运动模拟器结构参数优化与数字样机研究

论文摘要

运动模拟器用来替代真实设备训练操作者对设备的操纵能力及研发相关设备,在科研、生产、生活中发挥了重要作用。六自由度并联运动模拟器由于其位置精度高、承载能力大、动态性能优越,从而在航空、航天、海洋等领域内得到了广泛的应用,但其并联闭环结构导致了其内在缺点:工作空间小、存在奇异位置、非线性强、耦合影响大。大型高精度、高动态响应并联运动模拟器,一般采用液压驱动,液压系统自身的非线性特性结合并联机构的强耦合性给控制带来了较大难度,使机构控制很难满足动态响应要求,现有大型六自由度运动模拟器的控制带宽均较小,严重制约了它的应用。本论文以大型高精度、高动态响应并联运动模拟器为研究对象,系统地开展了从结构参数设计到模拟器控制的研究。首先建立了系统的动力学模型,充分考虑了液压支路质量惯量的影响,分析了大型运动模拟器液压支路的动态特性;将结构参数设计与液压系统动态响应带宽相结合,提出了基于系统固有频率的结构参数优化设计方法,研究了不同构型结构参数的影响规律,并将此方法成功应用于实际运动模拟器的设计中,有效提高了其控制带宽,为大型高精度六自由度并联运动模拟器的设计提供了一种新的方法;建立了基于接口的运动模拟器机电液多领域数字样机模型,采用连续性判断及修正方法,保证了数字样机联合仿真模型的精度;基于数学模型、数字样机及实验验证,分析了并联运动模拟器耦合特性,并利用支路间的耦合规律,提出了基于耦合支路的解耦控制策略,有效减弱了支路及广义自由度间的耦合输出,为并联运动模拟器的控制策略研究提供了新的方案。论文的主要研究内容如下:第一章,在综合国内外文献的基础上,介绍了运动模拟器特别是六自由度并联运动模拟器的发展历史、结构特点及应用前景。重点从运动学、动力学、控制策略、硬件控制方案及综合优化设计等方面介绍了并联运动模拟器的研究现状及研究热点,分析了其发展趋势及有待进一步研究的问题,最后根据本课题研究的目的和意义,给出了主要研究内容。第二章,基于Lagrange法建立了液压六自由度并联运动模拟器的完整动力学模型,考虑了活塞杆及油缸的全部质量惯量,构建了系统等效质量惯量矩阵,并进行了准确性验证。通过数值计算对比分析了传统简化模型与完整模型的差异,作了等效质量惯量矩阵的分布特性研究,并引入平台加速度和质量比研究了支路对系统静力学、动力学的影响,为大型液压六自由度运动模拟器动力学研究提供了准确可靠的理论基础。第三章,将运动模拟器的结构参数设计与液压系统动态响应带宽相结合,提出了基于固有频率的结构参数优化设计方法。建立了广义固有频率数学模型,并对模型进行准确性验证。在此模型基础上,分析了不同构型动静平台直径比及铰点角度对频率的影响。重点针对6-6 SPS构型研究了不同结构参数对固有频率的影响,结合液压系统得到了液压关键参数的影响规律.经过优化设计及工作空间等验证校核,完成了大型液压六自由度运动模拟器的结构参数优化设计。第四章,针对液压六自由度运动模拟器涉及机、电、液、控制等多领域的特点,开展了基于接口的多领域建模方法研究,探讨了多领域多软件接口的控制策略,建立了液压六自由度运动模拟器的多种通用联合仿真模型,并针对多领域联合仿真模型的精度问题,开展了接口类型及处理方式对模型精度的影响研究。提出了采用连续性判断及修正方法,消除了不连续性现象,保证了联合仿真模型的精度。第五章,对运动模拟器进行了数字样机数值计算及实验研究。重点针对并联运动模拟器的内在交联耦合特性,通过数学模型、数字样机及实验验证,系统研究了两个方面的耦合特性:并联机构支路不一致带来的广义自由度耦合、支路间的交联耦合。基于支路间的耦合规律,提出了两种解耦方式,将传统基于广义自由度解耦的控制方式降阶,有效减弱了支路及广义自由度间的耦合输出,为并联运动模拟器的控制提供了新的方案。第六章,概括了全文的主要研究工作和成果,并展望了今后需进一步研究的方向和内容。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 运动模拟器概述
• 1.2 六自由度并联机构运动模拟器
• 1.2.1 六自由度并联机构的历史及国内外发展概况
• 1.2.2 六自由度并联机构的结构及特点
• 1.2.3 六自由度运动模拟器应用前景
• 1.3 六自由度并联机构关键技术研究进展
• 1.3.1 机构学及机械设计研究现状
• 1.3.2 运动学研究现状
• 1.3.3 动力学及控制策略研究现状
• 1.3.4 硬件控制方案研究现状
• 1.3.5 综合优化设计研究现状
• 1.4 研究目的和研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 系统动力学模型及支路影响研究
• 2.1 研究背景
• 2.2 动力学模型
• 2.2.1 坐标系及姿态角定义
• 2.2.2 雅克比矩阵
• 2.2.3 动力学模型
• 2.2.4 等效质量惯量矩阵
• 2.2.5 模型准确性验证
• 2.3 动力学模型分析
• 2.3.1 等效质量惯量矩阵分布研究
• 2.3.2 支路对系统静态驱动力的影响研究
• 2.3.3 支路对系统动态驱动力的影响研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于固有频率的结构参数优化设计研究
• 3.1 并联机构结构参数优化设计研究现状
• 3.2 广义固有频率数学模型
• 3.2.1 假设条件
• 3.2.2 广义工作空间上的等效刚度矩阵
• 3.2.3 广义固有频率数学模型
• 3.3 数学模型验证
• 3.4 并联机构构型对固有频率的影响规律研究
• 3.4.1 目标固有频率
• 3.4.2 并联机构构型定义
• 3.4.3 6-6 SPS构型
• 3.4.4 6-3 SPS构型
• 3.4.5 3-3 SPS构型
• 3.4.6 三种SPS构型的比较
• 3.5 6-6 SPS构型关键参数的影响规律
• 3.5.1 上下铰点夹角的影响
• 3.5.2 平台直径的影响
• 3.5.3 支路初始长度的影响
• 3.5.4 质量的影响
• 3.5.5 油缸有效驱动面积的影响
• 3.5.6 油缸有效行程的影响
• 3.5.7 油液弹性模量的影响
• 3.6 优化方法
• 3.7 优化结果
• 3.8 本章小结
• 第4章 运动模拟器数字样机
• 4.1 数字化功能样机技术
• 4.2 运动模拟器数字样机建模
• 4.2.1 基于接口的多领域联合仿真方案
• 4.2.2 液压系统建模
• 4.2.3 机构建模
• 4.2.4 联合仿真模型接口
• 4.3 模型精度研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 运动模拟器耦合特性数值计算及实验研究
• 5.1 并联运动模拟器耦合特性概述
• 5.2 耦合度数学模型研究
• 5.3 基于数字样机的耦合特性研究
• 5.3.1 基于支路一致性的耦合特性研究
• 5.3.2 支路交联负载耦合特性研究
• 5.4 耦合特性实验研究
• 5.4.1 基于支路一致性的耦合特性研究
• 5.4.2 支路交联负载耦合特性研究
• 5.5 基于耦合支路的解耦控制研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简介及攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