基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)建模研究.doc

中南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目項(xiàng) 目 申 請(qǐng) 書(理工類)項(xiàng)目名稱：基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)建模研究申 請(qǐng) 人： 所在班級(jí)： 機(jī)械0912班 指導(dǎo)教師： 學(xué)科專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 所在單位： 機(jī)電工程學(xué)院 聯(lián)系電話： E - MAIL： 申請(qǐng)日期： 中 南 大 學(xué)2011年6月填 寫 說(shuō) 明1本申請(qǐng)書所列各項(xiàng)內(nèi)容均須實(shí)事求是，認(rèn)真填寫，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)，簡(jiǎn)明扼要。2本申請(qǐng)書為大十六開本（A4），左側(cè)裝訂成冊(cè)?？删W(wǎng)上下載、自行復(fù)印或加頁(yè)，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。3申請(qǐng)人所在學(xué)院認(rèn)真審核，簽署意見后，將申請(qǐng)書（一式兩份）報(bào)送本科生院特色教育辦公室。一、簡(jiǎn)況項(xiàng)目名稱基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)建模研究所屬學(xué)科機(jī)械工程批準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)20000起止年月2011年 3月至 2013 年 3月申請(qǐng)人姓名孫潔潔性別男民族漢出生年月1990.9身份證號(hào)0806091428指導(dǎo)教師職務(wù)職稱電話項(xiàng)目參與人性別出生年月班級(jí)學(xué)院學(xué)號(hào)電話孫潔潔男1990.9機(jī)械0912班機(jī)電工程學(xué)院080609142815200861243吳書舟男1991.9機(jī)械0912班機(jī)電工程學(xué)院080609142415200868385高雨男1991.10機(jī)械0912機(jī)電工程學(xué)院080609142518643996977李帥男1987.3機(jī)械工程09級(jí)機(jī)電工程學(xué)院09371113213875942420申請(qǐng)人曾參與和本項(xiàng)目相關(guān)科研的情況具有開拓創(chuàng)新的精神，曾參加“金工大賽”和中南大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，對(duì)于機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人學(xué)等學(xué)科擁有扎實(shí)的基礎(chǔ)和良好專業(yè)技能，并能熟練應(yīng)用cad 、proe、ansys、adams等三維和仿真軟件。指導(dǎo)教師承擔(dān)本項(xiàng)目相關(guān)科研課題情況項(xiàng)目情況簡(jiǎn)介在重載裝置動(dòng)力學(xué)建模方面，通常把系統(tǒng)簡(jiǎn)化而忽略了很多因素的作用，使得建立的系統(tǒng)模型難以解耦，也影響了后續(xù)的控制研究精度。本研究在分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動(dòng)時(shí)主動(dòng)力和從動(dòng)力變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了反作用力響應(yīng)盲區(qū)的概念，嘗試建立考慮運(yùn)動(dòng)副摩擦情況下的重載裝置動(dòng)力學(xué)模型，并且在研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)副反力的不確定性與重載裝置動(dòng)力學(xué)模型奇異性的基礎(chǔ)上，試圖提出運(yùn)動(dòng)副的接觸摩擦狀態(tài)的判斷方法，建立相應(yīng)的摩擦約束方程，使重載裝置動(dòng)力學(xué)模型完整可解。同時(shí)根據(jù)重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件及摩擦約束條件，得出重載裝置整體的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)方程，分析其力封閉性和承載能力 ，建立拓?fù)渫瑯?gòu)及變?cè)獌?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。二、課題論證（一）立項(xiàng)依據(jù)與研究?jī)?nèi)容（4000-8000字）1 立項(xiàng)依據(jù)(研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢(shì)來(lái)論述科學(xué)意義；或結(jié)合國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題來(lái)論述其應(yīng)用前景。附主要參考文獻(xiàn)目錄)1.1機(jī)械系統(tǒng)及其動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今世界正經(jīng)歷著一場(chǎng)新的技術(shù)革命。新概念，新理論，新方法，新工藝不斷出現(xiàn)。作為向各行各業(yè)提供裝備的機(jī)械工業(yè)，也得到了迅猛的發(fā)展。現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)日益向重載，高速，高精度，高效率，低噪聲等方向發(fā)展，對(duì)機(jī)械提出的要求也越來(lái)越苛刻。然而作為國(guó)家基礎(chǔ)制造能力表征的巨型重載操作裝備，如：重載塔吊裝置，重載輸送裝置，重載鍛造操作裝置，履帶式起重機(jī)等等，其設(shè)計(jì)與制造水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。例如：國(guó)內(nèi)最大的鍛造操作機(jī)夾持的最大重量是北方重工的200t，但是其整機(jī)水平還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證；而德國(guó)的西馬克公司已經(jīng)超過(guò)了300t，載重力矩630tm并且能夠?qū)崿F(xiàn)和壓機(jī)的聯(lián)動(dòng)1；歐洲起重機(jī)的平均噸位在800噸，而我國(guó)目前這一數(shù)字卻不到200噸2。