创新实验项目申请书基于反作用力响应盲区影响的重载装置刚柔体动力学建模研究.doc

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1、中南大学大学生创新训练项目项 目 申 请 书(理工类)项目名称：基于反作用力响应盲区影响的重载装置刚柔体动力学建模研究申 请 人： 孙洁洁 所在班级： 机械0912班 指导教师： 学科专业： 机械设计制造及其自动化 所在单位： 机电工程学院 联系电话： 15200861243 E - MAIL： 495258393 申请日期： 2011年6月1日 中 南 大 学2011年6月填 写 说 明1本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2本申请书为大十六开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。3申请人所在学院认真审核，签署

2、意见后，将申请书（一式两份）报送本科生院特色教育办公室。一、简况项目名称基于反作用力响应盲区影响的重载装置刚柔体动力学建模研究所属学科机械工程批准经费20000起止年月2011年 3月至 2013 年 3月申请人姓名孙洁洁性别男民族汉出生年月1990.9身份证号320323199009200639电话15200861243学号0806091428指导教师职务职称电话项目参与人性别出生年月班级学院学号电话孙洁洁男1990.9机械0912班机电工程学院080609142815200861243吴书舟男1991.9机械0912班机电工程学院080609142415200868385高雨男1991.1

3、0机械0912机电工程学院080609142518643996977李帅男1987.3机械工程09级机电工程学院09371113213875942420申请人曾参与和本项目相关科研的情况具有开拓创新的精神，曾参加“金工大赛”和中南大学创新创业项目，对于机械原理、机械设计、机构学、机器人学等学科拥有扎实的基础和良好专业技能，并能熟练应用cad 、proe、ansys、adams等三维和仿真软件。指导教师承担本项目相关科研课题情况项目情况简介在重载装置动力学建模方面，通常把系统简化而忽略了很多因素的作用，使得建立的系统模型难以解耦，也影响了后续的控制研究精度。本研究在分析机械系统出现反向微动时主动

4、力和从动力变化规律的基础上，提出了反作用力响应盲区的概念，尝试建立考虑运动副摩擦情况下的重载装置动力学模型，并且在研究反作用力响应盲区内各运动副反力的不确定性与重载装置动力学模型奇异性的基础上，试图提出运动副的接触摩擦状态的判断方法，建立相应的摩擦约束方程，使重载装置动力学模型完整可解。同时根据重载机械系统动态稳定条件及摩擦约束条件，得出重载装置整体的转化机构的统一动力学方程，分析其力封闭性和承载能力 ，建立拓扑同构及变元优化设计的数学模型。二、课题论证（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）1 立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究意义、国内外研究现状及发展

5、动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)1.1机械系统及其动力学研究现状与发展趋势当今世界正经历着一场新的技术革命。新概念，新理论，新方法，新工艺不断出现。作为向各行各业提供装备的机械工业，也得到了迅猛的发展。现代机械工业日益向重载，高速，高精度，高效率，低噪声等方向发展，对机械提出的要求也越来越苛刻。然而作为国家基础制造能力表征的巨型重载操作装备，如：重载塔吊装置，重载输送装置，重载锻造操作装置，履带式起重机等等，其设计与制造水平远远落后于发达国家。例如：国内最大的锻造操作机夹持的最大重量是北方

6、重工的200t，但是其整机水平还有待于进一步验证；而德国的西马克公司已经超过了300t，载重力矩630tm并且能够实现和压机的联动1；欧洲起重机的平均吨位在800吨，而我国目前这一数字却不到200吨2。我们国家在巨型重载操作装备上迟迟不能缩短与世界领先水平的差距已经严重的阻碍了国民经济的建设，国家大战略工程的全面推进迫在眉睫。造成这种局面的原因是多方面的，其中未能充分考虑重载装置运动副的摩擦特殊性对机械系统动力学的影响是造成巨型重载操作装备设计水平低、设备性能落后的重要原因之一。摩擦广泛存在于工程实际中。在轻型机械中，摩擦对轻载机械系统的动力特性不会产生很大的影响，但是巨型、重载和高速是现代机

