孫強

摘要：如今隨著科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，使得各類機械產(chǎn)品的性能、精確度以及使用壽命等方面都有了十分顯著的提升，這些內(nèi)容也正是加強機械產(chǎn)品設(shè)計的主要部分。而工程機械臂是各種工程機械設(shè)施最為主要的部件之一，是充分展現(xiàn)工程機械動力學(xué)性能的基礎(chǔ)，能夠有效的提高工程機械的質(zhì)量、運行效率以及安全，對工程機械的準確程度方面有著重要的影響，所以本文就對其進行了研究。

關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品;機械設(shè)施;運行效率

1? 總體的研究現(xiàn)狀

1.1 多體系統(tǒng)動力學(xué)的整體研究現(xiàn)狀

一般來說，工程機械臂是一套多體系統(tǒng)，且具有典型的特征，多體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)界定較繁瑣，是由物體、鉸、外力等部件所構(gòu)成的，同時存在拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。通常多體系統(tǒng)的動力學(xué)是研究規(guī)律的科學(xué)，主要研究的是多體系統(tǒng)運動規(guī)律，其中還可以劃分更多的層次，主要包括：多剛體系統(tǒng)動力學(xué)以及多柔體系統(tǒng)動力學(xué)，其中這兩者的關(guān)系我們可以用圖1來體現(xiàn)。而研究的內(nèi)容為剛體、柔體系統(tǒng)動力學(xué)模型的理論、計算、微分方程、機構(gòu)綜合探究、柔性效應(yīng)、優(yōu)化措施以及結(jié)果可靠程度等等?，F(xiàn)階段的多體系統(tǒng)動力學(xué)已經(jīng)有了較為全面的分析方法，其中最為普遍的方法有：拉格朗日方程分析法、牛頓歐拉方程矢量學(xué)法、圖論法以及變分法等。

1.2 工程機械臂的研究內(nèi)容及其現(xiàn)狀

工程機械臂的部位是整個工程機械設(shè)施最為主要的部分之一，對它的設(shè)計方面會影響到整個工程機械的運行情況、性能以及生產(chǎn)效率等。如今對工程機械臂的研究內(nèi)容主要包括以下幾方面：

①工程機械臂的系統(tǒng)動力學(xué)微分方程研究。因為多體動力學(xué)常見的建模方法為羅伯森維滕伯格法、牛頓歐拉法、拉格朗日法以及休斯敦法等等，所以對于機械臂多體動力學(xué)的微分方程正是建立在這些方法之上的。

②機械臂的動力學(xué)仿真研究。此方法主要是通過力學(xué)的分析軟件對機械臂的系統(tǒng)展開了仿真處理，得出受力情況的仿真曲線，給工程機械裝置動力學(xué)的性能研究帶來根據(jù)。

③工程機械臂的模型研究和動態(tài)優(yōu)化。機械的結(jié)構(gòu)性可以用相關(guān)模型指標來表示，主要是通過結(jié)構(gòu)的振動模型指標來表示，其中模型的參數(shù)包括許多項目，主要包括：振動頻率、阻尼和振型，通過這些指標就能夠判斷出機械結(jié)構(gòu)特性的好壞。經(jīng)過對指標的具體分析，我們可知機械臂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有固定的頻率和振型。經(jīng)過對工程機械臂的模型研究和動態(tài)優(yōu)化，可以有效的提升工程機械臂的系統(tǒng)運行效率和質(zhì)量。從工程機械臂的角度上看，探究其結(jié)構(gòu)并優(yōu)化對設(shè)計方面來講會更有效果。對動態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要目的就是為了確保機械臂的框架更加優(yōu)化，增強機械裝置的運行效率以及穩(wěn)定性。

④工程機械臂的系統(tǒng)軌跡策劃和優(yōu)化。軌跡策劃就是指找出機械臂的端點和每個臂桿轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，通過優(yōu)化與控制相結(jié)合的辦法，找出臂桿的運動軌跡。因為柔性臂的結(jié)構(gòu)框架比較有彈性，在運動時其末端會發(fā)生抖動，因此應(yīng)該采取有效的控制方法來得出準確的運動軌跡。