我們國(guó)家在巨型重載操作裝備上遲遲不能縮短與世界領(lǐng)先水平的差距已經(jīng)嚴(yán)重的阻礙了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)，國(guó)家大戰(zhàn)略工程的全面推進(jìn)迫在眉睫。造成這種局面的原因是多方面的，其中未能充分考慮重載裝置運(yùn)動(dòng)副的摩擦特殊性對(duì)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響是造成巨型重載操作裝備設(shè)計(jì)水平低、設(shè)備性能落后的重要原因之一。摩擦廣泛存在于工程實(shí)際中。在輕型機(jī)械中，摩擦對(duì)輕載機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力特性不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但是巨型、重載和高速是現(xiàn)代機(jī)械的一個(gè)重要標(biāo)志和發(fā)展方向，隨著運(yùn)動(dòng)速度和精度的提高，運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦不容忽視。而巨型重載裝置運(yùn)動(dòng)副的摩擦特殊性更主要體現(xiàn)在：在巨型重載裝置的傳動(dòng)過(guò)程中，兩構(gòu)間之間傳遞的力非常大，并且力的方向在短時(shí)間內(nèi)急劇變化，造成兩構(gòu)件相互接觸的表面之間的摩擦力很大以及摩擦力方向不確定。在對(duì)巨型重載裝置進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，如果仍舊按照以前常用的分析方法，例如采用牛頓-歐拉（Newton-Euler）法3-7、拉格朗日（Lagrange）8-10、虛功原理法3,11-13、凱恩（Kane）法14、旋量法14，15等建立動(dòng)力學(xué)模型，或者采用經(jīng)典的庫(kù)倫摩擦力模型，僅僅是考慮摩擦力與摩擦圓相切的情況（即動(dòng)摩擦狀態(tài)），或者采用Metrikin V.S.等所提到的用一種對(duì)庫(kù)倫靜摩擦已經(jīng)改進(jìn)了的模型16，或者采用Jon Juel Thomsen 和Alexader Fidin用解析近似法對(duì)速度依賴動(dòng)摩擦模型求解17，忽略或簡(jiǎn)化摩擦力對(duì)巨型重載系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響、響應(yīng)順應(yīng)性的影響、響應(yīng)靈敏度的影響，是不可能得到精確的結(jié)果，不能滿足精確控制巨型重載裝置的要求，并且對(duì)以后更加深入的研究和發(fā)展巨型重載裝置的設(shè)計(jì)以及制造形成難以逾越的屏障。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的不斷發(fā)展，一些現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，如李群、李代數(shù)、微分流形和黎曼流形等開始應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)建模和控制以研究系統(tǒng)的動(dòng)力特性18-20。Spong使用Hamilton原理和黎曼幾何等工具揭示了機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的幾個(gè)特性21，研究得出機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型存在的幾個(gè)特性，研究得出機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型存在的條件，對(duì)于指導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)控制和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)大有用處。Liu等基于李群和李代數(shù)的基本理論22，利用Newton-Euler和Lagrange形式給出了一種通用的坐標(biāo)不變的剛體動(dòng)力學(xué)建模數(shù)學(xué)框架，表明機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和控制可以采用統(tǒng)一的幾何框架。目前利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的研究的人已經(jīng)比較多，但確少有學(xué)者利用物理方法研究機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。運(yùn)動(dòng)副的摩擦特性對(duì)重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，目前在國(guó)內(nèi)外研究的很少。并且重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因其自身的特殊性：構(gòu)件體積大，重量大，構(gòu)件之間傳遞力大，大量的研究有待開展。如在動(dòng)力學(xué)建模方面，要研究建立與所有構(gòu)件及關(guān)節(jié)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性力（矩）、連接方式、摩擦、阻尼和結(jié)構(gòu)尺寸等諸多因素有關(guān)的精細(xì)模型，使其分析計(jì)算結(jié)果精度更高、更接近真值；在對(duì)精細(xì)模型定量分析研究的基礎(chǔ)上，要考慮建立滿足精度及控制要求的簡(jiǎn)化模型，追求最快求解速度；開展系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的研究以指導(dǎo)動(dòng)力學(xué)控制；研究并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)振動(dòng)、平衡等問題以保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)性能23，24；研究考慮構(gòu)件的彈性、運(yùn)動(dòng)副間隙、制造及安裝誤差等因素影響的系統(tǒng)高等動(dòng)力學(xué)分析問題?？傊?，該方面的研究前景十分廣闊，其難度也是不言而喻的。