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1、电泳涂装输送混联机构摘要： 现有的汽车电泳涂装输送机机构, 如传统的推杆输送机和摆动杆输送机, 存在着屋顶安全气囊无休止枯竭等问题;先进的 Roo Dip 输送机和多功能穿梭机可以完全去除车顶安全气囊, 但由于悬臂梁结构的存在, 难以承受重载和重载, 多车混合生产线生产的灵活性水平是不高。本研究小组利用并联机构和串联机构的优势。由于汽车电泳涂装输送机采用的新型并联机构是一种混合结构, 因此该机构有许多运动分支, 各分支之间具有很强的耦合。当机构高速移动时, 其动态特性将对机构的控制精度产生较大影响。因此, 有必要开发一种新型的汽车电泳涂装输送机混合机构。研究了输送机构的动态控制。目前, 设计了
2、大多数并行并联机构的动态控制算法。控制环只接收受控运动分支链的反馈信息, 但不包含其他分支的反馈信息。因此, 相应控制回路中某运动分支链的跟踪误差只能在此循环中得到纠正, 而其他控制回路不响应, 这将导致每个分支链运动的异步。由于平行并联机构末端执行器的跟踪精度由所有运动分支确定, 为了使末端执行器具有较高的跟踪精度, 运动分支应保持同步运动。对于本文研究的新型输送机构, 它的两侧结构对称, 对同步性能有很高的要求。当每个支行链的运动不同步时, 就会导致跟踪精度下降, 甚至破坏机制。为了实现输送机构的同步协调控制, 本文基于同步控制理论, 对输送机构的高性能运动控制进行了研究。此外, 实际控制
3、系统中还经常存在建模误差、摩擦和随机扰动等不确定性。然而, 现有的同步控制研究并不能有效地克服这些不确定性。考虑到滑模控制对系统模型不确定性和外部扰动的鲁棒性和不敏感性, 本文将滑模控制与同步控制结合起来, 提高了系统的同步性能。并提高了系统的鲁棒性。然而, 在实际控制中, 滑模控制的开关增益应尽可能大, 以涵盖广泛的不确定性。大开关增益通常会带来高能量输出, 从而导致严重的抖动和执行器饱和。针对上述问题, 提出了一种与非线性扰动观测器相结合的同步滑模控制算法, 以提高系统的同步性能, 增强系统的鲁棒性和抗干扰能力,抑制滑模控制的抖动和执行器饱和。关键词：同步控制，滑模控制，非线性扰动观测器，
4、混联机构，动力学建模 目 录第一章 绪论31.1 引言31.2 汽车电泳涂装输送设备概述31.3 混联机构的发展及应用61.3.1 混联机构的概述61.3.2 混联机构的发展及应用81.4 混联机构研究现状91.4.1 混联机构控制过程中存在的不确定性91.4.2 混联机构运动学、动力学研究概述101.4.3 混联机构控制方法研究现状111.5 本文的研究内容、目的及意义141.5.1 本文的研究内容141.5.2 本文的研究目的及意义15第二章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构运动学及动力学分析152.1 引言152.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构结构简介152.3 行走机构运动学分析16
5、2.4 升降翻转机构运动学分析172.4.1 升降翻转机构位置逆解172.4.2 升降翻转机构雅克比矩阵182.4.3 输送机构期望轨迹确定及运动学仿真182.5 输送机构动力学建模192.5.1 Lagrange 法原理192.5.2 输送机构动力学模型建立192.5.3 输送机构动力学模型仿真与分析20第三章 结论21致 谢21参考文献22第一章 绪论1.1 引言 随着汽车制造业的大规模快速发展, 人们对汽车质量、外观和制造技术提出了更高的要求。汽车车身涂装是汽车生产中的重要环节之一, 汽车车身自动传动系统是涂装生产线的主干道1。目前, 车身预处理和电泳涂装的主要输送设备有悬挂式输送链系统
