多功能机器手的数学模型与分析Word文档下载推荐.docx
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三是有利于产业技术的更新换代,实现跨越发展。
四是具备较好的人才队伍和研究开发基础。
根据以上原则,要超前部署一批前沿技术,发挥科技引领未来发展的先导作用,提高我国高技术的研究开发能力和产业的国际竞争力。
我国已把装备制造业作为当前最紧迫行业,面对各方面的挑战,装备制造业已不能与当前我国的发展水平同步了。
而机械手是集各项技术于一身的工业机器,它包含控制技术、新材料、传感与检测、电子信息与传输等。
我国重点发展的与机械手相关项目:
(1)传感器网络及智能信息处理重点开发多种新型传感器及先进条码自动识别、射频标签、基于多种传感信息的智能化信息处理技术,发展低成本的传感器网络和实时信息处理系统,提供更方便、功能更强大的信息服务平台和环境。
(2)重大生产事故预警与救援重点研究开发矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术,开发燃烧、爆炸、毒物泄漏等重大工业事故防控与救援技术及相关设备。
(3)智能感知技术重点研究基于生物特征、以自然语言和动态图像的理解为基础的“以人为中心”的智能信息处理和控制技术,中文信息处理;
研究生物特征识别、智能交通等相关领域的系统技术。
(4)新材料技术新材料技术将向材料的结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化发展。
突破现代材料设计、评价、表征与先进制备加工技术,在纳米科学研究的基础上发展纳米材料与器件,开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料,开发超级结构材料、新一代光电信息材料等。
(5)先进制造技术先进制造技术将向信息化、极限化和绿色化的方向发展,成为未来制造业赖以生存的基础和可持续发展的关键。
重点突破极端制造、系统集成和协同技术、智能制造与应用技术、成套装备与系统的设计验证技术、基于高可靠性的大型复杂系统和装备的系统设计技术。
(6)智能服务机器人智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。
以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点,研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。
所有这些前沿技术,发挥科技引领未来发展的先导作用,提高我国高技术的研究开发能力和产业的国际竞争力。
1.2可编程控制器的特点与应用PLC能适应工业现场的恶劣环境,可靠性高。
在工业生产中一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力。
而PLC在这方面有独到之处:
硬件上采用光电隔离装置以防止输出对输入的反馈干扰;
采用屏蔽措施以防止空间的电磁干扰;
设置滤波环节,以消除外部干扰和各模块之间的干扰影响;
采用连锁及互锁控制、自诊断电路和模块式结构等措施,以提高硬件的可靠性及模块的互换性;
在软件上采用了故障自检测、自诊断等措施。
由于PLC具有一系列优点,工业控制中广泛用于以下三种控制:
(1)开关量顺序、逻辑控制:
即代替继电器控制系统,如冶金行业中的高炉上料系统,轧钢机、连铸机、费剪等控制系统;
机械行业各种自动生产线、自动加工机床、机械手、龙门铣床等控制;
轻工业中的注塑机、包装机、食品加工机械等。
(2)模拟量控制:
如温度、压力、流量等;
(3)数据采集、分析处理:
如控制中的数据采集、算术运算、函数运算、逻辑运算、数据传输、转换、排序和查表等操作。
1.3机械手的发展与应用目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手,逐步扩大应用范围,以减轻劳动强度,改善作业条件。
在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。
将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及用于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不同的典型部件,即可组成不同用途的机械手,即便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。
同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊、喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作,有些还具备有传感反馈能力,能应付外界的变化。
如果机械手发生某些偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损坏,但若有了传感反馈自动,机械手就可以根据反馈自行调整。
1.4本课题研究意义,研究现状、水平和发展趋势随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。
这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。
对于机械手的研究国内外的水平不一,但代表当今最先进的技术在日本,他的自动化,人性化令人叹为观止,这些技术依赖于控制理论、新材料科学,它是融合各种尖端技术的现代机器。
我国也陆续在工业中有所应用,对于自动控制,柔性制造系统中应用更为广泛,但我国的自动化水平有待提高,只相当于世界先进技术在八十年代的水平。