為了考慮運(yùn)動(dòng)副的摩擦對(duì)重載裝置系統(tǒng)的影響，我們以壓桿式重載夾持裝置為分析對(duì)象，首次提出了反作用力響應(yīng)盲區(qū)的概念25-28，并且將這個(gè)概念推廣到所有重載機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用這個(gè)理論可以把運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)摩擦和靜摩擦都考慮在內(nèi)以更準(zhǔn)確的方法對(duì)重載裝置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行更深入的研究。1.2 反作用力響應(yīng)盲區(qū)概念通過(guò)對(duì)壓桿式重載夾持裝置工作過(guò)程分析可知，夾鉗抬起前，重載夾持裝置處于夾持預(yù)緊狀態(tài)，推力為驅(qū)動(dòng)力，傳遞至鉗口作用鍛件的力為夾持預(yù)緊力（如圖1所示）；當(dāng)夾鉗抬起時(shí)，夾持預(yù)緊狀態(tài)變?yōu)閵A持工作狀態(tài)，鉗口對(duì)鍛件的夾緊力為驅(qū)動(dòng)力，推力為阻力，重載夾持裝置具備反向微動(dòng)趨勢(shì)，各運(yùn)動(dòng)副反力的方向也隨之發(fā)生改變，從開始的與摩擦圓一側(cè)相切，經(jīng)與摩擦圓相割，再逐步過(guò)渡到與摩擦圓的另一側(cè)相切（如圖2所示）。當(dāng)夾緊力大于某一值時(shí)，重載夾持裝置產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致夾持失效。 圖1 重載夾持裝置夾持預(yù)緊狀態(tài) 圖2 重載夾持裝置夾持工作狀態(tài)為了分析力流的傳遞規(guī)律，把重載夾持裝置的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3和圖4所示。 圖3 預(yù)緊夾緊時(shí)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型 圖4 工作夾緊時(shí)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型由圖3和圖4的力學(xué)模型可知，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于預(yù)緊夾持時(shí)，輸入為推力，輸出為預(yù)緊夾持力；當(dāng)機(jī)構(gòu)處于工作夾持時(shí)，輸入為所需工作夾持力，輸出為推力。當(dāng)輸入的所需工作夾持力為臨界夾持力時(shí)，即反向微動(dòng)時(shí)，由機(jī)械效率公式推導(dǎo)夾持機(jī)構(gòu)預(yù)緊夾持力和臨界夾持力的變化關(guān)系得： (1)因，當(dāng)機(jī)構(gòu)未發(fā)生反向微動(dòng)時(shí)，則： (2) (3)由公式（3）表明，在推力不變的情況下，機(jī)構(gòu)的夾緊力可以在到之間變化，即機(jī)構(gòu)工作張力在到之間時(shí)，不會(huì)反映到推桿上。設(shè)： (4)稱為夾持機(jī)構(gòu)的反作用力響應(yīng)盲區(qū)。設(shè)反作用力響應(yīng)盲區(qū)大小的盲區(qū)特性系數(shù)為: (5)反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性系數(shù)，是提高夾持裝置承載能力的重要參數(shù)12。1.3、各運(yùn)動(dòng)副反力的不確定性和經(jīng)典剛體動(dòng)力學(xué)模型的不完備性如圖5所示，壓桿式夾鉗裝置的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖：圖5 壓桿式夾持裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖利用關(guān)聯(lián)約束法29列出在考慮運(yùn)動(dòng)副摩擦?xí)r構(gòu)件i動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程如下： (6)其中，、分別為第i-1構(gòu)件作用在第i構(gòu)件的力和力矩，、分別為第i+1構(gòu)件作用在第i構(gòu)件上的力和力矩； 是構(gòu)件i的加速度；是連接構(gòu)件i-1和構(gòu)件i的運(yùn)動(dòng)副摩擦力矩，為該運(yùn)動(dòng)副約束反力到鉸鏈中心的距離；是連接構(gòu)件i和構(gòu)件i+1的運(yùn)動(dòng)副摩擦力矩，為該運(yùn)動(dòng)副約束反力到鉸鏈中心的距離。 其計(jì)及運(yùn)動(dòng)副摩擦?xí)r的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程一般形式為： (7) 其中為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)矩陣，為系統(tǒng)的位置約束方程， 為拉格朗日乘子，為系統(tǒng)的廣義力矩陣。 ，（i=1,2,K； l=1,2,M ； j=1,2,N), 和分別為第i個(gè)構(gòu)件上受到的力和力矩，為第l個(gè)移動(dòng)副摩擦力，為第j個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦力矩，各個(gè)力可由動(dòng)態(tài)靜力法求得。公式式（6）、（7）是夾持裝置夾鉗開合、抬升、旋轉(zhuǎn)等各種工況的通用方程，對(duì)于壓桿式重載夾持裝置系統(tǒng)可列出67個(gè)獨(dú)立平衡方程，如果將夾鉗裝置推廣到由K個(gè)構(gòu)件N個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成的機(jī)械系統(tǒng)，可以得到6K個(gè)獨(dú)立的平衡方程，則第l個(gè)移動(dòng)副摩擦力，為移動(dòng)副約束反力，為移動(dòng)副力與法線所夾銳角；第j個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦力矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)副約束反力到鉸鏈中心的距離，為轉(zhuǎn)動(dòng)副約束反力。當(dāng)系統(tǒng)所有運(yùn)動(dòng)副的反力與摩擦錐或摩擦圓相切時(shí)，為第l個(gè)移動(dòng)副的摩擦角；，為第j個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦圓半徑。