2013年, 第49卷, 第3期 
刊出日期:2013-02-05
  

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    论文
  • 王国彪;刘辛军
    . 2013, 49(3): 1-9.
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    自机构学成为一门独立的学科以来,数学一直在机构学研究中发挥着重要作用。特别是当机构学发展到现代机构学阶段,对装备的自主创新设计要求越来越高,数学的作用也变得越来越突出。以当前机构学应用领域最为活跃的数学工具——旋量理论和微分流形为例,阐述现代数学在机构学研究中所起的作用。结合中国机构学的研究进展及标志性成果,简述现代数学对中国机构学发展的积极影响。展望数学在未来机构学研究中的重要地位与潜在影响。
  • 姚玉峰;苏衍宇;黄博
    . 2013, 49(3): 10-17.
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    传统示教编程方法用于服务型移动机械臂时示教繁琐、效率较低、且不能区分示教人员的有效操作与误操作,针对这些不足,提出一种在线提取有效操作并整合再现的示教编程方法。该方法先将示教运动轨迹转换至物体坐标系描述,提升示教轨迹的环境适应性。利用改进的均方速度算法将示教轨迹转化为由分段轨迹组成的串。基于最近邻规则识别各分段轨迹,实现示教轨迹的特征提取;进而采用容错串匹配算法,从分段轨迹组成的串中查找完成任务的特征,实现示教轨迹中有效操作特征提取。整合提取的有效操作轨迹和其他相关信息再现生成示教控制程序。利用带作业臂智能轮椅系统进行示教及再现试验,通过水杯相对桌面与机械臂位置变化时的抓放试验,表明基于有效操作特征提取的示教再现可适应目标物体的相对位置变化。
  • 廖波;尚建忠;ERNEST Appleton;杨政
    . 2013, 49(3): 18-23.
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    针对目前机器人拟人手臂的结构特点及局限,提出一种将Sarrus结构作为运动关节的新型手臂,并设计一种基于Sarrus结构的5自由度拟人手臂。为验证该优越性并研究其工作空间,同时为结构设计优化提供基础,用齐次坐标变换法对正向运动学进行分析,推导出腕部质心到基准坐标系的姿态变换矩阵,并通过数值计算,得到手腕质心的轨迹曲线。分析结果表明基于Sarrus结构的拟人手臂在具备一般机器人手臂性能的同时,还具有高度的柔性;采用这种新型关节的手臂能够克服自身连杆的限制,并且能够在结构上进一步拓展其工作空间,满足不断变化的工作和环境需求。
  • 王志军;姚建涛;吴遥;叶冬;赵永生
    . 2013, 49(3): 24-30.
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    针对基于传统Stewart结构六维力传感器在解耦、刚度等方面性能的不足,设计并研制一种双层预紧式六维力传感器,并对其进行静态标定试验研究。所设计的六维力传感器采用球窝锥头式球面副代替传统球副,有效地减小了球副的摩擦力矩,另外测量分支只承受压力,消除了力在换向时对接触球面的冲击,提高了整体刚度。基于螺旋理论推导出传感器所施加外力与测量分支轴向力之间的映射关系,进而说明预紧式六维力传感器的测量原理。采用最小二乘线性化标定方法对传感器进行静态解耦和测量误差分析,推导出传感器的标定矩阵和误差矩阵。研制出双层预紧式六维力传感器样机,并进行静态标定试验。经过标定试验,该传感器各方向最大非线性度误差低于满量程的1.17%,最大耦合误差低于满量程的1.82%。试验结果表明双层预紧式六维力传感器具有很高的测量精度,可用于工业生产中对六维力测量要求较高的场合。
  • 李雨桐;王玉新
    . 2013, 49(3): 31-35.