随着工业现代化的发展,机械手技术也随之提高,发展的趋势是工作强度高,灵活性强,准确可靠,可以自动检测并下达动作命令,融入先进的人工智能,使人只作平时的简单的维护,这也是现代工厂的发展趋势。
机器手能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
机械手是最早出现的工业机器人,也是最早出现的现代机器人,它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
随着网络技巧的发展,机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。
工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术领域内,迅速发展起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用。
我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一,年需求量在不断的加大。
我国塑料机械产业的高速发展主要有以下两个大因素:
一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰;
二是海内塑料加工产业的高速发展,对塑料机械的需求旺盛。
二、柔性机械臂协调操作柔性负载2.1.建模方法1)假设模态法假设模态法是利用有限个已知模态函数来确定系数的运动规律。
连续系统的解可写作全部模态函数的线性组合,若取前n个有限项作为近似解,则有其中,1,2,iqtin为广义坐标,,1,2,ixin应该为系统的实际模态函数,但计算时常近似地代以假设模态,也就是满足部分或者全部边界条件,但不一定满足动力学方程的试函数族。
采用以广义坐标表示的功和能来描述系统的动态性能,所有不做功的力和约束力在这种方法中均不出现,因此最后得到的方程是封闭形式的表达式,提供了关节力矩和关节运动之间的明显解析关系。
同时,柔性机械臂由于连杆柔性会在工作过程中产生扭曲变形、轴向变形、和剪切变形,但考虑到机器人连杆的长度总比其截面线径大的多,运行过程中所产生的轴向变形和剪切变形相对于扭曲变形而言非常小。
因而在系统的动力学建模过程中通常可以忽略轴向变形和剪切变形的影响,将每个柔性连杆简化为Euler一Bemuolii梁来处理。
此时,在拉格朗日方程的基础上,采用假设模态法来描述弹性连杆的变形,该方法具有计算量相对少,方法简单,具有系统性和效率高的特点。
即将弹性连杆的高阶模态忽略不计,可以得到离散化的维数较低的动力学方程,进而有利于系统的动力学分析和控制器设计。
2)有限元法有限元法是一种以计算机辅助分析为手段的,全新的结构分析方法。
在利用有限元法进行建模的过程中,柔性物体被离散化为若干个弹性体单元,而这些弹性体单元在边界点(结点)处相互连接,从而组成整个柔性物体,各个弹性体单元的分布质量可以按照一定的格式集中到各自的结点上。
对于每一个弹性体单元,其在物体坐标系内的挠度和转角,可以用结点位移的插值函数来表示,而插值函数实质上就是一种假定振型,这样,整个柔性物体的振动状态就可以用这些节点位移来表示,这里的节点位移并不是对整个结构或某个子结构所取的假定振型,而是具备简单物理意义的参数。
利用有限元法进行数学建模,所得到的数学模型的广义坐标不但维数有限,而且物理意义明确,这就使得获取某些参数不必经过复杂的数值运算而可以直接通过测量得到。
从弹性体单元的选择到整个柔性物体运动方程的建立都有统一的方法,这就使得有限元法的相关数值运算可以利用计算机来完成。
利用有限元法建立起来的柔性物体模型设计控制器时,不必考虑很多近似因素,可以更加准确的设计控制器。
3)分布参数法柔性机械臂分布参数模型的建立,主要利用哈密顿原理,由此得到的是一组复杂的高度非线性的常微分偏微分耦合方程组,而考虑到在小的挠曲变形的假设下,可以得到一个相对简单的分布参数模型。
哈密顿原理是柔性臂系统分布参数模型动力学建模的理论基础,由哈密顿原理建模的步骤大致是:
建立系统的动能、势能和虚功表达式;
对系统的变分积分方程进行必要的推导和整理。
该方法以能量方式建模,可以避免方程中出现内力项,适用于比较简单的柔性体动力学方程。
而对于复杂的结构,函数的变分运算将变得非常繁琐。
但是变分原理又有其特点,由于它是将系统真实运动应满足的条件表示为某个函数或泛函的极值条件,并利用此条件确定系统的运动。
因此这种方法可结合控制系统的优化进行综合分析,便于动力学分析向控制模型的转化。
2.2.控制方法1)奇异摄动法奇异摄动方法的思想是首先忽略快变量以降低系统阶数,然后通过引入边界层校正来提高近似程度。
这两个降阶的系统就可以用来近似原系统的动力学行为,这实际上相当于在两个时间尺度范围内分别独立完成设计任务。
对动态系统来说,这种分解实际上就是一种时标的分解。
利用奇异摄动方法,柔性机械臂的动力学模型被分解为两个子系统,慢变子系统表征大范围运动的刚性系统,快变子系统则表征弹性连杆的小幅振动,从而实现了柔性臂协调运动系统中的快、慢变量的解祸,以便于简化控制器设计。
2)自适应控制自适应控制能通过测取过程状态的连续信息,自动调节控制器参数以适应环境条件或过程参数的变化,使系统获得较强的鲁棒性,维持控制系统所要求的性能准则。
2.3.振动抑制
(1)被动控制被动控制是一种没有外部能源的振动控制方法。
被动控制的主要措施有:
吸振,通过在主系统上加子系统来实现能量的重新分配;
隔振,它通过采用附加的隔
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- 多功能 机器 数学模型 分析