李賀,祁若龍,,張珂,趙吉賓
(1.沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽 110168;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽 110169)
機(jī)身對(duì)接是飛機(jī)總裝的重要環(huán)節(jié),其裝配質(zhì)量將直接影響飛機(jī)壽命[1]。傳統(tǒng)的機(jī)身裝配多采用吊裝設(shè)備,依靠手工或工裝型架來完成作業(yè),耗費(fèi)大量勞動(dòng)力,并且裝配質(zhì)量和效率難以掌控。因此,建立數(shù)字化、柔性化的對(duì)接系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)制造領(lǐng)域而言至關(guān)重要[2]。
機(jī)身對(duì)接機(jī)構(gòu)可以等效為4-PPPS并聯(lián)機(jī)構(gòu),相比串聯(lián)機(jī)構(gòu)而言,其結(jié)構(gòu)更加緊湊,剛度和承載能力也有所提高,但相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)解算也更加復(fù)雜。常用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)解算的方法有:針對(duì)機(jī)構(gòu)中每個(gè)部件,分析其受力狀態(tài),計(jì)算各部件約束反力的牛頓歐拉法[3-5];為了避免動(dòng)力學(xué)函數(shù)求導(dǎo)運(yùn)算過于繁瑣,用矢量的點(diǎn)積、叉積來代替的凱恩法[6-7];從能量方面入手,消去約束反力,考慮部件動(dòng)能和勢(shì)能的拉格朗日方法[8-9]等。
關(guān)于飛機(jī)對(duì)接機(jī)構(gòu)的研究,馬志強(qiáng)等[10]針對(duì)3-PPPS并聯(lián)機(jī)構(gòu),提出一種以球鉸間距離不變的約束條件為突破口求解機(jī)翼位姿的方法。張斌等人[11]考慮到工程實(shí)際和工作效率要求,將關(guān)節(jié)速度、驅(qū)動(dòng)力等作為約束條件,利用二分法得到了最優(yōu)時(shí)間。郭志敏等[12]通過牛頓歐拉法對(duì)機(jī)翼調(diào)姿系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)展開分析,采用偽逆矩陣的方法得到了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力。在提高裝配精度方面,祁若龍等[13]針對(duì)4-PPPS機(jī)構(gòu),在空間位姿矩陣微分的基礎(chǔ)上對(duì)艙體對(duì)接系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了標(biāo)定。CHU等[14]使用牛頓歐拉法構(gòu)建了對(duì)接系統(tǒng)無內(nèi)力的動(dòng)力學(xué)模型,消除了對(duì)接過程中托架間內(nèi)力,并結(jié)合斐波那契搜索方法優(yōu)化了調(diào)整時(shí)間。
本文作者以4-PPPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,基于旋量理論將機(jī)身運(yùn)動(dòng)分解為繞任意軸的旋轉(zhuǎn)和平移,建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、確定各定位器驅(qū)動(dòng)量。然后根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征,建立非冗余和冗余驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并在對(duì)定位器關(guān)節(jié)速度和加速度進(jìn)行冗余性和非冗余性對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,求解對(duì)接部件的角速度和角加速度等參數(shù)。針對(duì)冗余情況,以力二范數(shù)最小為目標(biāo),對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)分配[15]。最后分別對(duì)兩種情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
圖1所示對(duì)接系統(tǒng)由4個(gè)定位器構(gòu)成,負(fù)責(zé)支撐托架和機(jī)身。定位器能夠完成3個(gè)正交方向的運(yùn)動(dòng),并且具備安全可靠、工作平穩(wěn)等特點(diǎn),通過球鉸與托架連接,托架與機(jī)身固連。分別在地面和機(jī)身上建立坐標(biāo)系O0x0y0z0、O1x1y1z1,全局系O0x0y0z0坐標(biāo)軸方向和定位器關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向相同。艙體系原點(diǎn)位于托架和機(jī)身質(zhì)心位置,初始時(shí)刻坐標(biāo)軸的定義規(guī)則與全局系同,如圖2所示。
圖1 機(jī)身對(duì)接系統(tǒng)
