施建军六自由度水泥泵车柔性臂动力学建模与仿真11.doc

六自由度水泥泵车柔性臂动力学建模与仿真 施建军 西南科技大学萧山教学点机电一体化技术专业 12秋级高升专 【摘要】以布料机械、隧道喷浆机器人、喷漆机器人等为代表的一类施工装卸机械臂系统，在现代化施工当中应用广泛。这类机械臂系统具有大型、重载、轻质的特点，其运动既是空间大范围的刚体运动与弹性变形的耦合，也是柔性多体动力学与管道流变动力学的耦合，是典型的多输入、多输出、高度非线性、多种物理规律耦合的复杂系统。 本文以混凝土泵车的液压柔性臂架为研究对象，针对以上特点，对于如下几点进行了研究与尝试。 (1)泵车液压柔性臂架的柔性多体动力学分析 在对臂架结构进行动力学分析与控制方法的研究时，过去大多将其作为多刚体系统来处理，而实际上，泵车的各节布料臂较长，工作过程中，臂架在油缸的冲击载荷作用下会发生振动，臂架的弹性变形较大，臂架机构振动位移对作业质量影响很大。因此，采用刚性模型来处理，会带来一定的偏差，影响控制精度。本文通过考虑臂架的弹性变形，将其作为柔性臂来处理，采用柔性多体系统动力学，建立了布料机构的动力学模型。 (2)臂架系统的控制方案设计 目前泵车的布料机构基本为由回转机构、多节臂杆、输送料管、液压缸和支撑连杆等部分组成的串联开链机构。尽管其具有机动、灵活、高效等特点，然而由于臂架系统属于轻质、大型、重载的柔性臂系统，大范围作业常需人工辅助操作，部件在驱动系统的激励下，运行时伴随管道内的流体输送，产生巨大的惯性力，使系统产生强烈的振动，影响布料臂系统姿态的稳定性及定向精度，并伴随着结构过早疲劳破坏。因此，臂架布料轨迹的控制显得十分必要。本文由此采用了PD控制的方法，设计了控制方案。 (3)臂架系统完备动力学建模 考虑到系统结构、驱动、控制各部分相互耦合的特性，采用了完备的动力学建模方法，获得系统的完备闭环方程，并采用MEBDFDAE求解器对四节臂臂架系统进行了数值仿真。【关键词】柔性多体 系统驱动控制 系统动力学分析 目录 引言………………………………………………………………4 水泥泵车的发展概况及特点柔性臂系统及其控制柔性臂架机构动力学建模…………………6-8 水泥混凝土泵车结构力学性能研究………………………………8-9 水泥混凝土泵车动态特性与振动试验研究………………………9 仿真结果分析……11 引言 水泥泵车的臂架系统是一个典型的柔性多体系统，如何对臂架实现自动控制，以期提高安全性,可靠性,引起了国内外许多学者的重视.研究方法通常为有限元法.轨迹规划法和智能优等.但是这些研究大都局限于臂杆的刚性范围内,没有考虑到柔性变形对整个系统动态特性的影响.而在实际的浇注过程中，臂杆的变形十分明显，为了准确控制末端轨迹 ，这方面的研究是不容忽视的。 一、水泥泵车的发展概况及特点泵车的发展历史和现状混凝土泵的发展已有９０多年历史，为了满足施工的需要，提高混凝土泵的机动性，６０年代中期才研制出车载式混凝土泵，使混凝土泵由固定式发展成车载式，更加灵活机动。同时，考虑到混凝土浇注布料的方便，在车载式混凝土泵上设计了可以回转变幅柔性臂系统及其控制近年来我国公路建设发展迅速,桥梁的数量也急剧增大,由于桥梁建设中对桥面排水和防水的研究没有引起足够的重视,由此引起许多铺装层出现早期损坏现象影响了桥梁行车使用性能和混凝土的耐久性。本文在调查桥面铺装和防水层出现的主要病害现象的基础上,对防水层损坏原因进行了深入分析,对设防水层的桥面铺装结构进行了力学计算分析,通过室内外试验进行了桥面防水的技术研究,解决该功能层的材料选择、试验途径及施工质量控制问题,为宁连高等级公路大修工程等的桥面改造专项提供技术指导和技术服务。 本文的主要研究内容如下: 1、调查桥面防水层的现状,分析桥面铺装层破坏原因及防水层设计要求。桥面铺装早期损坏己引起广大技术工作人员关注,通过病害调查、损坏原因分析,阐述设置桥面防水(粘结)层的重要性。 2、设防水层的混凝土桥桥面铺装结构力学计算与分析。选取了简支空心板梁、简支T梁和连续箱粱三种结构形式的铺装层,运用大型有限元分析软件来研究铺装层的受力特点,并对连续梁支座负弯矩区和T梁横隔板处等特定部位的铺装层受力进行了分析,为铺装层设计提供理论依据。 3、通过分析研究,提出混凝土桥桥面铺装设防水层的技术指标和相应试验方法; 4、采用室内及野外试验的方法,针对涂膜类防水材料进行研究,提出公路桥梁桥面防水层的施工工艺控制措施和施工质量检测内容与方法,以指导工程实践。柔性臂架机构动力学建模用柔性多体动力学的理论分析四节臂混凝土泵车臂架系统的动态特性。把泵车的臂架模拟成柔性机器臂,采用拉格朗日方程和虚功原理建立混凝土泵车臂架系统的柔性多体动力学方程,通过对泵车臂架运动微分方程的推导和数值求解,对泵车