混合驱动飞机的机构型与尺寸综合研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.77MB 75 页 15积分
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摘 要
飞剪是重要的冶金设备之一，飞剪性能的好坏直接影响到成品钢板的质量。
飞剪有较复杂的运动轨迹，而且对于剪切区内剪刃与钢板的速度同步性要求较高。
我国目前使用的飞剪一般为单自由度飞剪，只能近似逼近理想的控制轨迹以及近
似实现速度同步性要求。这种速度上的差异在一定程度上是合理的，也是需要的。
随着技术的进步，单自由度机构进一步提升剪切质量的空间就显得非常有限了。
为了在符合轨迹要求的同时，尽可能提高对同步速度差的控制，本文引进双自由
度混合驱动的控制思路。
混合输入机构的概念是英国 Liverpool John Moores 大学的 Tokuz 和其导师
Jones 首先提出来的，实质是想构造一种较低成本的组合型“伺服驱动器”。基本
方法是由常速电机和功率相对较小的伺服电机共同驱动一个双自由度机构。它是
一种介于并联机构完全柔性控制与单自由度刚性控制之间的一种控制方案，既提
高了单自由度机构的柔性，又可以简化并联全伺服控制机构，降低其控制成本。
随着现代电控技术的不断进步，伺服电机性能的不断提升，混合驱动的技术条件
必将逐步得到满足。
本文基于这种混合驱动的思想提出了一种五杆机构型，并进行了型分析。然
后对该型建立了矢量方程式并进行了运动分析。通过给定剪刃控制速度，反求出
伺服电机需要的角位移、角速度与角加速度。以伺服电机角加速度峰值最小为目
标函数进行了优化设计，得到了机构的优化尺寸，并完成了剪切区间的控制方案
以及杆件在进入下一个剪切周期前剪刃复位的控制方案。
借助 ADAMS 进行模拟仿真，对优化尺寸变量进一步进行设计研究，作为其
尺寸最优性的佐证。此外，还对机构输出性能影响较大的非机构尺寸变量进行了
分析，对设计进行了进一步的完善。
关键词：飞剪 混合驱动 五杆机构 伺服控制
ABSTRACT
A flying sheer is one of the most important metallurgical equipment which plays a
critical role in terms of the product quality of the metal sheets. A flying sheer has a
complicated cutting curve and requires better simultaneous speed control with the
moving metal sheet. Most of the flying sheers being applied domestically so far are 1
DOF mechanism which means they could only approximate to the ideal cutting curve
and the demanding simultaneous cutting speed. The speed difference within reasonable
range is both acceptable and necessary. However, further promotion in cutting quality
would be difficult to get by the development of modern technique as a 1 DOF
mechanism. With the purpose of improving the cutting curve as well as the effect in
simultaneous speed control, the strategy of 2 DOF hybrid control has been proposed.
The theory of hybrid control was advanced by Tokuz and his tutor Jones in
Liverpool John Moores, UK. The core of the theory is to make a type of servo control
with low cost. The fundamental method is to combine a constant speed motor and a
relatively lower power servo motor as the driving input of a 2 DOF mechanism. This
limited flexibility is a compromise between flexible control and rigid control. On the
other hand, the technical requirement of performing the hybrid control will be satisfied
as the development of electrical control and the improvement of servo motor.
According to the idea, the article proposes a 2 DOF 5-bar mechanism and carry out
an analysis of its configuration. Then the vector equations are built and the kinematic
analysis is done. After giving the constant speed of the cutting edge, the angular
displacement of the servo motor, its angular velocity as well as the angular acceleration
is solved. With the object function of the minimization of the angular acceleration peak
value, optimization is conducted in order to acquire the optimized dimensions of the
mechanism. Finally, the control plan in and outside the cutting period is made.
The dimensions of the mechanism are further investigated to prove their optimality
by using the software ADAMS to carry out the simulation as well as the design study of
the variables. Besides, some other non-dimensional variables which play as an
important role which affect the output performance are also considered.
