CN101639681B - 一种电子装备运动机构性能参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子装备运动机构性能参数优化方法，包括以下步骤：对电子装备进行三维建模；基于所建立的电子装备的三维模型分别建立多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型，分别测量所述多刚体动力学模型上参考点的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点的位移曲线，通过上述两位移曲线之差得到所述电子装备的动态误差；以动态误差最小为目标对所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数进行优化。本发明通过基于多体动力学方法，分别建立多刚体动力学模型与刚柔耦合模型，以系统动态精度为目标，优化得到高精高速电子装备结构参数，本发明具有准确、方便可行，有利于提高设计能力，得到较优的产品结构等优点。

Description

一种电子装备运动机构性能参数优化方法

技术领域

本发明属于工业设备领域，尤其涉及一种电子装备运动机构性能参数优化方法。

背景技术

优化设计是一种新型的现代设计方法，它以提高产品质量、降低产品成本为宗旨。

目前，电子装备的高速、高精度化的实现是由CNC控制、系统的机械结构、进给驱动及其它辅助部分如排屑系统、冷却系统装置等共同来完成的。其中关键结构参数如滑块的连接刚度与阻尼，联轴器的扭转刚度与扭转阻尼、螺母座连接刚度与阻尼等的匹配选取对系统的动态精度影响很大。

对于高精高速电子装备设计中各结构参数的优化匹配问题，传统的作法是按照经验公式计算选取，但是这种方法操作麻烦，精确度不高。

因此，需要一种方便、易于实现的结构参数优化方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电子装备运动机构性能参数优化方法，旨在解决高精高速电子装备结构参数如何优化匹配的难题。

本发明实施例是这样实现的，一种电子装备运动机构性能参数优化方法，包括以下步骤：

步骤A、对电子装备进行三维建模；

步骤B、基于所建立的三维模型分别建立所述电子装备的多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；

步骤C、驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型，分别测量所述多刚体动力学模型上参考点的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点的位移曲线，通过上述两位移曲线之差得到所述电子装备的动态误差；

步骤D、以动态误差最小为目标对所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数进行优化。

其中，在步骤C后还包括：确定所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数参数；步骤D中对运动机构性能参数进行优化具体是对所确定的对动态精度影响最大的若干个参数进行优化。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤B中，采用笛卡尔方法建立多刚体动力学模型。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤B中，建立多刚体动力学模型包括以下步骤：确定所述多刚体动力学模型各物体的拓扑结构；设置所述多刚体动力学模型的物体运动约束和设置载荷。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤B中，建立刚柔耦合多体模型包括以下步骤：确定所述刚柔耦合多体模型各物体拓扑结构、设置所述刚柔耦合多体模型的物体运动约束、设置载荷、接触模型和接合部柔性处理。

本发明实施例采取的技术方案还包括：对所述电子装备的运动机构对动态精度影响最大的若干个参数进行优化具体包括：对于所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数的多种参数值组合，将各组合分别加到所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型上，得到各自对应的电子装备的动态误差；选取动态误差最小的情况对应的那组参数值为对动态精度影响最大的若干个参数的优化结果。其中，所述得到各自对应的电子装备的动态误差具体包括：驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；分别测量多刚体动力学模型上参考点位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点的位移曲线；通过上述两位移曲线之差得到所述模型的动态误差。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述确定所述电子装备的运动机构关键性能参数包括：建立设计变量；定义目标函数；创建优化约束；创建仿真流程；进行设计研究，选取对动态精度影响最大的若干个参数为电子装备的运动机构关键性能参数。

本发明实施例采取的技术方案还包括：对所述电子装备的运动机构关键性能参数进行优化具体包括：对于所述电子装备的运动机构关键性能参数的多种参数值组合，将各组合分别加到模型上，得到各自对应的电子设备的动态误差； 选取动态误差最小的情况对应的那组参数值为运动机构关键性能参数的优化结果。其中，所述得到模型的动态误差具体包括：驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；分别测量多刚体动力学模型上参考点(MarkerA)的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点(MarkerB)的位移曲线；通过上述两位移曲线之差得到所述模型的动态误差。