未知量只包括各運(yùn)動(dòng)副約束反力和未知主動(dòng)力，未知量數(shù)等于動(dòng)態(tài)靜力學(xué)方程維數(shù)，系統(tǒng)是靜定的。此情況極為特殊，不做一般性的討論。更多的情況是：系統(tǒng)部分的運(yùn)動(dòng)副反力與摩擦錐或摩擦圓相切，而部分的運(yùn)動(dòng)副處于反作用響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)，單獨(dú)分析這部分的運(yùn)動(dòng)副，由于，、均為未知，由此，系統(tǒng)引入了M+N個(gè)多余的未知數(shù)和，使得系統(tǒng)變成超靜定，即各運(yùn)動(dòng)副反力的大小、位置、方向不能確定，而傳統(tǒng)的計(jì)算方法往往以臨界狀態(tài)來(lái)計(jì)算，即反力的方向與摩擦圓或摩擦錐相切，情況特定，計(jì)算結(jié)果大都為近似值。因此必須對(duì)各運(yùn)動(dòng)副的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行判斷，增加M+N個(gè)摩擦約束方程，使系統(tǒng)靜定，方程（6）（7）有解。1.4 、研究意義（1）、全面提高重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的真實(shí)性及仿真精度動(dòng)力學(xué)模型的建立是機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬、動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制的基礎(chǔ)。在建立機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，考慮的因素是否全面，建立的模型是否完整，直接關(guān)系到機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析和控制的精確度，進(jìn)而影響到重載裝置的品質(zhì)、性能等。重載機(jī)械系統(tǒng)在變換工況或受到?jīng)_擊載荷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反復(fù)振動(dòng)，主動(dòng)被動(dòng)關(guān)系不斷改變，在力流的傳遞過(guò)程中，隨著沖擊載荷的不斷變化勢(shì)必導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副反力反復(fù)通過(guò)反作用力響應(yīng)盲區(qū)。而以往的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是建立在反作用力響應(yīng)盲區(qū)影響為零的基礎(chǔ)上的，經(jīng)典機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是不完整的，所得到的解也是不準(zhǔn)確的，這在我們以往的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得到驗(yàn)證。如：我們應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)重載夾持裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)夾持鍛件所需的夾緊力處于反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)時(shí)，裝置各運(yùn)動(dòng)副反力的方向存在無(wú)規(guī)律的跳躍現(xiàn)象，所得出的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差也較大，這表明經(jīng)典剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型存在考慮因素不全面的缺陷。由此可見，建立反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型及反作用力響應(yīng)盲區(qū)對(duì)重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響是非常必要的。（2）、為研究重載裝置的復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)精細(xì)控制策略提供基礎(chǔ)現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電控制與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的融合是機(jī)電控制的發(fā)展趨勢(shì)，Liu27等基于李群和李代數(shù)的基本理論，利用Newton-Euler和Lagrange形式給出了一種通用的坐標(biāo)不變的剛體動(dòng)力學(xué)建模數(shù)學(xué)框架，表明復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與控制可以采用統(tǒng)一的幾何框架，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行主動(dòng)控制。但是，主動(dòng)控制對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的的精確度要求很高，而經(jīng)典剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型存在考慮因素不全面的缺陷。因此，建立完整的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)的精細(xì)控制不可或缺的基礎(chǔ)。（3）、為發(fā)展和優(yōu)化我國(guó)巨型重載裝置的設(shè)計(jì)以及制造提供理論指導(dǎo)由于重載機(jī)械系統(tǒng)存在著復(fù)雜的摩擦關(guān)系，現(xiàn)有研究為避開模型計(jì)算等方面的困難，對(duì)真實(shí)力學(xué)系統(tǒng)中的摩擦轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的結(jié)果往往造成了許多重要?jiǎng)恿W(xué)特性信息的丟失，使現(xiàn)有的研究結(jié)論與工程應(yīng)用存在較大差距。因此，從考慮反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性的角度分析重載裝置完備剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)對(duì)重載夾持裝置夾持穩(wěn)定性的影響規(guī)律，探討反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性對(duì)重載裝置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的理論支持，從而進(jìn)一步提高我國(guó)巨型重載機(jī)械的設(shè)計(jì)制造水平。