機械工程設(shè)計

4自由度混聯(lián)機器人靜剛度分析

汪滿新，王攀峰，宋軼民，等

摘要：目的：本文研究一種新型混聯(lián)機器人模塊-Bicept的半解析剛度建模方法。該模塊由一含恰約束支鏈的 2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)和一與動平臺末端串接的2自由度轉(zhuǎn)頭構(gòu)成，是Tricept機器人的一種二維形式，具有制造成本低，工作空間大的特點，配以長行程導軌，可用于飛機壁板數(shù)字化自動制孔等場合。本文旨在揭示Bicept機器人末端剛度在工作空間中隨位形變化的規(guī)律，為這種機器人的詳細機械設(shè)計提供理論依據(jù)。方法：在2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)由機架、動平臺及與之相連的3條支鏈組成。其中2條對稱的 RPR主動支鏈的兩端分別與動平臺和機架通過回轉(zhuǎn)副相連，而恰約束RP支鏈一端與動平臺固接，另一端亦與機架通過回轉(zhuǎn)副連接。為了獲得結(jié)構(gòu)緊湊、剛度質(zhì)量比高的機器人機構(gòu)，將主動RPR支鏈截面設(shè)計成內(nèi)含筋板的中空細長矩形，以有效提高垂直于運動平面的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度；又將恰約束 RP支鏈的截面設(shè)計成內(nèi)部嵌入筋板的中空正方形，以提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。在位置逆解和幾何變形分析方面，首先利用矢量法建立了2自由度平面并聯(lián)機構(gòu)位置逆解模型，在此基礎(chǔ)上，通過對位置矢量方程取一階攝動，并利用運動副約束條件構(gòu)造出驅(qū)動和約束雅可比矩陣，二者構(gòu)成全雅可比矩陣，可表征 RP支鏈末端變形與各支鏈變形間的映射關(guān)系。在靜剛度建模方面，將RPR支鏈視為二力桿，故其僅承受軸向力，根據(jù)RPR支鏈的具體機械結(jié)構(gòu)將其抽象成等效的彈簧系統(tǒng)，據(jù)此構(gòu)造出支鏈的驅(qū)動剛度模型；考慮系統(tǒng)變形協(xié)調(diào)條件，利用能量等效原理和靜態(tài)凝聚技術(shù)構(gòu)造出 RP支鏈約束剛度模型；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合全雅可比矩陣建立了Bicept機器人的靜剛度模型。在算例驗證方面，通過算例獲得Bicept機器人面內(nèi)靜剛度在工作空間中的分布規(guī)律，通過Ansys有限元分析軟件驗證了計算結(jié)果的正確性。結(jié)果：在靜剛度建模方面：完成了恰約束支鏈彎曲剛度的精確建模，基于全變形雅可比矩陣建立了機構(gòu)的靜剛度半解析模型，所建模型考慮了所有支鏈構(gòu)件及鉸鏈的彈性貢獻。在工程算例方面：該機構(gòu)在沿軸方向具有較大的剛性，該性能正好與飛機臂板鉆鉚加工需要沿軸方向較大的剛度相吻合。對比分別采用半解析法與有限元計算得到的剛度數(shù)據(jù)，兩種模型的計算結(jié)果非常接近，從而可驗證本文提出的靜剛度半解析模型是正確有效的。結(jié)論：本文采用靜態(tài)凝聚手續(xù)并借助變形協(xié)調(diào)條件，建立了恰約束支鏈彎曲剛度矩陣?；谌冃窝趴吮染仃?，在建立各驅(qū)動構(gòu)件及約束支鏈剛度模型的基礎(chǔ)上，借助虛功原理構(gòu)造出Bicept機器人RP支鏈末端的靜剛度模型。所構(gòu)造的剛度矩陣，具有列式簡潔、通用性強、物理意義明確的優(yōu)點。工程算例與有限元計算結(jié)果表明該模型正確有效，可用于指導機械結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計。

