超大型六自由度加载平台系统的研究与实现

论文摘要

大型结构件常常受到来自不同方向的载荷,为了模拟大型结构件在实际工况下的复杂载荷,对其加载的试验台必须能够在空间三个方向同时输出可控的力和力矩。Stewart平台不仅可以实现空间六个自由度的运动,还可以输出三个方向的力和力矩。因此,本论文将该平台引入到大型结构件的疲劳加载试验台中,用以实现大型结构件复杂载荷情况下的加载。论文基于并联六自由度平台的运动学与动力学基本理论,并根据在弹性形变范围内力与形变成比例关系的实际情况,探讨了通过采用平台的位置控制达到输出力控制的可行性。在建立系统的半物理仿真模型,并对该可行性进行验证后,根据试验件的力和力矩加载要求,设计了满足加载要求的六自由度平台机械结构。具体设计内容包括:满足试验台刚度要求的地基结构;满足加载要求的加载平台及连接铰链;满足系统安全与控制精度要求的液压伺服系统设计。之后,论文对控制系统的硬件进行了选型设计,并编写了采用上、下位机两级控制模式的控制软件。采用基于Windows操作系统的VC++平台开发的上位机监控界面,具有良好的人机交互界面,用于实现平台的安全控制;下位机采用嵌入式Linux系统,完成平台的实时控制。然后,论文对试验台系统进行了功能测试,具体包括平台机械部分及控制系统的安全性检查,动态响应测试,加载平台与试件的对接工艺验证等。最后,对试件进行了实况加载试验。加载试验结果表明,该并联六自由度力加载平台系统,具有1000KN的额定加载力、3500KNm的额定加载力矩,可以全方位地模拟大型结构件的工况载荷。加载平台系统已投入实际使用,取得了很好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 国内外研究现状及对比
• 1.3 六自由度力加载试验台的系统组成及工作原理
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 液压六自由度并联机构加载系统的理论分析
• 2.1 六自由度并联机构的理论分析
• 2.2 Stewart 平台驱动力的求解
• 2.3 加载系统的伺服控制模型理论分析
• 2.4 本章小结
• 3 六自由度加载平台的硬件部分设计与选型
• 3.1 加载平台主要部件机械设计
• 3.2 液压伺服控制系统的设计
• 3.3 力加载控制系统硬件选型
• 3.4 本章小结
• 4 六自由度加载系统控制软件设计
• 4.1 Windows 系统中实时性问题的解决
• 4.2 嵌入式Linux 实时操作系统的介绍
• 4.3 上、下位机的通讯
• 4.4 控制软件的设计
• 4.5 本章小结
• 5 六自由度加载系统的试验分析
• 5.1 空载试验
• 5.2 加载平台与试件对接
• 5.3 试件加载试验
• 5.4 试件加载模式初探
• 5.5 试验总结
• 6 总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 读硕士学位其间发表论文目录
• 附录2 六自由度力加载平台试验场景（24 小时）