7、械的一个重要标志和发展方向，随着运动速度和精度的提高，运动副之间的摩擦不容忽视。而巨型重载装置运动副的摩擦特殊性更主要体现在：在巨型重载装置的传动过程中，两构间之间传递的力非常大，并且力的方向在短时间内急剧变化，造成两构件相互接触的表面之间的摩擦力很大以及摩擦力方向不确定。在对巨型重载装置进行机械系统动力学分析时，如果仍旧按照以前常用的分析方法，例如采用牛顿-欧拉（Newton-Euler）法3-7、拉格朗日（Lagrange）8-10、虚功原理法3,11-13、凯恩（Kane）法14、旋量法14，15等建立动力学模型，或者采用经典的库伦摩擦力模型，仅仅是考虑摩擦力与摩擦圆相切的情况（即动摩擦

8、状态），或者采用Metrikin V.S.等所提到的用一种对库伦静摩擦已经改进了的模型16，或者采用Jon Juel Thomsen 和Alexader Fidin用解析近似法对速度依赖动摩擦模型求解17，忽略或简化摩擦力对巨型重载系统动力学的影响、响应顺应性的影响、响应灵敏度的影响，是不可能得到精确的结果，不能满足精确控制巨型重载装置的要求，并且对以后更加深入的研究和发展巨型重载装置的设计以及制造形成难以逾越的屏障。近年来，随着现代数学理论的不断发展，一些现代数学工具，如李群、李代数、微分流形和黎曼流形等开始应用于动力学建模和控制以研究系统的动力特性18-20。Spong使用Hamilton

9、原理和黎曼几何等工具揭示了机械系统动力学的几个特性21，研究得出机械系统动力学简化模型存在的几个特性，研究得出机械系统动力学简化模型存在的条件，对于指导机械系统控制和机械系统设计大有用处。Liu等基于李群和李代数的基本理论22，利用Newton-Euler和Lagrange形式给出了一种通用的坐标不变的刚体动力学建模数学框架，表明机械系统动力学建模和控制可以采用统一的几何框架。目前利用现代数学进行动力学的研究的人已经比较多，但确少有学者利用物理方法研究机械系统动力学。运动副的摩擦特性对重载机械系统动力学的影响，目前在国内外研究的很少。并且重载机械系统动力学因其自身的特殊性：构件体积大，重量大，

10、构件之间传递力大，大量的研究有待开展。如在动力学建模方面，要研究建立与所有构件及关节的质量、转动惯量、惯性力（矩）、连接方式、摩擦、阻尼和结构尺寸等诸多因素有关的精细模型，使其分析计算结果精度更高、更接近真值；在对精细模型定量分析研究的基础上，要考虑建立满足精度及控制要求的简化模型，追求最快求解速度；开展系统动力学响应的研究以指导动力学控制；研究并联机器人机构振动、平衡等问题以保证系统良好的动态性能23，24；研究考虑构件的弹性、运动副间隙、制造及安装误差等因素影响的系统高等动力学分析问题。总之，该方面的研究前景十分广阔，其难度也是不言而喻的。为了考虑运动副的摩擦对重载装置系统的影响，我们以压

11、杆式重载夹持装置为分析对象，首次提出了反作用力响应盲区的概念25-28，并且将这个概念推广到所有重载机械系统当中，应用这个理论可以把运动副的动摩擦和静摩擦都考虑在内以更准确的方法对重载装置系统动力学进行更深入的研究。1.2 反作用力响应盲区概念通过对压杆式重载夹持装置工作过程分析可知，夹钳抬起前，重载夹持装置处于夹持预紧状态，推力为驱动力，传递至钳口作用锻件的力为夹持预紧力（如图1所示）；当夹钳抬起时，夹持预紧状态变为夹持工作状态，钳口对锻件的夹紧力为驱动力，推力为阻力，重载夹持装置具备反向微动趋势，各运动副反力的方向也随之发生改变，从开始的与摩擦圆一侧相切，经与摩擦圆相割，再逐步过渡到与摩擦

12、圆的另一侧相切（如图2所示）。当夹紧力大于某一值时，重载夹持装置产生反向运动，导致夹持失效。 图1 重载夹持装置夹持预紧状态 图2 重载夹持装置夹持工作状态为了分析力流的传递规律，把重载夹持装置的力学模型进行简化，如图3和图4所示。 图3 预紧夹紧时的简化力学模型 图4 工作夹紧时的简化力学模型由图3和图4的力学模型可知，当机构处于预紧夹持时，输入为推力，输出为预紧夹持力；当机构处于工作夹持时，输入为所需工作夹持力，输出为推力。当输入的所需工作夹持力为临界夹持力时，即反向微动时，由机械效率公式推导夹持机构预紧夹持力和临界夹持力的变化关系得： (1)因，当机构未发生反向微动时，则： (2) (3

