運動模擬器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與數(shù)字樣機研究.pdf

1、運動模擬器用來替代真實設(shè)備訓(xùn)練操作者對設(shè)備的操縱能力及研發(fā)相關(guān)設(shè)備，在科研、生產(chǎn)、生活中發(fā)揮了重要作用。六自由度并聯(lián)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(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但其并聯(lián)閉環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其內(nèi)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(yīng)并聯(lián)運動模擬器，一般采用液壓驅(qū)動，液壓系統(tǒng)自身的非線性特性結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)的強耦合性給控制帶來了較大難度，使機構(gòu)控制很難滿

2、足動態(tài)響應(yīng)要求，現(xiàn)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(yīng)用。 本論文以大型高精度、高動態(tài)響應(yīng)并聯(lián)運動模擬器為研究對象，系統(tǒng)地開展了從結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計到模擬器控制的研究。 首先建立了系統(tǒng)的動力學(xué)模型，充分考慮了液壓支路質(zhì)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(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)帶寬相結(jié)合，提出了基于系統(tǒng)固有頻率的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，研究了不同構(gòu)型結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律，并將此方法成

3、功應(yīng)用于實際運動模擬器的設(shè)計中，有效提高了其控制帶寬，為大型高精度六自由度并聯(lián)運動模擬器的設(shè)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(lǐng)域數(shù)字樣機模型，采用連續(xù)性判斷及修正方法，保證了數(shù)字樣機聯(lián)合仿真模型的精度；基于數(shù)學(xué)模型、數(shù)字樣機及實驗驗證，分析了并聯(lián)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(lián)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(nèi)容如下： 第一章，在綜合國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上，介紹了運動模擬器特別是六自由度并聯(lián)運動模擬器的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用前景。重點從運動學(xué)、動力學(xué)、控制策略、硬件控制方案及綜合優(yōu)化設(shè)計等方面介紹了并聯(lián)運動模擬器的研究現(xiàn)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(jù)本課題研究的目的和意義，給出了主要研究內(nèi)容。 第二章，基于Lagrange法建立了液壓六自由度并聯(lián)運動模擬器的完整動力學(xué)模型，考慮

5、了活塞桿及油缸的全部質(zhì)量慣量，構(gòu)建了系統(tǒng)等效質(zhì)量慣量矩陣，并進行了準確性驗證。通過數(shù)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(zhì)量慣量矩陣的分布特性研究，并引入平臺加速度和質(zhì)量比研究了支路對系統(tǒng)靜力學(xué)、動力學(xué)的影響，為大型液壓六自由度運動模擬器動力學(xué)研究提供了準確可靠的理論基礎(chǔ)。 第三章，將運動模擬器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)帶寬相結(jié)合，提出了基于固有頻率的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。建立了廣義固有頻率數(shù)學(xué)模型，并對

6、模型進行準確性驗證。在此模型基礎(chǔ)上，分析了不同構(gòu)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(gòu)型研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對固有頻率的影響，結(jié)合液壓系統(tǒng)得到了液壓關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)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(lǐng)域的特點，開展了基于接口的多領(lǐng)域建模方法研究，探討了多領(lǐng)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(lián)合仿真模型，并針對多領(lǐng)域聯(lián)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(xiàn)象，保證了聯(lián)合仿真模型的精度。 第五章，對運動模擬器進行了數(shù)字樣機數(shù)值計算及實驗研究。重點針對并聯(lián)運動模擬器的內(nèi)在交聯(lián)耦合特性，通過數(shù)學(xué)模型、數(shù)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(lián)機構(gòu)支路不一致帶來的廣義自由度耦合、支路間的交聯(lián)耦合?；谥烽g的耦