工程機械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性研究現(xiàn)狀與展望

■常明華 ■重慶交通建設(shè)(集團)有限責任公司，重慶 400060

1 前言

社會化大生產(chǎn)的發(fā)展必然要求生產(chǎn)規(guī)模擴大、自動化程度提高，作為物料搬運重要設(shè)備的各種工程機械臂在現(xiàn)代化建設(shè)、生產(chǎn)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用，同時激烈的國際、國內(nèi)市場競爭也越來越依賴于科學(xué)技術(shù)的競爭，這些都促使工程機械臂設(shè)計開發(fā)技術(shù)向大型化、高可靠性、高速化、自動化和智能化方向發(fā)展。工程機械臂的機械設(shè)計者面臨著新的、更嚴格的挑戰(zhàn)，其主要問題即為隨著機械臂機構(gòu)速度的提高，構(gòu)件柔度的加大，精度要求的增加，工程機械臂生產(chǎn)運行時將產(chǎn)生較大的慣性力，導(dǎo)致彈性部件的變形，當臂架機構(gòu)運動進入“高速”區(qū)域時，運動部件必須作柔性體假設(shè)，形成所謂的“柔性機構(gòu)”。此時，由于機構(gòu)部件間的剛體運動與其彈性變形賴合等問題，動力學(xué)模型將變得十分復(fù)雜，給實際問題的解決帶來很大的困難。事實上柔性體大范圍運動與其自身變形之間的復(fù)合動力學(xué)問題已是很普遍的難題，這方面的研究已成為該領(lǐng)域研究熱點之一。

2 多體系統(tǒng)動力學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

工程機械臂架系統(tǒng)屬于典型多體系統(tǒng)，首先介紹多體系統(tǒng)動力學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。多體系統(tǒng)的物理模型定義為由物體、鉸、力元和外力等要素組成且具有一定拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，多體系統(tǒng)動力學(xué)是研究多體系統(tǒng)運動規(guī)律的科學(xué)。多體系統(tǒng)動力學(xué)：包括多剛體系統(tǒng)動力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動力學(xué)。多體系統(tǒng)動力學(xué)研究內(nèi)容主要包括剛、柔體動力學(xué)建模理論及其計算方法、微分方程的數(shù)值求解、計算效率、機構(gòu)綜合分析、柔性效應(yīng)、控制理論、優(yōu)化方法、實時仿真虛擬樣機技術(shù)、并行計算和可靠性等。目前多體動力學(xué)巳形成了比較系統(tǒng)的分析和建模方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程為代表的分析力學(xué)的方法、以牛頓-歐拉方程為代表的矢量學(xué)方法、圖論方法、凱恩方法和變分方法等。對于多體系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。在剛體動力學(xué)方面：RBetsch對柔性多體動力學(xué)的DAE模型進行了研究；Rshi對柔性多體動力學(xué)問題的歐拉梁應(yīng)用作了研究國內(nèi)陸佑方等對多柔體系統(tǒng)動力學(xué)進行了系統(tǒng)深入研究郭大猛等利用機器人理論和拉格朗日方程建立了混凝土泵車柔性臂架的動力學(xué)微分方程，并充分考慮柔性廣義坐標的基礎(chǔ)上進行了逆動力學(xué)問題的求解金國光建立了帶有空間伸展機構(gòu)的復(fù)雜航天器的柔性多體動力學(xué)模型并進行了分析張緒平等基于柔性多體動力學(xué)的理論，綜合考慮空間機器人關(guān)節(jié)及柔性連桿的動力學(xué)，建立剛?cè)狁詈系目臻g機器人多體動力學(xué)模型；孫世基等建立了內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)的柔性多體動力學(xué)模型［1，2，3］。

3 國內(nèi)外工程機械臂主要研究方向及研究現(xiàn)狀

工程機械臂架系統(tǒng)是工程機械設(shè)計的關(guān)鍵部位，設(shè)計合理與否直接關(guān)系到整個工程機械的工作性能和生產(chǎn)作用的發(fā)揮。查閱國內(nèi)外的相關(guān)文獻，目前對于工程機械臂的研究大致分為以下幾個部分：

