三自由度摇摆台方案设计与动力学分析
|
摘要
三自由度摇摆台是一种典型的机电一体化复杂产品,作为一种空间运动机械,被广泛用来模拟舰船、车辆、飞行器的运动姿态等。本文利用虚拟样机技术对三自由度摇摆台进行动力学设计与分析,主要研究内容包括:
依据系统总体的性能要求,对三自由度摇摆台的总体方案进行了设计,包括摇摆台的总体构成、机械本体方案设计、驱动方案设计、控制方案设计等。利用参数化设计软件Pro/E建立了摇摆台的三维实体模型,获得关键零部件的质量、质心位置、转动惯量等设计参数。
基于虚拟样机软件ADAMS建立了三自由度摇摆台多刚体系统动力学模型,通过定义约束、载荷和仿真策略,对摇摆台的动力学特性进行了仿真,获得了摇摆台的运动和受力规律。
建立了摇摆台结构参数影响动态特性的灵敏度分析模型,重点研究了上、下铰接点分布圆的半径、电动缸布置尺寸、结构间隙等对摇摆台性能的影响规律,在此基础上建立了以摇摆台驱动功率为目标函数的优化模型,对分布圆半径等结构参量进行了寻优计算,为摇摆台总体方案的优化匹配提供了参考依据。
研究了摇摆台的姿态控制问题。对伺服电机、机械传动、负载等环节的控制建模技术进行了研究,利用系统建模软件AMESim建立了摇摆台位置系统串级复合控制模型。利用ADAMS软件的Control模块将摇摆台多体系统动力学模型与AMESim环境下的控制模型通过控制变量有机地连接起来,实现了摇摆台的机电动态特性联合仿真,仿真结果表明了控制方法的有效性和联合仿真的实用性。
3-DOF swaying platform is a typical complex mechatronic product. Such a space motion mechanical device has been widely used in attitude simulation for ship, vehicle, aircraft and so on. In this paper, dynamics analysis and design is investigated for 3-DOF swaying platform by means of virtual prototyping. The main research is as below.
In light of the requirement of systematic performance, the overall scheme of 3-DOF swaying platform was designed, including overall structure, mechanical subsystem, driving subsystem and control subsystem. The 3D solid model of swaying platform is built by use of the parametric software package Pro/E, from which the mass, mass center, inertia and other structure parameters of the key parts can be calculated.
Based on virtual prototyping software ADAMS, the dynamics model of rigid bodies is constructed for the 3-DOF swaying platform, in which the constraints, force and simulation method is defined. The dynamics simulation is performed for the swaying platform, and then dynamics response can be obtained.
The sensitivity analysis model is set up for exploring the effects of structural parameters on dynamics response, and the emphasis is focused on the impacts of some key parameters on the response, including the radius of circle which defines the position of upper and lower joints, layout of electrical cylinder and assembly clearance. Then the optimization model is constructed, in which the driving power of the swaying platform is defined as the objective function. The circle radius is optimized, which can provide reference for optimization of general plan design of the swaying platform.
The attitude control of swaying platform is discussed. Based on software AMESim, the compound feed forward control model is established for position servo system, in which the modeling of servo motor, mechanical transmission and load is examined. With the control module in ADAMS, the multi-body dynamics model built in ADAMS is connected with the control model constructed in AMESim through control variables, and then co-simulation is achieved. It is shown through simulation result that the control method is effective and the co-simulation is practical.
依据系统总体的性能要求,对三自由度摇摆台的总体方案进行了设计,包括摇摆台的总体构成、机械本体方案设计、驱动方案设计、控制方案设计等。利用参数化设计软件Pro/E建立了摇摆台的三维实体模型,获得关键零部件的质量、质心位置、转动惯量等设计参数。
基于虚拟样机软件ADAMS建立了三自由度摇摆台多刚体系统动力学模型,通过定义约束、载荷和仿真策略,对摇摆台的动力学特性进行了仿真,获得了摇摆台的运动和受力规律。
建立了摇摆台结构参数影响动态特性的灵敏度分析模型,重点研究了上、下铰接点分布圆的半径、电动缸布置尺寸、结构间隙等对摇摆台性能的影响规律,在此基础上建立了以摇摆台驱动功率为目标函数的优化模型,对分布圆半径等结构参量进行了寻优计算,为摇摆台总体方案的优化匹配提供了参考依据。
研究了摇摆台的姿态控制问题。对伺服电机、机械传动、负载等环节的控制建模技术进行了研究,利用系统建模软件AMESim建立了摇摆台位置系统串级复合控制模型。利用ADAMS软件的Control模块将摇摆台多体系统动力学模型与AMESim环境下的控制模型通过控制变量有机地连接起来,实现了摇摆台的机电动态特性联合仿真,仿真结果表明了控制方法的有效性和联合仿真的实用性。
3-DOF swaying platform is a typical complex mechatronic product. Such a space motion mechanical device has been widely used in attitude simulation for ship, vehicle, aircraft and so on. In this paper, dynamics analysis and design is investigated for 3-DOF swaying platform by means of virtual prototyping. The main research is as below.