13、)由公式（3）表明，在推力不变的情况下，机构的夹紧力可以在到之间变化，即机构工作张力在到之间时，不会反映到推杆上。设： (4)称为夹持机构的反作用力响应盲区。设反作用力响应盲区大小的盲区特性系数为: (5)反作用力响应盲区特性系数，是提高夹持装置承载能力的重要参数12。1.3、各运动副反力的不确定性和经典刚体动力学模型的不完备性如图5所示，压杆式夹钳装置的机构简图：图5 压杆式夹持装置机构简图利用关联约束法29列出在考虑运动副摩擦时构件i动力学运动方程如下： (6)其中，、分别为第i-1构件作用在第i构件的力和力矩，、分别为第i+1构件作用在第i构件上的力和力矩； 是构件i的加速度；是连接构件

14、i-1和构件i的运动副摩擦力矩，为该运动副约束反力到铰链中心的距离；是连接构件i和构件i+1的运动副摩擦力矩，为该运动副约束反力到铰链中心的距离。 其计及运动副摩擦时的动力学运动方程一般形式为： (7) 其中为系统的质量矩阵，为系统的广义坐标矩阵，为系统的位置约束方程， 为拉格朗日乘子，为系统的广义力矩阵。 ，（i=1,2,K； l=1,2,M ； j=1,2,N), 和分别为第i个构件上受到的力和力矩，为第l个移动副摩擦力，为第j个转动副摩擦力矩，各个力可由动态静力法求得。公式式（6）、（7）是夹持装置夹钳开合、抬升、旋转等各种工况的通用方程，对于压杆式重载夹持装置系统可列出67个独立平衡方

15、程，如果将夹钳装置推广到由K个构件N个运动副组成的机械系统，可以得到6K个独立的平衡方程，则第l个移动副摩擦力，为移动副约束反力，为移动副力与法线所夹锐角；第j个转动副摩擦力矩，为转动副约束反力到铰链中心的距离，为转动副约束反力。当系统所有运动副的反力与摩擦锥或摩擦圆相切时，为第l个移动副的摩擦角；，为第j个转动副的摩擦圆半径。未知量只包括各运动副约束反力和未知主动力，未知量数等于动态静力学方程维数，系统是静定的。此情况极为特殊，不做一般性的讨论。更多的情况是：系统部分的运动副反力与摩擦锥或摩擦圆相切，而部分的运动副处于反作用响应盲区内，单独分析这部分的运动副，由于，、均为未知，由此，系统引入

16、了M+N个多余的未知数和，使得系统变成超静定，即各运动副反力的大小、位置、方向不能确定，而传统的计算方法往往以临界状态来计算，即反力的方向与摩擦圆或摩擦锥相切，情况特定，计算结果大都为近似值。因此必须对各运动副的接触摩擦状态进行判断，增加M+N个摩擦约束方程，使系统静定，方程（6）（7）有解。1.4 、研究意义（1）、全面提高重载机械系统动力学模型的真实性及仿真精度动力学模型的建立是机械系统进行动力学模拟、动态分析、动力学优化设计及控制的基础。在建立机械系统动力学模型时，考虑的因素是否全面，建立的模型是否完整，直接关系到机械系统动力学分析和控制的精确度，进而影响到重载装置的品质、性能等。重载机

17、械系统在变换工况或受到冲击载荷时，就会产生反复振动，主动被动关系不断改变，在力流的传递过程中，随着冲击载荷的不断变化势必导致运动副反力反复通过反作用力响应盲区。而以往的机械系统动力学模型是建立在反作用力响应盲区影响为零的基础上的，经典机械系统动力学模型是不完整的，所得到的解也是不准确的，这在我们以往的仿真与实验对比分析得到验证。如：我们应用ADAMS软件对重载夹持装置进行动力学仿真时发现：当夹持锻件所需的夹紧力处于反作用力响应盲区内时，装置各运动副反力的方向存在无规律的跳跃现象，所得出的结果与实测结果相差也较大，这表明经典刚柔体动力学模型存在考虑因素不全面的缺陷。由此可见，建立反作用力响应盲区