6、、双轨制摆动杆输送链系统、多功能穿梭输送机和罗迪普输送机 2。悬架输送链系统容易造成罐液和车身污染, 难以达到完整的涂装效果 3;摆式输送链系统解决了污染问题, 但不能完全去除屋顶安全气囊4;而更先进的多功能梭式和罗迪普输送系统, 虽然解决了屋顶安全气囊的问题, 但采用悬臂梁结构, 使其承受的负荷大、负荷重。多车混合生产线生产的灵活性水平不高 5。是一种新型的混合动力汽车电泳涂装输送机结构简单, 承载能力强, 灵活性高, 由我们的研究团队自主开发。本文以新型混合动力汽车电泳涂装输送机构为研究对象, 重点研究了改进输送机构的同步和协调, 提高了输送机构的鲁棒性。和系统的抗干扰。 1.2 汽车电泳
7、涂装输送设备概述 车辆涂装输送设备是涂装生产线的关键设备7。涂装车间年产量超过15万辆。身体的预处理和电泳是全自动的。这就要求输送设备能够连续、平稳地运行很长时间。如果输送设备因故障而停止运行, 将导致多个车身生锈和报废 8。因此, 安装汽车电泳涂装输送设备会计是一项具有挑战性的任务。此外, 输送设备和屋顶安全气囊对罐体的污染也不能完全消除, 这一直是一个无法克服的问题。目前常用的汽车电泳涂装输送机主要包括自行式提升机、推杆输送机、摆动杆输送机、罗迪普输送机和多功能梭式输送机。如图1.1 所示, 自走式提升机由于面积小、投资少、运行维护成本低, 已成为小批量汽车涂装生产线的首选输送设备。然而,
8、 自行式提升机输送机存在生产节奏慢、体起出角度小 (一般约 10o)、体液摄入量差、渗滤液效果差、多车混合生产线生产灵活性差等缺陷。上。因此, 它不适合产量大、质量高的连续汽车涂装生产线。图1.1 自行葫芦输送机与自行式提升机相比, 推杆输送机更适合批量生产。推杆输送机分为两类: 普通悬架链式输送机和累积悬臂输送机。如普通悬架链传动系统图1.2 所示, 待涂装汽车的车身固定在吊架上, 吊架之间的距离固定, 使其无法自动转移、积累和垂直提升, 因此其应用范围是有限的。从我国常见的悬架链中发展起来, 自行开发和制造了累积悬架链输送系统。它设置在预处理和电泳装置的上方, 主体固定在 c 形悬架上,
9、多个推杆链可以实现不同速度和体间距的结合, 并能自动进行线路设计划分、汇合和垂直提升 2。然而, 累积悬架链输送系统的输送链和吊架会掉落冷凝水, 容易污染罐液和车体, 车体进出电泳罐的角度很小, 因此屋顶气体无法清除气包。 图1.2 普通悬挂链式输送机图1.3 积放式悬挂链输送机摆动杆输送机是继推杆输送机之后的一种新型机械化输送设备。它可分为水平摆动杆链式输送机和立式摆动杆链输送机。水平摆链比垂直摆环节更简单。身体进出工作站更容易。犯错和稳定跑并不容易, 所以它被广泛使用了 10。水平摆动链式输送机由两个结构相同的平行空气输送链组成。如图1.4 所示, 其体部入口和出口槽角大于推杆输送机, 槽
10、入速度更快, 排气效果较好;所述插槽阀体两侧设置摆动连杆链, 解决了罐液和车体污染问题。但是, 水平摆动链输送系统的主体不能在罐液中翻转, 屋顶安全气囊也不能完全拆除。图1.4 水平摆杆式输送系统罗迪输送机是由 ABB 公司开发的。目前, 第三代 Ro-dip-3 的使用最为广泛, 如图1.5 所示。在 Ro-dip-3 输送系统中, 阀体固定在滑块上, 滑块固定在旋转轴上。在电泳涂装过程中, 导向轮首先推动物体旋转 180度, 并且车身尾部继续向前移动。在达到涂装过程所需的时间后, 导向轮驱动身体连续旋转 180度, 身体以正常的姿势向前移动。Ro-dip-3 可以在储罐液中任意360度转动
11、工件, 并且车身可以在电泳罐液中连续滚动, 从而提高内腔的涂装质量, 并完全清除屋顶安全气囊 11-12。Ro Dip-3 完全解决了由于输送链中没有油滴和吊架上的水滴而导致的储罐液体污染问题。但是, 由于罗迪普输送机的悬臂结构, 难以承受重载, 不适合大中型车身输送, 而且油箱内液体的夹入射角是固定的, 因此难以用于多车混合线生产。图1.5全旋反向浸渍输送机图1.6 多功能穿梭输送机许多多功能穿梭输送机通常安装在生产线上。如图1.6 所示, 主控制器控制通过 CANBUS 总线的多功能穿梭输送机的运动。即使一个航天飞机发生故障, 也可以在不影响其他航天飞机运行的情况下及时独立修复。与罗迪相比
