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关键词： 工业机器人   机器人运动控制   倍福控制系统   组态软件HMI   系统实时性  

摘要： 随着机器人技术的发展,控制系统的开发需要适应机器人不断提升的各项性能指标。本文结合关节式机器人多自由度、高灵活性、强适应力等特点,对其控制系统的通用性和实时性开展研究,在满足基本功能的同时,拓展接口、集成组件,实现控制系统模块化设计和兼容功能,采用新方法补偿机器人的几何误差,围绕控制系统响应时间,实验探究了控制系统的实时性。主要研究包括: (1)对比机器人控制系统设计方案,结合关节式机器人运动特点,提出了基于倍福控制器CX5140搭载TwinCAT3软件平台的利用组态软件HMI人机交互的实时控制架构。完成了包括I/O模块和伺服设备等硬件设施的搭建,以VS+TwinCAT3.1软件构建了控制系统开发环境,并实现了软件和硬件之间局域网的链接和应用组件之间的ADS通讯。 (2)采用改进D-H法建立六自由度关节式机器人的运动学模型,并推导了正逆解。以模块化的思路研究了控制系统中参数的配置以及编程PLC功能块的实际应用,实现了关节式机器人零点标定、PTP运动、插补运动;利用C++模块添加不同类型的机器人模型,完成了控制系统的兼容性和通用性研究。 (3)基于组态软件TwinCATHMI开发设计控制系统人机交互界面。分析了界面功能和开发原理,重点对机器人3D实时监测界面展开研究,采用直线插补和圆弧插补运动完成对关节式机器人控制系统的测试,验证了控制系统的可靠性。 (4)提出了一种圆弧运动轨迹约束几何误差识别方法,通过对机器人几何误差补偿,提高了机器人的运动精度。对控制系统实时性进行理论分析,探究了系统响应时间和机器人末端速度反应时间恒定时,运动插值点个数的变化规律,确定了关节式机器人控制系统的响应时间可以通过运动插值点的个数被控制在固定值以内,验证了系统的实时性。

关键词： 空气静压主轴   回转误差   误差分离   机器视觉   轨迹追踪  

摘要： 主轴作为数控机床、加工中心等精密加工设备的核心部件之一,其回转精度严重影响着精密加工设备的工作精度。相关研究表明,加工精度要求越高,主轴回转误差影响的占比会越大。在当今高精度及微纳制造需求量剧增的趋势下,要有效提高加工精度,主轴回转误差的测量与补偿是必不可少的。然而,精密位移测试仪器或受测试现场环境限制而难以使用,或存在采集频率限制无法测量较高转速,亦或是设备本身成本高而难以在工业现场普及使用,都阻碍着主轴误差的测量应用,直接影响机床加工精度提升。同时主轴回转存在多自由度误差,对加工精度带来耦合影响,而当前对主轴多自由度误差检测的研究较少,是一个值得深入的研究课题。为此,本文提出一种基于轨迹追踪的主轴多自由度回转误差测量方法。该方法以工业场合常用的工业相机作为测量器件,工业相机成本低廉,对工作环境要求不严苛。该方法通过对靶标进行两次装夹就可以获得主轴的径向回转误差及倾角误差,操作简便,与误差分离方法相比,检测效率更高。工业相机配合亚像素图像处理,能够获得亚微米级的测量分辨力。 本文以工业相机与镜头构成视觉测量系统,配合靶标构建主轴多自由度回转误差测量系统,通过原理分析、模型建立和实验验证,重点研究基于机器视觉的主轴回转误差检测方法,并验证了该方法的可行性和有效性。 本文的主要研究工作包括: 1)充分了解主轴回转误差测量方法的演变与发展,分析了当前测量方法先进性与局限性,基于已有研究基础提出了一种可测量主轴径向回转误差与倾角误差的测量方案,分析了测量原理,并讨论了该方案的优势。 2)建立了基于轨迹追踪的主轴多自由度回转误差测量数学模型。基于机器视觉检测原理,分别对主轴径向回转误差与倾角误差检测建立了数学模型;并分析了其他因素对该方案的主轴多自由度回转误差测量带来的影响。 3)搭建主轴回转误差测量的实验系统,开展实验验证。基于轨迹追踪的测量原理,设计了靶标器;选取合适的工业相机及放大镜头作为实验的测量设备,共同搭建了主轴回转误差测量系统,对主轴回转误差进行测量,获得多组实验数据。 4)开展基于数理统计法的主轴回转误差验证实验,在同等条件下,对比两种方法的主轴回转误差数据,证明了本文所提测量方案的可行性及有效性。

