一种大角度折页式摇摆试验台的研究

发布时间：2020-07-07 02:49

【摘要】：随着我国国防和军事工业的发展,急需打破国外的技术垄断,研制高性能运动模拟器已提上了议事日程。本文以某型舰炮试验台为背景,提出了一种新型折页式摇摆试验台。该机构具有运动范围大、无伴随运动、承载能力强以及抗冲击的特点。为了充分发挥其特点,需要对其运动学、动力学及有关特性进行详尽分析。本文首先基于螺旋理论对折页式摇摆试验台进行自由度的计算。折页的存在为试验台运动学建模带来很大困难,为此本文基于平面几何原理与速度投影法对折页支链的雅克比矩阵进行求解,从而在运动学分析中得到运动学反解的解析解。通过牛顿迭代法得到折页式摇摆试验台位置正解的数值解。根据运动学正、反解及支腿长度约束条件,基于极坐标搜索法画出了试验台的工作空间。运用凯恩方程法建立了折页式摇摆试验台的多刚体动力学模型,与液压动力机构模型共同组成了折页式摇摆试验台的完整动力学模型。其次,将折页式摇摆试验台的6个支腿等效成6个弹簧,通过推导系统的广义刚度矩阵与广义质量矩阵,建立了系统振动方程,从理论上推导出折页式4自由度冗余并联机器人的固有频率与固有振型。将理论计算结果与ADAMS仿真结果进行比较,验证了固有频率计算的正确性。由于冗余并联机构的复杂性,先对折页式摇摆试验台的非冗余变体机构进行奇异性分析,通过雅克比矩阵条件数,找到其奇异位形,进而分析折页式摇摆试验台的奇异性,揭示冗余支腿消除奇异的原理。最后,基于铰点空间控制策略,对折页式摇摆试验台进行PID控制,通过动压反馈校正得到了满足要求的控制性能。针对折页式摇摆试验台各作动器内部存在内力的问题,本文基于逆动力学方程建立了内力模型,通过内力协调控制策略,大幅减小了各作动器中存在的内力,证明了内力协调控制的有效性。分析了理想情况下与非理想情况下的内力,解释了理想情况下内力存在的原因。针对实际工况下,试验台受到冲击力时能否在规定时间内达到稳定的问题,进行了仿真分析,证明了折页式摇摆试验台在冲击载荷下的稳定性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ06
【图文】：

并联机构,轮胎

1.2 并联机构概述并联机构的定义为：动平台和定平台通过 2 个或 2 个以上的独立开环运动链相连接，机构具有 2 个或 2 个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构是机器人机构学的一个重要分支[1-5]。1961 年，英国伯明翰 Dunlop 橡胶公司的工程师 Gough[6]发明看一种用于检查轮胎的 6 自由度并联机构，如图 1-1 所示。4 年后，英国工程师 Stewart[7]首次对这种 6 自由度并联机构进行研究，将其推广到了飞行模拟器领域。这种机构以 Stewa的名字命名，是目前应用与研究最为广泛的一种并联机构，如图 1-2 所示。1978 年，澳大利亚学者 Hunt[8]教授对 Stewart 并联机构进行了基于螺旋理论的自由度分析，并发现了 23 种新型并联机构的结构方案。Byun[9]提出了 3-PPSP 并联机构，给出了运动学反解。黄真[4]将各运动副分解成了若干单自由度基本运动副归纳总结了并联机构。从上个世纪 80 年代起，越来越多的学者加入了从事并联机构研究的队伍中，Gosselin、Merlet 等人在并联机构研究领域取得了很大的成就，促进了并联机构学的发展。

并联机构,串联机器人,优点

飞行模拟器,荷兰

图 1-3 荷兰 Delft 大学的飞行模拟器图 1-4 CAE 公司的飞行模拟器在运动模拟器方面，荷兰的Delft理工走在了世界前列，其设计的飞行模拟器如图1-3所示，由于使用了基于模型的控制方法，使其在6个自由度上的频宽都能达到15Hz以上的水平。加拿大CAE公司设计并制造的飞行模拟器被许多国家购买，用来进行飞行员的训练。作为世界上最大的飞行模拟器制造商，每年使用其产品训练的飞行员达7万余人，如图1-4所示。车辆模拟器方面，德国力士乐公司为奔驰公司制造的大型汽车行驶模拟试验台如图1-5所示。船舶运动模拟器方面，美国August Design开发了能模拟各种海况下船舶运动的船舶模拟器，如图1-6所示。图 1-5 奔驰的汽车运动模拟台图 1-6August Design 的船舶运动模拟器以上介绍的这几种并联机器人的尺寸与负载较大

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