12、, 多功能穿梭输送机具有广泛的应用范围, 适用于小批量、多型号的混流线生产线。然而, 由于多功能梭式输送机投资大、工艺复杂, 在我国已很少使用。总之, 现有的汽车电泳涂装输送机设备, 如自行式提升机输送机和推杆输送机, 存在浸入角小、渗滤液效果差、罐液污染大、漆膜不均匀等问题。无法清除屋顶安全气囊;虽然摆动杆输送机在一定程度上增加了浸入角, 但仍不能完全去除屋顶安全气囊;罗浸输送机可以实现机身3。60度翻转完全解决了车顶气囊和罐液的污染问题, 但其悬臂梁结构不适合大型、重型卡车车身的涂装和输送, 多车混合线的水平灵活产量不高。多功能穿梭输送机虽然可以用于多车混合生产线生产线, 但投资规模过大,
13、 技术复杂, 在国内应用较少6。 1.3 混联机构的发展及应用 1.3.1 混联机构的概述 在机器人发展的早期阶段, 主要研究了串联机构。串联机构具有工作空间大、应用范围广、操作灵活等优点, 首次被广泛应用于工业生产初期14 15。常见的工业系列机构如图1.7 所示。随着全球工业化的快速发展, 为了完成更复杂的任务, 串联机构增加了更多的运动关节。驱动部件的数量决定了机构的运动惯性。增加运动关节意味着串联机构的运动惯性增大, 导致串联机构的刚度、承载力和运动速度下降。此外, 同一运动链上的接头越多, 累积误差越大, 导致末端效应器的位置精度降低。双抗性重要的工作空间;适用范围;应用领域快速增长
14、展迅速;迅速的扩张象征着;平均;暗示; 暗示旨趣 意人16。 图 1.7 串联机构自1965年第一个6自由度 Stewart 平台出现以来, 国内外学者设计了几个并行机制, 如 Stewart 机制和 DELTA 机制, 如图1.8 所示。并联机构的固定平台和运动平台由多个运动分支连接, 具有两个以上自由度, 是并行模式驱动的闭环机构。并联机构作为串联机构的补充机构, 具有较高的刚度和稳定的结构;由于多运动链的同时作用, 并联机构没有累积误差, 精度较高;并联机构的驱动装置靠近框架, 运动载荷小, 运动平台响应速度快, 动态性能好18。但目前并联机构存在工作空间小、容量占用量大、传输链路过少等
15、缺陷, 影响了并联机构的应用。针对串联机构和并联机构的不足, 诺依曼首次提出了 Tricept 混合机制。该机构具有动、静、静、高、可重构性强等优点19。混合机构以串并联机构为基本单元, 具有这两个特点。通过适当的设计, 混合机构同时可以具有串并联机构的优点。在一定程度上, 混合机构改变了并联机构的小工作空间和灵活性差, 弥补了串联机构承载能力低、精度低、响应速度慢等缺点, 形成了一个具有有机地结合了串行并联机构的优点。它是机械研究的一个重要发展方向20。 1.3.2 混联机构的发展及应用 混合机制的组成比较复杂。根据混合机制的不同组合形式, 可分为平行、串并联、内外嵌套等组合形式。然而, 无
16、论哪种类型的混合机制都是由在小自由度平行机制的基础上添加的约束链组成的。在海外, Neos 机器人瑞典公司开发了 Tricept 系列混合动力机制22。作为一种典型的混合机构, 它具有良好的静态特性、工作空间大、刚度高、可重构性强等优点, 如图1.9 所示。Tricept 引起了许多飞机和汽车制造商的注意, 并已成功应用于波音飞机总成、通用汽车焊接等 23。此后, DMG 和 ABB 分别购买了使用 Tricept 五坐标万能铣床和六轴混合机器人 IRB940 23 进行复杂表面工件加工的权利。目前, Tricept 已被数百家世界知名汽车和飞机制造商广泛使用, 如福特、沃尔沃、宝马、大众、波
17、音等。其应用领域还扩展到零磨削、模具制造、激光焊接、空间多造型安装等领域21。 在 Tricept 的启发下, 天津大学黄田教授发明了一种5-DOF 非对称空间混合动力机制 21, 如图1.10 所示。与原来的 Tricept 机制相比, 这种机制减少了被动分支链, 减少了运动部件的数量, 减少了组件之间干扰的可能性。清华大学的刘新军等人开发了一种5轴混合动力机制。如图1.11 所示, 该机构由2自由度并联机构、双轴腕关节和长工作台组成。它具有刚度高、速度快、灵敏度高、加工长零件的能力强等优点。哈尔滨工业大学孙立宁教授等人提出了一种3自由度串并联混合机制。如图1.12 所示, 该机构由平面并联
