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工程科学与技术,国际期刊19(2016)846完整文章混合式压力机系统:运动设计与逆运动学问题M. 埃尔坎·库蒂克湖Canan Dülger*土耳其加济安泰普大学工程学院机械工程系A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录:接收日期:2015年8月13日接收日期:2015年2015年11月25日接受2016年1月4日在线发布保留字:混合动力机床逆运动学运动设计冲压机构CF型混合动力机床(HM)是将伺服和恒速两种电机与一个机构集成在一起的系统。其目的是使具有多个自由度(DOF)的柔性系统有效地利用系统中的能量。一个审查包括在混合压力系统。本研究作为金属成形工业项目的一部分。该系统包括一个7连杆机构,其中一个连杆由恒速电机(CV)驱动,另一个连杆由伺服电机(SM)驱动混合驱动机构的运动学分析是逆运动学分析。在混联机床中,运动设计是非常关键的一步给出了运动设计Matlab®中的曲线拟合函数(CFT)是一种可以成功应用的辅助方法。运动特性是根据金属成形工业的要求来选择的。然后在本文中呈现结果© 2016,Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.1. 介绍在工业应用中,可变运动输出可以通过两种不同的方式获得。第一种是传统机器,另一种是可编程机器。提出了混合机思想,将两种技术结合起来,利用它们的优点,消除它们的缺点。混合动力系统的基本原理是通过机械连杆机构将大型CV电机的运动与小型SM结合在一起。在这些系统中,恒速电机提供了主要的扭矩和运动要求,而伺服电机辅助当前运动的调制CV电机承担了大量的工作量,SM就像一个实时调节器来改变任务。第一项研究由Dülger(最初为Tokuz)和Jones在混合配置中进行[1]。恒速电机和伺服电机通过差动齿轮箱集成,差动齿轮箱进一步驱动曲柄滑块机构[1]。Kireçci和Dülger设计了一种具有3自由度系统的混合机械手;直流电机,齿轮机构,2 DC SM,伺服放大器,运动控制卡,滑块曲柄机构和螺旋机构[2]。Kireçci和Dülger随后提供了平面两自由度、七连杆机构的配置,表明减速器的峰值功率需求比CV电机的峰值功率小3.5倍[3]。Seth已经完成了关于可编程混合机制的综述工作[4]。Ouyang等人我提出了五个酒吧* 通讯作者。联系电话:+90 342 317 25 11;传真:+90 342 360 11 04。电子邮件地址:dulger@gantep.edu.tr(L.C.Dülger)。由Karabuk大学负责进行同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.11.0122215-0986/© 2016,Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.联动装置由五杆联动装置、交流CV电机和频率控制器、交流无刷伺服电机和伺服放大器组成,伺服放大器带有齿轮传动装置、换档编码器、飞轮和皮带[5]。Yuan等人已经研究了具有七连杆、两自由度连杆机构的两个混合动力机器[6]。Zhang提出了一种混合五杆机构[7]。Connor等人已经提出了一个研究的综合的混合五杆轨迹生成机构使用遗传算法[8]。Dulger等人提出了一项关于混合致动器建模和运动学分析的研究;一种带有可调曲柄的七连杆机构[9]。Yu提供了使用五杆机构的HM系统的研究[10]。Li等人研究了使用九连杆机构进行精密拉伸的混合驱动机械压力机[11]。Li和Zhang应用了一种七杆机构构型,并进行了混合动力系统的运动学分析和优化设计[12]。杜和郭研究了金属成形压力机。研究了传统配置,并提出了一种新的混合配置[13]。Meng等人提出了一种新的压榨机制。进行了链接尺寸优化。伺服电机的峰值速度和加速度显著降低[14]。李和左宗棠提出了一个七小节的力学[15]。Tso和Li后来使用七杆机构来研究不同运动输入下的冲压能力和冲压轮和冲压轮之间的能量分布[16]。He等人研究了轨道规划和优化,一个25吨的工业样机,带有2个自由度系统[17]。左宗棠再次使用了七杆机构。开发了具有迭代学习控制和反馈控制技术的控制系统[18]。 Li等人提出了一种用于深冲压工艺的新型混合驱动机械压力机[19]。Kütük接着研究了混合驱动两自由度系统的逆运动学和运动设计。