參考文獻(xiàn)：1 梁音，趙緒平，王馳，“大型鍛造操作機(jī)研究進(jìn)展”，科技成果縱橫，2010，（2）：55572 王鳳萍，程磊，孫影，“國(guó)內(nèi)外履帶式起重機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)”工程機(jī)械，2006，（4）：39433 楊廷力. 機(jī)械系統(tǒng)基本理論結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19964 孔令富, 張世輝, 肖文輝,等. 基于牛頓- 歐拉方法的6 - PUS 并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛體動(dòng)力學(xué)模型. 機(jī)器人,2004 , 26 (5) : 3953995 Dasgupta B. A General St rategy Based on the Newton - Euler Approach for the Dynamic Formulation of Parallel Manipulators. Mechanism and Machine Theory , 1999 , 34 (6) : 8018246 Fichter E F. A Stewart Platform Based Manipulator : General Theory and Practical Const ruction.The International Journal of Robotics Research ,1986 , 5 (2) :1571827 李劍峰,王新華,魏源遷,等. 3 - RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的微分運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003 , 29 (4) : 4184238 王洪波, 黃真. 六自由度并聯(lián)機(jī)器人的拉格朗日方程. 機(jī)器人,1990 , 90 (1) : 23269 Pang H , Shaingpoor M. Inverse Dynamics of a Parallel Manipulator. Journal of Robotic System ,1994 , 11 (8) :69370210 白志富,韓先國(guó),陳五一. 基于Lagrnge 方程三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2004 , 30 (1) :515411 Wang J G,Gosselin C M. A New Approach for the Dynamic Analysis of Parallel Manipulators. Multibody System Dynamics , 1998 (2) : 31733412 Tsai L W. Solving the Inverse Dynamics of a Stewart - Gough Manipulator by the Principle of Virtual Work. ASME Journal of Mechanical Design , 2000 (122) : 3913 楊志永, 趙學(xué)滿, 黃田,等. 并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模及伺服系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí). 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2004 , 37(6) :47547914 劉武發(fā),劉德平.基于旋量理論凱恩動(dòng)力學(xué)方程的開鏈機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析. 機(jī)械與電子,2007 (5) :515415 劉其廣,戈新生. 一種機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的旋量矩陣方程.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001 ,16 (3) :172216 Metrikin V S , Nagayev R F , Stepanova V V , et al . Periodic and stochastic self-excited oscillations in a system with hereditary2type dry frictionJ . J . Appl . Maths Mechs , 1996 , 60 (5) : 8452850.17 Jon Juel Thomsen , Alexander Fidlin. Analytical approximations for stick slipvibrationamplitudes J . International Journal of Non2Linear Mechanics , 2003 , 38 (3) : 3892403.18 Dooley J R ,Mccarthy J M. Spatial Rigid Body Dynamics Using Dual Quaternion Components.The IEEE International Conference on Robotics and Automation , Sacramento , California ,USA ,199119 Liu G F ,Li Z X. A Unified Geometric Approach to Modeling and Control of Constrained Mechanical Systems. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 2002 , 18 (4) : 57458720 Yiu Y K, Cheng H , Xiong Z H ,et al. On the Dynamics of Parallel Manipulators. The IEEE International Conference on Robotics and Automation ,Seoul , Korea , 200121 Spong M W. Remarks on Robot Dynamics : Canonical Transformations and Riemannian Geomet ry. The IEEE International Conference on Robotics and Automation , Nice , France , 199222 Liu G F ,Li Z X. A Unified Geometric Approach to Modeling and Control of Constrained Mechanical Systems. