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并联式六维地震模拟振动台的设计与研究

作　者: 黄旭
导　师: 马春翔
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 振动台冗余容错驱动构型设计运动学动力学模态分析模糊可靠性
分类号: TH762.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

模拟振动台系统是飞行模拟系统、地震工程研究以及海浪发电系统等工作中的重要试验设备之一,以往的模拟振动台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、污染大、维护成本高以及控制难度大等问题。本文在分析当前模拟振动台技术上存在不足的基础上,提出了种基于多电机驱动的冗余容错六维驱动模拟器,以机构学、运动学、动力学以模糊可靠性等理论为工具,对并联式六自由度地震模拟振动台进行了研究。主要工作有：(1)针对液压驱动导致设备体积庞大、造价高昂、使用环境受限、造价高、污染大、维护成本高以及控制难度大等问题,提出一种以伺服电机为驱动源的冗余容错模块,建立该模块的运动学模型,发现该驱动模块具有理想的冗余容错特性,适合作为模拟驱动器。(2)在总结振动台应用背景的基础上,设计地震模拟振动台并联机构基本构型,其特点为：工作平台具有空间六维运动自由度,且具有很强的承载力和驱动能力。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伺服电机驱动振动模拟器,以适应振动模拟装备巨型化发展的趋势。(3)应用D-H方法建立了六维振动模拟器的运动学模型,给出了位置、速度和加速度的推导公式,并用ADAMS软件模拟,得出了运动学结果。(4)应用拉格朗日方程法建立了振动台支链的动力学方程,并进一步推导整个系统的动力学方程,并给出了基于ADAMS软件仿真的动力学结果,验证了动力学模型的正确性。(5)运用ANSYS进行了整机模态分析,给出了动平台在不同维数驱动力作用下的动力特性曲线和固有频率及振动特性描述,为地震模拟器的性能分析、控制系统设计等后续工作奠定了基础。(6)基于振动台的运动学模型给出了运动精度的推导,并推导了支链运动精度的模糊可靠性公式。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-25
  1.1 课题的研究背景和意义  12-18
    1.1.1 并联机器人概述  12
    1.1.2 并联式冗余驱动的产生背景  12-13
    1.1.3 并联式冗余驱动的优点描述  13
    1.1.4 并联机器人研究的发展情况  13-14
    1.1.5 并联机器人的应用  14-18
  1.2 地震模拟振动台国内外研究现状  18-24
    1.2.1 地震模拟振动台的研究背景  18-19
    1.2.2 国内外发展概况  19-23
    1.2.3 地震模拟振动台今后的发展趋势  23-24
  1.3 课题来源及论文主要研究内容  24-25
    1.3.1 课题来源  24
    1.3.2 主要研究内容  24-25
第二章地震模拟振动台机构构型研究  25-45
  2.1 引言  25
  2.2 构型设计的概念  25-29
    2.2.1 并联机构的构型设计  25-26
    2.2.2 并联机构拓扑的构成条件  26-27
    2.2.3 G_F~I(T_a T_b T_c;R_α R_β R_γ)型并联机构型综合  27-28
    2.2.4 具有G_F~I(T_a T_b T_c;R_α R_β R_γ)型末端特征的支链设计  28-29
  2.3 地震模拟振动台构型设计思想  29-30
  2.4 冗余驱动基本模块的设计  30-42
    2.4.1 冗余容错驱动装置基本单元的原理示意及描述  30-33
    2.4.2 冗余驱动装置基本单元运动特性研究  33-34
    2.4.3 冗余驱动装置基本单元各种组合方式研究  34-36
    2.4.4 由上述基本单元构造出的不同冗余度的并联驱动单元设计  36-42
  2.5 地震模拟振动台构型及结构  42-43
  2.6 本文设计模拟振动台的布局特点  43
  2.7 本章小结  43-45
第三章地震模拟振动台运动学建模及分析  45-57
  3.1 引言  45
  3.2 地震模拟振动台运动学  45-52
    3.2.1 振动台机构位姿正解  45-48
    3.2.2 振动台机构运动学反解  48-49
    3.2.3 振动台机构速度分析  49-51
    3.2.4 振动台机构加速度分析  51-52
  3.3 基于ADAMS软件的振动台运动学仿真  52-55
    3.3.1 运动学仿真  52-54
    3.3.2 仿真结果分析  54-55
  3.4 数值算例  55-56
  3.5 本章小结  56-57
第四章地震模拟振动台动力学建模及分析  57-76
  4.1 引言  57
  4.2 动力学方程建立的拉格朗日方法  57-66
    4.2.1 模拟振动台的拉格朗日方程法动力学分析  57-66
  4.3 基于ADAMS软件的振动台动力学仿真  66-71
    4.3.1 对动平台三个方向同时施加驱动  67
    4.3.2 只对动平台X方向施加驱动  67-68
    4.3.3 只对动平台Y方向施加驱动  68-69
    4.3.4 只对动平台Z方向施加驱动  69-70
    4.3.5 动力学仿真结果分析  70-71
  4.4 振动台整机的模态分析  71-75
    4.4.1 有限元简介  71
    4.4.2 地震模拟振动台有限元分析  71-75
  4.5 本章小结  75-76
第五章振动台运动精度模糊可靠性分析  76-88
  5.1 地震模拟振动台输出位姿精度分析  76-80
    5.1.1 并联六维输出振动台及其坐标系  76-77
    5.1.2 并联机器人支链封闭环矢量的构成  77-78
    5.1.3 并联机器人位姿误差正解模型  78-80
  5.2 振动台的机构运动精度模糊可靠性分析  80-86
    5.2.1 机构运动误差概率分布密度  80-82
    5.2.2 振动台支链运动误差模型  82-85
    5.2.3 机构运动误差许用域的隶属函数  85-86
    5.2.4 工作平台中心点运动精度模糊可靠性  86
  5.3 计算实例  86-87
  5.4 本章小结  87-88
第六章全文总结与研究展望  88-90
  6.1 全文总结  88-89
  6.2 研究展望  89-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  94
攻读硕士学位期间已申请的发明专利  94

并联式六维地震模拟振动台的设计与研究

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