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    采用分析动力学方法,将并联机构几何约束处理为约束力,得到无乘子二次项非耦合的质点系Lagrange动力学方程。该方程综合反映了质点系速度、输入参数速度、加速度,质点系重力及外载荷等对质点系动力学响应的作用机理。利用该方程对奇异位置处并联机构在自身重力作用下的动力学响应研究,发现在响应初期,并联机构各输入参数具有保持长度不变的特征,并联机构在奇异位置的运动不能被输入参数所控制,产生运动失控现象。采用Lyapunov稳定性理论对外力作用下奇异点动态稳定性进行研究表明,单纯或者联合改变外力大小或方向,难以获得满足稳定性要求的外载荷,不建议采用施加外力来提高奇异点动态稳定性。
  • 郑一力;孙汉旭
    . 2013, 49(3): 36-41.
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    为提高欠驱动的球形机器人在低速运动时的稳定性,提出一种安装高速旋转飞轮的球形机器人。该机器人的机械结构主要由球形外壳、内框、长轴电动机、短轴电动机和旋转飞轮构成。给出该机器人的简化模型和结构参数。在运动学分析的基础上,采用带约束的拉格朗日方程建立该机器人的动力学模型,并对该动力学模型进行简化。模型分析结果表明:飞轮高速旋转产生的陀螺效应可减弱外界干扰力矩的影响,保证球形机器人在低速运动时航向角的稳定性。在塑胶跑道上进行直线定位运动试验,当飞轮高速旋转时,与飞轮停止时相比,机器人运动过程中的航向角偏差和航向角速度波动减小,运动结束时机器人中心偏离直线的位移减小。试验结果证明了该设计的有效性。
  • 周炜;廖文和;田威
    . 2013, 49(3): 42-48.
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    随着工业机器人技术的不断发展,机器人在工业领域得到了越来越广泛的应用。针对机器人普遍存在重复定位精度高、绝对定位精度低的特点,提出一种改进其绝对定位精度的方法。以D-H运动学模型为基础建立机器人坐标系,并综合考虑机器人各关节参数引入的误差,建立机器人的位姿误差模型。利用该误差模型,通过分析相邻两点间定位误差之间的内在关联提出了定位误差相似度的概念,并在此基础上提出一种基于空间插值的工业机器人精度补偿方法。利用KUKA机器人对提出的精度补偿方法进行验证,试验结果表明,补偿前机器人的绝对定位精度为1~3 mm,补偿后它的绝对定位误差的最大值为0.386 mm,平均值为0.156 mm,较未补偿前有了近一个数量级的提高,从而证明了该方法的可行性和有效性。
  • 刘志华;唐晓强;邵珠峰;王立平
    . 2013, 49(3): 49-55.
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    6自由度索并联机构可以实现空间大范围的6自由度运动,在装配、对接和定位等应用中具有较大的优势。针对柔性绳索容易引起系统振动的特点,对6自由度索并联机构的振动特性进行分析。利用Newton-Euler方法建立系统的动力学模型,对动力学方程线性化获得系统的振动方程。在此基础上,得出各阶固有频率的分布情况,并分析一阶固有频率对结构参数的灵敏度特性。通过绳索受力频谱分析试验,获得6自由度索并联机构试验平台的一阶和二阶固有频率。试验结果与理论计算值接近,验证了所提方法的正确性。
  • 孙海亮;訾艳阳;袁静;何正嘉;李康;陈雪军
    . 2013, 49(3): 56-62.
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    提出一种改进相邻系数方法和非抽样多小波变换融合的降噪方法,使用Hilbert-Huang时频分析作后处理,并将其应用于行星减速器早期故障诊断中。行星减速器具有故障响应微弱、振动的强烈非平稳性和明显的非线性、低频特征频率污染等特点,使得现有中心轴固定的传统齿轮箱诊断理论与技术不能有效解决行星减速器的故障诊断难题。非抽样多小波变换具有时间平移不变性,可以降低或消除信号中奇异点附近急剧振荡的Gibbs现象;改进相邻系数方法具有随分解层变化的邻域区间长度和灵活的阈值选取方式,能够准确提取出非平稳信号中的早期微弱故障特征信息;Hilbert-Huang时频分析可以更直观地表征信号中的非平稳、非线性特征。对实际信号的分析结果表明,该方法可以准确提取出行星减速器存在早期齿面点蚀损伤时的微弱故障特征。
  • 魏静;孙旭建;孙伟;张光辉
    . 2013, 49(3): 63-73.