2? 工程機械臂動力學(xué)性能智能控制

工程機械臂的系統(tǒng)比較復(fù)雜，它的屬性是非線性的，屬于多變量系統(tǒng)，其具有高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性以及強耦合等特性，所以如果將其作為控制對象，就必須采取科學(xué)、合理的控制方法，才能有效的對其性能進行研究。重點應(yīng)對工程機械臂的動態(tài)性能進行研究，例如運行的速度、振型、頻率以及運動軌跡等?，F(xiàn)階段工程機械臂的運動軌跡控制越來越受到人們的關(guān)注，并逐漸成為了熱門內(nèi)容，正因為工程機械臂的不斷應(yīng)用，因此大量的學(xué)者和專家紛紛對工程機械臂進行探究，他們一般采用不同的控制理論來探索，與此同時也提出了相應(yīng)的控制方法，當前控制方法有許多，主要包括：魯棒控制、自適應(yīng)控制等等等，這些方法在特定的情境下都有一定的成效。這里面需要提到的是PID控制器，PID控制具有許多優(yōu)勢，它的結(jié)構(gòu)非常簡單，是日常應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，它的應(yīng)用也非常廣泛，許多大型企業(yè)都在應(yīng)用，其原理圖為圖2。

3? 工程機械臂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及過程

對工程機械臂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究是現(xiàn)階段的重點內(nèi)容之一，對工程機械臂的合理化設(shè)計能夠有效的提高機械裝置的強度，減少損壞和傷害，不過靜態(tài)的優(yōu)化措施已無法滿足現(xiàn)代化的要求，所以必須采取動態(tài)的優(yōu)化方法來增強機械設(shè)備的強度和設(shè)計。動態(tài)的優(yōu)化方法是在靜態(tài)的優(yōu)化方法之上形成的，經(jīng)過對機械部件中相關(guān)參數(shù)以及分布情況進行調(diào)整，以提高部件的動態(tài)性能。如今是科技化的時代，越來越多的機械設(shè)備被大量的使用，因此對其性能、結(jié)構(gòu)以及設(shè)計等方面的優(yōu)化更加受到了人們的重視。

3.1 機械臂動力學(xué)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化的實現(xiàn)過程

對機械臂動力學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究中最常用的方法就是有限元法。通常機械臂的結(jié)構(gòu)是由板、桿等部件組成的，通過有限元法能夠準確的構(gòu)造出實際的機械裝置，有很高的精確性。有限元法的優(yōu)化機理主要以變量分析為主，通過變量分析來了解機械的結(jié)構(gòu)，其主要是建立于高靈敏性分析以及級數(shù)展開式的基礎(chǔ)之上，類似于重分析法。變量分析的主要流程是：當設(shè)計參數(shù)在規(guī)定的范圍當中出現(xiàn)變化時，探究機械裝置的固有頻率以及動剛度等動態(tài)性能的變化，先制定出目標函數(shù)、設(shè)計變量以及狀態(tài)函數(shù)，然后求解，最后改善機械裝置的薄弱之處，增強機器的動態(tài)性能。圖3就是結(jié)構(gòu)變量化動態(tài)設(shè)計的流程。

對機械系統(tǒng)建設(shè)有限元模型，通過動力縮減工藝得出結(jié)構(gòu)動力學(xué)的有限元方程為：

其中，M表示構(gòu)件總質(zhì)量矩陣，K表示構(gòu)件總剛度矩陣，C表示構(gòu)件總阻尼矩陣

X1i為強迫運動速度，X2i為強迫運動加速度，fi為主動力，Rs為反作用力，i為約束自由度，s為未約束自由度。

通過上述公式我們能夠得出結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的固有頻率、振型等，主要是通過位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變等指標得到。研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和振型是動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的基本，通過此機械模型能夠有效的發(fā)現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的模態(tài)頻率，并可將其作為動態(tài)優(yōu)化的主要目標函數(shù)。