對(duì)于定位器i(i=1,2,3,4),初始時(shí)刻其頂部與托架相連的球鉸中心在全局系中的位置矢量為ci=[cix,ciy,ciz]T,運(yùn)動(dòng)過程中球鉸位置發(fā)生改變,在全局系內(nèi)的坐標(biāo)變?yōu)閝i=[qix,qiy,qiz]T。將托架視為剛體,則球鉸在艙體系內(nèi)的坐標(biāo)可以視為常數(shù)矢量,用bi=[bix,biy,biz]T表示。
將機(jī)身艙段在空間中的運(yùn)動(dòng)定義為沿著任意兩點(diǎn)A(a1,b1,c1)和B(a2,b2,c2)所確定直線平移L,然后繞空間中任意兩點(diǎn)C(a3,b3,c3)和D(a4,b4,c4)所確定的旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角。
物體繞任意軸旋轉(zhuǎn)的問題,可以理解為先將物體隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)、平移,直至與坐標(biāo)軸重合,再繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn),最后做相反的旋轉(zhuǎn)平移運(yùn)動(dòng),使轉(zhuǎn)軸回到初始位置。對(duì)一般情況進(jìn)行分析,如圖3所示,任意兩點(diǎn)確定的軸線既不通過原點(diǎn),也不與坐標(biāo)軸平行。將轉(zhuǎn)軸移至原點(diǎn),得OE,再繞y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角,至yOz平面,得到OF。隨后OF繼續(xù)繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角,與z軸重合,再繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角,最終執(zhí)行上述變換的逆過程,可得繞空間中不過原點(diǎn)的直線旋轉(zhuǎn)的變換矩陣。
圖3 任意軸線旋轉(zhuǎn)推導(dǎo)圖
不難發(fā)現(xiàn),物體繞通過坐標(biāo)軸原點(diǎn)的軸線旋轉(zhuǎn)是繞任意軸線旋轉(zhuǎn)的特殊情況,其變換矩陣為
R(θ)=Ry(α)Rx(-β)Rz(θ)Rx(β)Ry(-α)=
(1)
繞空間中不過原點(diǎn)的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)比過原點(diǎn)的情況多了平移至原點(diǎn)的過程,其變換矩陣可以表示為
R′(θ)=T(a3,b3,c3)R(θ)T(-a3,-b3,-c3)
(2)
對(duì)于機(jī)身艙段在空間中的運(yùn)動(dòng)而言,其在繞空間中某軸線旋轉(zhuǎn)前有一個(gè)平移過程,即沿某直線方向平移距離L,可分解為沿全局系軸線方向的平移,此過程總的變換矩陣為
T1=R′(θ)·T(ax,ay,az)
(3)
結(jié)合以上分析可知,機(jī)身艙段在空間中運(yùn)動(dòng)后,球鉸點(diǎn)在全局系中的位置矢量可以表示為
[qix,qiy,qiz,1]T=T1[cix,ciy,ciz,1]T
(4)
關(guān)節(jié)位移用li=[lix,liy,liz]T表示,結(jié)合三坐標(biāo)定位器的工作原理和構(gòu)型特點(diǎn)可知,機(jī)身艙段進(jìn)行位姿調(diào)整后,球鉸點(diǎn)在全局系中的位置矢量可以表示為qi=[cix+lix,ciy+liy,ciz+liz]T,由此可以求解出機(jī)身旋轉(zhuǎn)平移運(yùn)動(dòng)后,各定位器關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)量。
運(yùn)動(dòng)學(xué)正解,即在已知各定位器關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)量的基礎(chǔ)上,求解機(jī)身艙段位姿。機(jī)身運(yùn)動(dòng)后,艙體系原點(diǎn)在全局系內(nèi)的位置矢量P可通過之前推導(dǎo)的變換矩陣求得,則球鉸點(diǎn)在全局系中的坐標(biāo)qi為
(5)
將球鉸在全局系和艙體系中的坐標(biāo)以及艙體系原點(diǎn)在全局系的位置矢量代入公式(5),并結(jié)合旋轉(zhuǎn)矩陣的如下性質(zhì):
(6)
(7)
機(jī)身位姿可用U=[px,py,pz,φ,φ,γ]T來表示,其中:px、py、pz為O1在全局系中位置;φ、φ、γ分別表示艙體相對(duì)全局系的滾動(dòng)角、俯仰角和偏轉(zhuǎn)角。求解艙體相對(duì)全局系的姿態(tài)矩陣公式如下:
(8)
聯(lián)立式(7)和式(8),可得RPY角:
(9)
(10)
利用式(10),可得定位器各關(guān)節(jié)速度為
(11)
(12)
式中:j=1,2,3,分別代表定位器的3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。
姿態(tài)矩陣是正交陣,因此有如下性質(zhì):
(13)
式(13)兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),得到
(14)
(15)