18、机构和垂直运动模块组成, 可实现平面2自由度运动和垂直方向运动, 满足高速和高精度加工的要求。微电子器件。 1.4 混联机构研究现状 1.4.1 混联机构控制过程中存在的不确定性 混合机制的控制过程存在许多不确定性, 可分为以下几个方面: (1) 控制器和检测装置的不确定性。检测装置的不确定性主要是传感器噪声和传感器本身测量不准确造成的。控制器根据传感器的反馈速度和位置信号计算相应的控制结果, 并将其发送到执行器。在此过程中, 舍入误差和采样延迟等不确定性很容易发生。(2) 建模误差。由于其高非线性、多参数耦合、多变量等特点, 建立混合机构动态模型的过程是复杂的。在建模过程中, 由于使用理想模
19、型, 存在物理参数测量不准确、载荷变化、动态未建模、建模不准确等不确定性。(3) 摩擦的影响。混合机构的所有活动节点都存在摩擦, 摩擦的存在在很大程度上影响了机构的动态特性。, 考虑和忽略摩擦力对运动副的影响, 分析了机构的动力学特性。实验结果表明, 在这两种情况下, 所获得的速度波动曲线存在较大偏差。因此, 在实际控制过程中, 摩擦的影响是不可忽视的。(4) 来自外部环境的随机干扰。由于混合机制的工作环境不同, 外部环境干扰具有很大的随机性和不确定性。对于汽车电泳涂层输送机构, 电磁干扰 13、电泳溶液腐蚀等因素, 以及在车身转化为过程中被控物体运动环境的变化等因素。槽将对该机制的控制效果产
20、生负面影响。因此, 为了提高新型混合电泳涂层输送机构的控制性能, 在输送机构的建模和控制算法设计中, 有必要考虑许多不确定因素。 1.4.2 混联机构运动学、动力学研究概述 混合机构是以串并联机构为基础, 以并联机构为主体的。因此, 混合机构的研究主要集中在并联机构上, 其建模方法大多遵循并联机构的建模方法。 (1) 运动学研究机构运动学分析是机构速度加速度分析、力分析、误差分析和机构控制的基础。机构运动学分析包括正向分析和逆解分析。正向解分析是指具有已知位移或活动关节旋转角的机构的端部位置和姿态的解, 逆解分析是指已知机构的端部位置和姿态的解有源关节的位移或旋转角度。一般来说, 串联机构的正
21、演分析简单, 逆分析复杂, 而并联机构的逆分析简单, 正演分析复杂。在并联机构的运动学分析中, 常用的是数值方法和分析方法。分析方法是指通过消除未知, 最终得到一维高阶方程, 消除机构非线性约束方程中的未知数。该方法无需选择初始值即可获得所有解。然而, 这种方法的推导过程非常复杂。数值方法的缺点是很难得到机构的所有位置解。此外, 利用神经网络和误差补偿方法在文献中求解了6-SPS 并联机构的正向运动学解, 并利用附加传感器方法求解了6自由度并联机构的正向运动学解在。目前, 并联机构的运动学分析大多可以通过上述方法实现, 但在实际工程应用中, 求解时间过长或精度不高, 难以满足实时性的要求控制1
22、8。 (2) 并联机构的动力学研究主要研究机构运动与力的关系, 其动力学建模是实现并联机构高速高精度运动控制的基础。牛顿-欧拉方法是根据牛顿的第二运动学定律和欧拉的动力学方程推导出来的。该方法将机构划分为多个子结构, 并为每个子结构建立牛顿-欧拉方程。牛顿-欧拉方法在建模思想上相对简单, 计算过程直观, 但它需要所有的子结构运动学方程, 从而产生了大量的方程、非常复杂的推导过程和大量未知的未知方程理想约束, 这是很难用于复杂结构机构的动态建模。拉格朗日的方法把系统看作是一个整体。从系统动能和势能的角度出发, 用数学方法代替几何方法, 建立了一套用系统动能和广义力表示的拉格朗日方程。 1.4.3
23、 混联机构控制方法研究现状 混合机构结合了串联和并联机构的优点。在实际工程应用中, 其优异的性能和潜在优势能否发挥, 主要取决于控制算法的设计。并联机构是并联机构的主体, 并联机构的控制方法主要采用。根据不同的控制空间, 并联机构的控制可分为任务空间控制和关节空间控制。任务空间控制要求通过正向运动学解决方案, 将并联机构活动关节的位置信息转化为机构末端的位置和姿态。并联机构的正向运动学解往往是复杂的, 特别是对于多自由度和复杂的配置并联机构, 很难得到所有的解。通过添加姿态传感器, 可以直接检测 Stewart 机构移动平台的位置和姿态, 从而避免了复杂的正向运动学解决方案, 提高了计算效率和