出版社:Karabuk University,PressUnit ISSN(印刷版):1302-0056 ISSN(在线):2215-0986 ISSN(电子邮件):1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:http://www.elsevier.com/locate/jestch法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846847我我我f表1研究的分类名称[参考文献]DOF执行器应用机制托库兹[1]2DC Motor DC Servo新闻滑块曲柄杜尔格·基雷奇[2]3直流电机2直流伺服运动调节滑块曲柄螺钉Kireçci Dulger[3]2DC Motor DC Servo运动调节七个条形Ouyang等人[5]《中国日报》2AC Motor AC Servo新闻五杆Yuan等人[6]美国2DC Motor DC Servo新闻七个条形张[7]2DC Motor DC Servo点对点定位五杆螺钉Dulger等人[9]2DC Motor DC Servo纺织工业的调制七个条形Li等人[第十一届]2DC Motor DC Servo精密绘图九酒吧李章[12]2DC Motor DC Servo深冲七个条形杜国[13]2DC Motor DC Servo金属成型(停留)七个条形Meng等人[14个]2DC Motor DC Servo新闻七个条形李左[15]2AC Motor AC Servo新闻七个条形[16]第十六话2AC Motor AC Servo新闻七个条形He等人[17个]2DC Motor DC Servo锻造七个条形Li等人[19个]2DC Motor DC Servo深冲七个条形Kütük还考虑了所有类型的机构,特别是在压力机应用中使用的机构。运动要求由压力机制造商给出。本研究不包括关于其功率和能量使用的数学模型[20]。在这项研究中,不同的ram特性的目的是尝试,看看他们的混合动力机的可用性使用的情景ft5et4dtct2as5et44et33dt2b s20ft312et6dt2c(一)(二)(三)在金属成形工业中计划应用。最后,通过快速上升、缓慢返回和停留时间的分析,证明了HM的不稳定性由于它是一个工业项目,议案的性质直接取自公司。第一件要做的事是设计动作。细分技术-其中a、b、c、d、e和f是指多项式的系数,t表示时间。它们可以用矩阵形式表示1tit2 t3 t4 t5 拉瓜普岛由于不能表示运动的每个点,所以使用nique01 2ti3t24t35吨4吨阿罗夫河阿吉 只有一个多项式五阶多项式最好是0026 ti12t2 20t3三轴双螺杆挤出机识别运动,因为可以从初始输入100 tft2 t3伊伊t4 t5d(四)以及每个方向上的位置、速度和加速度的最终值f fff 片段有些方法被质疑如何才能更好地利用它012tf3t24t35吨4吨evff 很明显。曲线拟合工具箱用于此目的,可以看出,CFT在估计然后定义段的初始和最终数量方面这种合作首先在本研究中实现,并在案例研究中显示。混合动力机械的逆运动学分析已经被研究过,但是特别希望展示推导的所有细节。相信这项研究将回答对HM系统感兴趣的研究人员的问题,并为他们提供一个解决所有这些问题的过程在文献中进行的其他研究列表符合-0026tf12t2203 AB CAB C其中pi、vi和ai是初始位移、速度和加速度,pf、vf和af是滑块连杆的最终位移、速度和加速度,ti和tf分别是运动时间的初始值和最终值五阶多项式的系数如下:表1中给出了所选择的致动器类型、应用和机构。AC(五)对混联机床系统进行了逆运动学研究。运动设计过程是通过修改金属成形应用的运动要求来执行的。设计运动轮廓,并根据所需的运动学进行最终决定权在该领域的制造商。本文件的结构如下。第1节给出了混合动力系统的背景第二介绍了运动设计。第3-4节第5节以混合驱动感测的逆解曲线第六介绍了本研究的主要贡献。2. 运动设计轨迹被认为是连续的位置,速度和加速度。给出了它们的初始条件和最终六个边界条件可用于五次多项式[21]。运动设计包括获得滑块的位置、速度和加速度。滑块位移、速度和加速度以五阶多项式表示为:段的数量和段彼此分离的点与设计的运动和设计者的选择直接相关[20,21]。2.1. 运动示例两个运动曲线的例子在这里提出的日期不同的应用特点。它们被称为运动1和运动2。为了提高成形件的精度和质量,特别是在拉深过程中,需要采用不同的控制这当然减少了裂缝,眨眼,即使回弹与更高的生产力.(I) 运动1:滑块运动是快速上升和缓慢返回的运动。滑块行程为687 mm,每分钟行程为10。滑块的位移、速度和加速度如图1所示。运动1由五个部分组成。表2中给出了每个运动段的主要规格。段号、时间间隔、初始和最终848法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846Fig. 1. 运动学特征图二. 运动学特征-运动2.每个段的位置、速度和加速度的值对于形成运动是必要的。(II) 运动2:滑块运动是一个缓慢的返回停留和快速上升运动。