本发明实施例的有益效果在于：本发明实施例的电子装备运动机构性能参数优化方法通过基于多体动力学方法，分别建立多刚体动力学模型与刚柔耦合模型，以系统动态精度为目标，优化得到高精高速电子装备结构参数，并采用计算机仿真方法，具有在设计阶段前期就能完成关键结构参数的优化匹配，方法准确，方便可行，有利于提高设计能力，得到较优的产品结构等优点。

附图说明

图1是本发明实施例电子装备运动机构性能参数优化方法的流程图；

图2是本发明实施例电子装备运动机构性能参数优化方法中三维建模示意图；

图3本发明实施例电子装备运动机构性能参数优化方法中多刚体动力学模型的数值计算的数据流程图；

图4是本发明实施例电子装备运动机构性能参数优化方法中刚柔耦合多体模型的计算流程图；

图5是数控钻机的三维模型示意图；

图6是数控钻机刚柔耦合多体模型示意图；

图7是数控钻机多体动力学模型的连接拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的电子装备运动机构性能参数优化方法的核心思想在于：基于多体动力学原理，建立所研究机器的三维模型，以该模型为原型分别建立多刚体动力学模型与刚柔耦合多体模型，采用虚拟样机方法得到系统的动态精度，并以动态精度为目标，进行了运动机构性能参数的优化。

请参阅图1，为本发明实施例的电子装备运动机构性能参数优化方法的流程图。本发明实施例的电子装备运动机构性能参数优化方法包括以下步骤：

步骤100：对电子装备进行三维建模。

请参阅图2，为本发明实施例的电子装备运动机构关键性能参数优化方法中三维建模示意图。对电子装备进行三维建模包括：在电子装备承载体1000上进行Y向装配体1100建模、X向装配体1200建模、Z向装配体1300建模。

步骤200：基于所建立的三维模型建立电子装备的多体动力学模型。

该步骤200具体包括：步骤202，根据建立的电子装备的三维模型建立多刚体动力学模型；步骤204，在多刚体动力学模型基础上加入柔性连接或柔性体，构成刚柔耦合多体模型。

在步骤202中，在MSC.ADAMS中建立多刚体动力学模型，其具体包括以下步骤：确定各物体拓扑结构；设置铰(物体运动约束)和设置载荷。

计算多体系统动力学模型有两种数值处理方法，即多体系统动力学的拉格朗日方法和笛卡儿方法。其中笛卡尔方法由于仿真结果准确，通用性好，适合复杂机构的建模。笛卡儿方法是以系统的每个物体为单元，建立固结在刚体的坐标系，刚体的位形均相对于一个公共参考基进行定义，每个刚体其位形坐标一般情况下有6个。对于N个刚体的系统，位形坐标阵q中的坐标个数为6N个，由于铰的存在，这些位形坐标不独立。系统的动力学模型表示为： 

其中坐标阵q为约束方程，Φ_q为约束方程的Jaccobi矩阵，λ为拉格朗日乘子，A、B为系数矩阵。

本发明实施例采用笛卡尔方法建立系统的多刚体系统动力学模型，请参阅图3，为本发明实施例电子装备运动机构关键性能参数优化方法中多刚体系统的数值计算的流程图。其具体通过微分方程、代数方程初始参数；微分方程求解(GSTIFF&WSTIFF积分器)；代数方程求解(Newton-Raphson迭代算法)；高斯降次等流程获得位移、速度、加速度等输出量。

在步骤204中，建立刚柔耦合多体模型包括以下步骤：确定各物体拓扑结构；设置铰(物体运动约束)；设置载荷；接触模型；接合部柔性处理。

在多刚体动力学模型基础上加入柔性连接或柔性体，构成刚柔耦合多体模型。请参阅图4，为本发明实施例电子装备运动机构性能参数优化方法中刚柔耦合多体模型的计算流程图。对于滑块与导轨的接触模型：接触力是一种作用在构件上的特殊力，当两个构件相互接触发生变形时，产生接触力，接触力的大小与变形的大小和变形的速度有关，如果两个构件相互分开不接触，则接触力为零。

在MSC.ADAMS中使用IMPACT函数来定义接触力，该函数的数学计算公式为

式中：

q--位移变量

--速度变量

q₀--碰撞力开始生效的临界位移

step--ADAMS软件内部函数

k--刚度系数

c--阻尼系数

d--碰撞力生效后阻尼发生作用的位移

对于接合部的柔性处理：两构件之间的联接采用Bushing(轴套力)方式，轴套力实际上是模拟两构件之间的力和力矩大小，它作用在主动体与反作用体的I marker和J marker上。