24、控制精度。但这些传感器非常昂贵, 安装起来也不方便。 现有的相邻交叉耦合控制研究包括忽略动态建模过程中的许多不确定性, 如文献, 以及仅针对某些不确定因素设计控制器, 这些不确定性仅补偿通过库仑和粘性摩擦模型的有源接头摩擦, 而不考虑建模误差。未知环境的差异和随机扰动等不利影响。尽管交叉耦合控制可以提高多支链运动系统的同步和协调性, 但它没有考虑到混合机构的高非线性、强耦合和多变量特性。同时, 它还面临着节点摩擦、载荷变化、未建模动力学和未知环境随机扰动等诸多不确定因素。这些不确定因素很容易导致混合机构关节运动不准确, 甚至在严重的情况下导致整个系统的不稳定。由于混合动力机制在高速运动中的快速
25、变化动态特性, 在模型不确定性下交叉耦合控制技术的鲁棒性和鲁棒性会变得非常差。 1.5 本文的研究内容、目的及意义 1.5.1 本文的研究内容 本文采用了一种新型的以我公司的研究对象为研究对象, 研制的混合动力汽车电泳涂装输送机, 重点提高其同步和协调性, 增强系统的鲁棒性和抗干燥性。令人不安。详细分析了一种新型混合动力汽车电泳涂装输送机构的组成和工作原理。以白色车身和车体固定架为承载物, 以连杆的中点作为机构的末端效应, 对机构的运动学进行了分析, 得到了机构的雅可比矩阵。同时, 根据汽车电泳涂装工艺的要求, 确定了输送机构的预期轨迹, 并在 MATLAB 软件的基础上进行了运动学仿真, 验
26、证了输送机机构的正确性。逆运动学解。1.5.2 本文的研究目的及意义 输送机是汽车涂装生产线的关键设备, 传统的推杆输送机和摆动杆输送机不能完全拆卸车顶安全气囊;由于悬臂梁结构的原因, 罗浸渍输送机和多功能穿梭机难以承受大负荷、重载, 且柔韧性水平不高。我们的团队利用并联机构和串联机构的优势, 自主研制了一种结构简单、适用性广、承载能力强的新型混合电泳涂装输送机构。能力和更多的环境保护。本文以输送机机构为研究对象, 重点提高了输送机的同步和协调性, 同时提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力。第二章 新型混联式汽车电泳涂装输送机构运动学及动力学分析 2.1 引言 新型输送机机构的运动学分析主要研究机构
27、末端位置和姿态参数与活动接头位移旋转角度的关系, 其动力学分析主要解决了机构的运动与活动关节的驱动力矩之间的关系。首先, 对新型输送机构进行了运动学分析。在此基础上, 利用拉格朗日方法, 根据实际工程环境建立了新型输送机构的动力学模型。 2.2 新型混联式汽车电泳涂装输送机构结构简介 本文研究的新型汽车混合电泳涂装输送机构见图2.1。该机构由行走机构和升降倒车机构组成。其中, 行走机构包括行走驱动电机、减速机、车轮、导轨和底座等部件, 驱动车轮在导轨上滚动, 驱动底座实现一维运动;升降机构包括翻转驱动电机、减速机、起重驱动电机、电动螺杆、滑块、连杆、驱动轮、驱动轮、皮带等。部件、提升和周转机构
28、固定在底座上, 当行走机构水平移动时, 会推动升力和周转机构一起移动。升向反转机构两侧结构对称, 机构两侧通过连杆连接, 阀体固定架固定在连杆上。一种新型混合动力汽车电泳涂装输送机构的结构如图2.2 所示。1轨, 2 基, 3 步行驱动电机, 4 减速机, 5 移动滑块, 6 电梯驱动电机, 7 连杆, 8 驱动轮, 9 驱动轮, 10 连杆, 11 体, 12 驱动电机和13电动螺杆显示在图中。当机构工作时, 车体固定在车体的固定架上, 两个行走驱动电机同步驱动行走机构前进;升转机的滑块同步移动, 彼此接近或远离, 驱动与滑块相对应的连杆打开和关闭, 然后通过连杆将车体的两个固定框架与车身一