滑块的行程为687 mm,每分钟行程滑块的位移、速度和加速度曲线如图2所示。运动2包括三个部分。表3中给出了每个节段的运动学规格。2.2. 曲线拟合工具箱本研究以Matlab©中的曲线拟合法为工具,设计滑块的运动特性。曲线拟合在运动设计操作中不直接使用给定所需的过孔点后,将运行曲线拟合工具文中给出了一个在x和y方向上给出数据集。该数据集包括18个数值。在x和y方向上的数据被加载,并形成在图3a中。接下来选择拟合类型。保形技术是从图中拟合类型的插值选项中选择的。 3b.在曲线拟合算法中,从一条拟合曲线的值。如果只有18个值可用,用户可以通过使用曲线拟合工具的分析 如图所示。 4、将18个数据组成的曲线转化为361个数据组成的曲线。361个数据表2片段的运动学特性(运动1)。B矢量的系数a b c d e f10 ≤ t ≤ 10,281.40,479.8635.3、94.1100.318318.16-10.335.1520.9121 ≤ t ≤ 2281.4、662.7479.8、166.694.11,-55835.4197.26194.85128.34125.7722.1832 ≤ t ≤ 3662.7、570.22166.6,-293.3-558,-233869.972105.232417.251033.26187.3312.4043 ≤ t ≤ 4570.22、255.4-293.3,-248.5− 233,252.755861.199262.936463.072155.88339.4420.3954 ≤ t ≤ 6255.44,0-248.5,0252.75、635.340,038.4847,474.721,629.974809.11525.2322.60段时间位置速度加速度number间隔(毫米)(mm/s)(mm/s2)法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846849表3片段的运动学特性(运动2)。B矢量的系数a b c d e f10 ≤ t ≤ 3687,00,0个0,0个6870.013413.391267.826131.68217.45823 ≤ t ≤ 3.50,0个0,0个0,0个00000033.5≤ t ≤ 60,6870,0个0,0个80,608.0793,071.4642,103.759303.621002.4742.20在图5A中给出。在分析选项中,可以对曲线进行一阶和二阶微分或积分。一阶微分给出了图6a中运动速度的结果。一些不需要的点可用。不可避免的是,速度特性的这种不连续性会导致加速度和加加速度特性的不期望的峰值。目的是消除不连续的条件下,提供的主要特征的议案。利用所选择的新过孔点的可用性,通过使用等式2再次形成运动(1)修正后的位移和速度特性的运动给出了图。5b和6b,分别为[22]。在该操作结束时,虽然拟合和修正之间没有显著差异,(a)(b)第(1)款图3.第三章。 数据在CF拟合曲线(CF)中。见图4。 分析选项(CF卡)。段时间位置速度加速度number间隔(毫米)(mm/s)(mm/s2)850法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846(a)(b)图五. 361数据曲线位移曲线,拟合和修正后的速度曲线之间有很大的改善。3. 混合驱动机构的逆运动学分析混合驱动机械系统如图所示。7.第一次会议。的 r5 r6 r1 r2 r3这两个方程可以写成欧拉形式[24]。eicos i(七)(八)系统由平面五杆机构ABDEF和CD副组成。除一个关节外,所有关节均为旋转关节。除外当Eqs (6)和(7)以欧拉形式写成,并分成两部分,则回路1和回路2可写成如下:是滑块和地面之间平移运动中使用的棱柱关节。如图7所示,连杆的长度由r1、r2、r3、r4、r5和r6表示。曲柄r5由一个恒速电动机驱动.曲柄r2由伺服电机驱动。连杆r1是地面连杆,θ是其方向角,坐标轴固定在点F。BDC是下止点滑块的点,其中r4,r5和r6在一条直线上排列。滑块的起始点假定为BDC,上止点r5sin5sin 6 sin6sin8 sin44r55 r66e r4cos4r5cos r66 X r2cos r3cos3r5sin5 sin 6sin6sin YA r2sin2 sin3sin3(9a)(9b)(10a)(10b)滑块的中心是TDC点。在该机构中,EF连杆由恒速电机驱动,AB连杆由伺服机构驱动电机XA和YA是点A的水平和垂直位置,re-boundary。 XA和YA可以写成如下:在此基础上,推导了机器人的逆运动学方程,并得到了机器人的正运动学方程 利用图1所示的机构简图, 7、两个回路闭合方程”[23]这句话是这样写的回路XAr1cosYAr1sin(十一)s是不同的运动所需的滑块的位移函数, r5 r6FG r4(六)运动特性S0是R5、R6和R4排成一条直线的点,计算如下;(a)(b)第(1)款法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846851见图6。 