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 2002 , 18 (4) : 57458723 馮志友,李永剛,張策等. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力分析研究現(xiàn)狀及展望, 2006, 17 (9) :97998424 黃真,孔令富,方越法. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 199725 Jingfei He,Yan Chen,Hua Deng. Dynamic Modeling of Large Scale Heavy Duty Grippers Basedon the Response Dead Zone of Counteracting Force.In:C.Xiong et al.(Eds.).ICIRA 2008，PartII ,LNAI5315. Wuhan:Springer，2008. 87988626 Jingfei He, Rongguang Nie,Zhiqiang Fu. Fevolute pairs.friction of grippers with precision Mechanics Modeling (in Chinese). Modern Manufacturing Engineering, 2008(11)：869.27 何競(jìng)飛，陳艷，聶榮光.巨型重載夾持機(jī)構(gòu)響應(yīng)盲區(qū)和承載能力的研究J.機(jī)械設(shè)計(jì)，2009,26(2):555828 何競(jìng)飛，聶榮光，浮志強(qiáng)，“含轉(zhuǎn)動(dòng)副摩擦夾持機(jī)構(gòu)精確力學(xué)建?！?，現(xiàn)代制造工程，2008（11）：8691.29 約翰F加德納著，周進(jìn)雄，張陵(譯). 機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真使用MATLAB和SIMULINK M. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2002 2 研究的主要內(nèi)容、研究目標(biāo)、擬解決的關(guān)鍵問題2.1、研究?jī)?nèi)容（1）、重載夾持裝置各運(yùn)動(dòng)副反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性及不確定性研究在國(guó)家973項(xiàng)目的子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)策略”研究成果的基礎(chǔ)之上，研究各運(yùn)動(dòng)副反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、順序及順應(yīng)性，分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動(dòng)時(shí)主動(dòng)力和從動(dòng)阻力變換規(guī)律，找出重載裝置不同工況和工位下各運(yùn)動(dòng)副反力不確定的原因。（2）、各運(yùn)動(dòng)副反力摩擦狀態(tài)的變化規(guī)律及摩擦約束條件研究在分析運(yùn)動(dòng)副反力不確定的基礎(chǔ)上，對(duì)重載夾持裝置各運(yùn)動(dòng)副的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行判斷，找到運(yùn)動(dòng)副反力的確定條件和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件，建立摩擦約束方程，與經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程組成考慮反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性的完整剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型。（3）、重載裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型研究根據(jù)重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件及摩擦約束條件，得出重載裝置整體的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)方程，分析其力封閉性和承載能力 ，建立拓?fù)渫瑯?gòu)及變?cè)獌?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。（4）、新的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型的推廣應(yīng)用將新的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型首先推廣應(yīng)用到重載夾持裝置、型材軋機(jī)、采掘機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性分析與研究中，以便檢驗(yàn)并修正新模型，提高重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型的仿真精度。2.2、研究目標(biāo)本項(xiàng)目以國(guó)家973項(xiàng)目的子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)策略”為研究背景，以巨型重載夾持裝置中的反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性為基本著眼點(diǎn)，分析機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)反向微動(dòng)時(shí)主動(dòng)力和從動(dòng)阻力變換規(guī)律，建立摩擦約束方程和完整剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型，并分析重載裝置的力封閉性和承載能力，提出拓?fù)渫瑯?gòu)及變?cè)獌?yōu)化設(shè)計(jì)方法、完善巨型重載裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化理論。