液压六自由度并联机构虚拟样机研究

论文摘要

并联机构具有刚度大、承载能力强、位置误差不累积、精度高、动态响应快等特点,而液压传动能够提供精确的直线运动,并且液压传动系统的功率体积比大,具有较高的精度和响应速度,调速范围宽,因而液压驱动的并联机构在工业、船舶、航空航天等领域获得了广泛应用。随着科学技术的发展,设计方法不断更新,虚拟样机技术近年来发展迅速,将机器人研究与虚拟样机技术相结合,可针对机器人设计与制造过程中的运动学、动力学、轨迹和路径规划等技术内容进行研究和系统开发,在虚拟环境中完成机器人的设计和性能分析,增加了可靠性,提高了设计效率。本文的目标是基于液压六自由度并联机构的虚拟样机建模。现有的并联机构虚拟样机模型集中于机构建模,较少涉及驱动部分,尤其对液压系统部分建模进行较大简化。本文拟建立包括液压、机构、控制在内的液压并联机构虚拟样机,使之在液压部分具有高的准确性及良好的扩展性。本文在AMESim软件中对单缸液压系统进行详细建模,并对液压建模中的关键技术进行研究。通过调整AMESim中伺服阀模型的参数,得到与实际一致的电液伺服阀特性曲线;针对油缸低速下摩擦力的特性,建立了详细的摩擦力模型;根据PID控制原理,建立了单缸液压控制系统,达到了频率响应要求;根据AMESim和ADAMS不能同时处理质量特性的情况,采用无质量处理的方式实现AMESim和ADAMS的接口,从而构成了液压并联机构虚拟样机。对联合仿真接口进行试验研究,分析了接口的参数选择对联合仿真精度的影响,并对联合仿真中出现的问题进行分析和解决。在此联合仿真模型上,对液压控制并联机构虚拟样机进行运动学数值试验,观察系统的阶跃响应、斜坡响应、正弦响应和轨迹跟踪特性。并针对并联机构的特性,在联合仿真模型上对系统进行了特性分析研究。本文建立的液压并联机构虚拟样机,将为液压并联机构的动力学分析,控制策略研究提供一个便捷高效的平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机构概述
• 1.1.1 并联机构结构特点
• 1.1.2 并联机构应用
• 1.1.3 并联机构驱动方式
• 1.2 虚拟样机技术概述
• 1.2.1 功能虚拟样机
• 1.2.2 数字化功能样机
• 1.3 并联机构虚拟样机
• 1.3.1 并联机构虚拟样机研究现状
• 1.3.2 现有并联机构虚拟样机的不足
• 1.4 课题的研究意义和内容
• 第2章 并联机构运动学及动力学
• 2.1 并联机构坐标系定义
• 2.2 并联机构运动学模型
• 2.2.1 RPY角和RPY变换
• 2.2.2 并联机构位置反解
• 2.2.3 并联机构速度反解
• 2.3 并联机构动力学模型
• 2.4 液压伺服控制系统模型
• 2.4.1 单缸液压伺服系统
• 2.4.2 单缸液压系统数学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 并联机构虚拟样机建模
• 3.1 多领域建模及协同仿真概述
• 3.1.1 多领域建模概述
• 3.1.2 基于接口的多领域建模
• 3.2 联合仿真实现方案
• 3.2.1 联合仿真接口方案
• 3.2.2 AMESim和ADAMS接口
• 3.2.3 联合仿真接口实现方式
• 3.3 液压建模关键技术
• 3.3.1 电液伺服阀建模
• 3.3.2 油缸低速摩擦力
• 3.3.3 单缸液压控制系统
• 3.3.4 无质量处理
• 3.4 联合仿真建模流程
• 3.4.1 单缸液压模型
• 3.4.2 机构动力学模型
• 3.4.3 运动学反解模块
• 3.4.4 六缸联合仿真模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 AMESIM和ADAMS无缝接口
• 4.1 联合仿真导入方式
• 4.2 联合仿真精度分析
• 4.2.1 共仿真模式和连续模式
• 4.2.2 精度分析试验
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 联合仿真问题分析
• 4.3.1 不连续现象
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于虚拟样机的并联机构特性试验
• 5.1 基于联合仿真模型的运动学数值试验
• 5.1.1 阶跃响应
• 5.1.2 斜坡响应
• 5.1.3 正弦响应
• 5.1.4 轨迹跟踪
• 5.2 基于联合仿真模型的特性试验
• 5.2.1 并联机构耦合情况概述
• 5.2.2 六缸响应一致
• 5.2.3 单缸响应不一致
• 5.2.4 多缸响应不一致
• 5.2.5 耦合试验结论
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