【摘要】：隨著我國國防和軍事工業(yè)的發(fā)展,急需打破國外的技術(shù)壟斷,研制高性能運(yùn)動(dòng)模擬器已提上了議事日程。本文以某型艦炮試驗(yàn)臺(tái)為背景,提出了一種新型折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)。該機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)范圍大、無伴隨運(yùn)動(dòng)、承載能力強(qiáng)以及抗沖擊的特點(diǎn)。為了充分發(fā)揮其特點(diǎn),需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及有關(guān)特性進(jìn)行詳盡分析。本文首先基于螺旋理論對(duì)折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行自由度的計(jì)算。折頁的存在為試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模帶來很大困難,為此本文基于平面幾何原理與速度投影法對(duì)折頁支鏈的雅克比矩陣進(jìn)行求解,從而在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中得到運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的解析解。通過牛頓迭代法得到折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)位置正解的數(shù)值解。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)正、反解及支腿長度約束條件,基于極坐標(biāo)搜索法畫出了試驗(yàn)臺(tái)的工作空間。運(yùn)用凱恩方程法建立了折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型,與液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)模型共同組成了折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)的完整動(dòng)力學(xué)模型。其次,將折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)的6個(gè)支腿等效成6個(gè)彈簧,通過推導(dǎo)系統(tǒng)的廣義剛度矩陣與廣義質(zhì)量矩陣,建立了系統(tǒng)振動(dòng)方程,從理論上推導(dǎo)出折頁式4自由度冗余并聯(lián)機(jī)器人的固有頻率與固有振型。將理論計(jì)算結(jié)果與ADAMS仿真結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了固有頻率計(jì)算的正確性。由于冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性,先對(duì)折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)的非冗余變體機(jī)構(gòu)進(jìn)行奇異性分析,通過雅克比矩陣條件數(shù),找到其奇異位形,進(jìn)而分析折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)的奇異性,揭示冗余支腿消除奇異的原理。最后,基于鉸點(diǎn)空間控制策略,對(duì)折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行PID控制,通過動(dòng)壓反饋校正得到了滿足要求的控制性能。針對(duì)折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)各作動(dòng)器內(nèi)部存在內(nèi)力的問題,本文基于逆動(dòng)力學(xué)方程建立了內(nèi)力模型,通過內(nèi)力協(xié)調(diào)控制策略,大幅減小了各作動(dòng)器中存在的內(nèi)力,證明了內(nèi)力協(xié)調(diào)控制的有效性。分析了理想情況下與非理想情況下的內(nèi)力,解釋了理想情況下內(nèi)力存在的原因。針對(duì)實(shí)際工況下,試驗(yàn)臺(tái)受到?jīng)_擊力時(shí)能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的問題,進(jìn)行了仿真分析,證明了折頁式搖擺試驗(yàn)臺(tái)在沖擊載荷下的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TJ06
【圖文】：

1.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)概述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定義為：動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的獨(dú)立開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的一個(gè)重要分支[1-5]。1961 年，英國伯明翰 Dunlop 橡膠公司的工程師 Gough[6]發(fā)明看一種用于檢查輪胎的 6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖 1-1 所示。4 年后，英國工程師 Stewart[7]首次對(duì)這種 6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，將其推廣到了飛行模擬器領(lǐng)域。這種機(jī)構(gòu)以 Stewa的名字命名，是目前應(yīng)用與研究最為廣泛的一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖 1-2 所示。1978 年，澳大利亞學(xué)者 Hunt[8]教授對(duì) Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基于螺旋理論的自由度分析，并發(fā)現(xiàn)了 23 種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案。Byun[9]提出了 3-PPSP 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，給出了運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。黃真[4]將各運(yùn)動(dòng)副分解成了若干單自由度基本運(yùn)動(dòng)副歸納總結(jié)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)。從上個(gè)世紀(jì) 80 年代起，越來越多的學(xué)者加入了從事并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的隊(duì)伍中，Gosselin、Merlet 等人在并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究領(lǐng)域取得了很大的成就，促進(jìn)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展。

1.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)概述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定義為：動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的獨(dú)立開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有 2 個(gè)或 2 個(gè)以上的自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的一個(gè)重要分支[1-5]。1961 年，英國伯明翰 Dunlop 橡膠公司的工程師 Gough[6]發(fā)明看一種用于檢查輪胎的 6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖 1-1 所示。4 年后，英國工程師 Stewart[7]首次對(duì)這種 6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，將其推廣到了飛行模擬器領(lǐng)域。這種機(jī)構(gòu)以 Stewa的名字命名，是目前應(yīng)用與研究最為廣泛的一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖 1-2 所示。1978 年，澳大利亞學(xué)者 Hunt[8]教授對(duì) Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基于螺旋理論的自由度分析，并發(fā)現(xiàn)了 23 種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案。Byun[9]提出了 3-PPSP 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，給出了運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。黃真[4]將各運(yùn)動(dòng)副分解成了若干單自由度基本運(yùn)動(dòng)副歸納總結(jié)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)。從上個(gè)世紀(jì) 80 年代起，越來越多的學(xué)者加入了從事并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的隊(duì)伍中，Gosselin、Merlet 等人在并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究領(lǐng)域取得了很大的成就，促進(jìn)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展。

圖 1-3 荷蘭 Delft 大學(xué)的飛行模擬器 圖 1-4 CAE 公司的飛行模擬器在運(yùn)動(dòng)模擬器方面，荷蘭的Delft理工走在了世界前列，其設(shè)計(jì)的飛行模擬器如圖1-3所示，由于使用了基于模型的控制方法，使其在6個(gè)自由度上的頻寬都能達(dá)到15Hz以上的水平。加拿大CAE公司設(shè)計(jì)并制造的飛行模擬器被許多國家購買，用來進(jìn)行飛行員的訓(xùn)練。作為世界上最大的飛行模擬器制造商，每年使用其產(chǎn)品訓(xùn)練的飛行員達(dá)7萬余人，如圖1-4所示。車輛模擬器方面，德國力士樂公司為奔馳公司制造的大型汽車行駛模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖1-5所示。船舶運(yùn)動(dòng)模擬器方面，美國August Design開發(fā)了能模擬各種海況下船舶運(yùn)動(dòng)的船舶模擬器，如圖1-6所示。圖 1-5 奔馳的汽車運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái) 圖 1-6August Design 的船舶運(yùn)動(dòng)模擬器以上介紹的這幾種并聯(lián)機(jī)器人的尺寸與負(fù)載較大

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本文編號(hào)：2744537