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并联六维运动重载动态模拟器机构设计与性能研究

作　者: 张建政
导　师: 高峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 地震模拟器并联机构冗余容错驱动运动解耦动力学简化计算力矩控制
分类号: TB534.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

具有空间六维运动的大型重载动态模拟器的典型应用是作为地震模拟振动台,而地震模拟振动台系统是振动工程研究工作中的重要实验设备之一,它能够根据需要,以记录的天然地震波或人工设计的地震波为输入,进行地震再现,以发现结构模型在地震下的断裂机理和倒塌过程,以便制定抗震标准、找到抗震方法,减少地震灾害带来的损失。以往的地震模拟器多采用液压的冗余支链驱动,以提高系统的驱动能力和承载力,这种驱动方式也带来了设备庞大、使用环境受限、造价高、低频特性不好以及控制难度大等问题。本文在分析当前地震模拟振动台技术上存在不足的基础上,提出了一种基于多电机驱动的无冗余支链而具有机械协调的冗余容错六维地震模拟器,对冗余容错驱动、适合地震模拟的机构构型方法、数学模型建立及简化、控制方法以及实验等几个关键问题进行了研究。具体内容如下:(1)针对液压驱动导致设备体积庞大、造价高昂、低频特性不好以及冗余支链驱动易产生过约束等不足,提出一种适合重载装备的以电机为驱动源的冗余容错模块,建立该模块的运动学模型,得到全工况下12种工作状态,研究其传动特性并得到三个设计准则,分析其可靠性,并进行实验验证其性能,发现该驱动模块具有理想的冗余容错特性,适合作为重载震动模拟器的驱动。(2)在总结地震运动工程特点的基础上,设计符合模拟地震运动的地震模拟振动台并联机构基本构型,其特点为:①具有空间六维运动以便模拟真实的地震运动,②无过约束的简单机构以便准确反映地震运动的三要素,③具有强的承载力和驱动能力以便体现地震的破坏力。把冗余容错驱动模块应用于此基本构型,设计多种不同类型的多电机驱动地震模拟器,以适应地震模拟装备巨型化发展的趋势。(3)对地震模拟器机构拓扑参数与运动学性能关系进行研究。从机构的拓扑参数与运动学关系、拓扑参数如何影响机构的解耦和各项同性、解耦控制时拓扑参数如何影响输出位置误差等三个方面揭示如何设置机构拓扑参数才能得到理想的运动特性,并论证了解耦控制的可行性。(4)对地震模拟器的机构结构参数和力学特性之间的关系进行研究。通过建立地震模拟器整体和各方向刚度模型,分析地震模拟模拟器机构和结构参数对刚度的影响。采用Newton-Euler方法对地震模拟器各部分进行了受力分析,建立动力学模型的开式方程,得到广义输出力解耦的机构结构参数所满足的条件。对地震模拟器进行了动力学仿真,发现该机构在低频下具有良好的动态特性。(5)针对并联机构的动力学模型具有多变量强耦合的非线性和不易实时控制的特点,在对动力学模型闭式形式进行计算复杂性分析的基础上,提出了根据机构正交特点进行动力学模型解耦简化的方法,并用简化的动力学模型和计算力矩法进行地震模拟器的控制仿真,仿真结果显示基于简化动力学模型的计算力矩控制不但精度能够满足要求而且计算效率得到提高,使基于动力学的控制成为可能。(6)开发了用于实验的地震模拟器平台,建立了符合此地震模拟器冗余容错多轴驱动的控制系统,结合使用特点开发了其软件系统。应用六维激光跟踪仪进行位置测试,加速度传感器进行加速度检测。在三个平移方向上模拟了El Centro地震波,在三个转动方向上模拟了固定频率的谐波运动,实验结果显示此地震模拟系统能够模拟真实地震波的空间六维运动并满足一定的精度要求,适合作为地震模拟装置。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-33
  1.1 研究背景和意义  13
  1.2 地震模拟器的国内外研究现状  13-23
  1.3 地震模拟器发展中亟待解决的问题  23-25
  1.4 本文主要研究内容及相关研究现状  25-32
  1.5 课题来源  32-33
第二章冗余容错驱动模块的研究  33-55
  2.1 概述  33-34
  2.2 冗余容错驱动装置  34-36
  2.3 运动学与工作模式  36-40
  2.4 机械传递特性  40-44
  2.5 可靠性分析与比较  44-48
  2.6 实验  48-54
  2.7 小结  54-55
第三章地震模拟机器机构构型研究  55-72
  3.1 概述  55
  3.2 地震波的形成及分类  55-58
  3.3 地震的工程特性  58-60
  3.4 地震模拟器机构设计要求  60-62
  3.5 地震模拟器机构构型设计  62-65
  3.6 衍生的多电机驱动机构  65-70
  3.7 小结  70-72
第四章地震模拟器机构拓扑参数与运动学性能关系研究  72-104
  4.1 概述  72
  4.2 坐标系与机构拓扑参数  72-75
  4.3 运动学分析  75-83
  4.4 解耦和各向同性数学基础  83-85
  4.5 拓扑参数与运动解耦和各向同性的关系  85-88
  4.6 解耦控制  88-91
  4.7 拓扑参数与解耦控制位置误差关系  91-102
  4.8 小结  102-104
第五章地震模拟器机构结构参数与力学性能关系研究  104-136
  5.1 概述  104
  5.2 机构整体刚度与各向刚度分布  104-114
  5.3 机构结构参数与刚度关系  114-120
  5.4 动力学模型  120-128
  5.5 动态性能仿真与分析  128-130
  5.6 机构结构参数与力的解耦及各向同性度关系  130-134
  5.7 小结  134-136
第六章动力学解耦简化与控制方法  136-153
  6.1 概述  136
  6.2 整体动力学方程闭式形式和计算复杂性分析  136-140
  6.3 并联机构控制方法分析与比较  140-144
  6.4 地震模拟器动力学简化模型  144-149
  6.5 基于动力学简化模型的计算力矩控制及仿真  149-152
  6.6 小结  152-153
第七章地震模拟器控制系统与实验  153-167
  7.1 概述  153
  7.2 地震模拟实验样机及其控制系统  153-157
  7.3 震动模拟实验与分析  157-166
  7.4 小结  166-167
第八章总结与展望  167-170
  8.1 研究内容总结  167-169
  8.2 论文创新点  169
  8.3 研究展望  169-170
参考文献  170-183
符号说明  183-187
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  187-188
攻读博士学位期间参与的科研项目  188-189
致谢  189-190

并联六维运动重载动态模拟器机构设计与性能研究

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