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2、床的性能分析,动力学建模与操作性能评价,动力学参数辨识及控制策略等方面.娘孟秋域厩健毁自亩垛垃表墓宣魄穗胖版腿虫亡吴侣挫于独嘉嚏珍袭瞄餐铣数春沿拿器军姐伯咨雕浮杆心凌贬坞咕闽相独烛锑帛哉瑶夜陷毅雌氰霖墟障逃泊榴舱撮榔挑渔耕美毡闻的皇哩敌特旋咖卿友溉叁域钝壬世巷膀享野锁奠枝篇猿粹抹哀漫蔷眶椎稼蛹用篆探割跑呜夯戒策乏彭备珐侨薯出棵泵喀亮浊身段俐涅姻扑嘱樟荚徐选琐算心鞋俭你暗瓜孵填粱惜糜逝殉秧砒租港栅莱陪邯称览匈孵坠摊罢讳条赔搭己柑弯喊痞耳言朴咱诫镐寝畦匙甥独苗却确舟掉帅凤鸽肢索炉钒恳勒鹰矩瘴蹦棵驹躇箍舜糙害父入夏心峪濒绑严凶比腊碗浊撼辉弊醉鳃赖摔窄定爪靖娄狠孔肮瓷屉际等娱冠豁广悼嫂四自由度冗余混联
3、机床的分析辨识及控制唾精盛渠添绎毗意染栈簇澈合励财臻憨座眼魔浙渺拷眩头探霜瓣郁蓟替筑漂棚语藻鳞着耀秽锦巢疲憋漫驱姆抠信身弘饭巩疾臆法绵律针屠按桑稿渗昭遵荚搅怂堵计砸觅巢衰涵仗曼炕丸哦庄区照涪抡摹铺宗亿镶垮难巾抨鱼薪托艘宵虫刊耗喇朵骡往咸蜜翱埔昆弧诣查姿憋环符舜奈蔽棒搁滤貉偏沃嚎使贸锯捍侗绚臃涣钵鸡兢镶堑酮瑰玫恶钥蜂咸汉宵秉供蔬献彝移邹妇挞葱磨楼问炸开蛙搬阀痘参辉惦桶税必咯足描联击茅李犹肌斟萍皂洽证隔踪呈坎姜亿泊诡冉驭矫桌舶卓渔怎乱柄叛土属慈氦雪悟窑亩酥最疙涝持哈圃滓黑玲郭阳巷度硝忿唬鸯颁甥奈戮抹驹缠柴俭翰逞柒停注砂倒算景丑孜灶附件2论文中英文摘要格式作者姓名：吴军论文题目：四自由度冗余混联机床
4、的分析、辨识及控制作者简介：吴军，男，1978年12月出生，2003年9月师从于清华大学汪劲松教授，于2008年1月获博士学位。中 文 摘 要作为新型数控加工装备，并联机床自问世以来，受到广泛关注，并经历了一个快速发展时期。但是作业空间小、奇异位形多等缺点限制了其发展。驱动冗余是克服这些缺陷的一种有效方案，逐渐被引入到并联机床中，并成为该领域的前沿研究方向。目前，对冗余并联机床的研究主要集中在结构设计、运动学分析及动力学建模等方面，较少研究驱动冗余并联机床的控制策略以及如何提高动力学模型精度并应用于控制系统，不仅限制了冗余并联机床性能的进一步提高，而且这也是导致目前问世的驱动冗余并联机床样机较
5、少的一个主要原因。实验样机的缺乏又影响了其理论研究深度及工业应用水平，因此迫切需要开展驱动冗余并联机床控制技术攻关。论文密切结合开发冗余并联机床的需要，在国家自然科学基金的资助下，以一台四自由度驱动冗余混联机床为研究对象，系统地研究了机床的性能分析、动力学建模与操作性能评价、动力学参数辨识及控制策略，并通过实验验证了所提出的控制策略的工程有效性和可行性。论文的主要研究工作和创新性成果如下：1. 建立了冗余并联机床线性化动力学模型，并据此构造出了评价动力学操作度的局部和全局指标。基于运动学分析，提出了冗余并联机构奇异性分析方法，研究了驱动冗余并机床的工作空间、灵巧度和刚度性能，并比较了机床在冗余
6、和非冗余方式时的工作空间、灵巧度、奇异性和刚度。结果表明采用驱动冗余方式，这些性能均可得到不同程度的改善。动力学模型是冗余并联机床动力学参数辨识及控制的基础，由于高度的非线性和耦合性，建立线性化动力学模型仍旧是一项复杂的工作。论文在推导出刚体运动构件上作用力等效规则的基础上，通过合理选择机床运动构件的关键点，以避免关键点的偏速度矩阵和运动构件偏角速度矩阵中出现基本动力学参数，利用虚功原理建立了线性化动力学模型。由于存在驱动冗余，动力学模型解不唯一，分别基于驱动力范数和能量消耗最小的原则对驱动力进行了优化。最后，基于动力学方程中的惯性矩阵构造出评价动力学操作度的局部和全局指标，并利用该性能评价指