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    利用曲面共轭原理建立双螺杆捏合机转子型线设计与螺杆转子共轭曲面啮合方程的数学模型,提出一种可对高黏度物料进行输送、混合及塑化作用的新型双螺杆捏合机螺杆转子型线,给出转子螺旋副组成齿型线参数方程,进行转子结构设计。建立双螺杆捏合机流场数值仿真模型,依据计算流体动力学理论,对非牛顿流体流动进行三维、等温稳态有限元数值分析,研究其在不同转速及中心距条件下流场压力场分布、速度场分布、最大切应力、物料流动速率等特性;依据流固耦合理论,求解捏合机内部流体和双螺杆转子结构耦合方程,研究不同工况下流体压力和扭矩对螺杆转子应力和变形影响的变化规律。研究结果为双螺杆捏合机转子型线、结构参数的设计以及工艺参数的合理设定提供理论依据。
  • 程珩;于亮亮;黄超勇
    . 2013, 49(3): 74-79.
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    针对经典遗传算法在复杂空间上局部搜索能力较弱,易过早陷入未成熟收敛,并在接近最优解时,由于优化压力较小导致搜索效率低等问题,在传统遗传算法群体进化中引入拉马克学习机制,构造基于拉马克学习机制的局部搜索算子,建立起混合遗传算法模型。两种算法相互融合,使学习的优势得到发挥,提高局部深度搜索能力并加快了全局收敛速度。将其应用于连采机减速器试验模态参数识别中,结果证明了混合遗传算法的有效性和准确性。
  • 明安波;褚福磊;张炜
    . 2013, 49(3): 80-87.
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    为解决从单通道振动信号中实现复合故障特征分离的问题,提出基于小波框架理论的小波-频谱自相关方法。该方法采用正交小波基函数将复合故障信号分解为多个不同尺度的子信号后,对各子信号分别进行频谱自相关分析。研究表明:频谱自相关方法能够去掉时域自相关方法产生的拖尾现象,能量集中性更高、抗噪能力更强,能够突出复合故障信号中能量较大的冲击故障特征。对6220轴承内、外圈复合故障试验信号分析的结果表明:小波-频谱自相关方法将复合故障特征分解到不同通道后,有效地抑制各子信号中能量较弱的故障特征,实现了内、外圈复合故障特征分离。在相同的小波分解条件下,小波-频谱自相关方法比小波-包络谱的特征分离效果更好,具有较高的工程应用价值。
  • 高尚;康仁科;董志刚;郭东明
    . 2013, 49(3): 88-94.
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    集成电路制造过程中,基于工件旋转磨削原理的超精密磨削技术是硅片平整化加工和图形硅片背面减薄的重要加工方法,但磨削加工不可避免会在硅片的表面/亚表面产生损伤,研究磨削硅片的亚表面损伤分布对于分析硅片发生弯曲或翘曲变形的原因,确定后续工艺的材料去除厚度都具有重要的指导意义。采用角度截面显微观测法研究工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿晶向和径向的变化规律及光磨对磨削硅片的亚表面损伤分布的影响。结果表明,无光磨条件下磨削硅片的亚表面损伤深度在整个硅片表面分布不均匀,亚表面损伤深度沿周向在<110>晶向处大于<100>晶向,沿径向从中心到边缘逐渐增大;光磨条件下磨削硅片的亚表面损伤深度在整个硅片表面几乎是均匀的,且光磨后的硅片亚表面损伤深度明显小于无光磨条件下硅片亚表面损伤深度。
  • 张旭;戴宁;廖文和;张长东;闫国栋;郭保苏
    . 2013, 49(3): 95-100.
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    牙齿磨耗已经成为口腔领域的又一高发疾病,吸引了越来越多的研究者的关注。为解决牙齿磨耗过程计算机仿真这一问题,提出一种基于三维渐变技术的牙齿磨耗可视化仿真方法。采用基于莫尔斯理论和网格显著度的显著特征点提取算法实现完整牙与磨耗牙模型重要特征区域重要特征点的提取,该算法精度高、速度快且对噪声抗干扰性强;以上一步中提取的特征点对为约束,采用隐式曲面函数插值与一个投影平滑策略建立两模型顶点之间的匹配映射;采用线性插值实现了完整牙到磨耗牙的插值变换。下颌第一磨牙的磨耗模拟试验表明,该技术路线简单、稳定性好,渐变过程自然平滑无收缩扭结现象,对牙齿磨耗的仿真达到了良好的效果。
  • 郎骥;杨建刚;曹浩
    . 2013, 49(3): 101-105.
