机械工程设计

4自由度混联机器人静刚度分析

汪满新，王攀峰，宋轶民，等

摘要：目的：本文研究一种新型混联机器人模块-Bicept的半解析刚度建模方法。该模块由一含恰约束支链的 2自由度平面并联机构和一与动平台末端串接的2自由度转头构成，是Tricept机器人的一种二维形式，具有制造成本低，工作空间大的特点，配以长行程导轨，可用于飞机壁板数字化自动制孔等场合。本文旨在揭示Bicept机器人末端刚度在工作空间中随位形变化的规律，为这种机器人的详细机械设计提供理论依据。方法：在2自由度平面并联机构结构设计方面，2自由度平面并联机构由机架、动平台及与之相连的3条支链组成。其中2条对称的 RPR主动支链的两端分别与动平台和机架通过回转副相连，而恰约束RP支链一端与动平台固接，另一端亦与机架通过回转副连接。为了获得结构紧凑、刚度质量比高的机器人机构，将主动RPR支链截面设计成内含筋板的中空细长矩形，以有效提高垂直于运动平面的侧向弯曲和扭转刚度；又将恰约束 RP支链的截面设计成内部嵌入筋板的中空正方形，以提高其弯曲和扭转刚度。在位置逆解和几何变形分析方面，首先利用矢量法建立了2自由度平面并联机构位置逆解模型，在此基础上，通过对位置矢量方程取一阶摄动，并利用运动副约束条件构造出驱动和约束雅可比矩阵，二者构成全雅可比矩阵，可表征 RP支链末端变形与各支链变形间的映射关系。在静刚度建模方面，将RPR支链视为二力杆，故其仅承受轴向力，根据RPR支链的具体机械结构将其抽象成等效的弹簧系统，据此构造出支链的驱动刚度模型；考虑系统变形协调条件，利用能量等效原理和静态凝聚技术构造出 RP支链约束刚度模型；在此基础上，结合全雅可比矩阵建立了Bicept机器人的静刚度模型。在算例验证方面，通过算例获得Bicept机器人面内静刚度在工作空间中的分布规律，通过Ansys有限元分析软件验证了计算结果的正确性。结果：在静刚度建模方面：完成了恰约束支链弯曲刚度的精确建模，基于全变形雅可比矩阵建立了机构的静刚度半解析模型，所建模型考虑了所有支链构件及铰链的弹性贡献。在工程算例方面：该机构在沿轴方向具有较大的刚性，该性能正好与飞机臂板钻铆加工需要沿轴方向较大的刚度相吻合。对比分别采用半解析法与有限元计算得到的刚度数据，两种模型的计算结果非常接近，从而可验证本文提出的静刚度半解析模型是正确有效的。结论：本文采用静态凝聚手续并借助变形协调条件，建立了恰约束支链弯曲刚度矩阵。基于全变形雅克比矩阵，在建立各驱动构件及约束支链刚度模型的基础上，借助虚功原理构造出Bicept机器人RP支链末端的静刚度模型。所构造的刚度矩阵，具有列式简洁、通用性强、物理意义明确的优点。工程算例与有限元计算结果表明该模型正确有效，可用于指导机械结构的详细设计。

来源出版物：机械工程学报, 2011, 47(15)：9-16

入选年份：2016

动力型磷酸铁锂电池的温度特性

李哲，韩雪冰，卢兰光，等

摘要：本文研究驱动用磷酸铁锂电池的主要特性与环境温度的关系。电池容量、内阻和荷电状态—开路电压（SOC-OCV）曲线是反映电池基本性能的重要特性指标，直接参与电池管理系统设计。具体的，电池容量大小的变化规律影响电池的寿命管理和SOC估算；电池内阻的数值影响动力电池的功率特性，也影响电池热管理系统对电池产热量的分析；而电池的SOC-OCV曲线可以用于电池SOC的校准，该校准对提高电池SOC估算的准确性具有重要意义。本文以3.2 V/11 Ah磷酸铁锂动力电池单体（天津产）为试验对象，采用牌电池试验台（德国产）和某国产高低温试验箱，在较宽的温度范围内进行了多个不同环境温度点下电池的以上3项性能试验，研究了不同环境温度下电池的容量、瞬态直流内阻和开路电压的变化规律。其中，进行电池容量实验前先将电池充满，充电方法为，室温下，将电池以 1/3 C恒流充电至电压到达3.65 V，改为恒压充电直至电流下降到1 A，停止充电，而后在对应设置温度静置1 h，电池容量以1/3C倍率、截止电压2 V的恒流放电容量为准，温度分别设置为－40℃、－20℃、0℃、30℃、50℃、60℃；获取瞬态直流内阻的方法是多个SOC点下的电流阶跃法，并将直流内阻分为欧姆内阻和极化内阻两部分，欧姆内阻通过阶跃瞬间读取的电压变化量计算，而计算极化内阻所使用的特征时间为10 s，温度分别设置为10℃，25℃和40℃；SOC-OCV曲线的测量可以在上述内阻测量实验过程中同时开展，温度设置同上。本文研究的主要结论包括，（1）动力型磷酸铁锂电池的容量随温度降低而下降，且下降速率不断增大，符合近似的指数规律，－40℃时电池的容量仅为标称值的1/3；（2）随温度上升，充电和放电过程的欧姆内阻、极化内阻均下降，温度不同时电池的欧姆内阻变化率高于极化内阻变化率，低温下欧姆内阻的变化率大于高温下的变化率；（3）磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线在宽广的中段SOC范围内上升缓慢，曲线非常平坦；电池的SOC-OCV曲线在不同温度下的差异较小，随温度下降，SOC-OCV曲线略向低移动，且低温下曲线的移动速率更大。由以上结论可以推知磷酸铁锂电池使用中一些与温度相关的注意事项，如：对电池容量的估算要考虑环境温度带来的影响；电池在低温和小SOC条件下的内阻很大，大电流充放容易过度发热并损坏电池；磷酸铁锂电池在低温条件下的工作性能较差；SOC-OCV曲线在不同温度下的一致性较高。