关键词： 创客教育   六自由度机械臂   轨迹规划   改进遗传算法   参数无因次化  

摘要： 伴随着我国创新驱动战略的发展,各个领域对人才的需求越来越多,促使国家更加重视青少年创新能力的培养,促进了创客教育的蓬勃发展。而创客教育高质量的发展对教学设备的层次、质量和数量要求越来越高。同时,在中国制造2025战略方针的指导下,计算机技术和芯片技术高速发展,机械臂已经进入了人们生产和生活领域,大量的应用在工业生产、勘探救援、医疗保健、物流服务、家庭娱乐等场合。为适应创客教育机器人项目培训的要求,开发低成本、高质量的机械臂教育资源,本文设计了一种面向创客教育的六自由度桌面型机械臂。 文中完成了机械臂的结构设计,进行了正、逆运动学分析,利用D-H参数法推导了机械臂的运动学方程,建立了连杆坐标系,构建D-H参数表,建立了机械臂末端相对于基座的齐次变换矩阵。并采用代数法进行逆运动学分析,讨论了多组解对应的位形,并给出建议解。进一步推导了雅可比矩阵,分析了机械臂的三种奇异位形。采用蒙特卡洛法进行分析了机械臂的可达工作空间。利用MATLAB的机器人工具箱中建立仿真模型,验证了正逆运动学计算结果,并用点状图显示了可达工作空间。设计适用于创客教育的六轴机械臂,对结构进行设计和硬件电路和软件编程。 为了减少机械臂运动过程中的冲击和振动,实现运动轨迹的平滑,针对点到点的运动进行了轨迹规划。在关节空间进行了多项式插值轨迹分析,利用边界条件获得三次多项式和三次B样条轨迹曲线方程。针对有中间路径点的情况,利用3-5-3多项式曲线差值进行了轨迹规划,并利用遗传算法和粒子群算法理,在最大速度和加速度约束条件下以时间最短作为目标函数进行优化,获得时间最短的轨迹曲线。 针对关节空间中机械臂在点到点的运动时计算量较大的问题,提出将运动规律无因次化,获得不同运动规律的最大速度和加速度等参数,根据最大速度和加速约束,快速计算轨迹时间。在一个插补周期内所有关节轴的位移、速度等参数采用同一计算公式,减少因关节轴数的增加带来的轨迹运算量成倍的增长问题,减小计算量。 机械臂的硬件采用STM32F407VET6单片机作为控制器,设计了步进电机驱动、矩阵按键、LCD显示器的硬件电路,并进行了软件编程。经实验验证,所设计的机械臂建模及运动学求解准确无误,运动轨迹快速平稳,满足创客教育在教学过程的要求。

关键词： 边线型光滑有限元法   剪切稀化   涡激振动   广义牛顿流体  

摘要： 剪切稀化是重要的一类广义牛顿流体行为，在生物医药、食品化工等领域已有广泛应用。剪切稀化流体激励下的单圆柱单自由度涡激振动已有诸多研究，但鲜有涉及剪切稀化流体作用下两自由度圆柱涡激振动现象。该文选用Carreau-Yasuda本构模型，运用边线型光滑有限元法（Edge-based Smoothed Finite Element Method,ES-FEM）研究剪切稀化行为对单圆柱两自由度涡激振动特性的影响。研究发现：低时间常数下，随着折合流速Ur增加，剪切稀化流体中的圆柱振荡将加快趋于稳定，但随时间常数增加，加速效应减弱。在不同时间常数下，圆柱质心均呈经典“8”字型自限振荡，且高时间常数下轨迹杂乱。在Ur=6条件下，对两自由度下不同时间常数的圆柱尾涡模式进行模拟，模拟结果显示：0.8≤Cu≤80时捕捉到2S尾涡；80≤Cu≤160范围内则为2P模式。在不同时间常数区间释放流向自由度后发现，不同时间常数下，流体对剪切速率变化敏感性不同，高时间常数区间内流向自由度对尾流区黏度场有明显扰动。该研究结果将为广义牛顿流体作用下的钝体振动抑制及能量收集提供借鉴。