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    提出可倾式密封减小密封内气流激振力的理论,其本质在于通过密封块的自适应摆动从而改变流场。利用ANSYS CFX建立可倾密封流固耦合分析模型,计算时应用动网格的方法来实现密封块的自适应摆动。计算并比较了两种形式密封内气流激振力随入口压力、转子偏心以及转速的变化情况。结果表明,随着三个参数的增大,密封内气流激振力均普遍增大。在所有工况下,可倾密封气流激振力均小于固定密封气流激振力,两种密封气流激振力的差值随三个参数的增大而增大。设计密封汽流激振力的试验装置,应用传递函数法识别了密封气流激振力,通过共振的方法提高了识别精度。试验证实了计算得到的现象。对于现代超临界、超超临界机组,两种密封内气流激振力的差别预计会更大。
  • 史修江;王优强
    . 2013, 49(3): 106-110.
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    建立磁流体润滑滑动轴承的弹流润滑模型。利用考虑热效应的雷诺方程,用多重网格法对磁流体润滑滑动轴承进行弹流润滑分析。比较不同载液磁流体润滑滑动轴承的润滑膜膜厚和压力分布。通过对比酯基H01磁流体、烃基E03磁流体和水基A01磁流体的润滑膜膜厚和压力,选择水基磁流体做进一步的研究,探究载荷和速度对水基磁流体润滑滑动轴承的润滑膜弹流性能的影响。结果表明:与等温条件下相比,不同载液磁流体润滑膜的压力没有变化,但是磁流体润滑膜的膜厚都减小;在不同转速条件下,水基磁流体润滑膜的入口区压力随着转速增加而增大,膜厚随着转速增加而增厚,压力峰随着转速增加而减小;在不同载荷条件下,水基磁流体润滑膜的入口区压力随着载荷增加而减小,膜厚随着载荷增加而减小,压力峰随着载荷增加而增大。
  • 彭翔;刘振宇;谭建荣;卜王辉
    . 2013, 49(3): 111-121.
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    为了提高复杂产品设计模型分解后的聚合度,提高复杂产品优化设计效率,提出一种基于多重耦合聚类的复杂产品多变量关联设计模型分解方法。基于敏感度计算和耦合特性分析,建立表征设计模型中设计变量与设计函数耦合关联、设计变量耦合关联、设计函数耦合关联等多重耦合强弱的综合耦合度矩阵。然后通过综合耦合度矩阵降维和耦合二元树构建,实现耦合度大的变量函数初步聚类;通过二元树分支间耦合度比较,实现变量函数集聚类。最后以二元树分支为可选分割点,以分解后模型聚合度最高为目标实现设计模型分解。以大型空分装备中填料设计模型分解和透平膨胀机设计模型分解为例验证了方法的有效性。
  • 肖海宁;楼佩煌;钱晓明;武星;满增光
    . 2013, 49(3): 122-129.
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    针对柔性作业车间环境下自动导引车系统单向导引路径网络设计问题,以最小化最大完工时间为目标,提出一种改进的小生境遗传算法。该算法每条染色体由单向路径网络染色体和工序染色体两部分组成,分别表示各路径段方向和可行调度序列。针对两种染色体设计相应的交叉与变异算子,并通过邻域搜索操作提高了算法的收敛速度。为了保持种群的多样性,综合运用小生境技术和精英保留策略。试验结果验证了该算法的有效性。
  • 杨建华;张定华;张娟;吴宝海
    . 2013, 49(3): 130-136.