拟合曲线的速度852法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846但是,123以 日本语简体中文得到了,sin2122001年2月 2日。当量(18)可以AA2和tan62(十八) A2(十九)6从等式(9 b)4(二十)2014年4月循环2方程被变换成以下方程:r3sin3 r5sin5 r6sin6 YA r2sin2 r3cos r5cosr6cos6 X r2cos2(21a)(21b)通过取这两个方程的平方来消除,相互相加,得到下面的等式Dsin2 E2 F哪里D2 r2 r5sin2 r2 YA2 r2 r6sin62r5cos2 r2 r6cos2 r2 XAFr22r22X2Y22Y rsin 2Y r sin(二十二)(23a)(23b)A AA 6 6A5 5(23c)6见图7。混合动力驱动机械系统的示意图。2r5r6cos类似地,然后通过使用Eq.(二十二) D2(二十四)S2(十二)EF3.1. 位置分析第三连杆的角位移可以从等式(1)中得到。(10 b);根据回路1和回路2的等式,角位移-(二十五)曲柄r2的位置布雷尔河可以根据旋转角度和滑块位移s。年月日,(十三)附录A2中给出了该机构每个连杆的角速度。混合驱动机械系统各连杆的角加速度见附录A3。循环1方程被变换成以下形式:r4sin r5sin r6sin S0 r4cosr5cos r6cos e(十四)(十五)4. 混合驱动机构的连杆综合滑块的不同运动特性是满足的,因为输入连杆r2和r5必须进行完整的旋转。[25]故,通过取这两个方程的平方来消除,互相补充得出以下公式[14]。混合五杆机构的无约束双曲柄分类。 输入连杆r2和r5是自由曲柄。r5空军一号, AB-2, BD3.0,CD 4.0, FE5,ED63526布雷法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)8468535640 5 5 5 5A6 B6 C哪里A S0 r62 r5 r6sin5B2r5r6cos2er6(十六)(17a)(17b)不等式约束定义如下:r1 r2 r5 r3 r6 r2 r5 r6r1 r3 r2 r r5 r r6(26a)(26b)(26c)Cr2rss2e2r22S 新锡 2cosre(17c)应满足以下不等式约束以提供滑块移动性条件。0854法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846表4混合驱动机构的连杆尺寸。r4 XD e(二十七)1.0472 rad/s。图9(b)显示了五连杆的角位移。利用逆运动学方程,求出了第二连杆的角位移、速度和加速度。 十一岁6. 结论本研究的主要贡献如下。这里XD表示点D在x方向上的坐标。为了具有适当的链路长度,链路长度不等式约束如下给出:在这项研究中,证明了不同的运动场景可以实现混合机器系统。不仅快速上升,缓慢返回,反之亦然,而且停顿运动,这是绝对必要的金属成形过程已被尝试,它表明,riminr ir imaxr1,2,,6(二十八)通过使用伺服电机,以混合方式提供了灵活性找到了混合驱动机构的连杆尺寸并在表4中列出。所有尺寸均以mm为单位,取向角θ以度为单位。现在可以通过应用图8a中的逆运动学过程来看到机构的同时位置。利用等速电机和伺服电机的角位移数据,生成了混合驱动机构的运动动画。 8b.5. 所需运动本部分的主要目的是获得图7[19]所示伺服电机驱动的第二连杆的运动学规格。逆运动学方程用于实现这一目的。5.1. Motion 1和Motion II第一个设计的滑块运动如图1所示。由恒速电机驱动的五连杆将以-1.0472 rad/s的角速度在CW方向上旋转2 * π弧度。图9a中示出了柔性连杆的角位移。第二连杆的角位移、速度和加速度如图10所示。第二种设计的滑块运动如图2所示。五连杆以(CCW)的角速度旋转2 * π弧度(i) 提出了一种由恒速电机和伺服电机驱动的两自由度平面机构。它由七个连杆组成,其中七个为转动副,一个为移动副。本文详细地推导了求解逆运动学方程应用该方法可得到伺服电机的运动学参数。该技术以等速电机驱动曲柄和滑块机构的运动学特性作为系统的输入参数。运动学逆解是HM系统分析的关键。在这种操作中,对于由伺服电机驱动的曲柄的角位移,并不总是能够得到整数。等速电动机驱动曲柄的始点角起着重要的作用。因为,有一个轨道要遵循的公羊。是中风。在这段时间内,由恒速电机驱动的曲柄完成了一个完整的旋转。然而,由伺服电机驱动的曲柄的尖端点具有工作包络。