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1、第35卷第3期振動(dòng)、測(cè)試與診斷Vol_35NO．32015年6月JournalofVibration．Measurement&DiagnosisJun．2015計(jì)及鉸間隙的多柔體機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性任武，吳運(yùn)新，張趙威(1．中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)沙，410083)(2．新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院新鄉(xiāng)，453003)摘要地面長(zhǎng)臂機(jī)械研究中一般都將鉸當(dāng)成理想鉸處理而忽略鉸間隙的影響，為得到更符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)特性的結(jié)果，首先，采用Lankarani—Nikravesh模型并選取合適的摩擦因數(shù)，分析加入第1節(jié)臂和加入全部4節(jié)臂油缸連接旋轉(zhuǎn)鉸間隙接觸摩擦的影響；
2、其次，建立對(duì)應(yīng)的多柔體臂架的剛?cè)峄旌夏Ｐ?，?duì)理想鉸和鉸間隙臂架模型的末端軌跡和振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明：加入鉸間隙模型的末端振動(dòng)位移比理想鉸模型的末端位移增大，第1節(jié)臂液壓油缸最大受力值也對(duì)應(yīng)增大；考慮鉸彈性的第1階固有頻率比理想鉸模型有所降低，證明此類機(jī)械鉸間隙的影響不能忽略。最后，通過臂架實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了模型的合理性和數(shù)值仿真的正確性，為此類機(jī)械設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞多柔體；機(jī)械臂；鉸間隙；動(dòng)力學(xué)；固有頻率中圖分類號(hào)TU646；TH17筆者在多剛體機(jī)械臂的基礎(chǔ)上對(duì)4節(jié)臂進(jìn)行柔引言性化，根據(jù)接觸摩擦原理建立4節(jié)臂及其對(duì)應(yīng)油缸連接鉸的間隙和摩擦模型，計(jì)算出相應(yīng)的參
3、數(shù)，建立現(xiàn)代地面機(jī)械諸如高空作業(yè)車操作臂、長(zhǎng)臂挖非理想鉸多柔體機(jī)械臂模型進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)比分掘機(jī)、橋梁檢測(cè)車工作臂、水泥混凝土泵車臂都可等析不同模型的動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，并通過實(shí)效為連桿、鉸、臂等組成的質(zhì)量輕、柔度大的多柔體驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的合理性和仿真的正確性。機(jī)械臂系統(tǒng)，這些機(jī)構(gòu)的大范圍位姿變換中臂的柔性和鉸間隙的接觸摩擦容易造成位置偏差和振動(dòng)加多柔體機(jī)械臂理想鉸模型劇，給動(dòng)態(tài)特性求解帶來困難。Lenord等[1]通過阻尼優(yōu)化將線性模型和非線利用模態(tài)縮減理論建立的理想鉸剛?cè)峄旌闲阅Ｐ瓦M(jìn)行了對(duì)比，得出水泥混凝土泵車符合實(shí)際模型如圖1所示，其中4節(jié)臂柔性化，連接的短桿仍
4、的線性阻尼參數(shù)。Gazzulani等[2建立了水泥混凝采用剛體，鉸連接采用理想鉸，每節(jié)臂采用液壓油缸土泵車臂架的1：3縮減模型，利用了模態(tài)空間法對(duì)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。末端振動(dòng)控制做了研究。Sun等提出了一種閉環(huán)監(jiān)測(cè)和開環(huán)控制方法用于減小柔性臂架末端振動(dòng)。Pedersen等針對(duì)柔性液壓起重機(jī)操作臂開發(fā)了一種交互式實(shí)時(shí)建模方案。戴麗_7]對(duì)比分析了泵車臂架剛?cè)崮Ｐ偷膭?dòng)力學(xué)特性。秦仙蓉等分別對(duì)某輕型柔性汽車架和大型機(jī)械的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。白爭(zhēng)鋒等l_】叩建立了間隙接觸碰撞圖1理想鉸多柔體臂架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)力的混合模型，研究了連桿機(jī)構(gòu)中的鉸間隙的影響。Fig．1Topologysket
5、chofflexiblemultibodyboomwithMukras等口研究了考慮鉸間隙的平面曲柄滑塊idealjoints機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。Dupac等I】和Koshy[1分析了平面柔體連桿機(jī)構(gòu)的間隙影響，指出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型具體參數(shù)見表1。特性研究中間隙作用不應(yīng)忽視。*國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“八六三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2008AA042802)收稿日期：2013—07—10；修回日期：2013—08—31第3期任武，等：計(jì)及鉸間隙的多柔體機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性上，式(5)中f，，，，f分別為接觸摩擦力、相對(duì)切向速度、摩擦因數(shù)和碰撞力。修正后的摩擦因數(shù)模型見圖4。臂摩擦因數(shù)一sg
6、n(v)~／4=)一D(m·S-)圖5考慮鉸間隙多柔體臂架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．5Boomtopologysketchwithjointclearance-“l(fā)：—I一擇見表2，步長(zhǎng)為1000步，時(shí)間為10s，對(duì)比分析滑動(dòng)狀態(tài)加入鉸間隙前后的模型的動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律圖4修正摩擦因數(shù)變化。Fig．4Simplifiedfrictioncoefficientmodel1)末端位移變化如圖6所示，可知理想鉸模型的末端振動(dòng)位移最大為200mrll，考慮第1節(jié)臂間摩擦因數(shù)的計(jì)算見表3。隙時(shí)的末端振動(dòng)位移最大達(dá)270mm，如果4節(jié)臂表3接觸摩擦模型中的摩擦因數(shù)函數(shù)間隙全部考慮進(jìn)去末端位移
7、最大則達(dá)500mm，可Tab．3Frictioncoefficientfunctionofcontactfrictionforcemodel見加入鉸間隙影響增大了臂架的末端振動(dòng)。表3中，口為靜態(tài)摩擦因數(shù)和臨界速度。在相對(duì)切向速度絕對(duì)值大于時(shí)，摩擦因數(shù)采用動(dòng)摩擦因數(shù)；當(dāng)相對(duì)切向速度絕對(duì)值小于時(shí)，采用step插值函數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)1-16]，本模型中動(dòng)摩擦因數(shù)選0．1。t1-理想鉸模型；2-第1節(jié)臂鉸間隙模型：3—4節(jié)臂鉸間隙模型3帶鉸間隙多柔體機(jī)械臂模型圖6計(jì)算間隙前后的末端位移對(duì)比模型中運(yùn)動(dòng)副采用轉(zhuǎn)動(dòng)副、平動(dòng)副、固定副