在學(xué)術(shù)上，本研究運(yùn)用反作用力響應(yīng)盲區(qū)這個(gè)全新的概念研究系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的完整性,期望建立新的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的完整動(dòng)力學(xué)理論體系。2.3、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題（1）、反作用力響應(yīng)盲區(qū)理論體系構(gòu)建反作用力響應(yīng)盲區(qū)對(duì)重載裝置的承載能力的提高有顯著的作用，但同時(shí)又降低了自動(dòng)控制精度，加大自動(dòng)控制的難度。在放大盲區(qū)的有利性和減小盲區(qū)的有害性方面上取得突破，完善反作用力響應(yīng)盲區(qū)理論體系。（2）、基于反作用力響應(yīng)盲區(qū)的重載裝置完整動(dòng)力學(xué)模型的建立（3）、重載裝置拓?fù)渫瑯?gòu)及變?cè)獌?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型建立 3采取的研究方案及可行性分析（包括有關(guān)方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)手段、關(guān)鍵技術(shù)等說(shuō)明）3.1研究方法（1）運(yùn)動(dòng)副反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性及不確定的研究方法 用Adams軟件對(duì)重載夾持裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，模擬計(jì)算出夾持裝置在不同工況和工位下各鉸鏈的運(yùn)動(dòng)副反力變化情況，找出各運(yùn)動(dòng)副反力的方向出現(xiàn)無(wú)規(guī)律跳躍的位置和時(shí)段，分析經(jīng)典剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型存在缺陷。 通過(guò)運(yùn)動(dòng)副反力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，測(cè)量重載夾持裝置不同工況和工位下各運(yùn)動(dòng)副反力確定時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和順序，分析不確定的原因。 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，綜合應(yīng)用經(jīng)典的庫(kù)倫摩擦力模型、Newton-Euler法、關(guān)聯(lián)約束法等理論工具，研究各運(yùn)動(dòng)副反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性，找出運(yùn)動(dòng)副反力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的順應(yīng)性與確定的條件。（2）重載裝置完備剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)建模的研究方法在分析運(yùn)動(dòng)副反力不確定的基礎(chǔ)上，對(duì)重載夾持裝置各運(yùn)動(dòng)副的接觸摩擦狀態(tài)進(jìn)行判斷，用接觸力學(xué)和旋量理論分析機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，找到運(yùn)動(dòng)副反力的確定條件和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件，建立摩擦約束方程，從而與經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程組成考慮反作用力響應(yīng)盲區(qū)特性的完整剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型。（3）重載裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究方法以重載夾持裝置為研究對(duì)象，分析反作用力響應(yīng)盲區(qū)對(duì)重載機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件及摩擦約束條件（即力封閉性能）的影響，通過(guò)拓?fù)鋱D同構(gòu)變?cè)椒?，降低重載裝置整體轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的自由度，改善力封閉性能。采用拓?fù)溧徑泳仃嚱⒅剌d裝置整體轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一力學(xué)方程，并分析其力封閉性和承載能力。3.2 技術(shù)路線3.3 可行性分析（1）本項(xiàng)目提出的研究?jī)?nèi)容以已完成的國(guó)家973項(xiàng)目子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)策略”為研究基礎(chǔ)，通過(guò)研究反作用力響應(yīng)盲區(qū)對(duì)重載夾持裝置夾持穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為重載夾持裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和理論依據(jù)，具有較高的工程意義和現(xiàn)實(shí)意義。（2）本項(xiàng)目依托中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院鍛壓裝備與成形實(shí)驗(yàn)室開展研究，具有豐富的軟硬件資源，擁有Ansys，Labview，MATLAB,MS公司數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備，擁有鍛造夾持操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、夾持器與接觸力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、運(yùn)動(dòng)副反力測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及重載夾持操作系統(tǒng)性能評(píng)估數(shù)字仿真平臺(tái)，能夠滿足本課題所要求的綜合實(shí)驗(yàn)條件。