并聯(lián)六維運(yùn)動(dòng)重載動(dòng)態(tài)模擬器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、具有空間六維運(yùn)動(dòng)的大型重載動(dòng)態(tài)模擬器的典型應(yīng)用是作為地震模擬振動(dòng)臺(tái)，而地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)是振動(dòng)工程研究工作中的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一，它能夠根據(jù)需要，以記錄的天然地震波或人工設(shè)計(jì)的地震波為輸入，進(jìn)行地震再現(xiàn)，以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型在地震下的斷裂機(jī)理和倒塌過(guò)程，以便制定抗震標(biāo)準(zhǔn)、找到抗震方法，減少地震災(zāi)害帶來(lái)的損失。以往的地震模擬器多采用液壓的冗余支鏈驅(qū)動(dòng)，以提高系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力和承載力，這種驅(qū)動(dòng)方式也帶來(lái)了設(shè)備龐大、使用環(huán)境受限、造價(jià)高、低頻特性不好以

2、及控制難度大等問(wèn)題。本文在分析當(dāng)前地震模擬振動(dòng)臺(tái)技術(shù)上存在不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)冗余支鏈而具有機(jī)械協(xié)調(diào)的冗余容錯(cuò)六維地震模擬器，對(duì)冗余容錯(cuò)驅(qū)動(dòng)、適合地震模擬的機(jī)構(gòu)構(gòu)型方法、數(shù)學(xué)模型建立及簡(jiǎn)化、控制方法以及實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容如下:
　　(1)針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、造價(jià)高昂、低頻特性不好以及冗余支鏈驅(qū)動(dòng)易產(chǎn)生過(guò)約束等不足，提出一種適合重載裝備的以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源的冗余容錯(cuò)模塊，建立該模塊的運(yùn)

3、動(dòng)學(xué)模型，得到全工況下12種工作狀態(tài)，研究其傳動(dòng)特性并得到三個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析其可靠性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其性能，發(fā)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)模塊具有理想的冗余容錯(cuò)特性，適合作為重載震動(dòng)模擬器的驅(qū)動(dòng)。
　　(2)在總結(jié)地震運(yùn)動(dòng)工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)符合模擬地震運(yùn)動(dòng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)基本構(gòu)型，其特點(diǎn)為:①具有空間六維運(yùn)動(dòng)以便模擬真實(shí)的地震運(yùn)動(dòng)，②無(wú)過(guò)約束的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)以便準(zhǔn)確反映地震運(yùn)動(dòng)的三要素，③具有強(qiáng)的承載力和驅(qū)動(dòng)能力以便體現(xiàn)地震的破壞力。把冗余容錯(cuò)

4、驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)用于此基本構(gòu)型，設(shè)計(jì)多種不同類(lèi)型的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)地震模擬器，以適應(yīng)地震模擬裝備巨型化發(fā)展的趨勢(shì)。
　　(3)對(duì)地震模擬器機(jī)構(gòu)拓?fù)鋮?shù)與運(yùn)動(dòng)學(xué)性能關(guān)系進(jìn)行研究。從機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋮?shù)與運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系、拓?fù)鋮?shù)如何影響機(jī)構(gòu)的解耦和各項(xiàng)同性、解耦控制時(shí)拓?fù)鋮?shù)如何影響輸出位置誤差等三個(gè)方面揭示如何設(shè)置機(jī)構(gòu)拓?fù)鋮?shù)才能得到理想的運(yùn)動(dòng)特性，并論證了解耦控制的可行性。
　　(4)對(duì)地震模擬器的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)特性之間的關(guān)系進(jìn)行研究。通過(guò)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(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)剛度的影響。采用Newton-Euler方法對(duì)地震模擬器各部分進(jìn)行了受力分析，建立動(dòng)力學(xué)模型的開(kāi)式方程，得到廣義輸出力解耦的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)所滿(mǎn)足的條件。對(duì)地震模擬器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)在低頻下具有良好的動(dòng)態(tài)特性。
　　(5)針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型具有多變量強(qiáng)耦合的非線(xiàn)性和不易實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)，在對(duì)動(dòng)力學(xué)模型閉式形式進(jìn)行計(jì)算復(fù)雜性分析的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)機(jī)構(gòu)正

6、交特點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型解耦簡(jiǎn)化的方法，并用簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型和計(jì)算力矩法進(jìn)行地震模擬器的控制仿真，仿真結(jié)果顯示基于簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算力矩控制不但精度能夠滿(mǎn)足要求而且計(jì)算效率得到提高，使基于動(dòng)力學(xué)的控制成為可能。
　　(6)開(kāi)發(fā)了用于實(shí)驗(yàn)的地震模擬器平臺(tái)，建立了符合此地震模擬器冗余容錯(cuò)多軸驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，結(jié)合使用特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了其軟件系統(tǒng)。應(yīng)用六維激光跟蹤儀進(jìn)行位置測(cè)試，加速度傳感器進(jìn)行加速度檢測(cè)。在三個(gè)平移方向上模擬了El Centro地