的方法．从复杂的结构、控制系耦合特征出发,提出了结构与控制系统一体化工程设计的实现方法．以传统的结构和控制反复设计为比较对象,证明了此方法对于解决机械结构参数和控制参数之间的强耦合、提高系统综合性能的有效性．     

一种复杂机电系统的全局建模方法

根据复杂机电动力学系统的特点,提出了一种约束函数递推组集法的复杂机电系统全局建模方法.首先,根据复杂机电系统的拓扑结构和约旦变分原理,建立机械系统的单体动力学模型,应用递推组集技术建立树形复杂机电系统的动力学模型;其次,建立非树形复杂机械系统约束函数,解除非树形系统约束,利用树形系统的建模方法建立非树形系统的动力学模型;最后,建立机电耦合约束函数,利用约束函数与机电系统方程解约,建立复杂机电系统的全局模型.     

机电相似性在《控制工程基础》课程中的应用

系统建模在《控制工程基础》课程的学习与研究当中具有重要意义,本文针对机械系统建模困难的问题,提出一种基于机电相似性的系统建模方法,通过建立与其具有相似特性的电路系统的方法,间接求出该系统的模型,以方便之后的分析。     

复杂机电系统全局耦合模型的建模

复杂机电系统中同时存在许多耦合因素,它们对系统的动态特性有重要影响,有时甚至引起重大故障,工程上迫切需要探明复杂机电系统中网络式多重耦合因素所形成的复杂机理.通过探讨复杂机电系统的全局动态模型的建模方法与过程,为进一步的动态仿真、机理分析、全局优化等工作做准备,并分析了动态方程的类型,提供了建模的具体实例.实例所建全局耦合模型反映了高速轧机垂振系统与扭振系统间的相互影响,也反映了扭振系统中各轴系间的联系,以及电气控制系统与垂、扭振系统的耦合关系、电气系统各部分之间的耦合关系.各动态特性及多重网络式反馈制约关系用框图清晰地给以表达.图1,参12.     

卧式精密数控加工中心结构动态特性分析与螺栓预紧力分析

随着高速数控机床向高精度、高表面加工质量和高生产率方向发展,仅有良好的静刚度已不能满足机床设计的需要,其动态特性已成为评估机床性能的重要指标。由于结构动态特性关系到机床的加工效率、加工精度、生产用材及制造成本等诸多方面,故对结构动态特性的分析已成为机床设计过程中不可或缺的环节。本文重点研究利用AN-SYS11.0有限元分析软件对某型号卧式加工中心进行数字化建模,并计算该机床整机的模态信息。同时,以立柱与床身间的联接螺栓为研究     

变频谐波诱发轧机传动非线性耦合振动研究

利用扭矩遥测系统在线监测轧机传动轴上扭振信号时,信号特征显示轧机发生机电耦合振动.为研究其机理,利用Matlab/Simulink仿真获得了变频器输出电流基波与谐波分量以及由此产生的电机输出谐波力矩,利用ANSYS分析了轧机传动机械系统的固有特性,建立了含非线性刚度、阻尼项的传动机械系统等效动力学模型,揭示了谐波激励与轧机结构耦合机制及特征.仿真计算表明:减小谐波源幅值和增加阻尼均可大幅降低振动能量.     

科技工作者建议

开展复杂机械系统动力学正反问题及工程应用的研究机械系统的动力学建模、分析、设计和控制的一般理论和方法是机械动力学学科的主要研究范畴,其总体发展趋势是高速、高精度、非线性、多尺度和多场耦合系统的动力学。需要发展新的机械动力学理论、分析与仿真技术来研究机械工程系统的大范围动力学特性,要基于对工程系统动力学的深刻理解来发展新的优化方法和故障诊断技术,实现对系统的动力学设计,还要发展各种主动控制乃至智能控制来使系统获得所需的运动。建议优先开展以下几方面的研究工作:     

双驱进给系统的刚柔耦合模型及参数优化

以铣车复合加工中心双驱进给系统为研究对象,利用有限元法(FEM)和虚拟样机技术(VPT)建立双驱进给系统的刚柔耦合模型,对其进行运动仿真和参数优化.在模型中考虑非线性因素对模型的影响,增加了所建立模型的真实性.通过仿真得到横梁在高速进给时的加速度曲线和横梁上任意点的频率响应曲线,分析横梁出现不同程度振动的原因.以横梁上任意点的频率响应曲线最大幅值为目标函数,对两丝杠之间的跨距进行参数化建模和优化,最终得到两丝杠之间的合理取值.     

