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文章编号 :1006 9798 ( 2004) 01 0001 06Ξ函数生成机构的稳健性综
文章编号 :1006 9798 ( 2004) 01 0001 06
Ξ
函数生成机构的稳健性综合
师忠秀1 , 杨
巍2 , 杨咸启3
(1 . 青岛大学机电工程学院 ,山东 青岛 266071 ; 2 . 河南科技大学机电工程学院 ,河南 洛阳 471003 ;
3 . 中国海洋大学工程学院 ,山东 青岛 266071)
摘要 : 连杆机构的真实输出和期望输出之间的误差一般由结构误差和机械误差 2 部分组
成 ,尽管采用确定性的优化方法可以使机构只产生很小的结构误差 ,但由于各构件尺寸制 造误差和各运动副间隙可能会造成显著的机械误差 ,理论上可行的机构实际上往往是不 可行的 。为此 ,将这 2 种误差综合在一起考虑 ,建立了机构输出误差的概率模型 ,提出了 函数生成机构的稳健性综合方法 。对于给定的置信水平借助于置信系数的概念将概率约 束转化为确定性约束 ,从而机构稳健性综合被构造成确定性非线性优化问题 。最后以一 个生成函数的铰链四杆机构为例进行了数值计算 。
关键词 : 稳健性综合 ;机构误差 ;概率
中图分类号 : T H112 . 1
文献标识码 : A
连杆机构由于其固有结构误差 ( 理想机构本身就存在的误差) 和机械误差 ( 由于各构件尺寸制造误差和
运动副间隙所存在的误差) , 在其工作范围内总是不能准确地产生期望的函数或轨迹 。通常人们假定各构件 尺寸是完全准确的 、铰链内部也不存在任何间隙 , 用精确点法[ 1 ] 或优化方法[ 2 ] 对机构进行结构误差综合 。 尽管采用确定性的优化方法可以使机构只产生很小的结构误差 , 但由于各构件尺寸制造误差和各运动副间 隙可能会造成显著的机械误差 。理论上可行的机构实际上往往是不可行的 , 即这种设计是不稳健的 。曾有 作者基于可靠性概念提出机构误差分析与综合方法[ 3 - 4 ] , 但往往是要么只考虑结构误差 , 要么只考虑机械 误差 。本文成功地将这两种误差综合在一起考虑 , 建立了机构输出误差的概率模型 , 并提出函数生成机构的 稳健性综合方法 。
1
机构误差概率模型
图 1 为一具有 n 个构件的单自由度空间闭环机构 , 从第 i - 1
杆到 第 i 杆 局 部 坐 标 架 间 的 关 系 可 由 一 4 ×4 齐 次 变 换 矩 阵 描 述[ 5 ] 。
图 1 空间闭链机构简图
式中 , S 和 C 分别表示正弦和余弦 ,αi ,θi , ai 和 d i 是第 i 个关节的机构参数 。则该机构的闭环位姿方程为
Ξ 收稿日期 :2003 07 11
青 岛 大 学 学 报 ( 工 程 技 术 版 )第 19 卷2I000A 0
青 岛 大 学 学 报 ( 工 程 技 术 版 )
第 19 卷
2
I
0
0
0
A 0 A 1 i - 1
n - 1
2 ?A i ?A n =
( 2)
1
由环路位姿方程 ( 2) 可以得到一组独立环路方程
F ( U , v , q) = 0
式中 , F = [ f 1 f 2 ? f m ] T 为 m 个独立环路方程 ; v 为机构输入运动 , 可以作为确定性变量 ; q = [ q1
( 3)
q2 ? qs ] T
代表考虑构件制造误差 、运动副间隙及其不确定性等多个误差源的有效结构参数 , 为 s 个独立随机变量 ;
U = [ u 1 u 2 ? u m ] T表示 m 个机构输出变量 , 可将其表示为机构输入和有效结构参数的函数
U = U ( v , q) = [ u 1 ( v , q) u 2 ( v , q) ? u m ( v , q) ] T
很显然它是一随机向量 。随机向量 U 和 q 可以表示为
U = U 3 +ΔU
( 4)
q = q 3 +Δq
式中 “, 3 ”和“Δ”分别代表“名义值”和“偏差”。运动副内部总是存在着间隙的 , 这种间隙改变了构件的尺寸 ,
影响着构件的位姿 。为简化起见 , 将间隙误差向量折算成构件结构参数的增量 , 得到构件有效结构参数
V q = diag (σ2 ?σ2 )
σ2
( 8)
q1 q2 q
s
对方程组 ( 3) 微分 , 得到
- 1
5 F 5 FΔ q
ΔU = -
( 9)
5 U
5 q
根据中心极限定理 , 具有方程 ( 9) 所示线形形式的输出误差ΔU = [Δ u1 Δ u2 ?Δ u m ] T 为 m 维独立随机变
第 1 期师忠秀 , 等 :函数生成机构的稳健性综合3量
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