制球加工中心柔性机械臂建模及运动控制研究

摘要

制球工艺包括：炼胶、制皮、穿孔、粘球头、内胆成形、硫化、检验、缠纱、贴皮、印制图案商标、外观检验、包装入库等十多道工序。目前，制球生产过程机械化、自动化程度低，用工量大，劳动强度高。生产工序分散，占用场地大，各工序之间流动时间长，生产效率低，成本高。本文介绍的制球加工中心具有工序集中，自动化程度高，用工量小，生产率高的特点，是制球生产的发展方向。由于柔性机械臂具有质量轻、可达空间广、操作灵活、驱动功率小的特点，本文制球加工中心中的运送装置采用双连杆柔性机械臂。 根据制球加工中心对机械臂的工作要求，本文对该柔性机械臂进行了动力学建模和运动控制策略的研究。本文将单根柔性机械臂视为Euler-Bemoulli梁，用振型函数表示柔性臂的弹性变形，用拉格朗日方程建立了该柔性机械臂的动力学模型。该模型具有模型准确、结构简单的特点，为对其进行控制研究提供了理论基础。 该柔性臂的控制是依据柔性臂的动力学模型，应用奇异摄动理论，将其分解为慢、快变两个子系统。在设计慢变子系统控制器时，考虑到慢变子系统模型等效于刚性机械臂模型，采用了非奇异Terminal滑模控制；快时变子系统经变换后，呈线性系统，故采用最优控制。最后运用MATLAB/SIMULINK分别进行仿真，结果表明将非奇异Terminal滑模控制与最优控制相结合的混合控制的方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪、有效地抑制弹性振动，而且具有很强的鲁棒性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景及意义

1.1.1球的制造工艺简介

1.1.2制球加工中心的组成

1.1.3制球加工中心柔性机械臂的技术要求

1.2柔性机械臂的研究现状

1.2.1.柔性机械臂的动力学建模

1.2.2柔性机械臂的控制方法

1.3本课题主要研究内容

2柔性机械臂动力学及建模理论概述

2.1机械臂的运动姿态

2.1.1用旋转序列表示运动姿态

2.1.2齐次坐标和齐次变换矩阵

2.2刚性连杆的齐次变换矩阵

2.3刚性连杆的逆动力学求解

2.4柔性臂的弯曲振动

2.4.1柔性臂曲振动的运动方程

2.4.2柔性臂的自由振动

2.4.3固有频率与振型函数

2.5柔性机械臂的建模

2.5.1机械臂的动能与势能

2.5.2用拉格朗日法求机械臂动力学方程

2.6本章小结

3制球加工中心柔性机械臂动力学建模

3.1制球加工中心柔性机械臂的动力学描述

3.2柔性机械臂的总动能

3.3柔性机械臂的总势能

3.4柔性机械臂的动力学模型

3.5本章小结

4柔性机械臂的运动控制理论概述

4.1柔性机械臂系统的奇异摄动分解

4.1.1数学模型

4.1.2奇异摄动分解

4.2滑模变结构控制的基本原理

4.3非奇异Terminal滑模变结构控制

4.3.1普通Terminal滑模变结构控制

4.3.2非奇异Terminal滑模控制器的设计

4.3.3基于非奇异Terminal滑模控制的慢控制器设计

4.4最优控制的基本原理

4.5本章小结

5制球加工中心柔性机械臂控制设计及其仿真

5.1系统组合控制的方法

5.2制球加工中心柔性臂运动控制仿真

5.3制球加工中心柔性臂振动控制仿真

5.3.1柔性臂振动控制系统设计

5.3.2柔性臂振动控制系统仿真

5.4本章小结

6总结

致谢

参考文献

附录