来源出版物：机械工程学报, 2011, 47(18)：115-120

入选年份：2016

非线性无损检测技术的研究、应用和发展

周正干，刘斯明

摘要：对材料和结构进行无损检测和评价在其全寿命周期中非常重要。超声检测是一种重要方法。常规超声检测技术主要采用超声信号的时域特征对缺陷进行表征，是一种基于线性声学理论的检测方法。在线性声学理论中，由于超声波透射/反射信号由传播介质（被测对象）以及缺陷的性质唯一决定，且只考虑了应变张量与应力张量的本构方程（即胡克定律）中的泰勒展开一阶因子，常规超声检测方法的最小可检测缺陷尺寸正比于超声信号在材料中传播时的波长，导致对于微缺陷、微裂纹以及如粘接、分层等界面缺陷不敏感，同时对于金属疲劳等力学性能退化尚缺乏有效的评价手段。非线性超声检测方法的基础是考虑了本构方程高阶微分项的非线性波动声学理论。与基于线性理论的常规超声检测方法相比，非线性超声检测技术对于小缺陷更加敏感，这是因为其考虑了应变张量的高阶增量。通过对检测接收的超声信号中附加的非线性信息进行分析，非线性超声检测技术可以突破线性超声检测技术的最小缺陷检测尺寸限制，从而克服线性超声存在的缺陷和不足，是一种具有光明应用前景的检测方法。非线性超声检测方法种类繁多，例如高次谐波产生、波束混叠、次谐波以及谐振频率，每种检测方法都基于特定类型的非线性声学效应。非线性波动方程的传播解可借助摄动、多尺度等数学理论方法解析获得。解析解中除了由基频（换能器中心频率）产生的谐波分量外，还存在2倍或更高倍于基频的高次谐波分量。高次谐波产生是一种对频谱变换后的超声回波信号中的由微小缺陷的非线性效应产生的高次频率分量的方式进行缺陷表征评价的方法。为了降低超声回波信号中非线性高阶分量的观测难度，一般采用远超线性大振幅超声进行检测，激励大振幅超声的方法也称为有限幅度法。在非线性波动学理论中，两束不同频率或波形模式的声波相互混合时，将由于非线性波动方程传播解的不可叠加性导致新的性质完全不同的超声分量产生。波束混叠是一种采用在波束混叠时产生的超声新分量进行微小缺陷表征评价的非线性超声检测方法。不难得知，所产生的超声新分量的性质（例如中心频率和波形）受混合波束的性质以及缺陷的非线性性质共同决定。次谐波产生是一种类似于高阶谐波产生的非线性超声检测方法。该方法通过观测超声波传播时由于非线性波形扭曲变形所生成的频率为基频1/2的次谐波信号实现对缺陷的检测。次谐波对于分析闭合裂纹缺陷非常适合，与此同时该方法克服了高次谐波检测时可能引入的耦合介质、仪器所带来的非线性。当试样内部存在缺陷时，其谐振频率将会发生改变，相关理论表明，谐振频率的改变量与激励超声信号水平的变化量成非线性关系，而对无缺陷试样而言这种现象不明显。借助非线性谐振超声谱分析技术，该方法能够用于结构性能退化以及早期缺陷的检测评价。本文针对上述非线性超声检测方法的研究和发展现状进行了介绍，总结其中的关键技术和问题，并对未来发展做出思考。

来源出版物：机械工程学报, 2011, 47(8)：2-11

入选年份：2016