In light of the requirement of systematic performance, the overall scheme of 3-DOF swaying platform was designed, including overall structure, mechanical subsystem, driving subsystem and control subsystem. The 3D solid model of swaying platform is built by use of the parametric software package Pro/E, from which the mass, mass center, inertia and other structure parameters of the key parts can be calculated.
Based on virtual prototyping software ADAMS, the dynamics model of rigid bodies is constructed for the 3-DOF swaying platform, in which the constraints, force and simulation method is defined. The dynamics simulation is performed for the swaying platform, and then dynamics response can be obtained.
The sensitivity analysis model is set up for exploring the effects of structural parameters on dynamics response, and the emphasis is focused on the impacts of some key parameters on the response, including the radius of circle which defines the position of upper and lower joints, layout of electrical cylinder and assembly clearance. Then the optimization model is constructed, in which the driving power of the swaying platform is defined as the objective function. The circle radius is optimized, which can provide reference for optimization of general plan design of the swaying platform.
The attitude control of swaying platform is discussed. Based on software AMESim, the compound feed forward control model is established for position servo system, in which the modeling of servo motor, mechanical transmission and load is examined. With the control module in ADAMS, the multi-body dynamics model built in ADAMS is connected with the control model constructed in AMESim through control variables, and then co-simulation is achieved. It is shown through simulation result that the control method is effective and the co-simulation is practical.
引文
[1]金宇.重载六自由度电动摇摆台关键件的结构设计与优化仿真.哈尔滨工业大学硕士论文.2007
[2]赵江波,王军政,汪首坤,吕戎.四自由度摇摆台的研制.液压与气动.2003(10):5-7
[3]徐艳华.复杂产品的虚拟样机仿真技术研究.天津大学硕士学位论文.2004
[4]J.D.Lee,Z.Geng.A dynamic model of a flexible Stewart platform.Computers &Structures.1993(48):367-374.
[5]董彦.六自由度飞行模拟器运动平台仿真.南京航空航天大学硕士论文.2003
[6]朱思俊.少自由度并联机构运动学及五自由度并联机构的相关理论.燕山大学博士学位论文.2007
[7]杨斌久.少自由度并联机床约束链的若干问题研究.东北大学博士学位论文.2005
[8]刘善增,余跃庆,杜兆才,杨建新.并联机器人的研究进展与现状.组合机床与自动化加工技术.2007(07):3-10
[9]陈学生,陈在礼,孔民秀.并联机器人研究的进展与现状.机器人.2002(05):464-470
[10]高娟.基于虚拟样机技术的三自由重型摇摆试验台的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[11]何立波.六自由度摇摆台动力学仿真及优化.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[12]姚智慧,唐术锋.基于ADAMS重型摇摆试验台的动力学分析.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2005