18、内的动力学模型及反作用力响应盲区对重载机械系统动力特性的影响是非常必要的。（2）、为研究重载装置的复杂机电控制系统精细控制策略提供基础现代复杂机电控制与系统动力学的融合是机电控制的发展趋势，Liu27等基于李群和李代数的基本理论，利用Newton-Euler和Lagrange形式给出了一种通用的坐标不变的刚体动力学建模数学框架，表明复杂机电系统动力学建模与控制可以采用统一的几何框架，复杂机电系统可以根据系统动力学模型进行主动控制。但是，主动控制对系统动力学模型的的精确度要求很高，而经典刚柔体动力学模型存在考虑因素不全面的缺陷。因此，建立完整的机械系统动力学模型是复杂机电控制系统的精细控制不可或

19、缺的基础。（3）、为发展和优化我国巨型重载装置的设计以及制造提供理论指导由于重载机械系统存在着复杂的摩擦关系，现有研究为避开模型计算等方面的困难，对真实力学系统中的摩擦转化进行了大量的简化，简化的结果往往造成了许多重要动力学特性信息的丢失，使现有的研究结论与工程应用存在较大差距。因此，从考虑反作用力响应盲区特性的角度分析重载装置完备刚柔体动力学系统，研究反作用力响应盲区对重载夹持装置夹持稳定性的影响规律，探讨反作用力响应盲区特性对重载装置系统的优化设计提供有力的理论支持，从而进一步提高我国巨型重载机械的设计制造水平。参考文献：1 梁音，赵绪平，王驰，“大型锻造操作机研究进展”，科技成果纵横，2

20、010，（2）：55572 王凤萍，程磊，孙影，“国内外履带式起重机的现状及发展趋势”工程机械，2006，（4）：39433 杨廷力. 机械系统基本理论结构学、运动学、动力学. 北京:机械工业出版社,19964 孔令富, 张世辉, 肖文辉,等. 基于牛顿- 欧拉方法的6 - PUS 并联机构刚体动力学模型. 机器人,2004 , 26 (5) : 3953995 Dasgupta B. A General St rategy Based on the Newton - Euler Approach for the Dynamic Formulation of Parallel Manipula

21、tors. Mechanism and Machine Theory , 1999 , 34 (6) : 8018246 Fichter E F. A Stewart Platform Based Manipulator : General Theory and Practical Const ruction.The International Journal of Robotics Research ,1986 , 5 (2) :1571827 李剑峰,王新华,魏源迁,等. 3 - RSR 并联机构的微分运动学及动力学分析. 北京工业大学学报,2003 , 29 (4) : 4184238

22、王洪波, 黄真. 六自由度并联机器人的拉格朗日方程. 机器人,1990 , 90 (1) : 23269 Pang H , Shaingpoor M. Inverse Dynamics of a Parallel Manipulator. Journal of Robotic System ,1994 , 11 (8) :69370210 白志富,韩先国,陈五一. 基于Lagrnge 方程三自由度并联机构动力学研究. 北京航空航天大学学报, 2004 , 30 (1) :515411 Wang J G,Gosselin C M. A New Approach for the Dynamic A

23、nalysis of Parallel Manipulators. Multibody System Dynamics , 1998 (2) : 31733412 Tsai L W. Solving the Inverse Dynamics of a Stewart - Gough Manipulator by the Principle of Virtual Work. ASME Journal of Mechanical Design , 2000 (122) : 3913 杨志永, 赵学满, 黄田,等. 并联机构动力学建模及伺服系统参数辨识. 天津大学学报, 2004 , 37(6) :

24、47547914 刘武发,刘德平.基于旋量理论凯恩动力学方程的开链机器人动力学分析. 机械与电子,2007 (5) :515415 刘其广,戈新生. 一种机器人动力学的旋量矩阵方程.北京机械工业学院学报,2001 ,16 (3) :172216 Metrikin V S , Nagayev R F , Stepanova V V , et al . Periodic and stochastic self-excited oscillations in a system with hereditary2type dry frictionJ . J . Appl . Maths Mechs ,

25、1996 , 60 (5) : 8452850.17 Jon Juel Thomsen , Alexander Fidlin. Analytical approximations for stick slipvibrationamplitudes J . International Journal of Non2Linear Mechanics , 2003 , 38 (3) : 3892403.18 Dooley J R ,Mccarthy J M. Spatial Rigid Body Dynamics Using Dual Quaternion Components.The IEEE I