3.2 工作裝置有限元建模

我們在UR里模擬出了某機械裝置的三維模型，同時將一些影響非常小的因素除掉，如螺紋孔、圓角以及倒角等微小的影響因素，然后在NASTRAN當中設(shè)置出各項變量的屬性，其中材料的彈性模量設(shè)置為2*1011MPa、泊松比為0.3、密度為7800kg/m3、重力加速度為9.8m/s2。其次將工作裝置劃分成網(wǎng)格，主要的劃分方法為自由網(wǎng)格劃分法和四節(jié)點四面體實體單元劃分法，可將工作裝置劃分成119584個單元和57126個節(jié)點。工作裝置借助銷軸把每個部件相連接，銷軸鉸接的具體處理形式為：除去銷軸，在銷軸的中心銷處設(shè)置外部的節(jié)點，將其與銷軸孔的內(nèi)表面之間通過單元形成剛性的區(qū)域，制約徑向自由度，留置切向自由度。

算出機械臂裝置的固有頻率和振型是研究機械系統(tǒng)動態(tài)特性的主要部分。因此可以采用模態(tài)分析來算出機械臂裝置的固有頻率以及振型，其中模態(tài)分析的內(nèi)容包括兩部分，分別為：自由模態(tài)和約束模態(tài)，在進行模態(tài)分析時只需對幾種較為典型的工況實施探究即可。在研究時應(yīng)將工作裝置、回轉(zhuǎn)平臺以及動臂油缸作為一個整體，保持不變。具體的結(jié)果詳見表1。

通過模態(tài)分析的結(jié)果我們能夠發(fā)現(xiàn)，對此工作裝置頻率的影響主要是在前幾階上，而且前階的固有頻率都在之中，所以分析工作裝置模態(tài)時，應(yīng)對前階頻率展開探究。

3.3 通過有限元軟件分析工作裝置結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化

NASTRAN有極強的優(yōu)化設(shè)計性能，能夠?qū)o力、模態(tài)、頻率以及振型實施優(yōu)化。在優(yōu)化的過程當中，其允許有限元軟件實施多個響應(yīng)來優(yōu)化目標函數(shù)，具體的指標有速度、位移、加速度、應(yīng)力、頻率、體積和它們的組合等等，設(shè)置的變量約束可為1D、2D、3D以及模型約束等。

以第2階固有頻率f2最大作為動態(tài)優(yōu)化目標，即

min F（X）=1/f2

其為最大化臂架的彎曲剛度。

依照此優(yōu)化模型，通過有限元軟件NASTRAN的優(yōu)化部分，設(shè)計目標函數(shù)、相關(guān)變量以及約束條件等得出結(jié)果，詳見表2。

經(jīng)過圖表當中的數(shù)據(jù)以及結(jié)果對比我們能夠發(fā)現(xiàn)：①對工作裝置動態(tài)性能影響最大的為第2階，頻率升高了24.42%，彎曲剛度顯著減少。②優(yōu)化以后使得機械臂的重量減少了240.602kg，鋼材與原來比節(jié)省了12.9%，顯著減輕了機械臂的重量，使得改善后機械臂變得更為靈活。③機械臂的動應(yīng)力比原來降低了166.37MPa，同時靜、動應(yīng)力差從83.059MPa變?yōu)榱?0.054MPa。由此可見，動態(tài)優(yōu)化能夠有效的增強機械臂的動態(tài)性能以及抗疲勞性能。④優(yōu)化之后機械臂的水平靜位移比之前的降低了32.7%，最大動位移減少為15.68mm，使得靜、動態(tài)性能都顯著的增大了。（圖4）

4? 總結(jié)

總之，工程機械臂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對工程機械裝置的動力學(xué)性能有著嚴重的影響，不僅能提高工程機械的整體性能，而且還能有效的增強工程機械的運行安全、施工進度以及工作效率，所以對其進行探究是很有必要的。

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