一种用于界定机构运动高速区域的判别方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于界定机构运动高速区域的判别方法，该方法包括以下步骤：选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率；选取主频谱的频率代表运动频率；机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；根据曲线，对机构系统作为柔性多体动力学系统进行设计分析和刚体动力学系统进行研究做出判定。本发明通过根据机构的驱动频率、机构的固有频率和机构的确定所研究机构的高速运动范围，避免了基于经验的设计方式存在的机构设计复杂、成本高和设计隐患。此外，本发明方法简单，提供了一种精确的用于界定机构运动高速区域的判别方法。
【专利说明】一种用于界定机构运动高速区域的判别方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数字制造装备的机构设计【技术领域】，尤其涉及一种用于界定机构运动高速区域的判别方法。
【背景技术】
[0002]数字制造装备的机构设计领域存在两种设计分析方法:①将机构作为刚性多体动力学系统进行分析设计，即在设计分析过程中假定机构各部件不发生变形；②将机构作为柔性多体动力学系统进行分析设计，即在设计分析过程中考虑机构部件发生变形的影响，其中方法ー较为简单，且有大量成熟的设计经验可以借用，设计成本相对较低，方法ニ较为复杂，需要考虑的设计因素较多，设计周期也相对较长，设计成本相对较高，实际的机构部件都是会发生变形的，方法一实质上是不考虑机构部件变形的动力学效应影响，考虑到成本等因素，大部分的数控装备采用假定机构为刚体动力学系统的方法ー进行设计分析，基于高速动力学理论，当机构运动进入“高速”区域时，运动部件必须作柔性体假设，形成所谓的“柔性机构”(flexible mechanism),此时，由于机构部件间间隙的存在及部件的刚体运动与其弾性变形耦合等问题，动力学模型将以变系数、非光滑、多非线性项甚至强非线性项组合的高维微分方程组形式出现，这给实际问题的解决带来很大的困难。
[0003]目前，在实际的产品设计过程中，设计人员往往基于经验来判定机构是否属于“高速”机构，即确定是否采用柔性多体动力学理论进行设计，这种基于经验的设计方式容易导致机构设计人员出现保守设计或激进设计的问题，要么增加了不必要的设计复杂性和设计成本，要么产品存在较大的设计隐患。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的在于提供一种用于界定机构运动高速区域的判别方法，旨在解决现有的设计人员基于经验判定机构是否属于高速机构，容易导致机构设计人员出现保守设计或激进设计的问题，増加不必要的设计复杂性和设计成本，使得存在较大的设计隐患的问题。
[0005]本发明实施例是这样实现的，一种用于界定机构运动高速区域的判别方法，该用于界定机构运动高速区域的判别方法包括以下步骤:
[0006]选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率；
[0007]选取主频谱的频率代表运动频率；
[0008]机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；
[0009]建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；
[0010]根据曲线，对机构系统作为柔性多体动力学系统进行设计分析和刚体动力学系统进行研究做出判定。
[0011]进ー步，该用于界定机构运动高速区域的判别方法的具体步骤如下:[0012]第一歩，动态子结构模态振型的频率；选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率，选取包含最高运动频率的1000倍以下的所有频率作为动态子结构模态振型的频率；
[0013]第二歩，对机构的运动过程进行频率分析，选取主频谱的频率来代表运动频率；
[0014]第三步，对机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；
[0015]第四步，以机构固有频率相对运动频率的比值为横轴，以运动频率特性所对应的机构最大残余振动振幅为纵轴,建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；
[0016]第五步，当待研究的机构系统处在第四步所得的曲线左下方时，机构系统必须作为柔性多体动力学系统进行设计分析；反之，作为刚体动力学系统进行研究即可。
[0017]进ー步，主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线绘制的具体模型及方法为:
[0018]第一歩，通过机械零件有限元模型进行主模态的计算；
[0019]第二步，机构通过柔性多体动力学模型进行仿真分析，运动曲线的FFT变换，进行參数扫描，绘制出參数化运动曲线；
[0020]第三步，參数化运动曲线通过动力学仿真分析和残余振动响应计算出最大残余振动振幅；