[13]姚智慧,郭宏伟.三自由度重型摇摆试验台的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2005
[14]胡长春.六自由度列车驾驶运动平台的研究.西南交通大学硕士学位论文.2005
[15]郭旭伟,王行知.基于ADAMS的并联机床运动学和动力学仿真.中国制造业信息化.2003(4):119-122
[16]倪建和.H/YBT-1型摇摆试验台支承设计.工程机械.1997(07):19-21
[17]朱春霞,朱立达,厐子瑞,刘永贤,蔡光起.一种少自由度并联机床在ADAMS 中的建模与仿真.工具技术.2007(12):38-42
[18]黄真,孔令富,方跃法.并联机器人机构学理论及控制.第1版.北京:机械工业出版社,1997
[19]游世明,陈思忠,梁贺明.基于ADAMS的并联机器人运动学和动力学仿真.计算机仿真.2005(22):181-185
[20]刘安心,杨廷力.空间并联机构位置分析的连续.机械科学与技术.1994(03):19-25
[21]陈晓江.六自由度舰船模拟摇摆平台运动系统的分析与研究.南京理工大学硕士学位论文.2006
[22]许怀友.少自由度并联示教机器人的结构学与运动学设计.重庆大学硕士学位论文.2007
[23]马宁.一种新型3-RPUR并联机构的运动学分析及仿真研究.燕山大学博士学位论文.2007
[24]肖金陵,李壮云,刘长年.六自由度飞行模拟器的运动学分析与结构参数优化.上海航空.1994(05):2-6
[25]吴涛,程耀瑜.车载火炮角度伺服控制系统设计.火炮发射与控制学报.2007(02):28-31
[26]刘剑.基于虚拟仿真的新型六自由度平台的实时控制.上海交通大学硕士学位论文.2008
[27]黄其涛,韩俊伟,何景峰.六自由度并联运动平台动力学建模及分析.机械科学与技术.2006(04):382-385
[28]翟玉强.基于三自由度飞行器模型的控制方法研究.南京理工大学硕士学位论文.2007
[29]闫述,王旭永,陶剑锋,朱野.三自由度摇摆台姿态逆解及ADAMS仿真.系统仿真学报.2008(02):325-472
[30]李绍安.某型战机飞行模拟器三自由度运动平台的研制.华中科技大学硕士学位论文.2005
[31]田魁岳,刘迎春.大型三自由度液压平台结构与设计.工程机械文摘.2008(01):57-59
[32]任良成,林程,陈思忠.六自由度摇摆台的机电液一体化仿真研究.液压与气动.2004(11):30-32
[33]Jun Wu,Jinsong Wang,Liping,Tiemin Li.Dynamics and control of a planar 3-DOF parallel manipulator with actuation redundancy.Mechanism and Machine Theory.2008(20):522-538
[34]Tian Huang,Derek G.Chetwynd,David J.Whitehouse,Jinsong Wang.A General and novel approach for parameter identification of 6-DOF parallel kinematic machines.Mechanism and Machine Theory.2005(02):219-239.
[35]Carlo Innocenti,Vicenzo,Parenti-Castelli.Direct position analysis of the Stewart platform mechanism.Mechanism and Machine Theory.1990(25):611-621.
[36]李建军.某火箭炮发射装置平台自动调平系统设计与研究.南京理工大学硕士学位论文.2007
[37]朱玉川.某箱式多管火箭炮快速装填与高精度自动操瞄系统研究.南京理工大学博士学位论文.2007
[38]苏婷婷.三自由度转台的控制与应用.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2006
[39]王国清.三自由度重型摇摆台控制系统设计.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[40]陆晶.三平移并联机器人控制研究.江苏大学硕士学位论文.2007
[41]袁剑雄,王知行,李兵.Stewart平台结构设计.哈尔滨理工大学学报,2000(11):87-90
[42]X.Shi,R.G.Fenton.Solution to the forward instantaneous kinematics for a general 6-DOF Stewart platform.Mechanism and Machine Theory,1992(27):251-259.
[43]Q.Y.Wang,H.Zou,M.Y.Zhao,Q.M.Li,H.W.Zheng.Design and Kinematics of a Parallel Manipulator for Manufacturing.CIRP Annals-Manufacturing Technology,1997(46):297-300.
[44]董景鑫,赵长德,熊沈蜀,郭美凤.控制工程基础.第2版.北京:清华大学出版社,2003
[45]张崇巍,李汉强.运动控制系统.第1版.武汉:武汉理工大学出版社,2002
[46]叶济忠,余胜生.第1版.电子机械运动控制技术.武汉:华中理工大学出版社,1989
[47]罗飞.运动控制系统.第1版.北京:化学工业出版社,2001
[48]尔桂花,窦日轩.运动控制系统.第1版.北京:清华大学出版社,2002
[49]李增刚.ADAMS入门详解与实例.第1版.北京:国防工业出版社,2007.
