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1、第35卷第3期振動、測試與診斷Vol_35NO．32015年6月JournalofVibration．Measurement&DiagnosisJun．2015計及鉸間隙的多柔體機械臂動力學特性任武，吳運新，張趙威(1．中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室長沙，410083)(2．新鄉(xiāng)醫(yī)學院生物醫(yī)學工程學院新鄉(xiāng)，453003)摘要地面長臂機械研究中一般都將鉸當成理想鉸處理而忽略鉸間隙的影響，為得到更符合實際運動學規(guī)律和動力學特性的結果，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)臂油缸連接旋轉鉸間隙接觸摩擦的影響；
2、其次，建立對應的多柔體臂架的剛柔混合模型，對理想鉸和鉸間隙臂架模型的末端軌跡和振動特性進行數(shù)值分析。結果表明：加入鉸間隙模型的末端振動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應增大；考慮鉸彈性的第1階固有頻率比理想鉸模型有所降低，證明此類機械鉸間隙的影響不能忽略。最后，通過臂架實驗臺驗證了模型的合理性和數(shù)值仿真的正確性，為此類機械設計和工程應用提供參考。關鍵詞多柔體；機械臂；鉸間隙；動力學；固有頻率中圖分類號TU646；TH17筆者在多剛體機械臂的基礎上對4節(jié)臂進行柔引言性化，根據(jù)接觸摩擦原理建立4節(jié)臂及其對應油缸連接鉸的間隙和摩擦模型，計算出相應的參
3、數(shù)，建立現(xiàn)代地面機械諸如高空作業(yè)車操作臂、長臂挖非理想鉸多柔體機械臂模型進行數(shù)值仿真，對比分掘機、橋梁檢測車工作臂、水泥混凝土泵車臂都可等析不同模型的動力學特性和運動學規(guī)律，并通過實效為連桿、鉸、臂等組成的質量輕、柔度大的多柔體驗驗證了提出方法的合理性和仿真的正確性。機械臂系統(tǒng)，這些機構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加多柔體機械臂理想鉸模型劇，給動態(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柔混合性模型進行了對比，得出水泥混凝土泵車符合實際模型如圖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)空間法對單獨驅動。末端振動控制做了研究。Sun等提出了一種閉環(huán)監(jiān)測和開環(huán)控制方法用于減小柔性臂架末端振動。Pedersen等針對柔性液壓起重機操作臂開發(fā)了一種交互式實時建模方案。戴麗_7]對比分析了泵車臂架剛柔模型的動力學特性。秦仙蓉等分別對某輕型柔性汽車架和大型機械的振動進行了測試和結構優(yōu)化分析。白爭鋒等l_】叩建立了間隙接觸碰撞圖1理想鉸多柔體臂架拓撲結構力的混合模型，研究了連桿機構中的鉸間隙的影響。Fig．1Topologysket
5、chofflexiblemultibodyboomwithMukras等口研究了考慮鉸間隙的平面曲柄滑塊idealjoints機構的動力學特性。Dupac等I】和Koshy[1分析了平面柔體連桿機構的間隙影響，指出系統(tǒng)動力學模型具體參數(shù)見表1。特性研究中間隙作用不應忽視。*國家基礎研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)資助項目(2008AA042802)收稿日期：2013—07—10；修回日期：2013—08—31第3期任武，等：計及鉸間隙的多柔體機械臂動力學特性上，式(5)中f，，，，f分別為接觸摩擦力、相對切向速度、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撲結構Fig．5Boomtopologysketchwithjointclearance-“l(fā)：—I一擇見表2，步長為1000步，時間為10s，對比分析滑動狀態(tài)加入鉸間隙前后的模型的動力學特性和運動學規(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位移最大為200mrll，考慮第1節(jié)臂間摩擦因數(shù)的計算見表3。隙時的末端振動位移最大達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)間隙全部考慮進去末端位移
7、最大則達500mm，可Tab．3Frictioncoefficientfunctionofcontactfrictionforcemodel見加入鉸間隙影響增大了臂架的末端振動。表3中，口為靜態(tài)摩擦因數(shù)和臨界速度。在相對切向速度絕對值大于時，摩擦因數(shù)采用動摩擦因數(shù)；當相對切向速度絕對值小于時，采用step插值函數(shù)。根據(jù)文獻1-16]，本模型中動摩擦因數(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帶鉸間隙多柔體機械臂模型圖6計算間隙前后的末端位移對比模型中運動副采用轉動副、平動副、固定副