[0021]第四步，残余振动最大振幅经过运动曲线的FFT变换得到运动主频谱比值；
[0022]第五步，绘制出主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线。
[0023]本发明提供的用于界定机构运动高速区域的判别方法，通过根据机构的驱动频率、机构的固有频率和机构的定位精度要求来针对性地确定所研究机构的“高速”运动范围；本发明用于判别机构是否为“高速”机构，进而判定机构是否必须按照柔性多体动力学系统理论进行设计，避免了基于经验的设计方式容易导致机构设计复杂性和设计成本増加以及存在设计隐患的问题。此外，本发明方法简单，操作方便，提供了一种精确的用于界定机构运动高速区域的判别方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例提供的用于界定机构运动高速区域的判别方法的流程图。
[0025]图2是本发明实施例提供的焊头摆杆固有模态/运动主分量频率比值与残余振动振幅的关系的意图。
[0026]图3是本发明实施例提供的主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线绘制的具体模型及方法流程图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一歩详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用干限定本发明。
[0028]图1示出了本发明提供的用于界定机构运动高速区域的判别方法流程。为了便于说明，仅仅不出了与本发明相关的部分。[0029]本发明实施例的用于界定机构运动高速区域的判别方法，该用于界定机构运动高速区域的判别方法包括以下步骤:
[0030]选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率；
[0031]选取主频谱的频率代表运动频率；
[0032]机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；
[0033]建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；
[0034]根据曲线，对机构系统作为柔性多体动力学系统进行设计分析和刚体动力学系统进行研究做出判定。
[0035]作为本发明实施例的一优化方案，该用于界定机构运动高速区域的判别方法的具体步骤如下:
[0036]第一歩，动态子结构模态振型的频率；选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率，选取包含最高运动频率的1000倍以下的所有频率作为动态子结构模态振型的频率；
[0037]第二歩，对机构的运动过程进行频率分析，选取主频谱的频率来代表运动频率；
[0038]第三步，对机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；
[0039]第四步，以机构固有频率相对运动频率的比值为横轴，以运动频率特性所对应的机构最大残余振动振幅为纵轴,建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；
[0040]第五步，当待研究的机构系统处在第四步所得的曲线左下方时，机构系统必须作为柔性多体动力学系统进行设计分析；反之，作为刚体动力学系统进行研究即可。
[0041]进ー步，主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线绘制的具体模型及方法为:
[0042]第一歩，通过机械零件有限元模型进行主模态的计算；
[0043]第二步，机构通过柔性多体动力学模型进行仿真分析，运动曲线的FFT变换，进行參数扫描，绘制出參数化运动曲线；
[0044]第三步，參数化运动曲线通过动力学仿真分析和残余振动响应计算出最大残余振动振幅；
[0045]第四步，残余振动最大振幅经过运动曲线的FFT变换得到运动主频谱比值；
[0046]第五步，绘制出主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线。
[0047]下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进ー步描述。
[0048]如图1所示，本发明实施例的用于界定机构运动高速区域的判别方法包括以下步骤:
[0049]SlOl:选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率；
[0050]S102:选取主频谱的频率代表运动频率；
[0051]S103:机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；
[0052]S104:建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；
[0053]S105:根据曲线，对机构系统作为柔性多体动力学系统进行设计分析和刚体动力学系统进行研究做出判定。
[0054]本发明的具体步骤如下:
[0055]第一歩，动态子结构模态振型的频率；选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率，选取包含最高运动频率的1000倍以下的所有频率作为动态子结构模态振型的频率；
[0056]第二歩，对机构的运动过程进行频率分析，选取主频谱的频率来代表运动频率；
[0057]第三步，对机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅；
[0058]第四步，以机构固有频率相对运动频率的比值为横轴，以运动频率特性所对应的机构最大残余振动振幅为纵轴,建立上述频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线；如图2所示；
[0059]第五步，当待研究的机构系统处在第四步所得的曲线左下方时，机构系统必须作为柔性多体动力学系统进行设计分析；反之，作为刚体动力学系统进行研究即可；
[0060]进ー步，主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线绘制的具体模型及方法为:
[0061]第一歩，通过机械零件有限元模型进行主模态的计算；
[0062]第二步，机构通过柔性多体动力学模型进行仿真分析，运动曲线的FFT变换，进行參数扫描，绘制出參数化运动曲线；
[0063]第三步，參数化运动曲线通过动力学仿真分析和残余振动响应计算出最大残余振动振幅；
[0064]第四步，残余振动最大振幅经过运动曲线的FFT变换得到运动主频谱比值；
[0065]第五步，绘制出主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线。
[0066]如图2所示，是焊头摆杆固有模态/运动主分量频率比值与残余振动振幅的关系图，根据高速轻载机构的特点，从机构的固有频率与运动频率主分量的比值和定位精度要求，以量化指标界定了高速机械的定义(如图2阴影区域属于高速区)，获得了固晶焊头机构残余振动规律:当固有频率与运动主频率的比值小于100时，残余振动振幅大于IOym(即定位精度く ilOym);当比值介于100-300之间，残余振动的幅值跟刚度影响很大，提高固有频率，可以显著降低残余振动；当比值大于300后，固有频率的提高，对残余振动振幅降低不明显，应该考虑运动规划和末端减振来进步提高定位精度，此外，由于摆杆材料的阻尼比较小，振动衰减需要时间长些，如果将主运动频率靠前，让其产生的振动有更多的衰减时间，则可以进一歩降低残余振动振幅，为速度规划提供了理论指导。
[0067]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于界定机构运动高速区域的判别方法，其特征在于，该用于界定机构运动高速区域的判别方法包括以下步骤: 选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率； 选取主频谱的频率代表运动频率； 机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅； 建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线； 根据曲线，对机构系统作为柔性多体动力学系统进行设计分析和刚体动力学系统进行研究做出判定。
2.如权利要求1所述的用于界定机构运动高速区域的判别方法，其特征在干，该用于界定机构运动高速区域的判别方法的具体步骤如下: 第一歩，动态子结构模态振型的频率；选取对机构运动影响最大的振型频率作为机构固有频率，选取包含最高运动频率的1000倍以下的所有频率作为动态子结构模态振型的频率； 第二步,对机构的运动过程进行频率分析,选取主频谱的频率来代表运动频率； 第三步，对机构进行柔性多体动力学仿真，计算出不同运动频率特性运动曲线所对应的机构最大残余振动振幅； 第四步，以机构固有频率相对运动频率的比值为横轴，以运动频率特性所对应的机构最大残余振动振幅为纵轴,建立频率比和残余振动最大振幅之间的关系曲线； 第五步，当待研究的机构系统处在第四步所得的曲线左下方时，机构系统必须作为柔性多体动力学系统进行设计分析；当待研究的机构系统处在第四步所得的曲线右下方吋，作为刚体动力学系统进行研究即可。
3.如权利要求1所述的用于界定机构运动高速区域的判别方法，其特征在于，主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线绘制的具体模型及方法为: 第一歩，通过机械零件有限元模型进行主模态的计算； 第二步，机构通过柔性多体动力学模型进行仿真分析，运动曲线的FFT变换，进行參数扫描，绘制出參数化运动曲线； 第三步，參数化运动曲线通过动力学仿真分析和残余振动响应计算出最大残余振动振幅; 第四步，残余振动最大振幅经过运动曲线的FFT变换得到运动主频谱比值； 第五步，绘制出主模态、运动主频谱比值与残余振动振幅关系曲线。
【文档编号】G06F17/00GK103530272SQ201310442457
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】杨志军, 白有盾, 陈新, 高健, 刘冠峰, 陈新度, 杨海东, 王梦 申请人:广东工业大学