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    为了提高复杂曲面环形刀加工的加工效率,结合设计公差带,对复杂曲面的宽行加工算法进行研究。借用二阶泰勒逼近方法计算整条切削轨迹的切削带宽,根据设定的切削带宽比率阈值对其进行切削带宽可调整性评估;针对符合可调整性的切削轨迹,分析影响切削带宽的切触点,在公差约束范围内,将实际切触点沿其所在位置曲面法矢反方向平移一段合适的距离,从而反算出最优的切削带宽。通过分析切触点变化后曲面性质对切削带宽的影响,说明了公差约束思想在宽行加工算法中具有通用性。算例表明,与二阶泰勒逼近算法相比,该方法能大幅度地提高切削带宽,提高量可达到原切削带宽的26.5%,同时,切触点轨迹长度缩短了22.7%;仿真结果验证了该方法在复杂曲面环形刀宽行加工中的有效性。
  • 徐金亭;汪顺可;张向奎
    . 2013, 49(3): 137-144.
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    利用五轴数控机床在自由曲面上快速生成美观的图案在珠宝纹饰雕刻、吹塑/挤压模具图案制作、复杂产品外观图案的自动喷绘等方面具有潜在的广泛应用。针对目前图案映射对单一参数曲面参数域处理的依赖,提出一种可应用于复合裁剪曲面、网格曲面甚至点云曲面的三维复杂图案雕刻方法。利用图像边界处理技术,将二维的数字图案转化为可用于数控加工的离散点集。进而根据保角映射(Angle-based flattening, ABF)原理,将目标曲面映射到二维平面域,建立三维曲面与二维平面域之间的一一映射关系。以此映射为向导,提出基于面积坐标的线性映射方法,将离散图案逆映射到目标曲面上。根据选择的刀具参数及给定的切削深度,生成用于三维复杂图案雕刻的刀具轨迹,并进行雕刻仿真试验和实际雕刻加工试验。试验结果证明,所提方法简单实用,能够在复杂自由曲面上生成美观的雕刻图案。
  • 姜杰凤;董辉跃;柯映林
    . 2013, 49(3): 145-152.
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    干涉配合是提高螺栓连接疲劳寿命的有效工艺方法,针对钛合金高锁螺栓的干涉配合静态压入过程,建立有限元模型并进行数值模拟。分析不同干涉量下螺栓上最大应力、孔壁上最大应力值和叠层板上应力分布特点。结果表明,采用静态压入方法的最大干涉量为2.0%,并分析塑性区随干涉量的变化特点及数值模拟结果中的凸瘤大小。在数值模拟的基础上进行高锁螺栓液压压入试验,通过对比试验和模拟压入力的峰值、历史曲线和孔出口处凸瘤大小,有限元模拟得到了验证,利用有限元结果分析带孔边压痕的试验件孔口易产生裂纹的根本原因,并分析试件孔口凸瘤范围大小对结构疲劳磨损的影响,得出干涉量不宜超过2.0%。
  • 龙腾;刘莉;彭磊
    . 2013, 49(3): 153-162.
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    指出准协同优化策略(Collaborative optimization, CO)存在的数值缺陷及其原因。针对系统级优化不满足Kuhn-Tucker条件所导致的计算困难,提出一种基于可行方向序列无约束极小化技术(Feasible direction sequential unconstrained minimization technology, FD-SUMT)外点法的改进协同优化策略(Enhanced collaborative optimization with FD-SUMT method, ECO-FSM)。在系统级优化中使用FD-SUMT外点法,该方法不依赖Lagrange乘子并且能够将系统级设计变量限定在设计变量可行域内,避免传统SUMT外点法设计变量越界所导致的异常。利用学科间动态不一致信息更新系统级优化中的罚因子以加速学科间的协调。利用测试问题检验ECO-FSM的性能,并与其他的CO进行比较研究。研究结果表明ECO-FSM消除了系统级优化中设计变量越界的现象,收敛性、数值稳定性以及收敛速度得以显著提高。将ECO-FSM用于亚声速喷气式客机总体方案优化设计,优化结果表明ECO-FSM具有工程实用性。
  • 张争艳;王小平;胡吉全;陈定方;陶孟仑
    . 2013, 49(3): 163-173.