29、起驱动。提升和提升运动;翻转电机也同步旋转, 驱动车轮旋转, 驱动轮通过皮带旋转驱动驱动轮, 从而驱动与驱动轮固定的连杆旋转, 然后驱动车身固定车架与车体进行翻转运动。2.3 行走机构运动学分析 首先, 针对行走机构, 以升降翻转机构为荷载, 建立了步行机构的结构图, 如图2.3 所示。其中, (1, 2) iGi _ 是行走机构左半部分和右半部分基座的中点, G 是12G 的中点。图 2 . 3 下面是行走机构的绝对零位置 , 以建立静态坐标系 A 和 O - XYZ , 其中 O 的原点与重合 , X 沿导轨方向向右侧水平 , y 为 12G 方向 , z 方向为垂直到12G 向下。由于行
30、走机构仅沿 x 轴方向移动 , 因此选择 x 轴方向的位置和姿态参数作为系统的广义坐标 T Tq X , 其中 T x 是 x 轴上行走机构的位移方向。2.4 升降翻转机构运动学分析 2.4.1 升降翻转机构位置逆解 为了便于分析, 根据升降翻转机构的结构特点, 建立了图2.4 所示的运动模型。升降和倒车机构有六个活动接头, 分别是四个滑块和两个驱动轮。(1, 2) iPi 是一种完全对称的机械结构, 其两端分别为连杆;(i) b 代表四个移动滑块。如下面图2.4 所示, 提升和反转机构的位置为绝对零。静态坐标系 B = O-XYZ 和动态坐标系 T = O-XYZ。静态坐标 O-XYZ 原点
31、位于电动螺杆的中点, 即中点 12B, X 轴方向为 12B, Y 轴方向为 2P1P, Z 垂直于行走平面。Y z 原点 o, X 轴沿12B 方向, y 轴沿2P1P 方向, Z 轴垂直于步行平面向下。根据所建立的坐标系, 升降机构的末端执行器, 即连杆的中间点, 具有三个输出方向, 即沿 x 轴移动输出, 沿 y 轴旋转输出和沿 z 轴移动输出。末端效应器的位置和姿态参数可以用广义坐标 (,) Tq _ x z 来描述, 其中 x 和 Z 分别表示末端效应器沿 X 轴和 Z 轴的位移, 以及末端效应器转动的角度围绕 Y 轴逆时针方向。在上面图2.4 所示的提升机构结构示意图中, 1 23
32、4 l _ l 是连杆的长度 7, 5 6l_l 是电丝杠的长度 13, 7 L 是连杆10的长度来求解逆运动学解。根据提升机构的特点, 建立了图2.5 所示的提升机构的片面观点, 即虚线是机构移动前的位置, 实线是提升机构移动后的位置。位置。逆运动学问题是相应节点的坐标是由已知的末端执行器坐标求解的。对于本文所研究的升力和翻转机构, 逆运动学解可以描述为: 连杆中点在静态坐标系 () Tx z) 中的位置和姿态可以用来求解主动的位置。关节 (四个滑块和两个活动轮) 在静态坐标系。2.4.2 升降翻转机构雅克比矩阵 雅可比矩阵反映了机构对运动终端的速度控制能力。它是机构速度分析、力分析和误差分
33、析的基础。对于本文研究的提升机构, 雅可比矩阵 j 表示机构末端的三维速度与关节驱动速度矢量之间的映射关系。通过计算方程两端的时间导数 (2.8), 得到了滑块和动度。2.4.3 输送机构期望轨迹确定及运动学仿真根据汽车电泳涂装技术的要求, 为了消除车顶安全气囊, 汽车白色车身需要在电泳槽中进行垂直提升运动, 并在360度转动。由于行走机构与升降倒车机构是相互独立的, 因此分别设计了行走机构和升力倒车机构所需的轨迹。从连杆中点的预期轨迹可以看出, 0-4 的升压和倾覆机构不做升力运动, 并使的滑块保持静止;4s-12 的升降和倾覆机构做余弦轨迹的提升运动, 的滑块以余弦轨迹运动;12s-16
34、升降和倾覆机构停止提升运动,的滑块恢复到原来的位置并保持静止。停止。同时, 0-2 的升降和倒车机构不做翻转运动, 使驱动轮保持与相对应的驱动轮静止;2-6 提升和反转机构翻转180度, 对应于驱动轮的角度位移, 而驱动轮与驱动轮的半径比为 1:3, 对应于的升降和倒车机构不翻转, 相对应的驱动轮保持静止;和10s-14 提升和倒车机构不翻转。翻转机构为180度, 对应于驱动轮的角位移, 14s 16S 的倾覆和倾覆机构保持静止, 与相对应, 驱动轮保持静止。可以看出, 有源关节的运动过程与所需的轨迹一致, 这表明了逆运动学解的正确性。2.5 输送机构动力学建模 由于新型混合电泳涂层输送机构是