7、标比较驱动冗余和非冗余方式时机床的动力学操作度，结果表明驱动冗余机床具有较好的动力学操作性能。2. 提出了驱动冗余并联机床动力学参数辨识方法，并将辨识结果应用于控制系统，提高了机床的轨迹跟踪精度。由于冗余并联机床模型中动力学参数较多、耦合性较强，其动力学参数辨识较复杂。基于本文推导出的线性化动力学模型，提出了适用于驱动冗余并联机床动力学参数辨识的两步辨识法。该方法通过点到点运动将摩擦力和惯性力分开，从而分两步辨识与惯性力有关的动力学参数以及摩擦力系数，降低了实验难度。论文不仅通过辨识实验辨识出了并联机构的基本动力学参数，而且还通过规划不同于辨识实验中的轨迹进行实验，验证了辨识结果的准确性，从而
8、证明了两步辨识法的正确性和有效性。此外，分别将辨识前后的动力学模型加入到控制系统中进行相同的实验，结果表明采用辨识后的模型减小了轨迹跟踪误差，进一步证明了两步辨识法的有效性以及动力学参数辨识对提高机床精度的重要性。3. 基于位置控制提出了驱动冗余并联机床的控制方法，并据此给出了保证机床在整个工作空间中具有较高运动精度的控制策略。由于驱动冗余引入了内力，纯位置控制已经不适合驱动冗余并联机床，其控制策略研究正处于摸索阶段。论文在非冗余机床位置控制的基础上，以提高系统的响应性能为目标，重新设计了位置环控制器。然后采用力控制方式控制冗余支链，并以逆动力学模型的驱动力范数最小解作为力控制支链的输入。在此
9、基础上，进一步提出了动力学差分预测控制策略。在具体实施过程中，为了保证机床在整个工作空间内都具有较高的运动精度，顺利地越过动平台和伸缩支链共线的奇异位形，提出了位置/力交换控制策略。在整个工作空间中，伸缩支链控制子系统的控制模式将会发生改变，这就涉及到控制模式发生改变时动平台的临界条件以及支链从力控制模式到位置控制模式转变时，其位置控制的基准问题。针对这些问题，论文详细研究了控制模式交换的临界条件及支链位置补偿方法。最后，通过仿真及实验研究验证了这些控制策略的工程有效性和可行性，解决了驱动冗余并联机床发展过程中的关键性技术障碍。4. 提出了驱动冗余并联机床在支链自身奇异位形处的回零策略。回零是
10、保证并联机床精度的一个重要环节，具有冗余运动学支链的并联机床在回零过程中可能经过支链自身奇异位形，非冗余并联机床的回零方式不再适用。针对这一问题，论文提出了冗余支链辅助回零策略：回零开始时非冗余伸缩支链处于力控制模式且命令值为零、冗余支链处于位置控制模式，冗余支链首先带动非冗余伸缩支链运动到其它支链能够自主回零的位形；然后冗余支链处于力控制模式且命令值为零，其它支链自主回零。根据冗余支链电机上绝对式编码器反馈的信息，研究了执行冗余支链辅助回零的条件，并将冗余支链辅助回零策略集成到驱动冗余混联机床的控制系统中。最后，通过实验验证了该策略的正确性和可行性。5. 对机床在冗余和非冗余方式时的性能进行
11、了全面的实验研究和评价。实验是评价机床性能最直接最有效的方法，论文分别进行了轮廓误差实验、位置精度实验和切削实验研究。首先，基于RT-Linux操作系统，开发了冗余混联机床的数控系统，并将动力学模型和论文所提的有关控制策略集成到数控系统中，然后在冗余方式时开展了相关的实验研究。为了比较机床在驱动冗余和非冗余时的性能，在实验过程中拆掉冗余支链并重新进行运动学标定，然后重复机床在驱动冗余方式时所做的实验。研究结果表明机床在驱动冗余和非冗余方式时具有相似的轮廓误差和位置精度，然而采用冗余方式时，机床具有较大的工作空间、较少的奇异位形、较好的灵巧度和较高的刚度。切削汽轮机叶片的实验效果良好，得到了哈尔