Key Words: flying sheer, hybrid control, five-bar mechanism, servo
control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 综 述 ......................................................... 1
§1.1 混合驱动机构概述 ............................................. 1
§1.1.1 可控机构的分类 ........................................... 1
§1.1.2 混合输入的国内外现状 ..................................... 4
§1.1.3 混合驱动的特征 ........................................... 6
§1.1.4. 混合驱动机构的型 ........................................ 6
§1.1.5.混合输入机构的运动学问题 ................................. 7
§1.1.6 混合输入机构在实际应用方面取得的成果 ..................... 9
§1.2 飞剪机的现状 ................................................ 10
§1.2.1 飞剪性能要求 ............................................ 10
§1.2.2 我国主要飞剪机的种类与性能特点 .......................... 11
§1.3 本文拟提出的设计方案 ........................................ 17
第二章 混合驱动飞剪机构型的分析与综合 ............................... 19
§2.1 混合驱动五杆飞剪机构的型 .................................... 19
§2.2 混合驱动五杆飞剪机构的可动性 ................................ 22
§2.3 混合驱动五杆飞剪机构的柔性工作空间 .......................... 23
§2.4 混合驱动五杆飞剪机构的轨迹特性 .............................. 25
第三章 混合驱动飞剪机构的运动分析与尺寸综合 ......................... 31
§3.1 混合驱动飞剪机构的运动分析 .................................. 31
§3.1.1 混合驱动飞剪机构的位置分析 .............................. 31
§3.1.2 混合驱动飞剪机构的速度分析 .............................. 32
§3.1.3 混合驱动飞剪机构的加速度分析 ............................ 33
§3.1.4 混合驱动飞剪奇异位置分析 ................................ 34
§3.1.5 混合驱动飞剪剪刃的位置和速度分析 ........................ 35
§3.2 混合驱动飞剪机构的尺寸综合设计 .............................. 37
§3.2.1 设计变量的确定 .......................................... 38
§3.2.2 目标函数的确定 .......................................... 38
§3.2.3 约束条件的确定 .......................................... 39
§3.2.4 采用 MATLAB 中的非线性优化函数 fmincon 进行优化 ........... 40
§3.3 完成剪切后飞剪剪刃的速度控制 ................................ 47
§3.3.1 下剪刃离开剪切区间的速度控制 ............................ 47
§3.3.2 剪刃离开剪切区间后的速度控制 ............................ 49
§3.3.3 混合驱动飞剪完整周期的性能 .............................. 51
第四章 ADAMS 模拟仿真 ............................................. 55
§4.1 ADAMS 软件简介 ............................................ 55