對(duì)機(jī)身對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析,旨在建立起各定位器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)加速度與機(jī)身艙段加速度的關(guān)系方程,利用式(10)可求球鉸點(diǎn)的加速度為
(16)
(17)
對(duì)式(15)求導(dǎo),得姿態(tài)矩陣和角加速度的關(guān)系
(18)
上式化簡(jiǎn),得機(jī)身艙段在全局系下的角加速度
(19)
非冗余驅(qū)動(dòng)情況,各定位器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)數(shù)目不同,按3-2-1-0的分配方式分布,其余關(guān)節(jié)隨動(dòng),能夠完成三維空間六自由度的運(yùn)動(dòng),構(gòu)成了一個(gè)非冗余4-PPPS并聯(lián)機(jī)構(gòu),如圖4所示。
圖4 非冗余驅(qū)動(dòng)調(diào)姿機(jī)構(gòu)
2.1.1 數(shù)控定位器的動(dòng)力學(xué)模型
如圖5所示,對(duì)于定位器i,它能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)相互正交方向的平動(dòng)。底層托板、上托板及其內(nèi)部構(gòu)件以及伸縮柱的質(zhì)量分別為m1、m2、m3。
圖5 三坐標(biāo)數(shù)控定位器結(jié)構(gòu)
在非冗余情況下,由于定位器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的數(shù)量和位置不同,所以各自動(dòng)力學(xué)模型的建立也略有不同。根據(jù)非冗余情況對(duì)接機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特征,忽略摩擦,則單個(gè)定位器的動(dòng)力學(xué)方程為
(20)
2.1.2 機(jī)身托架的動(dòng)力學(xué)模型
(21)
2.1.3 對(duì)接系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型
聯(lián)立式(20)和式(21),得對(duì)接系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型:
(22)
如圖6所示的冗余驅(qū)動(dòng)對(duì)接系統(tǒng),定位器各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)均為主動(dòng),通過協(xié)調(diào)控制定位器關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)來完成機(jī)身艙段的對(duì)接工作。
圖6 冗余驅(qū)動(dòng)調(diào)姿機(jī)構(gòu)
2.2.1 數(shù)控定位器的動(dòng)力學(xué)模型
冗余情況下,定位器構(gòu)造相同,各部分質(zhì)量信息與非冗余情況一致,則單個(gè)定位器動(dòng)力學(xué)方程為
(23)
2.2.2 機(jī)身托架的動(dòng)力學(xué)模型
(24)
式中各參數(shù)含義與非冗余驅(qū)動(dòng)情況中一致。
2.2.3 對(duì)接系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型
對(duì)接系統(tǒng)由定位器、托架和機(jī)身共同組成,通過協(xié)調(diào)控制定位器關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來完成艙段的調(diào)姿對(duì)接。綜合考慮式(23)(24),得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型:
JF=H
(25)
式中,
H=
2.2.4 驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化
由于冗余情況下調(diào)姿機(jī)構(gòu)是一個(gè)冗余4-PPPS并聯(lián)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)數(shù)多于其自由度數(shù),調(diào)姿機(jī)構(gòu)在每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,都有無數(shù)組驅(qū)動(dòng)力的組合,故此需要對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)分配。
力優(yōu)化問題也就是在滿足等式約束JF=H的前提下,求解力,使得目標(biāo)函數(shù)Z=FTWF最小。
可用如下方程表示:
(26)
其中:W為定位器權(quán)值。構(gòu)造拉格朗日函數(shù):
L(F,λ)=FTWF+λT(JF-H)
(27)
將優(yōu)化問題變?yōu)槔窭嗜粘藬?shù)法求條件極值問題,λ={λ1,λ2,…,λ6}T∈R6×1為拉格朗日乘數(shù),分別對(duì)F、λ求偏導(dǎo):