來源出版物：機械工程學報, 2011, 47(15)：9-16

入選年份：2016

動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性

李哲，韓雪冰，盧蘭光，等

摘要：本文研究驅(qū)動用磷酸鐵鋰電池的主要特性與環(huán)境溫度的關(guān)系。電池容量、內(nèi)阻和荷電狀態(tài)—開路電壓（SOC-OCV）曲線是反映電池基本性能的重要特性指標，直接參與電池管理系統(tǒng)設(shè)計。具體的，電池容量大小的變化規(guī)律影響電池的壽命管理和SOC估算；電池內(nèi)阻的數(shù)值影響動力電池的功率特性，也影響電池熱管理系統(tǒng)對電池產(chǎn)熱量的分析；而電池的SOC-OCV曲線可以用于電池SOC的校準，該校準對提高電池SOC估算的準確性具有重要意義。本文以3.2 V/11 Ah磷酸鐵鋰動力電池單體（天津產(chǎn)）為試驗對象，采用牌電池試驗臺（德國產(chǎn)）和某國產(chǎn)高低溫試驗箱，在較寬的溫度范圍內(nèi)進行了多個不同環(huán)境溫度點下電池的以上3項性能試驗，研究了不同環(huán)境溫度下電池的容量、瞬態(tài)直流內(nèi)阻和開路電壓的變化規(guī)律。其中，進行電池容量實驗前先將電池充滿，充電方法為，室溫下，將電池以 1/3 C恒流充電至電壓到達3.65 V，改為恒壓充電直至電流下降到1 A，停止充電，而后在對應設(shè)置溫度靜置1 h，電池容量以1/3C倍率、截止電壓2 V的恒流放電容量為準，溫度分別設(shè)置為－40℃、－20℃、0℃、30℃、50℃、60℃；獲取瞬態(tài)直流內(nèi)阻的方法是多個SOC點下的電流階躍法，并將直流內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩部分，歐姆內(nèi)阻通過階躍瞬間讀取的電壓變化量計算，而計算極化內(nèi)阻所使用的特征時間為10 s，溫度分別設(shè)置為10℃，25℃和40℃；SOC-OCV曲線的測量可以在上述內(nèi)阻測量實驗過程中同時開展，溫度設(shè)置同上。本文研究的主要結(jié)論包括，（1）動力型磷酸鐵鋰電池的容量隨溫度降低而下降，且下降速率不斷增大，符合近似的指數(shù)規(guī)律，－40℃時電池的容量僅為標稱值的1/3；（2）隨溫度上升，充電和放電過程的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻均下降，溫度不同時電池的歐姆內(nèi)阻變化率高于極化內(nèi)阻變化率，低溫下歐姆內(nèi)阻的變化率大于高溫下的變化率；（3）磷酸鐵鋰電池的SOC-OCV曲線在寬廣的中段SOC范圍內(nèi)上升緩慢，曲線非常平坦；電池的SOC-OCV曲線在不同溫度下的差異較小，隨溫度下降，SOC-OCV曲線略向低移動，且低溫下曲線的移動速率更大。由以上結(jié)論可以推知磷酸鐵鋰電池使用中一些與溫度相關(guān)的注意事項，如：對電池容量的估算要考慮環(huán)境溫度帶來的影響；電池在低溫和小SOC條件下的內(nèi)阻很大，大電流充放容易過度發(fā)熱并損壞電池；磷酸鐵鋰電池在低溫條件下的工作性能較差；SOC-OCV曲線在不同溫度下的一致性較高。