35、一个复杂、多变、时变、强耦合的非线性系统, 为了提高其动态控制性能, 有必要建立一个精确的动态系统。模型。本文第一章介绍了常用的动态建模方法有牛顿-欧拉法、拉格朗日法、凯恩法和虚拟工作原理法。考虑到新型混合动力汽车电泳涂装输送机构具有自由度小的特点, 采用拉格朗日法可以得到形状简单、结构紧凑的标准动力学方程。这对后续动态控制算法的设计有一定的好处。因此, 本文采用拉格朗日方法建立了输送机构的动力学模型。 2.5.1 Lagrange 法原理 拉格朗日函数是拉格朗日方法的起点。对于由多个刚体组成的平行并联机构, 其拉格朗日函数等于机构的总动能和势能。2.5.2 输送机构动力学模型建立 考虑到输送
36、机构由两个相对独立的部分组成: 行走机构和升降机构, 其中行走机构的控制相对简单, 不需要复杂的动态控制本文将重点研究起重翻转机构的动态建模和控制算法设计。为了建立相对准确的起重和倾覆机构动态模型, 将起重和倾覆机构分解为五个子系统: 车身、分枝链、车身固定架、驱动轮和滑块。分别考虑了各子系统的动能和势能, 然后将五个子系统的动力学方程结合起来, 推导出起倾覆机构的整体动力学方程。升降和倒车机构的末端效应器 (连杆的中间点) 的位置和姿态参数仍采用上述运动学分析中使用的形式。为了便于分析, 建立了图2.11 所示的升降和倒车机构的运动示意图。图中的虚线是预运动姿态, 实线是后运动姿态。为了简单
37、起见, 图中的滑块和驱动轮等接头被省略了。车身的长度是 x 轴方向上的 a, y 轴方向的 c 和 z 轴方向的 B。车身固定架斜架的长度为 8l, 车身固定架斜架之间的角度为8l。2.5.3 输送机构动力学模型仿真与分析 为了验证所建立的动态模型的有效性和可靠性, 建立了考虑建模误差、摩擦和外部随机干扰的动态模型。利用 MATLAB 软件进行了动态仿真, 并对仿真结果进行了分析。在建模误差时, 不考虑摩擦和随机扰动。在 02s, 提升机构不做提升运动。此时, 滑块具有与电机相对应的最大驱动力矩, 并且保持不变, 连杆的中间点处于最高位置。此时, 该机制具有最大的势能。为了保持势能, 滑块需要
38、施加更大的动力。同时, 由于机构不翻转, 车身固定架和车身直接位于连杆上方, 目前无法使用驱动轮。驱动力矩是必需的, 因此驱动轮对应于电机驱动力矩为0。在2秒到4s 时, 提升机构仍然不做提升运动。此时, 滑块仍然是最大的, 并且保持不变。翻转机构开始做翻转运动, 因此与电机相对应的驱动轮的驱动力矩在2秒时突然增加。然后, 为了使机构在给定的速度下稳定转动, 驱动轮将应用反向驱动力矩。4点, 驱动轮将转向 9 0, 此时, 主轮将翻转。驱动轮所需的反向驱动力矩是最大的。在4-6 时, 提升机构开始上下移动, 滑块在螺杆中间移动, 轨迹呈余弦轨迹, 机构的势能减小, 因此与电机相对应的滑块驱动力
39、矩随余弦曲线而减小法律;翻转机构从90转到 180, 驱动轮的驱动力矩逐渐减小到6s 当车身固定架和车身在连杆下时, 主体此时。驱动轮不需要应用驱动力矩, 驱动轮对应于电机驱动力矩为0。6-8 时, 提升机构继续进行提升运动, 滑块的驱动力继续下降。直到 8s, 连杆的中点处于最低位置。此时, 该机构具有最小的势能, 滑块具有电机最小的驱动力矩;翻转机构不做翻转运动, 驱动轮保持电机的驱动力矩为0。8-16 时, 提升机构开始向后移动, 机构的势能逐渐增大, 滑块的驱动力随余弦曲线的变化而变化;在 12s, 翻转机构变为 270, 驱动轮的驱动力矩最大, 直到机构回到14s 的初始位置, 驱动
40、轮的驱动力矩为0。第三章 结论 首先, 分析了新型混合电泳涂层输送机构的组成和工作原理。其次, 根据机构末端位置参数和姿态参数之间的约束关系, 建立了机构的逆运动学方程, 推导了机构速度的雅可比矩阵。根据电泳涂装工艺的要求, 确定了输送机构的预期轨迹。利用 MATLAB 软件进行了运动学仿真, 验证了逆运动学解的正确性。然后, 利用拉格朗日方法建立了输送机机构的动力学模型。为了使建立的动态模型更接近实际工程环境, 在建模过程中考虑了建模误差、摩擦和外部随机干扰等不确定性。最后, 利用 MATLAB 软件对输送机机构进行了动力学研究。仿真结果表明, 在实现端部执行器所需轨迹的情况下, 得到了与电