[50]樊炳辉.变形移动机器人的仿真研究.山东科技大学.2007
[51]吴森.并联式混合动力客车自动变速耦合箱的Simulink与Adams的联合仿真.武汉理工大学硕士学位论文.2007
[52]姚钦,刘永光,刘质加.基于ADAMS与Matlab的数控机床进给系统联合仿真.第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学液压与气动学术会议论文集.2008:460-464
[53]何亚银.基于ADAMS和MATLAB的动力学联合仿真.现代机械.2007(05): 60-72
[54]于薇薇.基于ADAMS和MATLAB联合仿真的双足机器人的越障研究.计算机测量与控制.2008(11):1741-1769
[55]王涛,张会明.基于ADAMS和MATLAB的联合控制系统的方针.机械工程与自动化.2005(03):79-81
[56]时培成,高洪.基于ADAMS和MATLAB的ASS联合仿真.机械工程师.2006(09):127-130
[57]龚建球,刘守斌.基于ADAMS和MATLAB的自平衡机器人仿真.机电工程.2008(02):8-10
[58]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高.北京:机械工业出版社,2002
[59]世冠工程有限公司.专家点评AMESim软件.航空制造技术.2008(14):66-67
[60]丘铭军,赵航,姚培.AMESim软件及其应用.铁路机械与施工机械化.2005(08):60-61
[61]秦家升,游善兰.AMESim软件的特征及其应用.工程机械.2004(12):6-8
李吉,李华聪.仿真软件AMESim应用研究.航空计算技术.2006(01):56-58
[2]赵江波,王军政,汪首坤,吕戎.四自由度摇摆台的研制.液压与气动.2003(10):5-7
[3]徐艳华.复杂产品的虚拟样机仿真技术研究.天津大学硕士学位论文.2004
[4]J.D.Lee,Z.Geng.A dynamic model of a flexible Stewart platform.Computers &Structures.1993(48):367-374.
[5]董彦.六自由度飞行模拟器运动平台仿真.南京航空航天大学硕士论文.2003
[6]朱思俊.少自由度并联机构运动学及五自由度并联机构的相关理论.燕山大学博士学位论文.2007
[7]杨斌久.少自由度并联机床约束链的若干问题研究.东北大学博士学位论文.2005
[8]刘善增,余跃庆,杜兆才,杨建新.并联机器人的研究进展与现状.组合机床与自动化加工技术.2007(07):3-10
[9]陈学生,陈在礼,孔民秀.并联机器人研究的进展与现状.机器人.2002(05):464-470
[10]高娟.基于虚拟样机技术的三自由重型摇摆试验台的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[11]何立波.六自由度摇摆台动力学仿真及优化.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[12]姚智慧,唐术锋.基于ADAMS重型摇摆试验台的动力学分析.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2005
[13]姚智慧,郭宏伟.三自由度重型摇摆试验台的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2005
[14]胡长春.六自由度列车驾驶运动平台的研究.西南交通大学硕士学位论文.2005
[15]郭旭伟,王行知.基于ADAMS的并联机床运动学和动力学仿真.中国制造业信息化.2003(4):119-122
[16]倪建和.H/YBT-1型摇摆试验台支承设计.工程机械.1997(07):19-21
[17]朱春霞,朱立达,厐子瑞,刘永贤,蔡光起.一种少自由度并联机床在ADAMS 中的建模与仿真.工具技术.2007(12):38-42
[18]黄真,孔令富,方跃法.并联机器人机构学理论及控制.第1版.北京:机械工业出版社,1997
[19]游世明,陈思忠,梁贺明.基于ADAMS的并联机器人运动学和动力学仿真.计算机仿真.2005(22):181-185
[20]刘安心,杨廷力.空间并联机构位置分析的连续.机械科学与技术.1994(03):19-25
[21]陈晓江.六自由度舰船模拟摇摆平台运动系统的分析与研究.南京理工大学硕士学位论文.2006
[22]许怀友.少自由度并联示教机器人的结构学与运动学设计.重庆大学硕士学位论文.2007
[23]马宁.一种新型3-RPUR并联机构的运动学分析及仿真研究.燕山大学博士学位论文.2007
[24]肖金陵,李壮云,刘长年.六自由度飞行模拟器的运动学分析与结构参数优化.上海航空.1994(05):2-6
[25]吴涛,程耀瑜.车载火炮角度伺服控制系统设计.火炮发射与控制学报.2007(02):28-31
[26]刘剑.基于虚拟仿真的新型六自由度平台的实时控制.上海交通大学硕士学位论文.2008
[27]黄其涛,韩俊伟,何景峰.六自由度并联运动平台动力学建模及分析.机械科学与技术.2006(04):382-385
[28]翟玉强.基于三自由度飞行器模型的控制方法研究.南京理工大学硕士学位论文.2007
[29]闫述,王旭永,陶剑锋,朱野.三自由度摇摆台姿态逆解及ADAMS仿真.系统仿真学报.2008(02):325-472
[30]李绍安.某型战机飞行模拟器三自由度运动平台的研制.华中科技大学硕士学位论文.2005
[31]田魁岳,刘迎春.大型三自由度液压平台结构与设计.工程机械文摘.2008(01):57-59
[32]任良成,林程,陈思忠.六自由度摇摆台的机电液一体化仿真研究.液压与气动.2004(11):30-32
[33]Jun Wu,Jinsong Wang,Liping,Tiemin Li.Dynamics and control of a planar 3-DOF parallel manipulator with actuation redundancy.Mechanism and Machine Theory.2008(20):522-538
[34]Tian Huang,Derek G.Chetwynd,David J.Whitehouse,Jinsong Wang.A General and novel approach for parameter identification of 6-DOF parallel kinematic machines.Mechanism and Machine Theory.2005(02):219-239.
