重型低频机器人塑性成形中的多自由度颤振抑制机理与主动阻尼补偿策略研究

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Multi-DoF chatter suppression in the heavy-load and low-frequency robotic plastic forming

本文针对重型低频机器人塑性成形（RPF）过程中的多自由度（DoF）颤振挑战，揭示了其与传统加工截然不同的负阻尼颤振产生机制。研究通过建立多自由度动力学模型，提出了基于颤振稳定性指数的预测方法，并创新性地采用三空间液压作动器协同控制进行主动阻尼补偿，实验证实该方法可实现颤振频率84~93%的振幅衰减，显著提升复杂薄壁高筋构件成形表面平整度，为重载低频成形装备的稳定性控制提供了新方案。

　　

Section snippets

Kinematic model of multi-DoF plastic forming robot

本团队研发的多自由度塑性成形机器人（MPFR）可承载最大800吨载荷，采用先进的多自由度机器人塑性成形（RPF）技术。该机器人由液压升降平台、并联运动机构（PKM）、工具（上模）与下模以及控制系统构成。PKM包含一个平台和六个运动链，每个运动链由伺服电机、滑块、连杆以及两端的球铰（S关节）组成。六条运动链...

Dynamic vibration characteristics in RPF

在系统2（Sys₂）中，方程(15)的解可表示为无限个模态分量的叠加，形式如下：

p = ∑_i=1^Nφ_i(t) exp(jω_nⁱt)

其中φ_i(t)为模态振型，exp(jω_nⁱt)为模态坐标，N为模态数。

假设RPF系统处于临界稳定状态，其模态振型为常矩阵，即φ_i(t) = φ_i。联立方程(15)、(14)与(18)，RPF动力学模型可表达为：

-(ω_nⁱ)²M∑_i=1^Nφ_i(t)exp(jω_nⁱt) + jJ_l^TD₁J_l∑_i=1^Nφ_i(t)ω_nⁱexp(jω_nⁱt)

Modal analysis and parameter identification

本研究聚焦于RPF中的颤振预测方法与抑制策略开发。通过冲击试验与参数辨识实验，提取成形系统的振动模态与结构参数。实验过程中液压作动器保持关闭，补偿阻尼为零。关键结构参数见表1。作为重载成形系统...

Conclusions

本文旨在提出一种多自由度颤振抑制方法以提升RPF过程中的成形稳定性。

(1) 阐明了RPF中的本质颤振机制：通过分析MPFR系统的振动特性，揭示由时滞振动引起的激振力方向与振动速度方向一致，因此该激振力在RPF中被视作负阻尼。当此负阻尼超过成形机器人固有阻尼时...