41、机相对应的机构活动节点的驱动力矩曲线, 验证了所建立的机构的正确性和可靠性。为后续的动态控制研究和实际工程应用奠定了基础。致 谢时光飞逝，终于到了论文定稿的这一刻。虽然文章显得有些粗糙，但毕竟凝聚了自己的心血，在此谨向曾经关心、帮助、支持和鼓励我的老师、同事、同学、亲人和朋友们致以最诚挚的谢意和最衷心的祝福衷心感谢我的导师谢铁兔。老师对我两年来的学习、生活给予了悉心的关怀，在本论文的开题、写作、修改、定稿方面更是给予了悉心指导和匠心点拨，论文凝结着导师的汗水和心血。在这两年多的学习和生活过程中，我要向老师们表示衷心的感谢是他们给了我热情的关怀、支持和帮助，使我得以顺利完成学业。同时，衷心感谢我
42、的父母、家人以及和我一起学习的各位同学，是他们在我学习和论文写作过程中，给予我了莫大的支持和鼓励。最后，再一次感谢所有关心和支持我的人们，我一定会用所学知识更好地做好本职工作来报答你们。参考文献 1 陈慕祖. 新型车身涂装输送设备J. 材料保护. 2013, 36(1):46-48. 2 谢文林. 我国汽车车身涂装机械化运输装备的发展概况J. 汽车工程学报. 2005(7):30-33. 3 李文刚. 先进的汽车涂装设备J. 汽车工艺与材料. 2012(2):46-50. 4 张阳, 李斌, 程凤宏等. 汽车涂装中车身翻转输送技术随想C. 第十四届全国涂料涂装技术信息交流会暨交通用涂料涂装技术
43、研讨会. 2011(4):171-174. 5 刘辛军, 谢福贵, 陈祥. 一种多杆机构汽车涂装输送机: 中国, 201210014948.3P. 2012-07-11 6 刘辛军，陈祥, 高国琴. 一种三自由度汽车涂装输送机: 中国, 201210015045.7P. 2012-01-18 7 程晟. 电泳涂装生产线自动化控制系统的设计及应用D. 华东理工大学, 2014. 8 黄大巍. 双轨悬挂自行输送机研究D. 吉林大学, 2007. 9 张旭. 浅谈涂装车间常见的几种前处理电泳输送设备J. 现代涂料与涂装. 2010, 13(7):55-56. 10 邱昌胜，马彬，吴明锋等 . 水平摆
44、杆链输送系统在汽车涂装上的应用 J. 现代涂装 . 2015, 18(12):50-55. 11 孙自松, 许能才, 李建国等. Rodip 系统在涂装电泳线上的应用J. 生产装备. 2013(8):61-64. 12 陈宝歌. 汽车电泳涂装 Ro Dip-3 系统与摆杆链系统的施工性能差异J. 涂料工业. 2005, 35(8):59-61. 13 赵宏伟，王佳. 涂装线多功能穿梭机的应用J. 汽车工艺与材料. 2008(6):33-36. 14 J Walle. N. The history of the industrial robotJ. Control Engineering, 20
45、08. 15 姜铭, 孙钊, 秦康生,等. 混联机器人的分析与研究J. 制造业自动化, 2009, 31(1):61-65. 16 饶延安. 串联式混联机构的力学分析及动力学仿真D. 燕山大学, 2015. 17 黄真等. 并联机器人机构学理论及控制M. 机械工业出版社, 1997. 18 杨永刚. 6-PRRS 并联机器人关键技术的研究D. 哈尔滨工业大学, 2008. 19 Neumann K E. Robot: US, US4732525P. 1988. 20 高振. 空间三自由度并联/混联机构构型、性能与若干应用研究D. 中国科学技术大学, 2009. 21 Tsai L W. Kinematics of A Three-Dof Platform with Three Extensible LimbsM/ Recent Advances in Robot Kinematics. Springer Netherlands, 1996:401-410. 22 Neumann K E. System and method for controlling a robot: EP, US 6301525 B1P. 2001. 23 王燕伟. 一种五自由度混联机器人的运动学分析与仿真D. 哈尔滨工业大学, 2013.