关键词： Reynolds number  

摘要： Vortex-induced vibration of hydrofoils is concerned with structural safety and noise level in hydraulic machinery and marine engineering. The research on vibration characteristics under different operating conditions is significant. In this study, numerical simulations are conducted to investigate the vortex-induced vibration responses of an elastically suspended hydrofoil with blunt trailing edge in pitch direction. The work studies the effects of four parameters, namely the structural natural frequency, mass ratio, initial attack angle, and Reynolds number on vibration characteristics, with special emphasis on frequency lock-in. Results indicate that as the structural natural frequency changes, the vibration amplitude may increase substantially within a certain frequency range, in which the vortex shedding frequency locks into the structural natural frequency, and frequency lock-in occurs. In addition, with increasing the mass ratio, the frequency range of lock-in becomes narrower, and both the upper and lower thresholds decrease. As the initial attack angle increases from 0° to 6°, the lock-in range gets reduced. Over the three Reynolds numbers (6 × 105, 9 × 105, and 12 × 105), the lock-in range remains virtually unchanged. Moreover, for a certain structural natural frequency, modifying the mass ratio, initial attack angle, and Reynolds number could effectively suppress the vibration amplitude. © 2023, Shanghai Jiao Tong University.

关键词： 不连续动力系统   弹性碰撞   流障碍   流转换   滑模运动  

摘要： 随着机械制造设计和加工技术的不断发展,具有摩擦和间隙的碰撞振动系统在机械工程领域中得到了广泛地应用.摩擦和碰撞这些非光滑因素使得机械振动系统的动力学行为变得非常复杂,甚至会改变系统的拓扑结构.许多学者对非光滑机械系统的动力学行为进行研究,为机械设备的参数设计和寿命的延长提供专业的理论支持. 本文以不连续动力系统的流转换理论为基础,研究了一类具有间隙和弹性约束的3-DOF（三自由度）摩擦振动系统的不连续动力学行为.在3-DOF系统的物理模型中,物体所受到的外部激励含有负反馈力,使系统能够适应不同的工作环境.由于物体运动时的动摩擦力和静摩擦力不相等,将会导致系统产生流障碍,使整个系统的动力学行为分析更加复杂.考虑到摩擦和弹性碰撞会导致系统产生不连续性,因此在相空间中对物体运动的不同区域和边界进行划分,并使用绝对坐标系来研究每个物体的独立动力学行为.基于流转换理论中的低阶和高阶函数,探究了该动力系统在分离边界运动切换的充要条件.为了更清晰地描绘系统的复杂动力学,对系统中几种典型运动进行了数值模拟,例如穿越运动、擦边运动、滑模运动、粘合运动和周期运动.最后,研究了振荡器的滑模分叉情况.本文研究结果为弹簧式摇床等机械设备的参数设计及优化提供了一定的理论参考.以下是本文的主要内容. 第一章,对具有摩擦和碰撞的动力系统的研究背景、意义及现状进行了概括.此外,还介绍了不连续系统中流转换理论的相关定义,呈现了物体在不连续边界上如何进行运动切换的有关定理. 第二章,描述了具有间隙和弹性约束的三自由度摩擦振动系统的物理模型,并给出了系统具有的运动状态及描述物体运动的方程.由于摩擦和碰撞这两个非光滑因素造成了系统的不连续性,因此利用绝对坐标系在相空间中对物体运动的区域和边界进行划分,同时阐述了物体矢量形式的运动方程.基于不连续动力系统的流转换理论,利用不连续边界上的函数以定理的形式阐明了三个物体在不同的分离边界上进行运动切换的解析条件.之后,引入了物体的转换集,并在此基础上给出了六维映射结构,通过观察映射结构的形态,更清楚地揭示系统的周期性行为.最后,使用MATLAB软件给出物体在分离边界上进行穿越运动、擦边运动、滑模运动、粘合运动以及周期运动的数值模拟,这为系统在分离边界上运动切换行为提供了直观的描述.此外,展示了物体M随着不同激励频率和振幅而变化的滑模分叉图. 第三章,对本文的研究内容进行总结,并展望未来的研究方向.