(28)
(29)
式中:I為單位矩陣。函數(shù)L(F,λ)存在極小值則必須滿足以上兩個(gè)必要條件,由式(28)化簡(jiǎn)可得:
(30)
將上式代入式(29)中可得:
λ=-2(JW-1JT)-1H
(31)
將上式代入式(30)中可得:
F=W-1JT(JW-1JT)-1H
(32)
取W為單位矩陣,則目標(biāo)函數(shù)變?yōu)閆=FTF,即優(yōu)化目標(biāo)為各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力二范數(shù)最小,得驅(qū)動(dòng)力
F=JT(JJT)-1H
(33)
針對(duì)非冗余和冗余驅(qū)動(dòng)4-PPPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)部分,借助ADAMS開展仿真驗(yàn)證,與文中所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型所求解的各參數(shù)進(jìn)行比較分析。
已知機(jī)身和托架的質(zhì)量mc為1 173.76 kg,初始位置重心在全局系下的坐標(biāo)為(266.06,0.34,2 781.05)mm,球鉸在全局和艙體系下的坐標(biāo)如表1所示。
表1 初始狀態(tài)球鉸點(diǎn)坐標(biāo) 單位:mm Tab.1 Spherical hinge point coordinates in initial state Unit:mm
U0=[266.06,0.34,2 781.05,0,0,0]Tmm是機(jī)身初始位姿,其運(yùn)動(dòng)過程可描述為先沿A(80,100,100)mm、B(-210,320,300)mm兩點(diǎn)確定的軸線平移550 mm,然后繞C(1 000,1 000,-500)mm、D(3 000,3 000,5 500)mm所確定的旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°。
對(duì)接過程盡可能要求平穩(wěn),避免啟止時(shí)的沖擊,所以采用五次多項(xiàng)式插值來擬合位姿軌跡。且在實(shí)際對(duì)接過程中,為保證裝配精度和效率,對(duì)其速度、加速度等有一定要求,見表2。
表2 對(duì)接過程約束條件
考慮上述條件,采用黃金分割法求解最優(yōu)時(shí)間為34.907 41 s,這里取34.9 s,如圖7所示。
圖7 最優(yōu)時(shí)間
在機(jī)身位姿軌跡的基礎(chǔ)上,借助機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可以求出各關(guān)節(jié)的位移曲線,如圖8所示。
圖9為數(shù)值計(jì)算得到的定位器速度和加速度曲線。將調(diào)姿機(jī)構(gòu)定位器的所有驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)均采用位置驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真,得到的關(guān)節(jié)速度、加速度如圖10所示。圖8—10中:x1表示定位器1在x方向上對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線,其他變量定義規(guī)則類似。
圖9 數(shù)值計(jì)算得到的定位器速度(a)、加速度(b)曲線
圖10 仿真得到的定位器速度(a)、加速度(b)曲線
為了進(jìn)行后續(xù)的動(dòng)力學(xué)解算,需對(duì)調(diào)姿過程中機(jī)身的角速度和角加速度進(jìn)行解算,數(shù)值計(jì)算和仿真得到的角速度和角加速度分別如圖11、12所示。
圖11 調(diào)姿過程中數(shù)值計(jì)算得到的角速度(a)、角加速度(b)
圖12 調(diào)姿過程中仿真得到的角速度(a)、角加速度(b)
分析比較圖9—12,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的關(guān)節(jié)速度、加速度等數(shù)據(jù)和仿真得到的一致。
當(dāng)作者按3-2-1-0的方式分配定位器的主動(dòng)驅(qū)動(dòng),此時(shí)構(gòu)成了一個(gè)非冗余4-PPPS機(jī)構(gòu),能夠運(yùn)動(dòng)到預(yù)期目標(biāo)位姿,但驅(qū)動(dòng)力分配不均。圖13、14分別為數(shù)值計(jì)算和仿真得到的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)比發(fā)現(xiàn):仿真和理論計(jì)算得到的非冗余驅(qū)動(dòng)力偏差不大,證明了文中構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型的正確性。
圖13 數(shù)值計(jì)算得到的非冗余驅(qū)動(dòng)力
圖14 仿真得到的非冗余驅(qū)動(dòng)力
為提高對(duì)接機(jī)構(gòu)的承載能力,讓各支鏈的驅(qū)動(dòng)力分配更加均衡,艙段對(duì)接機(jī)構(gòu)采用冗余驅(qū)動(dòng),并使用二范數(shù)最小方法優(yōu)化驅(qū)動(dòng)力,分配優(yōu)化后的定位器各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力如圖15所示。