26、nternational Conference on Robotics and Automation , Sacramento , California ,USA ,199119 Liu G F ,Li Z X. A Unified Geometric Approach to Modeling and Control of Constrained Mechanical Systems. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 2002 , 18 (4) : 57458720 Yiu Y K, Cheng H , Xiong Z H ,et

27、al. On the Dynamics of Parallel Manipulators. The IEEE International Conference on Robotics and Automation ,Seoul , Korea , 200121 Spong M W. Remarks on Robot Dynamics : Canonical Transformations and Riemannian Geomet ry. The IEEE International Conference on Robotics and Automation , Nice , France ,

28、 199222 Liu G F ,Li Z X. A Unified Geometric Approach to Modeling and Control of Constrained Mechanical Systems. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 2002 , 18 (4) : 57458723 冯志友,李永刚,张策等. 并联机器人机构运动与动力分析研究现状及展望, 2006, 17 (9) :97998424 黄真,孔令富,方越法. 并联机器人机构学理论及控制. 北京:机械工业出版社, 199725 Jingfei He

29、,Yan Chen,Hua Deng. Dynamic Modeling of Large Scale Heavy Duty Grippers Basedon the Response Dead Zone of Counteracting Force.In:C.Xiong et al.(Eds.).ICIRA 2008，PartII ,LNAI5315. Wuhan:Springer，2008. 87988626 Jingfei He, Rongguang Nie,Zhiqiang Fu. Fevolute pairs.friction of grippers with precision M

30、echanics Modeling (in Chinese). Modern Manufacturing Engineering, 2008(11)：869.27 何竞飞，陈艳，聂荣光.巨型重载夹持机构响应盲区和承载能力的研究J.机械设计，2009,26(2):555828 何竞飞，聂荣光，浮志强，“含转动副摩擦夹持机构精确力学建模”，现代制造工程，2008（11）：8691.29 约翰F加德纳著，周进雄，张陵(译). 机构动态仿真使用MATLAB和SIMULINK M. 西安：西安交通大学出版社，2002 待添加的隐藏文字内容22 研究的主要内容、研究目标、拟解决的关键问题2.1、研究内容（

31、1）、重载夹持装置各运动副反力动态响应的顺应性及不确定性研究在国家973项目的子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略”研究成果的基础之上，研究各运动副反力动态响应时间、顺序及顺应性，分析机械系统出现反向微动时主动力和从动阻力变换规律，找出重载装置不同工况和工位下各运动副反力不确定的原因。（2）、各运动副反力摩擦状态的变化规律及摩擦约束条件研究在分析运动副反力不确定的基础上，对重载夹持装置各运动副的接触摩擦状态进行判断，找到运动副反力的确定条件和机械系统动态稳定条件，建立摩擦约束方程，与经典动力学方程组成考虑反作用力响应盲区特性的完整刚柔体动力学模型。（3）、重载装置优化设计数学模

32、型研究根据重载机械系统动态稳定条件及摩擦约束条件，得出重载装置整体的转化机构的统一动力学方程，分析其力封闭性和承载能力 ，建立拓扑同构及变元优化设计的数学模型。（4）、新的重载装置刚柔体动力学模型的推广应用将新的重载装置刚柔体动力学模型首先推广应用到重载夹持装置、型材轧机、采掘机械的动态特性分析与研究中，以便检验并修正新模型，提高重载装置刚柔体动力学模型的仿真精度。2.2、研究目标本项目以国家973项目的子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略”为研究背景，以巨型重载夹持装置中的反作用力响应盲区特性为基本着眼点，分析机械系统出现反向微动时主动力和从动阻力变换规律，建立摩擦约束方程和

33、完整刚柔体动力学模型，并分析重载装置的力封闭性和承载能力，提出拓扑同构及变元优化设计方法、完善巨型重载装置的设计与优化理论。在学术上，本研究运用反作用力响应盲区这个全新的概念研究系统动力学模型的完整性,期望建立新的机械系统动态响应的完整动力学理论体系。2.3、拟解决的关键科学问题（1）、反作用力响应盲区理论体系构建反作用力响应盲区对重载装置的承载能力的提高有显著的作用，但同时又降低了自动控制精度，加大自动控制的难度。在放大盲区的有利性和减小盲区的有害性方面上取得突破，完善反作用力响应盲区理论体系。（2）、基于反作用力响应盲区的重载装置完整动力学模型的建立（3）、重载装置拓扑同构及变元优化设计的

