運動模擬器結構參數優(yōu)化與數字樣機研究.pdf

1、運動模擬器用來替代真實設備訓練操作者對設備的操縱能力及研發(fā)相關設備，在科研、生產、生活中發(fā)揮了重要作用。六自由度并聯運動模擬器由于其位置精度高、承載能力大、動態(tài)性能優(yōu)越，從而在航空、航天、海洋等領域內得到了廣泛的應用，但其并聯閉環(huán)結構導致了其內在缺點：工作空間小、存在奇異位置、非線性強、耦合影響大。大型高精度、高動態(tài)響應并聯運動模擬器，一般采用液壓驅動，液壓系統(tǒng)自身的非線性特性結合并聯機構的強耦合性給控制帶來了較大難度，使機構控制很難滿

2、足動態(tài)響應要求，現有大型六自由度運動模擬器的控制帶寬均較小，嚴重制約了它的應用。 本論文以大型高精度、高動態(tài)響應并聯運動模擬器為研究對象，系統(tǒng)地開展了從結構參數設計到模擬器控制的研究。 首先建立了系統(tǒng)的動力學模型，充分考慮了液壓支路質量慣量的影響，分析了大型運動模擬器液壓支路的動態(tài)特性；將結構參數設計與液壓系統(tǒng)動態(tài)響應帶寬相結合，提出了基于系統(tǒng)固有頻率的結構參數優(yōu)化設計方法，研究了不同構型結構參數的影響規(guī)律，并將此方法成

3、功應用于實際運動模擬器的設計中，有效提高了其控制帶寬，為大型高精度六自由度并聯運動模擬器的設計提供了一種新的方法；建立了基于接口的運動模擬器機電液多領域數字樣機模型，采用連續(xù)性判斷及修正方法，保證了數字樣機聯合仿真模型的精度；基于數學模型、數字樣機及實驗驗證，分析了并聯運動模擬器耦合特性，并利用支路間的耦合規(guī)律，提出了基于耦合支路的解耦控制策略，有效減弱了支路及廣義自由度間的耦合輸出，為并聯運動模擬器的控制策略研究提供了新的方案。

4、 論文的主要研究內容如下： 第一章，在綜合國內外文獻的基礎上，介紹了運動模擬器特別是六自由度并聯運動模擬器的發(fā)展歷史、結構特點及應用前景。重點從運動學、動力學、控制策略、硬件控制方案及綜合優(yōu)化設計等方面介紹了并聯運動模擬器的研究現狀及研究熱點，分析了其發(fā)展趨勢及有待進一步研究的問題，最后根據本課題研究的目的和意義，給出了主要研究內容。 第二章，基于Lagrange法建立了液壓六自由度并聯運動模擬器的完整動力學模型，考慮

5、了活塞桿及油缸的全部質量慣量，構建了系統(tǒng)等效質量慣量矩陣，并進行了準確性驗證。通過數值計算對比分析了傳統(tǒng)簡化模型與完整模型的差異，作了等效質量慣量矩陣的分布特性研究，并引入平臺加速度和質量比研究了支路對系統(tǒng)靜力學、動力學的影響，為大型液壓六自由度運動模擬器動力學研究提供了準確可靠的理論基礎。 第三章，將運動模擬器的結構參數設計與液壓系統(tǒng)動態(tài)響應帶寬相結合，提出了基于固有頻率的結構參數優(yōu)化設計方法。建立了廣義固有頻率數學模型，并對

6、模型進行準確性驗證。在此模型基礎上，分析了不同構型動靜平臺直徑比及鉸點角度對頻率的影響。重點針對6-6SPS構型研究了不同結構參數對固有頻率的影響，結合液壓系統(tǒng)得到了液壓關鍵參數的影響規(guī)律。經過優(yōu)化設計及工作空間等驗證校核，完成了大型液壓六自由度運動模擬器的結構參數優(yōu)化設計。 第四章，針對液壓六自由度運動模擬器涉及機、電、液、控制等多領域的特點，開展了基于接口的多領域建模方法研究，探討了多領域多軟件接口的控制策略，建立了液壓六自

7、由度運動模擬器的多種通用聯合仿真模型，并針對多領域聯合仿真模型的精度問題，開展了接口類型及處理方式對模型精度的影響研究。提出了采用連續(xù)性判斷及修正方法，消除了不連續(xù)性現象，保證了聯合仿真模型的精度。 第五章，對運動模擬器進行了數字樣機數值計算及實驗研究。重點針對并聯運動模擬器的內在交聯耦合特性，通過數學模型、數字樣機及實驗驗證，系統(tǒng)研究了兩個方面的耦合特性：并聯機構支路不一致帶來的廣義自由度耦合、支路間的交聯耦合?；谥烽g的耦