圖15 數(shù)值計(jì)算得到的冗余驅(qū)動(dòng)力
各關(guān)節(jié)均采用主動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí),構(gòu)成一個(gè)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu),可采用力位混合方式來完成機(jī)身對(duì)接工作。通過位置驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)控制艙段的運(yùn)動(dòng)軌跡,力驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)調(diào)整受力狀態(tài),對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)分配,以期望的驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)機(jī)身對(duì)接。選取定位器1的xyz向、2的xz向和3的z向?yàn)槲恢藐P(guān)節(jié),其余關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力為主動(dòng)變量,采用力驅(qū)動(dòng),從而完成驅(qū)動(dòng)力的協(xié)調(diào)分配。仿真取得的位置關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力見圖16。
圖16 仿真得到的位置驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力
比較分析圖13、15可以發(fā)現(xiàn):非冗余情況定位器各關(guān)節(jié)受力很不均衡,對(duì)機(jī)身的支撐力大部分由定位器1、3所承受,定位器2僅承擔(dān)了小部分,且豎直方向最大最小瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力差值較大;而冗余情況,豎直方向最大驅(qū)動(dòng)力明顯減小,各分支的力變得更加均衡,系統(tǒng)的承載能力也顯著提升。
由圖15、16可知:力位混合驅(qū)動(dòng)的方式,系統(tǒng)施加于各位置驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)力與理論計(jì)算得到的基本相同,說明力位混合方式對(duì)對(duì)接系統(tǒng)而言確實(shí)是一種有效的控制方式,也證明了文中動(dòng)力學(xué)建模的準(zhǔn)確性。
(1)依據(jù)對(duì)接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征,得到機(jī)身艙段在空間中繞任意軸線旋轉(zhuǎn)平移后的位姿以及各定位器驅(qū)動(dòng)量。為避免系統(tǒng)啟停時(shí)的沖擊,采用5次多項(xiàng)式生成機(jī)身艙段的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡,并通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算得到各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度以及機(jī)身艙段角速度和角加速度等參數(shù)。
(2)采用牛頓歐拉法分別對(duì)非冗余和冗余驅(qū)動(dòng)情況的定位器和機(jī)身進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,針對(duì)冗余情況以力二范數(shù)最小為目標(biāo),協(xié)調(diào)分配了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力,改善了機(jī)構(gòu)受力狀態(tài),分析了驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)分配機(jī)制。分析比較了這兩種情況的驅(qū)動(dòng)力大小,發(fā)現(xiàn)相比非冗余驅(qū)動(dòng),冗余狀態(tài)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力分配更加均衡,承載能力也有明顯提升。
(3)利用ADAMS對(duì)非冗余驅(qū)動(dòng)和力位混合驅(qū)動(dòng)情況進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明:理論計(jì)算和軟件仿真得到的非冗余驅(qū)動(dòng)力基本相同,力位混合驅(qū)動(dòng)情況仿真得到的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)力與優(yōu)化后計(jì)算的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)兩組結(jié)果相差不大。