綜上所述，本項(xiàng)目立足工程實(shí)際，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，以近幾年所取得的研究成果為指導(dǎo)開展研究，課題依托教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，硬件資源能夠滿足本課題的要求，項(xiàng)目組成員具有豐富的理論和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，因此本項(xiàng)目是可行的。4 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處（1）、首次運(yùn)用反作用力響應(yīng)盲區(qū)這個(gè)全新的概念研究系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的完整性。（2）、通過(guò)旋量理論和接觸力學(xué)描述機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，建立各運(yùn)動(dòng)副反力確定條件。（3）、建立集剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)與接觸力學(xué)于一體的機(jī)械系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型。5 年度研究計(jì)劃及預(yù)期研究成果（發(fā)表論文、申請(qǐng)專利等）1）年度研究計(jì)劃（1）、2011.62012.3 進(jìn)一步調(diào)研，詳細(xì)制定研究計(jì)劃；設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)副反力測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論研究初步分析在反作用力響應(yīng)盲區(qū)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)副反力響應(yīng)的順應(yīng)性和產(chǎn)生不確定的原因。用接觸力學(xué)和旋量理論描述機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，建立運(yùn)動(dòng)副反力的確定條件，完成新的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模。（2）、2012.32013.5 將新的重載裝置剛?cè)狍w動(dòng)力學(xué)模型首先推廣應(yīng)用到重載夾持裝置、型材軋機(jī)、采掘機(jī)械的動(dòng)態(tài)特性分析與研究中。ADMES編寫新的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，檢驗(yàn)新的動(dòng)力學(xué)模型的真實(shí)性。2）預(yù)期研究結(jié)果（1）、找出運(yùn)動(dòng)副反力在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變換規(guī)律，研究其順應(yīng)性和不確定性，建立在考慮運(yùn)動(dòng)副摩擦情況下的集剛體動(dòng)力學(xué)與接觸力學(xué)于一體的機(jī)械系統(tǒng)完備動(dòng)力學(xué)模型，研究一種新的解決動(dòng)力學(xué)方程奇異性的數(shù)值解法。（二） 研究基礎(chǔ)與工作條件1 工作基礎(chǔ)（相關(guān)的研究積累，已取得的相關(guān)學(xué)術(shù)成果）項(xiàng)目組成員跟隨機(jī)械工程研究生參加了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“巨型重載操作裝備的基礎(chǔ)學(xué)科問題”（項(xiàng)目編號(hào)：2006CB705400）中的子課題“大尺度重型構(gòu)件穩(wěn)定夾持原理與夾持系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)策略”（ 項(xiàng)目編號(hào)：2006CB705402）的基礎(chǔ)研究工作，并且對(duì)于機(jī)構(gòu)學(xué)，動(dòng)力學(xué)及ADAMS等的熟練應(yīng)用都可以本課題提供幫助。另外項(xiàng)目組成員及課題老師在重載夾持裝置夾持穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面擁有較為豐富的理論研究和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)。2 工作條件（包括已具備的實(shí)驗(yàn)條件，尚缺少的實(shí)驗(yàn)條件和擬解決的途徑，包括利用國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和部門重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研究基地的計(jì)劃與落實(shí)情況）機(jī)電工程學(xué)院是一所進(jìn)行現(xiàn)代機(jī)電工程及相關(guān)學(xué)科的科學(xué)技術(shù)研究和人才培養(yǎng)的綜合機(jī)構(gòu)，學(xué)院擁有機(jī)械設(shè)計(jì)及理論和機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化兩個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科。學(xué)院的鍛壓裝備與成形實(shí)驗(yàn)室可以為本項(xiàng)目的研究提供鍛造夾持操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、夾持器與接觸力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、運(yùn)動(dòng)副反力測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及重載夾持操作系統(tǒng)性能評(píng)估數(shù)字仿真平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介：1）、鍛造夾持操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自行研制鍛造夾持操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1