轴套力工具提供了一种施加两构件相互作用力的方法：通过定义力和力矩的6个分量(F_x，F_y，F_z，T_x，T_y，T_z)，在两构件之间施加一个柔性力。

轴套力的计算公式如下

$\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ T_x\\ T_y\\ T_z\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{cccccc}{k}_{11}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& k_{22}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& k_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& k_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& k_{55}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& k_{66}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{R}_x\\ R_y\\ R_z\\ {\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{\θ}}_z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{cccccc}{c}_{11}& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& c_{22}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& c_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& c_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& c_{55}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& c_{66}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\\ {\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{F}_{x0}\\ F_{y0}\\ F_{z0}\\ T_{x0}\\ T_{y0}\\ T_{z0}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中：

F，T--力和力矩

R--I，J标记之间的相对位移

θ--I，J标记之间的相对转角

v--I，J标记之间的相对速度

ω--I，J标记之间的相对角速度

k，c--刚性和阻尼系数

下标x，y，z--x、y、z方向

下标x0，y0，z0--x、y、z方向的初始值

轴套力的反作用力按下式计算

$\left\{\begin{array}{c}{F}_j=-F_i\\ T_j=-T_i-\mathrm{\δ}\×F_i\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

δ--Jmarker到Imarker的瞬时形变矢量

步骤300：采用虚拟样机方法得到电子装备的动态误差。

在本发明实施例中，可以在电子装备中定义参数点(如加工头的吸嘴尖上 的参考点Marker)，该点在多刚体动力学模型上为点MarkerA，在刚柔耦合多体模型上为点MarkerB，驱动多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型，分别测量MarkerA和点MarkerB的位移曲线，通过上述两位移曲线之差得到电子装备的动态误差。

步骤400：确定电子装备的运动机构关键性能参数。

具体可以包括建立设计变量、定义目标函数，创建优化约束、创建仿真流程、进行设计研究、选取对动态精度影响最大的若干个参数为电子装备的运动机构关键性能参数。

在确定某一性能参数对动态精度的影响时，可以将该性能参数的给定参数值加到模型上，然后驱动多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型，分别测量多刚体动力学模型上参考点的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点的位移曲线，并得到两位移曲线之差，若该位移差曲线较平滑(动态误差小)，则其对动态精度的影响较小，反之则大。

刚柔耦合多体模型包括柔性连接部，涉及力作用下机器机械系统的运动，它计算各部件连结点处的弹性与阻力等影响，可以充分反映机器系统高速工作过程中所经历的大范围空间运动所产生的柔性多体效应。多刚体模型中的各个部件处于一种理想的刚体状态，不会因为受力而产生塑性变形，所以多刚体模型中各个部件之间可以严格的按照相互之间的约束来运动，能准确地描述机器的理想运动情况，并且，由于是去掉了柔性连接，各刚体之间有确定的运动，加工头能按运动控制规划的理想状态精确运动到位。刚体模型模拟通过求解位置、速度和加速度非线性方程组确定构件的位置、速度、加速度与时间的关系，由于运动学的计算与引起活动的力无关，通过运动学计算所得到的动态误差为零。

步骤500：以动态误差最小为目标对所述电子装备的运动机构关键性能参数进行优化。

可以为每个关键性能参数定义可能的取值集合，形成所述电子设备的运动 机构关键性能参数的多种参数值组合。例如，假设确定2个关键性能参数X1、X2，X1的取值集合为(x11，x12)，X2的取值集合为(x21，x22)，则可以形成(X1，X2)的取值分别为(x11，x21)、(x12，x22)，(x12，x21)以及(x12，x22)这样4种参数值组合。

在对电子装备的运动机构关键性能参数进行优化时，可以将各组合分别加到模型上，得到各自对应的电子设备的动态误差，选取动态误差最小的情况对应的那组参数值为关键性能参数的优化结果。其中，得到所述模型的动态误差具体包括：驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；分别测量多刚体动力学模型上参考点(MarkerA)的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点(MarkerB)的位移曲线；通过上述两位移曲线之差得到所述模型的动态误差。