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    在RP领域,传统的三维几何实体表示方法只能包含实体模型的几何信息,不能包含相应的任何材料信息,因此,不能应用于多材料零件的建造。为实现多材料零件的建造,迫切需要一种新的更有效的并能表示多材料零件几何信息与材料信息的实体模型表示方法。为此,提出一种新的面向制造的基于材料边界的多材料实体表示算法,该算法采用材料ID索引与材料区域标记相结合的方法表示多材料实体零件的几何属性与材料属性,实例仿真分析验证了该算法可以表示复合材料实体零件、功能梯度材料零件以及具有较为复杂多材料属性的多相理想材料实体零件,并且实体表面轮廓复杂度以及材料种类对该算法没有影响,理论上可以表示任意复杂的多材料实体零件。
  • 冷国俊;保宏;杜敬利;钟剑锋;魏玉卿
    . 2013, 49(3): 174-179.
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    针对目前部分相控阵雷达大型化的趋势,考虑对子阵支撑板实现动力补偿的前提下进行支撑点及加强筋的布局优化设计。按照设计要求在有限个可安装部位选择支撑点,并且同时考虑不同加强筋拓扑形式对整体结构的平面度贡献,在强度和质量约束下以最佳吻合平面精度为设计目标,构建数学模型。利用连续化阶梯函数将工程中的型材变量与连续变量映射,避免了直接采用离散变量求解,求解规模小。对某大型相控阵雷达进行案例验证,取得满意的结果,并且该方案将应用到工程实际中。
  • 耿聪;于东;张函
    . 2013, 49(3): 180-185.
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    针对现有刀具姿态控制方法不能保证加工中刀轴矢量平滑变化,造成旋转轴速度、加速度的不连续以及加工精度低、表面不光滑等问题,在分析刀轴矢量变化与旋转轴速度、加速度平滑性间关系的基础上,提出一种能够保证加工中旋转轴速度、加速度连续的刀轴矢量平滑插补算法。该算法先依据给定首末刀轴矢量建立局部旋转坐标系;在已建立的局部旋转坐标系中采用倾斜角和射影角来表示刀具姿态曲线;依据刀具姿态曲线的二阶连续性对倾斜角和射影角表达式进行求解。算法仿真和实际验证结果表明,本算法能够保证加工中刀具姿态曲线经过程序给定刀轴矢量,在产生较小刀具姿态误差的同时,保证加工中旋转轴速度、加速度连续。
  • 潘日;王振忠;王春锦;张东旭;谢银辉;郭隐彪
    . 2013, 49(3): 186-193.
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    针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制。以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都不相同且气囊进动抛光过程中气囊自转轴与工件加工点局部法线夹角不变,提出建立基坐标系和抛光点对应三维空间坐标系的方法,得到抛光过程中气囊自转轴的空间位置变化情况,而后利用旋转坐标变换得到气囊抛光进动运动控制模型;在所建立的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型中加入控制算法,求出抛光自由曲面光学元件各点时气囊工具两个虚拟旋转轴的转角。利用Matlab对自由曲面光学元件不同方向截面进行仿真抛光试验,得到自由曲面各方向上气囊抛光进动运动曲线以及仿真进动角曲线,结果证明了自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型及控制算法的正确性。
  • 蒋勇敏
    . 2013, 49(3): 194-198.
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    根据最小作用量原理,探讨运动方法实现几何轨迹的内在原理,解决数控加工轨迹的几何精度和动态精度控制问题。根据最小作用量原理,计算传统的轨迹控制方法的作用量,表明插补方法就是严重违反自然法则。采用泛函分析方法分析路径与运动的映射关系,建立运动状态矢量空间,同时度量轨道几何函数及其导数,控制状态矢量误差,监控曲率或高价导数的变化,让速度和微小位移都沿着给定的方向。分析时间和空间的相对性,提出用参考时间控制工艺进程。提出根据几何函数转化的运动方程控制运动的轨迹实现方法。经过试验和仿真,证明该方法作用量最小,能实现几何与运动的综合控制,减少计算次数,提高轨迹精度,增加路径规划对环境的适应能力,是机床轨迹控制的好方法。