[35]Carlo Innocenti,Vicenzo,Parenti-Castelli.Direct position analysis of the Stewart platform mechanism.Mechanism and Machine Theory.1990(25):611-621.
[36]李建军.某火箭炮发射装置平台自动调平系统设计与研究.南京理工大学硕士学位论文.2007
[37]朱玉川.某箱式多管火箭炮快速装填与高精度自动操瞄系统研究.南京理工大学博士学位论文.2007
[38]苏婷婷.三自由度转台的控制与应用.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2006
[39]王国清.三自由度重型摇摆台控制系统设计.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2006
[40]陆晶.三平移并联机器人控制研究.江苏大学硕士学位论文.2007
[41]袁剑雄,王知行,李兵.Stewart平台结构设计.哈尔滨理工大学学报,2000(11):87-90
[42]X.Shi,R.G.Fenton.Solution to the forward instantaneous kinematics for a general 6-DOF Stewart platform.Mechanism and Machine Theory,1992(27):251-259.
[43]Q.Y.Wang,H.Zou,M.Y.Zhao,Q.M.Li,H.W.Zheng.Design and Kinematics of a Parallel Manipulator for Manufacturing.CIRP Annals-Manufacturing Technology,1997(46):297-300.
[44]董景鑫,赵长德,熊沈蜀,郭美凤.控制工程基础.第2版.北京:清华大学出版社,2003
[45]张崇巍,李汉强.运动控制系统.第1版.武汉:武汉理工大学出版社,2002
[46]叶济忠,余胜生.第1版.电子机械运动控制技术.武汉:华中理工大学出版社,1989
[47]罗飞.运动控制系统.第1版.北京:化学工业出版社,2001
[48]尔桂花,窦日轩.运动控制系统.第1版.北京:清华大学出版社,2002
[49]李增刚.ADAMS入门详解与实例.第1版.北京:国防工业出版社,2007.
[50]樊炳辉.变形移动机器人的仿真研究.山东科技大学.2007
[51]吴森.并联式混合动力客车自动变速耦合箱的Simulink与Adams的联合仿真.武汉理工大学硕士学位论文.2007
[52]姚钦,刘永光,刘质加.基于ADAMS与Matlab的数控机床进给系统联合仿真.第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学液压与气动学术会议论文集.2008:460-464
[53]何亚银.基于ADAMS和MATLAB的动力学联合仿真.现代机械.2007(05): 60-72
[54]于薇薇.基于ADAMS和MATLAB联合仿真的双足机器人的越障研究.计算机测量与控制.2008(11):1741-1769
[55]王涛,张会明.基于ADAMS和MATLAB的联合控制系统的方针.机械工程与自动化.2005(03):79-81
[56]时培成,高洪.基于ADAMS和MATLAB的ASS联合仿真.机械工程师.2006(09):127-130
[57]龚建球,刘守斌.基于ADAMS和MATLAB的自平衡机器人仿真.机电工程.2008(02):8-10
[58]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高.北京:机械工业出版社,2002
[59]世冠工程有限公司.专家点评AMESim软件.航空制造技术.2008(14):66-67
[60]丘铭军,赵航,姚培.AMESim软件及其应用.铁路机械与施工机械化.2005(08):60-61
[61]秦家升,游善兰.AMESim软件的特征及其应用.工程机械.2004(12):6-8
李吉,李华聪.仿真软件AMESim应用研究.航空计算技术.2006(01):56-58