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并联机构由于刚度大、精度高等优点,在机器人、机床等多个领域得到越来越广泛的应用。而高速6-PSS并联机构作为一种新型的用于低速风洞试验的并联机构,其主要特点是由直线电机驱动6根定长拉杆,完成动平台的六自由度运动。本文在对国内外并联机构理论研究分析的基础上,对高速6-PSS并联机构的运动学、柔性动力学、尺寸优化、误差分析及标定、控制系统及测试试验等方面进行了深入的研究,主要内容如下:
高速6-PSS并联机构具有速度高、刚度好、结构简单、运动灵活等特点,通过测量安装在机构上的飞行器模型的气动数据完成低速风洞试验。文中以高速6-PSS并联机构的尺寸参数分解为基础,构建运动学正解和逆解方程,利用一阶运动影响系数法得到速度雅克比矩阵,并和欧拉角形式的雅克比矩阵进行比较。分析高速6-PSS并联机构工作空间的约束条件,搜索法求解姿态工作空间和位置工作空间,研究各主要尺寸参数对工作空间的影响因子。以雅克比矩阵为基础,分析高速6-PSS并联机构的边界奇异、位形奇异和结构奇异,提出避免奇异位形的主要方法。
采用一种合理的简化模型的动力学建模方法,通过拉格朗日函数和虚功原理构建高速6-PSS并联机构的刚性动力学模型,并提出一种高速多支链柔性动力学分析方法,利用ADAMS软件对机构进行柔性动力学仿真。通过比较刚性和柔性状态计算结果,柔性状态下高速6-PSS并联机构受力载荷较大并伴随波动,柔性动力学仿真结果更接近真实运动情况。由于高速6-PSS并联机构的高速动态性,对机构进行柔性紧急制动仿真,结果表明此状态下会对机构产生较大的冲击载荷。通过模态分析,证明高速6-PSS并联机构在风洞中和风场不会发生共振现象,能够安全进行风洞试验。
结合高速6-PSS并联机构尺寸参数多、速度高等特点,在分析各个尺寸参数对工作空间及主要动态性能影响的基础上,提出一种以运动学分析为基础、动力学性能为优化目标的优化方法,初步筛选尺寸参数,确定尺寸参数范围,以速度、驱动力和驱动功率组成优化目标函数,最终完成并联机构的尺寸参数优化。优化结果表明,此种方法能够解决并联机构尺寸参数多、动态性能复杂等问题,是一种有效的参数优化方法。
分析并联机构主要误差来源,利用矢量法构建高速6-PSS并联机构误差模型,得到各个误差源对精度的影响因子,其中影响较大的为球铰位置误差、导轨误差及杆长误差,并提出精度的判定指标,可为精度分析和标定提供理论依据。提出一种新的基于并联机构坐标轴姿态约束的运动学标定方法,借助三坐标测量仪的测量结果,计算得到修正的运动学模型。通过OPTOTRAK测量系统对并联机构运动精度测量,标定后位移和角度误差明显减小,验证标定原理的正确性和有效性
最后,在高速6-PSS并联机构总体控制方案基础上,对直线电机内部的电流控制、速度控制及位置控制进行分析,并得到电机控制模型结构图。通过构建高速6-PSS并联机构的测试试验系统,完成各种运动精度测量,并联机构可实现各种单自由度及多自由度耦合振荡运动,具有大工作空间(振幅可达30°/500mm)、高运动精度(达0.05°/0.5mm)、高速(达5m/s)等特点,测试数据表明高速6-PSS并联机构满足设计及运动精度要求。