§4.1.1 ADAMS 软件基本模块 .................................... 55
§4.1.2 ADAMS 的理论基础 ...................................... 56
§4.1.3 ADAMS 的参数化建模及优化设计 .......................... 58
§4.2 混合输入飞剪的参数化建模 .................................... 59
§4.3 混合输入飞剪变量的设计研究 .................................. 62
§4.4 混合输入飞剪机构其它参数的设计研究 .......................... 64
第五章 结语 ......................................................... 67
§5.1 本文所做工作与总结 .......................................... 67
§5.2 展望 ........................................................ 68
参考文献 ............................................................ 69
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 72
致 谢 .............................................................. 73
第一章 综述
1
第一章 综 述
§1.1 混合驱动机构概述
在电子、信息、控制、驱动等新技术高速发展的背景下，现代机器愈来愈要
求能实现柔性输出、一机多能，满足日益多样化的功能需求。机电一体化、运动
可控化、智能化等成为现代机器的特点。这些新需求、新特征，从根本上来说，
将转化成一种对现代机构系统的可控、可调运动输出的要求。但是，输出运动缺
乏柔性正是传统机构主要缺点。为适应当今时代的要求，变“刚性”机器为“柔
性”机器，以传统机构为研究对象的机构学正在演变成为一门与时代发展相适应
的、新兴的现代机构学，“由研究机构的结构学、运动学、动力学的理论和方法，
发展成为一门研究机构功能、原理、类型、设计方法，机器运行状态和特性、控
制方法以及系统设计原理的技术基础和应用学科”，并“向着交叉学科、传统技
术与高新技术融合、设计方法与工具的现代化等方面发展” [1]。
另一方面，现代机器人技术迅猛发展，多自由度机构与并联机构已经在很多
方面取得了丰硕的成果并逐步形成了非常成熟的理论体系。它们可以实现在可达
空间内的完全“柔性”控制，即通过步进电机、伺服电机等可编程控制器实现对
末端执行器速度与轨迹的完全控制。这类机器可以实现很高的控制精度，比如汽
车焊接机器手、并联机床、模拟平台等。与此同时，需要匹配较高精度的电机，
较复杂的控制电路与控制程序，即需要较高的控制成本。随着机器功率需求的提
高，这类控制所需要的成本将进一步上升。而现实生产中往往不需要这样多的“柔
性”，例如，大功率电机驱动的机器只需要输出在恒定转速上下较小范围内可调
时，便是所谓的“有限柔性控制”。这便导致了可控机构诞生。这些机构既是对
传统刚性机构的改进，也是对不必要“柔性”的简化。其中，可调机构、变转速
输入机构、混合输入机构等各类可控机构不断涌现，成为令人瞩目的研究新领域。
作为可控机构的一种类型，混合输入机构的诞生不但是因为适度柔性的需要。
研究者对它的关注和兴趣来源于不同方面：(1)精确实现给定运动的需要；(2)在获
得运动柔性时，有效降低伺服电机功率的需求；(3)实现低成本、大功率、可编程
机器的需要；(4)具有对制造偏差、安装偏差等的软补偿功能。这些不同的需求反
映了混合输入机构所具有的潜在技术优势[2]。
§1.1.1 可控机构的分类
从控制角度看，可控机构区别于全伺服输入的多自由度串、并联机器人机构。
可控机构特指结构尺寸可调节或输入可控的单自由度闭链机构，以及输入由不可
混合驱动飞剪的机构型与尺寸综合研究
2
控电机和可控电机并行驱动的多自由度闭链机构[3-5]。与高灵敏度的串、并联机器
人机构相比，可控机构为机器人引入了“有限工作柔性”，或者说“适度工作柔
性”。这种“柔性”是相对而言的。根据自由度数目和输入运动的性质，可控机
构可分为三种类型，即可调机构（单自由度且结构尺寸可调节）、变转速输入机
构（单自由度且输入可控）、混合输入机构（多自由度且由可控与不可控电动机
并行驱动）。这三类新机构分别从不同的角度为传统机构导入工作柔性。从自由
度来看，可调机构、混合输入机构都不再是单自由度机构，尽管可控机构从功能
上仍被看作单自由度。
可调机构在机构的尺寸环节导入可控性，实现输出的运动柔性。可调机构分
为在线可调和离线可调机构。离线可调机构指机器停机后人工或自己调节杆件参
数；在线可调机构指机器运行过程中实时调节杆件参数。可调机构通常用于轨迹