34、数学模型建立 3采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）3.1研究方法（1）运动副反力动态响应的顺应性及不确定的研究方法 用Adams软件对重载夹持装置进行动力学仿真，模拟计算出夹持装置在不同工况和工位下各铰链的运动副反力变化情况，找出各运动副反力的方向出现无规律跳跃的位置和时段，分析经典刚柔体动力学模型存在缺陷。 通过运动副反力测定实验，测量重载夹持装置不同工况和工位下各运动副反力确定时的响应时间和顺序，分析不确定的原因。 对比试验结果与仿真结果，综合应用经典的库伦摩擦力模型、Newton-Euler法、关联约束法等理论工具，研究各运动副反力动态响应的顺

35、应性，找出运动副反力动态响应的顺应性与确定的条件。（2）重载装置完备刚柔体动力学建模的研究方法在分析运动副反力不确定的基础上，对重载夹持装置各运动副的接触摩擦状态进行判断，用接触力学和旋量理论分析机械系统的稳定性，找到运动副反力的确定条件和机械系统动态稳定条件，建立摩擦约束方程，从而与经典动力学方程组成考虑反作用力响应盲区特性的完整刚柔体动力学模型。（3）重载装置优化设计的研究方法以重载夹持装置为研究对象，分析反作用力响应盲区对重载机械系统动态稳定条件及摩擦约束条件（即力封闭性能）的影响，通过拓扑图同构变元方法，降低重载装置整体转化机构的自由度，改善力封闭性能。采用拓扑邻接矩阵建立重载装置整体

36、转化机构的统一力学方程，并分析其力封闭性和承载能力。3.2 技术路线3.3 可行性分析（1）本项目提出的研究内容以已完成的国家973项目子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略”为研究基础，通过研究反作用力响应盲区对重载夹持装置夹持稳定性的影响规律，为重载夹持装置的优化设计提供技术参考和理论依据，具有较高的工程意义和现实意义。（2）本项目依托中南大学机电工程学院锻压装备与成形实验室开展研究，具有丰富的软硬件资源，拥有Ansys，Labview，MATLAB,MS公司数据采集与分析系统等软硬件设备，拥有锻造夹持操作实验系统、夹持器与接触力检测实验台、运动副反力测定实验台以及重载夹持操

37、作系统性能评估数字仿真平台，能够满足本课题所要求的综合实验条件。综上所述，本项目立足工程实际，具有坚实的理论基础，以近几年所取得的研究成果为指导开展研究，课题依托教育部重点实验室，硬件资源能够满足本课题的要求，项目组成员具有丰富的理论和实践工作经验，因此本项目是可行的。4 本项目的特色与创新之处（1）、首次运用反作用力响应盲区这个全新的概念研究系统动力学模型的完整性。（2）、通过旋量理论和接触力学描述机械系统的稳定状态，建立各运动副反力确定条件。（3）、建立集刚柔体动力学与接触力学于一体的机械系统完整动力学模型。5 年度研究计划及预期研究成果（发表论文、申请专利等）1）年度研究计划（1）、20

38、11.62012.3 进一步调研，详细制定研究计划；设计运动副反力测定实验方案及实验台。通过实验观测和理论研究初步分析在反作用力响应盲区内各运动副反力响应的顺应性和产生不确定的原因。用接触力学和旋量理论描述机械系统的稳定状态，建立运动副反力的确定条件，完成新的重载装置刚柔体动力学模。（2）、2012.32013.5 将新的重载装置刚柔体动力学模型首先推广应用到重载夹持装置、型材轧机、采掘机械的动态特性分析与研究中。ADMES编写新的动力学仿真软件，进行仿真与实验对比，检验新的动力学模型的真实性。2）预期研究结果（1）、找出运动副反力在机械系统运动过程中的变换规律，研究其顺应性和不确定性，建立在

