并聯(lián)六維運動重載動態(tài)模擬器機構設計與性能研究.pdf

1、具有空間六維運動的大型重載動態(tài)模擬器的典型應用是作為地震模擬振動臺，而地震模擬振動臺系統(tǒng)是振動工程研究工作中的重要實驗設備之一，它能夠根據(jù)需要，以記錄的天然地震波或人工設計的地震波為輸入，進行地震再現(xiàn)，以發(fā)現(xiàn)結構模型在地震下的斷裂機理和倒塌過程，以便制定抗震標準、找到抗震方法，減少地震災害帶來的損失。以往的地震模擬器多采用液壓的冗余支鏈驅(qū)動，以提高系統(tǒng)的驅(qū)動能力和承載力，這種驅(qū)動方式也帶來了設備龐大、使用環(huán)境受限、造價高、低頻特性不好以

2、及控制難度大等問題。本文在分析當前地震模擬振動臺技術上存在不足的基礎上，提出了一種基于多電機驅(qū)動的無冗余支鏈而具有機械協(xié)調(diào)的冗余容錯六維地震模擬器，對冗余容錯驅(qū)動、適合地震模擬的機構構型方法、數(shù)學模型建立及簡化、控制方法以及實驗等幾個關鍵問題進行了研究。具體內(nèi)容如下:
　　(1)針對液壓驅(qū)動導致設備體積龐大、造價高昂、低頻特性不好以及冗余支鏈驅(qū)動易產(chǎn)生過約束等不足，提出一種適合重載裝備的以電機為驅(qū)動源的冗余容錯模塊，建立該模塊的運

3、動學模型，得到全工況下12種工作狀態(tài)，研究其傳動特性并得到三個設計準則，分析其可靠性，并進行實驗驗證其性能，發(fā)現(xiàn)該驅(qū)動模塊具有理想的冗余容錯特性，適合作為重載震動模擬器的驅(qū)動。
　　(2)在總結地震運動工程特點的基礎上，設計符合模擬地震運動的地震模擬振動臺并聯(lián)機構基本構型，其特點為:①具有空間六維運動以便模擬真實的地震運動，②無過約束的簡單機構以便準確反映地震運動的三要素，③具有強的承載力和驅(qū)動能力以便體現(xiàn)地震的破壞力。把冗余容錯

4、驅(qū)動模塊應用于此基本構型，設計多種不同類型的多電機驅(qū)動地震模擬器，以適應地震模擬裝備巨型化發(fā)展的趨勢。
　　(3)對地震模擬器機構拓撲參數(shù)與運動學性能關系進行研究。從機構的拓撲參數(shù)與運動學關系、拓撲參數(shù)如何影響機構的解耦和各項同性、解耦控制時拓撲參數(shù)如何影響輸出位置誤差等三個方面揭示如何設置機構拓撲參數(shù)才能得到理想的運動特性，并論證了解耦控制的可行性。
　　(4)對地震模擬器的機構結構參數(shù)和力學特性之間的關系進行研究。通過建

5、立地震模擬器整體和各方向剛度模型，分析地震模擬模擬器機構和結構參數(shù)對剛度的影響。采用Newton-Euler方法對地震模擬器各部分進行了受力分析，建立動力學模型的開式方程，得到廣義輸出力解耦的機構結構參數(shù)所滿足的條件。對地震模擬器進行了動力學仿真，發(fā)現(xiàn)該機構在低頻下具有良好的動態(tài)特性。
　　(5)針對并聯(lián)機構的動力學模型具有多變量強耦合的非線性和不易實時控制的特點，在對動力學模型閉式形式進行計算復雜性分析的基礎上，提出了根據(jù)機構正

6、交特點進行動力學模型解耦簡化的方法，并用簡化的動力學模型和計算力矩法進行地震模擬器的控制仿真，仿真結果顯示基于簡化動力學模型的計算力矩控制不但精度能夠滿足要求而且計算效率得到提高，使基于動力學的控制成為可能。
　　(6)開發(fā)了用于實驗的地震模擬器平臺，建立了符合此地震模擬器冗余容錯多軸驅(qū)動的控制系統(tǒng)，結合使用特點開發(fā)了其軟件系統(tǒng)。應用六維激光跟蹤儀進行位置測試，加速度傳感器進行加速度檢測。在三個平移方向上模擬了El Centro地