來源出版物：機械工程學報, 2011, 47(18)：115-120

入選年份：2016

非線性無損檢測技術(shù)的研究、應用和發(fā)展

周正干，劉斯明

摘要：對材料和結(jié)構(gòu)進行無損檢測和評價在其全壽命周期中非常重要。超聲檢測是一種重要方法。常規(guī)超聲檢測技術(shù)主要采用超聲信號的時域特征對缺陷進行表征，是一種基于線性聲學理論的檢測方法。在線性聲學理論中，由于超聲波透射/反射信號由傳播介質(zhì)（被測對象）以及缺陷的性質(zhì)唯一決定，且只考慮了應變張量與應力張量的本構(gòu)方程（即胡克定律）中的泰勒展開一階因子，常規(guī)超聲檢測方法的最小可檢測缺陷尺寸正比于超聲信號在材料中傳播時的波長，導致對于微缺陷、微裂紋以及如粘接、分層等界面缺陷不敏感，同時對于金屬疲勞等力學性能退化尚缺乏有效的評價手段。非線性超聲檢測方法的基礎(chǔ)是考慮了本構(gòu)方程高階微分項的非線性波動聲學理論。與基于線性理論的常規(guī)超聲檢測方法相比，非線性超聲檢測技術(shù)對于小缺陷更加敏感，這是因為其考慮了應變張量的高階增量。通過對檢測接收的超聲信號中附加的非線性信息進行分析，非線性超聲檢測技術(shù)可以突破線性超聲檢測技術(shù)的最小缺陷檢測尺寸限制，從而克服線性超聲存在的缺陷和不足，是一種具有光明應用前景的檢測方法。非線性超聲檢測方法種類繁多，例如高次諧波產(chǎn)生、波束混疊、次諧波以及諧振頻率，每種檢測方法都基于特定類型的非線性聲學效應。非線性波動方程的傳播解可借助攝動、多尺度等數(shù)學理論方法解析獲得。解析解中除了由基頻（換能器中心頻率）產(chǎn)生的諧波分量外，還存在2倍或更高倍于基頻的高次諧波分量。高次諧波產(chǎn)生是一種對頻譜變換后的超聲回波信號中的由微小缺陷的非線性效應產(chǎn)生的高次頻率分量的方式進行缺陷表征評價的方法。為了降低超聲回波信號中非線性高階分量的觀測難度，一般采用遠超線性大振幅超聲進行檢測，激勵大振幅超聲的方法也稱為有限幅度法。在非線性波動學理論中，兩束不同頻率或波形模式的聲波相互混合時，將由于非線性波動方程傳播解的不可疊加性導致新的性質(zhì)完全不同的超聲分量產(chǎn)生。波束混疊是一種采用在波束混疊時產(chǎn)生的超聲新分量進行微小缺陷表征評價的非線性超聲檢測方法。不難得知，所產(chǎn)生的超聲新分量的性質(zhì)（例如中心頻率和波形）受混合波束的性質(zhì)以及缺陷的非線性性質(zhì)共同決定。次諧波產(chǎn)生是一種類似于高階諧波產(chǎn)生的非線性超聲檢測方法。該方法通過觀測超聲波傳播時由于非線性波形扭曲變形所生成的頻率為基頻1/2的次諧波信號實現(xiàn)對缺陷的檢測。次諧波對于分析閉合裂紋缺陷非常適合，與此同時該方法克服了高次諧波檢測時可能引入的耦合介質(zhì)、儀器所帶來的非線性。當試樣內(nèi)部存在缺陷時，其諧振頻率將會發(fā)生改變，相關(guān)理論表明，諧振頻率的改變量與激勵超聲信號水平的變化量成非線性關(guān)系，而對無缺陷試樣而言這種現(xiàn)象不明顯。借助非線性諧振超聲譜分析技術(shù)，該方法能夠用于結(jié)構(gòu)性能退化以及早期缺陷的檢測評價。本文針對上述非線性超聲檢測方法的研究和發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹，總結(jié)其中的關(guān)鍵技術(shù)和問題，并對未來發(fā)展做出思考。

來源出版物：機械工程學報, 2011, 47(8)：2-11

入選年份：2016