高速回旋柔性梁动力学仿真及控制方法的研究

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在航空航天、军用机械、生产设备、工业机器人等诸多领域中,广泛地存在着柔性高速旋转运动的梁。伴随着柔性梁的大范围刚体运动,梁本身的弹性体振动很容易被大幅度激励起来,并且需要很长的时间稳定,导致整个柔性梁运动系统的定位精度和控制效率下降,严重时甚至导致梁结构的失稳或者破坏。在这种背景下,采用何种控制曲线驱动梁的旋转运动对提高梁的运动精度具有重要的意义。文章在综合了国内外工程振动控制技术研究成果的基础上,以柔性梁为研究对象,推导出了系统的动力学方程,并以此为理论依据规划柔性梁旋转运动的角速度曲线。之后,对角速度曲线的一些指标参数进行了深入地分析,在满足IC倒膜机的工作要求及运动的约束条件的前提下,结合系统的动力学方程并综合考虑不同角速度函数曲线的特点,提出了几种改进型组合式角速度曲线,并详述了根据运动的约束条件对角速度曲线进行设计优化的过程。最后,基于ANSYS Workbench有限元分析软件对梁的运动过程进行仿真分析。在设计梁的实体模型时,为了减小柔性梁在工作过程中产生的最大动应力,文章根据IC倒膜机的工作过程及尺寸要求专门设计了四种不同截面形状的梁模型,根据仿真结果可知:采用等强度结构设计的梁在工作过程中产生的动应力要小于其余三种梁模型。在对梁在高速旋转运动过程中的动力学响应进行分析后得到的结果表明:梁的残余振动时间及振幅随着角加速度曲线峰值的降低而呈现出减小的趋势,如采用三段余弦速度曲线驱动时,梁的残余振动时间较采用梯形速度曲线驱动时最多减少了60%左右。仿真结果证明了通过保证加速度曲线的连续性并降低加速度曲线的峰值可以一定程度上实现对梁残余振动的抑制,使运动的停止过程更加平稳,定位更加精准,从而提高整机的工作效率。研究提出了通过优化运动曲线的指标参数来抑制梁残余振动的方法,为抑制柔性梁残余振动的研究提供了新的思路和方向。
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