重型并联加工装备力学特性与控制策略研究

重型并联加工装备是制造产业链中一类重要的基础装备，在国民经济和国防建设重大工程中有巨大需求，然而实际应用中存在运动速度和加工精度低、易出现共振等问题。项目针对重型并联加工装备实用化过程中的关键技术难题，开展力学特性与控制策略研究。.项目拟运用机器人动力学参数辨识的最新理论和方法，研究重型并联加工装备的实用化动力学参数辨识方法；基于力学特性分析，研究重型并联加工装备动态特性以及主要结构件变形规律；基于现代控制理论，研究具有高速、高精度轨迹跟踪性能的双前馈补偿器及对共振具有抑制功能、快速稳定的反馈控制器的设计方法和技术；将上述研究应用到一台130吨重的重型并联加工装备中，验证新理论新方法的正确性，以期实现快速、高精度控制。.以上研究为解决重型并联加工装备应用中的关键技术问题提供科学依据和技术基础，对推动重型并联加工装备的实用化进程，提升我国重型加工装备自主研发能力和整体水平具有重要意义。

重型并联加工装备是制造产业链中一类重要的基础装备，在国民经济和国防建设重大工程中有巨大需求，然而实际应用中存在运动速度和加工精度低、易出现共振等问题。项目针对重型并联加工装备实用化过程中的这些关键技术难题，开展力学特性与控制策略研究。动力学参数辨识是获得精确动力学模型的重要方法，辨识过程中需要相对于基本动力学参数为线性化的动力学模型，而并联加工装备动力学模型具有高度非线性、耦合性的特点，线性化建模困难。针对这一问题，项目提出了重型并联加工装备线性化动力学建模方法，该方法同时适用于冗余并联机构及非冗余并联机构。基于所建立的线性化动力学模型，采用分步辨识方法辨识了惯性力有关的动力学参数，为基于模型的控制奠定了基础。. 针对并联加工装备刚体动力学模型精度低、弹性动力学模型复杂的问题，基于牛顿-欧拉建模方法，提出了一种考虑刚度较低运动部件变形的动力学建模方法。基于现有测量手段通常只能测量驱动关节位姿的现状，在建模过程中考虑了具有位置反馈的关节和末端动平台间连杆的变形，不仅提高了模型精度，而且满足控制系统的实时性要求。利用该模型，在并联加工装备的优化设计阶段就可以准确分析装备的动态性能，并可以结合控制方法仿真控制效果，而且在物理样机建造之后利用该模型可以提高运动控制精度。. 重型并联加工装备属于多自由度、多变量的非线性系统，其控制问题极其复杂。项目提出了一种双前馈控制方法，该控制方法在运动学控制基础上，加入了由动力学前馈补偿控制器与零相位误差补偿控制器组成的双前馈控制补偿，其中动力学前馈控制器用于补偿装备高速运动过程中动力学特性对运动精度产生的影响，零相位误差补偿控制器用于补偿机械系统的延迟环节。同时该控制方法还考虑并联机构中各杆件的弹性变形，通过在每个伺服控制周期中计算杆件变形量并在运动学逆解模块中进行补偿，以提高装备控制精度。该控制方法的优点为：(1)在原有运动学控制的基础上加入开环补偿器，不影响系统的稳定性，并且易于工程实现；(2)可以消除动力学特性影响与机械系统延迟环节对控制精度的影响。. 目前基本完成了项目计划书中的研究内容，基于这些内容在SCI源期刊上发表学术论文8篇，其中SCI收录6篇，申请中国发明专利3项。本项目研究成果作为“柔性及刚柔耦合索驱动机器人设计与控制理论研究”的部分内容获得2014年度高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学）二等奖。