(1)工程機械臂系統(tǒng)的動力學(xué)微分方程的建模研究。工程機械臂架系統(tǒng)屬于典型的多體系統(tǒng)，釆用多體動力學(xué)的方法建模。多體動力學(xué)的常規(guī)建模方法主要有羅伯森-維滕伯格方法、牛頓-歐拉方法、拉格朗曰法、凱恩方法以及休斯敦法代表文獻：鄧子龍等基于Kane方程的Huston方法建立了液壓挖掘機機械臂多體動力學(xué)微分方程；于國飛等采用拉格朗日功能平衡法建立了液壓挖掘機機械臂多體動力學(xué)微分方程劉杰等釆用拉格朗曰方程和虛功原理建立混凝土系車臂架系統(tǒng)的柔性多體動力學(xué)方程。任會禮等建立了描泊起重船吊臂的動力學(xué)微分成并進行動力學(xué)特性求解。上述文獻釆用拉格朗曰方法在廣義坐標系中建立液壓挖掘機工作裝置機構(gòu)運動模型簡圖和鍋泊起重船機構(gòu)動力學(xué)模型簡圖的剛體動力學(xué)方程，并采用數(shù)值求解的方法進行求解，為分析工作裝置及回轉(zhuǎn)裝置力與運動之間關(guān)系、控制作業(yè)規(guī)劃和仿真提供了理論基礎(chǔ)。

(2)工程機械臂的動力學(xué)仿真研究。主要采用動力學(xué)分析軟件或數(shù)值求解的方法對機械臂進行仿真。張思奇等運用MATLAB軟件與ADAMS軟件對混凝土泵車臂架進行聯(lián)合仿真；周淑文采用ADAMS軟件與ANSYS軟件相結(jié)合對泵車臂架的瞬態(tài)動力學(xué)特性進行了研究；王欣等利用ADAMS軟件對履帶起重機臂架后傾動力學(xué)進行仿真。

4 結(jié)論

綜上所述，國內(nèi)外針對各種工程機械臂動力學(xué)及其動態(tài)性能，釆用各種現(xiàn)代設(shè)計方法在運動學(xué)及動力學(xué)建模、數(shù)值求解及仿真分析、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析技術(shù)、動力學(xué)智能控制、結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化技術(shù)等方面開展了許多研究并取得了卓有成效的成果，一定程度上提髙了工程機械臂架結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能，但仍存在如下不足：(1)結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究基本采用瞬時結(jié)構(gòu)假設(shè)，單獨考慮剛體運動，忽略彈性變形及剛?cè)岬満袭a(chǎn)生的非線性動力學(xué)效應(yīng)，對于液壓機械臂亦沒有同時考慮液壓敘的運動規(guī)律，因此不能精確描述機械臂運動學(xué)和動力學(xué)方程，相應(yīng)地，結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算和動力學(xué)響應(yīng)分析無法通過數(shù)值求解的方法實現(xiàn)；(2)數(shù)值求解及仿真分析沒有充分、綜合運用數(shù)字化設(shè)計手段對其進行全面分析，在數(shù)值求解方法及精度、剛?cè)狁詈蠙C構(gòu)聯(lián)合仿真、動態(tài)響應(yīng)分析等方面分析還很不完善，在軟件接口、數(shù)據(jù)傳遞、模型簡化、約束處理等還雖需改進。

［1］梁晶晶，李瑞琴，任家駿等.新型行星錐齒輪無級變速傳動機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.機械設(shè)計，2013，30(3)：49-52.

［2］賀孝梅，劉初升，張成勇.基于增廣拉格朗日乘子法的大型振動篩動態(tài)優(yōu)化設(shè)計［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，38(1)：80-82.

［3］王吉權(quán)，王福林，邱立春.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)機總動力預(yù)測［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(12)：121-126.

［4］唐文艷，顧元憲.遺傳算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的研究進展［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2002，32(1)：26-40.