如果违反了这一点,伺服电机的角位移值将不可行。它们可以变成复数。这意味着没有提供要跟踪那么,它终究是要这是设计师必须考虑的一个重要问题。(a)(b)第(1)款见图8。 混合机构的同步位置R1R2R3R4R5R6e5302006509001708006245法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846855见图9。 运动1和运动2的CVM角位移。(ii) 设计了两种不同的运动特性。运动设计问题已经在现有的混合动力研究中进行了研究。目前还没有看到任何详细的研究,包括设计程序。这项研究具有指导意义。本研究所设计的运动和所选择的机构适用于金属成形工业,如拉深和锻造操作。因此,出现了一些限制。在很短的时间内将滑块从上止点移动到下止点是很难实现的。因为撞锤的运动更依赖于CV电机而不是SM。SM只是像一个调节器,使系统更灵活。(iii) 考虑到运动的复杂性,将其划分为若干段,并用五阶多项式来描述它们。曲线拟合技术作为一种辅助工具,在运动设计中有着重要的作用.在所提出的分割技术中,为了得到平滑的特征,必须精确地定义每一段的位置、速度和加速度的起始量和终止量。但这些价值很难预测。根据获得的线索通过CFT,可以很容易地定义通过点,以阻止速度和加速度分布中的峰值点。分段和连续傅立叶变换是用来相互补充通过实例说明了该方法的适用性。(iv) 实验部分的研究仍在进行中的混合问题,特别是在系统验证和数学建模与执行器动态。确认作者感谢科学、工业和技术部在SANTEZ项目下提供的资金(编号:01422.STZ.2012-I)。附录A1: 回路方程通过微分方程,(9a,9b)和(10a,10b)相对于时间的关系,则得到以下方程:856法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846见图10。 SM的运动(运动1)。法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)846857见图11。 SM运动(Motion 2)858法医Kütük,L.C.Dülger/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)8464r5 w5cos r6 w6cos6 cos4 w4cos4r5 w5sin r6 w6sin r4 w4sin4r5 w5cos r6 w6cos r2 w2cos r3 w3cos3(A1.1a)(A1.1b)(A1.1c)其中r1、r2、r3、r4、r5、r6、θ和e是混合驱动机构的尺寸参数(图1)。 7)。附录A2:连杆的角速度r wsinrw新 Rw辛辛rw rw新(A1.1d)w55 4 5 4r6sin(A2.1a)55 5 66 6 22 2 33 3通过微分方程,(A1.1a、A1.1b、A1.1c、A1.1d)W r5w5sin(A2.1b)4r sin sin 时间和重新安排他们,Eqs。(A1.2a,A1.2b,A1.2c,A1.2d);r55 r5 w2sin r6 w2sin r6cos64 4 6w2r5w5sinr6w6sinr2sin(A2.1c)5 64w2sin(A1.2a)4 4 44 4wr5w5sinr6w6sin(A2.1d)r5 w2cos r55 sin r6 r6 w2cos6r3sin5 64w2cos(A1.2b)r55 r5 w2sin r6cos r6 w2sin6附录A3:连杆5 6(A1.2c)r5w2cor4w2co6eeinr6wr5sin2 2 2 222 3 3 3 33 3454 6r4si(A3.1a)r55 r5 w2cos r6 w2cos r66sin65 6r4wseeiw2cos()rw2cos()sin() r sinrw2cos(A1.2d)6445545 6646 5 5 45(A3.1b)2 2 2 222 3 3 3 33 3r6sin()r5w2cos5 3 r6w2cos3 6 r66sin3 6 r2w2cos2 3 r3w2 r55sin3 5(A3.1c)5 6 2 32r sin sin 2 3 2r5w2cos2 5 r6w2cos2 6 r66sin2 6 r2w2 r3w2cos2 3 r55sin2 5(A3.1d)5 6 2 33r sin sin 3 2 3根 据 等 式 ( A2.1a , A2.1b , A2.1c , A2.1d ) 和 ( A3.1a ,A3.1b,A3.1c,A3.1d)中,也可以写出伺服电机驱动的曲柄r2的角速度w2和ω2w25, w5, s, s引用[1] L.C. 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