生成。
变转速输入机构以可控电机取代常速电动机，控制机构原动件的运动，从而
改善机构的整体运动性能，但对可控电动机的功率需求较高，轨迹也难以调节。
变转速输入机构将可能成为对传统机器进行改造、提升机器性能的一种有效手段，
通过对驱动电机进行改造升级，在不改变机器机械结构参数的条件下优化机器的
综合性能。
混合输入机构则通过在常速电机驱动的基础上，引入一个或多个新的可控电
动机来实现机器工作柔性控制。如图1-1所示，综合利用不同性质的电机（常速电
机和伺服电机）来共同驱动，这种输出既有可控性，同时由于常速电机具有大功
率低成本等特点，机器的控制方案能得到较好的简化，也有一定的成本优势。
图1-1 混合输入机构示意图
第一章 综述
3
在混合输入机构中，期望常速电动机提供主体运动和主要功率，伺服电机主
要提供辅助运动，即对主运动进行修正、调控，实现运动柔性。从结构组成上看，
可以认为混合输入机构是介于单自由度传统机构和多自由度全伺服驱动机器人机
构之间的一类新型可控机构，是传统机构与现代机器人机构在性能与成本上的一
个良好的折中，以适度工作柔性特征将传统机构的高速度、低成本、大功率、高
效节能等优势与机器人机构的灵活性特征有机结合起来，使现代机器从运动结构
上具有引入计算机进行控制、实现机电一体化和智能化的可能，同时又可以实现
高速度、高效节能、大功率、降低成本等。例如单自由度机构最多可以实现运动
空间内有限个精确点，但轨迹运行的速度由机构尺寸及常速电机转速确定，在运
行中无法改变。并联机构理论上可以实现工作空间内任意精确点并且速度可控。
而混合输入机构可以看作并联机构的特例，是将其中原来的一个伺服控制约束为
不可控电机的结果，因此在约束后的控制空间内，混合输入可以实现局部范围内
的轨迹与速度可控性。但与并联机构相比具有成本优势。
图1-2 混合输入机构与其他机构关系
在现实生活中，应用最为广泛的、大量需要的往往是具有一定工作柔性、能
完成相类似的工作任务簇、可以进行适度调整的机器，如柔性自动生产线、包装、
食品、纺织、冲压、塑性成形等众多自动化机械都有这种需求。很显然，混合输
入机构可以作为满足这类需求的一种很有潜力的解决方案，拥有巨大的潜在发展
空间和应用价值。基于混合输入技术，世界著名公司Rockwell已经开发出了新型注
塑模机，提高了可调性，大大减少了能源消耗[6]。
混合驱动飞剪的机构型与尺寸综合研究
4
§1.1.2 混合输入的国内外现状
混合输入机构（hybrid machine/mechanism）[7-8]的研究是从20世纪90年代初开
始的。
20世纪90年代初，英国利物浦科技大学的Jones和Tokuz结合传统机构和可控
机构的特点，提出一套界于二者之间的机械系统方案，并对其进行了比较，探讨
在实现相同任务时，两种机构中伺服电机的功率需求状态，期望混合输入机构会
降低对伺服电机的功率需求。其中混合输入机构以二自由度差动轮系作为运动合
成环节，产生的旋转输出运动带动一曲柄滑块机构。伺服输入机构则以伺服电机
直接带动该曲柄滑块机构。用这两种机构分别实现相同滑块输出运动。实验表明：
对于某些类型的滑块输出运动，混合输入机构中的伺服电机要比伺服输入机构中
的伺服电机的功率需求小很多（约为其1/3），但对于另一些类型的滑块输出运动
则相反。因此认为混合输入机构潜在的技术的发挥来自于合理的机构设计。该研
究宗旨是试图构造一种较低成本的组合型就“伺服驱动器”。这种机械同时具有
两类机构的特点，因此他们称之为“Hybrid Machine”，这就奠定了混合驱动机构
的思想。
在Jones和Tokuz提出了混合驱动机构的思想后，国内外许多学者从不同的侧面
对混合驱动机构进行了深入的研究。
Greenough与Jones为克服Tokuz与Jones研究中“停歇段对伺服电机功率需求的
影响较大”的问题[9]，采用二自由度七杆机构作为运动合成机构，同样可以实现上
述变规律输出运动。他们以减小伺服电机的功率为目标函数，进行了七杆混合机
构实现一组指定转动运动规律输出的优化设计。通过优化综合得到七杆机构的尺
寸参数，可以把伺服电机的功率减小大约50%~70%。
图1-3 混合输入机构代替变廓线凸轮
摘要：

摘要飞剪是重要的冶金设备之一，飞剪性能的好坏直接影响到成品钢板的质量。飞剪有较复杂的运动轨迹，而且对于剪切区内剪刃与钢板的速度同步性要求较高。我国目前使用的飞剪一般为单自由度飞剪，只能近似逼近理想的控制轨迹以及近似实现速度同步性要求。这种速度上的差异在一定程度上是合理的，也是需要的。随着技术的进步，单自由度机构进一步提升剪切质量的空间就显得非常有限了。为了在符合轨迹要求的同时，尽可能提高对同步速度差的控制，本文引进双自由度混合驱动的控制思路。混合输入机构的概念是英国LiverpoolJohnMoores大学的Tokuz和其导师Jones首先提出来的，实质是想构造一种较低成本的组合型“伺服驱动器...

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