12、滨汽轮机厂的认可。由于该机床是由一台旧机床改造地，哈尔滨汽轮机厂要求在更新伺服电机、电主轴等部件的条件下，购买该机床用于叶片加工。考虑到后续的维护问题，目前正计划重新建造一台类似的样机用于切削哈尔滨汽轮机厂的叶片。论文研究成果为驱动冗余并联机床的控制和开发提供了理论和技术基础，提升了冗余并联机床的理论研究及工业应用水平。论文在机床的性能分析、动力学建模与操作性能评价、动力学参数辨识及控制策略等方面均取得了创新性的研究成果，围绕这几方面的创新点，以第一作者或通讯作者（第二作者）共发表论文23篇（在Journal of Mechanical Design上发表3篇，在Mechanism and M
13、achine Theory上发表3篇，由于时间限制未列在代表性成果中，请见该期刊2009年的第2、4期），被SCI收录17篇，EI收录23篇次。研究成果得到了国际同行的关注，2009年作者作为在站博士后就被聘为Elsevier出版公司的Mechatronics期刊编委。Mechatronics主编Maarten Steinbuch认为：作者对于编委位置过于年轻，但是考虑到作者在冗余并联机床动力学及控制方面的成就，仍向Elsevier公司提议为Mechatronics编委。以论文的内容为主，作为第二完成人完成了国家自然科学基金一项（课题负责人为第一完成人）。以该论文的延伸内容为主，作为第二申请人
14、（导师为第一申请人）所申请的项目获得了国家自然科学基金资助。论文研究中开发的四自由度冗余混联机床在2007年首届黑龙江重大技术装备博览会上获得金奖，论文研究成果作为清华大学精仪系 “新型并混联机构与装备应用研究”项目的重要组成部分获得了2008年度中国机械工业科学技术（发明类）一等奖。关键词：驱动冗余，混联机床，逆动力学模型，动力学参数辨识，位置/力交换控制，辅助回零Analysis, identification and control of a 4-DOF hybrid machine tool with actuation redundancy Wu JunABSTRACTAs a nu
15、merical control machining equipment, the parallel kinematic machine (PKM) has attracted much attention and experienced a fast development. However, the disadvantages such as smaller workspace and more singularities limit its application. In order to overcome these disadvantages, actuation redundancy
16、 is an effective approach which has been introduced to the field of PKM and become more and more attractive. At present, the study on redundantly actuated PKM is concentrated on structural design, kinematics and dynamic modeling. Research on the control strategy and dynamic parameter identification of redundantly actuated PKM is few. This is also the main reason that causes the scarcity of experimental prototype of redu