39、考虑运动副摩擦情况下的集刚体动力学与接触力学于一体的机械系统完备动力学模型，研究一种新的解决动力学方程奇异性的数值解法。（二） 研究基础与工作条件1 工作基础（相关的研究积累，已取得的相关学术成果）项目组成员跟随机械工程研究生参加了国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“巨型重载操作装备的基础学科问题”（项目编号：2006CB705400）中的子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略”（ 项目编号：2006CB705402）的基础研究工作，并且对于机构学，动力学及ADAMS等的熟练应用都可以本课题提供帮助。另外项目组成员及课题老师在重载夹持装置夹持稳定性设计方面拥有较为丰富的理

40、论研究和实践工作经验。2 工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验室等研究基地的计划与落实情况）机电工程学院是一所进行现代机电工程及相关学科的科学技术研究和人才培养的综合机构，学院拥有机械设计及理论和机械设计制造及其自动化两个国家级重点学科。学院的锻压装备与成形实验室可以为本项目的研究提供锻造夹持操作实验系统、夹持器与接触力检测实验台、运动副反力测定实验台以及重载夹持操作系统性能评估数字仿真平台。实验室简介：1）、锻造夹持操作实验系统自行研制锻造夹持操作实验系统如图10所示。该系统包括夹持系统、缓冲系统、行走系统。可在实际

41、锻造工况下进行夹持操作实验：如新旧机构性能对比实验、钳口与锻件之间的摩擦特性实验、夹持装置承载能力实验、夹持力封闭实验、夹持操作高精度定位控制实验、多元并联驱动的负载均衡与同步控制实验。配合建立的重载锻造操作机夹持系统仿真与分析软件平台，对重载夹持系统进行性能评估、设计优化及实验验证。 图10锻造夹持操作实验系统 图11 夹持力测量实验装置2）、夹持器与接触力检测实验台自制了对工件位姿具有被动适应功能的夹持器，建立了夹持力测量实验装置，如图11所示。3）、运动副反力测定实验台自行设计的运动副反力测定实验台可以实现对钳头上运动副反力的测量。如图12 所示：图12 运动副反力测定实验台4）、重载夹

42、持操作系统性能评估数字仿真平台。重载夹持操作系统性能评估数字仿真平台可以对重载夹持系统进行多学科联合数字仿真。本系统在MATLAB GU I编程的基础上,设计了基于MATLAB GUI的重载操作装备夹持系统仿真与分析平台。该平台将MATLAB所提供的GUI功能结合simulink构造开放式的用户界面, 建立了机械模块、控制模块、液压模块等，为导入adams 模型、交互式地提交和监控MATLAB作业以及评估MATLAB仿真的结果提供了一个构建系统建模、仿真和实时控制一体化的操作界面。该平台既可充分发挥MATLAB的强大的计算功能,又可使用户在直观简洁的操作界面上,只需输入相关数据,通过简单的鼠标

43、和键盘操作就可以完成复杂的计算,并可以得到可视化的计算结果,完成整套分析解决方案，方便了巨型重载操作机夹持系统的研究工作。图13 重载操作装备夹持系统仿真与分析平台主界面图3、承担科研项目情况（申请人和项目组主要成员正在承担的科研项目情况，要注明项目的名称和编号、经费来源、起止年月、与本项目的关系及负责的内容等）项目组成员2007年参加了国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“巨型重载操作装备的基础学科问题”（项目编号：2006CB705400）中的子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略”（ 项目编号：2006CB705402）的研究工作。该项目经费来源：科技部973计划；起

44、止年月：2007.1-2010.12与本项目的关系：夹紧机构从预紧夹持到工作夹持时，也存在反作用力响应盲区，研究对象的各构件是稳态相对静止的；而本项目研究的是各构件相对运动或相对静止机械系统的动力学普遍问题。因此，该项目是本项目的一类应用实例，也是本项目理论研究范畴之一。负责的内容：夹持机构承载能力和承载能力的研究。三、经费预算开支科目 预算金费（元）主要用途备注预算经费总额20000测试分析费4000建立重载装置系统动力学模型，数学优化模型的仿真和求解实验材料费8000实验台改造及其购买辅助材料等仪器设备费3500购买压力传感器等测试设备科研业务费4500电脑耗材、资料检索、打印、复印等四、指导教师意见 签字： 日期：五、学院初审意见 负责人签字： （盖章） 日期：六、大学生创新训练项目专家组意见 负责人签名： （盖章） 日期： 七、学校领导小组审批意见 负责人签名： 日期：