以下详细介绍本发明的电子装备运动机构关键性能参数优化方法在数控钻机的具体应用。

请参阅图5，为数控钻机的三维模型示意图。该数控钻机三维模型包括：床身1、工作台2、工作台盖板3、气夹4、丝杠/螺母5、导轨/滑块6和横梁7部分。

数控机械钻孔是利用PCB板数控钻床进行精密孔位加工的一种方法，由于经济、实用、可靠，在目前仍然流行。PCB板数控钻床是典型的机电一体化产品。以数控技术为基础，借助机床x-y-z三个坐标的协调运动，当x、y轴快速准确地到达目标时，计算机发出指令，z轴执行机构进行钻孔操作，实现精密孔位加工。

我国印制板数控钻床起步较晚，在八十年代中期开始将数控技术引入PCB板钻孔领域，经过近二十年的迅猛发展，产品功能、性能等方面已取得了长足进步，在小孔加工能力、加工精度和速度等方面有了飞速发展。

请参阅图6，为数控钻机刚柔耦合多体模型示意图。该数控钻机多体系统刚柔耦合模型约束包括：固定副11、棱柱副12、螺旋副13、旋转副14、圆柱 副15、轴套力16、平面副17。

请参阅图7，为数控钻机多体动力学模型的连接拓扑图。电主轴与钻头装配体与Z向小滑板连接，Z向小滑板分别通过两边的Z向滑块、Z向导轨与Z轴固定板连接，Z向小滑板通过Z向螺母座、Z向螺母、Z向丝杠、Z向电机座与Z轴固定板连接。Z轴固定板分别通过两边的X向滑块、X向导轨与横梁连接，Z轴固定板还通过X向螺母座、X向螺母、X向丝杠及X向轴承座、X向电机座分别与横梁连接。横梁分别通过两边的横梁座与床身连接，工作台分别通过两边的Y向滑块、Y向导轨与床身连接，工作台还通过Y向螺母座、Y向螺母、Y向丝杠及Y向轴承座、Y向电机座分别与床身连接。

其中：H1为固定副；H2为平面副；H3为棱柱副；H4为旋转副；H5为轴套力；H6为螺旋副；H7为圆柱副。

数控钻机的几何建模在三维软件SolidWorks中完成，通过软件接口转换成ADAMS机构模型，分别建立多刚体动力学模型与刚柔耦合多体模型，并施加驱动，以系统动态误差为优化目标，进行数控钻机的优化设计，得到关键性能参数的优化值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，包括：

步骤A：对电子装备进行三维建模；

步骤B：基于所建立的三维模型分别建立所述电子装备的多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；

步骤C：驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型，分别测量所述多刚体动力学模型上参考点的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点的位移曲线，通过上述两位移曲线之差得到所述电子装备的动态误差；

步骤D：以动态误差最小为目标对所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数进行优化。

2.如权利要求1所述的电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，步骤C后包括：确定所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数。

3.如权利要求1所述的电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，在所述步骤B中，采用笛卡尔方法建立多刚体动力学模型。

4.如权利要求1或3所述的电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，在所述步骤B中，建立多刚体动力学模型包括以下步骤：确定所述多刚体动力学模型各物体的拓扑结构；设置所述多刚体动力学模型的物体运动约束和设置载荷。

5.如权利要求1所述的电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，在所述步骤B中，建立刚柔耦合多体模型包括以下步骤：确定所述刚柔耦合多体模型各物体拓扑结构、设置所述刚柔耦合多体模型的物体运动约束、设置载荷、接触模型和接合部柔性处理。

6.如权利要求2所述的电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，对所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数进行优化具体包括：

对于所述电子装备的对动态精度影响最大的若干个参数的多种参数值组 合，将各组合分别加到所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型上，得到各自对应的电子装备的动态误差；

选取动态误差最小的情况对应的那组参数值为对动态精度影响最大的若干个参数的优化结果。

7.如权利要求6所述的电子装备运动机构性能参数优化方法，其特征在于，所述得到各自对应的电子装备的动态误差具体包括：

驱动所述多刚体动力学模型和刚柔耦合多体模型；

分别测量多刚体动力学模型上参考点的位移曲线和刚柔耦合多体模型上同一参考点的位移曲线；

通过上述两位移曲线之差得到所述各自对应的电子装备的动态误差。 

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