一类复杂机电传动系统的耦合建模方法

针对一类由多个机电传动子系统组成的复杂机电系统提出了一种耦合建模方法,其步骤为建立各子系统的数学模型;通过传动对象之间的耦合参数和物理量将各个子系统耦合起来,建立整个机电传动系统的数学模型;根据时间尺度原则,在保留原来系统模型的主导特征值和重要状态变量的前提下,对模型进行降阶处理,得到系统可实用的数学模型.此外,通过仿真实验,检验了所建模型的正确性和建模方法的可行性.实验结果表明这种建模方法原理简单,易于实现,所建模型可用于系统特性分析、参数优化以及最优控制等.     

数控机床的能耗模型及实验研究

为了预测与评估数控机床能耗,提高机床能量利用率,对数控机床的能耗特性展开研究。根据机床能耗部件的特性,将数控机床整机能耗分解为4个部分:主传动系统空载能耗、进给系统空载能耗、辅助系统能耗、切削能耗(包含刀刃去除材料能耗和附加载荷损耗)。依据耗能机理和实验统计规律分别对这4个部分进行建模,进而建立机床整机一般能耗模型。在1台立式加工中心上开展相关能耗实验,将能耗模型应用于该机床的能耗研究分析。研究结果表明:机床能耗模型具有较好的适用性,可以较准确地预测机床能耗及其分布情况,这为机加工系统的能耗评估、节能优化以及低碳制造提供依据。     

基于矢量控制的交流伺服进给系统建模

为了提高数控进给系统的伺服精度,提出用矢量控制的方法控制伺服电机,建立交流伺服系统数学模型.研究结果表明,矢量控制法使电机机械特性线性度明显提高且起动力矩增大,使交流电机达到直流电机的控制效果;交流伺服系统数学模型的建立,完成了伺服系统的动、静态性能分析的前期工作,在数学建模中引入PID调节概念,使提高进给系统各性能指标的参数调整原则可以按PID调节理论进行.     

五轴义齿加工中心整机模态分析与优化

文章为提高自主设计制造的五轴义齿加工中心的动态性能建立了可信的仿真模型,对该仿真模型和样机分别采用有限元模态分析、模态试验等方法进行研究。对义齿加工中心整机进行了有限元建模与仿真分析,获得了整机模态频率、振型等模态参数;采用多参考点最小二乘复频域法PolyMAX对义齿加工中心进行了整机结构模态试验,获得了相应的整机试验模态参数;通过对仿真数据和试验数据的对比分析,验证了分析模型的正确性;综合考虑模态分析结果和实际工作状况,初步识别出整机结构的薄弱环节,并提出相应的优化方案。实验结果表明,仿真模型与实验结果固有频率误差在11.5%以内,各阶模态之间的MAC值基本在10%以内,优化后关键模态固有频率由343Hz变为445Hz。结构优化使整机固有频率有效避开了设备加工频率,达到了改善其动态性能的目的。     

面向运动平稳性的直线电机推力频谱特征分析

针对直线电机推力谐波直接作用于驱动部件会降低进给系统运动平稳性的问题,综合考虑伺服驱动电路和电机结构非线性,利用等效磁化电流法和麦克斯韦方程,得到了纹波力、齿槽力、端部力、齿槽效应与电流谐波耦合力以及电感不对称力等5部分推力谐波的解析表达式。计算过程考虑了多个谐波因素之间的耦合作用,弥补了以往单一因素分析直线电机推力谐波的不足。研究结果表明:受驱动电路和电机结构非线性的影响,直线电机推力夹杂有众多的谐波成分,而且各个谐波成分之间相互耦合;这些推力谐波直接作用于机械系统,会造成进给系统显著的位移波动;随着进给速度的增加,推力谐波影响增大,尤其在进给速度为5、20和33m/min附近,推力谐波激起了机械系统共振,位移波动急剧增大;纹波推力幅值随着驱动电流谐波幅值的减小而减小;电机的极距与齿槽距之比、齿槽开口与齿槽距之比,对于齿槽力的主要谐波阶次以及幅值都有重要影响,尤其当齿槽开口与齿槽距之比为0.625时,齿槽力各阶次谐波均为0。