[發(fā)明專利]基于主頻能量時(shí)域最優(yōu)分布的非對(duì)稱變加速度規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410255068.4
• 申請(qǐng)日: 2014-06-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104008250A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳新;白有盾;楊志軍;高健;楊海東;王夢(mèng);陳新度
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆;鄧猛烈

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械工程與數(shù)學(xué)研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于主頻能量時(shí)域分布最優(yōu)的非對(duì)稱變加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

運(yùn)動(dòng)加速度達(dá)到10g以上的機(jī)構(gòu)裝置被視為“柔體”，其動(dòng)力學(xué)特性與一般的剛體機(jī)構(gòu)差異較大。上述高加速的執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在很大的慣性能量影響，在高速啟停等高加速度情況下的殘余振動(dòng)很大，造成機(jī)構(gòu)彈性振動(dòng)能量需要較長(zhǎng)的衰減時(shí)間才能滿足高精密定位的需求。為保證高速高加速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精密定位要求，常見(jiàn)的解決方案主要為：設(shè)計(jì)平滑的加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)劃曲線來(lái)減少高速運(yùn)動(dòng)中因加速度變化帶來(lái)的振動(dòng)沖擊。例如，制造業(yè)常見(jiàn)的S型曲線規(guī)劃。

傳統(tǒng)解決方案主要是從保證運(yùn)動(dòng)加速度曲線幾何光順進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。由于其并非從機(jī)構(gòu)剛度、慣性、固有頻率等內(nèi)在本質(zhì)物理原因角度來(lái)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，得到的運(yùn)動(dòng)曲線在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生諧波，因此又有學(xué)者提出了采用濾波來(lái)消除諧振分量。但該方法仍然存在兩個(gè)問(wèn)題：1)機(jī)構(gòu)的固有頻率隨運(yùn)動(dòng)位形變化，需要設(shè)計(jì)變帶阻的濾波器；2)濾波后導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不到位，需要進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，降低了效率。

為解決上述問(wèn)題，專利201310460878.9提出了通過(guò)柔性多體動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化，獲得減小殘余振動(dòng)的S型運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃方法，將S型曲線參數(shù)由幾何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，提高了適應(yīng)性。

然而，微電子封裝等高速設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)極限速度，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是加速或減速過(guò)程，沒(méi)有勻速段。極速啟停引起機(jī)構(gòu)的寬頻振動(dòng)，使得基于小變形假設(shè)的柔性多體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用受到制約，因此有必要引入新的方法來(lái)對(duì)高速機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行求解。

專利201310460878.9中提出一種高速機(jī)構(gòu)減小殘余振動(dòng)的S型運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃方法，該方法主要是考慮機(jī)構(gòu)柔性振動(dòng)衰減對(duì)定位時(shí)間的影響，在傳統(tǒng)的S型運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上增加了衰減時(shí)間段，建立以定位時(shí)間最短為目標(biāo)的考慮高速機(jī)構(gòu)殘余振動(dòng)影響的S型曲線規(guī)劃模型，可以較好地保證高速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減少高速機(jī)構(gòu)的定位時(shí)間。專利201310460878.9提出的方法中利用高精度截尾動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法來(lái)創(chuàng)建執(zhí)行機(jī)構(gòu)的柔性多體動(dòng)力學(xué)模型，在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化過(guò)程中上述柔性多體動(dòng)力學(xué)模型保持不變。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)一步提升時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)將表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的修改將會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的柔性振動(dòng)響應(yīng)特性產(chǎn)生較大影響，即柔性多體動(dòng)力學(xué)模型將發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致專利201310460878.9提出方法的適用范圍將主要限制在高速執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中非線性影響較小的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于主頻能量時(shí)域最優(yōu)分布的非對(duì)稱變加速度規(guī)劃方法，解決存在大柔性變形等非線性影響和精密定位要求的高速高加速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)在高加速條件下的精密定位以及位/力平滑切換。同時(shí)，本發(fā)明提出的方法也適用于上述采用傳統(tǒng)解決方法的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于主頻能量時(shí)域最優(yōu)分布的非對(duì)稱變加速度規(guī)劃方法，該基于主頻能量時(shí)域最優(yōu)分布的非對(duì)稱變加速度規(guī)劃方法包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)機(jī)構(gòu)幾何模型，建立包含運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度的裝配體有限元模型，并創(chuàng)建非線性有限元分析解算方案；

步驟二、設(shè)定運(yùn)動(dòng)參數(shù),得到參數(shù)化非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)函數(shù)，并作為邊界條件施加到非線性有限元模型中；

步驟三、對(duì)參數(shù)化非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行定位歷程仿真，即通過(guò)非線性有限元求解得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)歷程響應(yīng)曲線；

步驟四、判斷驅(qū)動(dòng)結(jié)束后實(shí)時(shí)振動(dòng)響應(yīng)曲線的振幅是否滿足定位精度，若不滿足，則計(jì)算梯度和步長(zhǎng)，并修改運(yùn)動(dòng)函數(shù)參數(shù)，繼續(xù)步驟三；若滿足則終止步驟三的非線性有限元求解歷程，獲取直至終止時(shí)刻的時(shí)間T，進(jìn)入步驟五；

步驟五、通過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)間和慣性能量衰減時(shí)間的測(cè)定，判斷目標(biāo)響應(yīng)時(shí)間T是否為最小值，若是最小值則確定設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)；若不是最小值則計(jì)算運(yùn)動(dòng)參數(shù)的梯度和步長(zhǎng)，并重新設(shè)定運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)入步驟三進(jìn)行求解。

步驟一的具體方法如下：

a、建立機(jī)構(gòu)的三維幾何模型；

b、利用有限元軟件對(duì)三維模型定義材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，轉(zhuǎn)換為有限元模型；

c、在機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)約束，從而在有限元分析環(huán)境中建立機(jī)構(gòu)的包含運(yùn)動(dòng)學(xué)自由度的裝配體有限元模型；

d、在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，施加參數(shù)化非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)函數(shù)邊界條件；

e、創(chuàng)建非線性有限元分析解算方案。