（机械工程专业论文）五自由度模拟运动平台的构型及控制研究.pdf

摘要 串联机构的发展曾经带动了空间机构学的发展，近2 0 年来并联机构的发展再次促进 了空间机构学的发展。今天，为了我国的科技进步，自主创新性及在一些新兴产业和领域 开辟自己独特的道路，基于串联机构与并联机构的特点，混联机构成为各种高端技术应用 一个新的热点。 本文以“五自由度风洞模拟试验平台”为研究背景，根据风洞实验运动平台的实验要 求，分析了它的构型、自由度及运动原理。在运动学方面首先是对其并联部分进行正 反解分析，然后结合串联部分总结出实验模型的位姿与模拟运动平台各个电动缸支链 的变化关系，并使用m a t l a b 软件建立数学模型进行计算验证。 静力学的研究是根据模拟运动平台的特征，结合动平台和串联部分的重力，试验 模型在风洞试验中的受力情况，总结出模型在风洞试验时的受力情况与模拟运动平台 各电动缸支链的变化关系。 固有频率分析是构建模拟平台的重要部分，通过对模拟运动平台各电动缸支链的 刚度分析得到模拟平台的广义刚度矩阵，用凯恩方法求出模拟运动平台的广义质量矩 阵。根据所求得的广义刚度矩阵和广义质量矩阵推出模拟运动平台的固有频率及相应 的振型。为验证计算的准确性，在s o l i d w o r k s 中建立模拟运动平台的模型，并导入 到a n s y s 中进行模态分析得到其固有频率，将得到的值与上述分析的结果相比较进一 步验证理论的推到过程。 根据模拟运动平台的运动原理构建了该装备控制系统中的硬件系统，介绍了构成 模拟运动平台硬件控制系统中主要硬件的功能和应用。设计了伺服驱动器的电源系统、d c 电源及其连接，说明了数据采集卡的连接原理，并对数据采集卡的采集数据通道所对应的 数据作出了具体的说明。 伺服系统的调整可以保证伺服电机运行时具有良好的稳定和响应等性能，本文对伺服 电机的调试方法和过程作了的探讨。模拟运动平台的控制程序是用v i s u a lc + + 软件编 写的，并对程序应用界面的仿真及操作过程作了详细介绍。 上述对风洞实验运动平台的设计研究为风洞实验的研究提供了一种新的技术手段，对 其它相似五自由度混联机构联的构型及控制的研究也有一定的借鉴意义。 关键词：混联机构；运动学；静力学；固有频率；控制 一i i a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h es e r i e sm e c h a n i s mh a sc o n t r i b u t e dt ot h e s t u d yo fs p a c e m e c h a n i s m f o rn e a r l yt w od e c a d e s ，t h ed e v e l o p m e n to fp a r a l l e lm e c h a n i s mh a sp r o m o t e dt h e i m p r o v e m e n to ft h es p a c em e c h a n i s ma g a i n a tt h ep r e s e n t ，i no r d e rt op r o m o t es c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa n di n d e p e n d e n ti n n o v a t i o na n do p e nu pt h eu n i q u ew a yi ns o m en e w i n d u s t r i e sa n df i e l d s ，p a r a l l e l s e r i e si n s t i t u t i o n sb e c o m eah o tn e wa r e ai na l l h i 曲一e n d t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r i e sm e c h a n i s ma n d p a r a l l e l m e c h a n i s m b a s e do nt h eb a c k g r o u n do f ”w i n dt u n n e ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mo ff i v ed e g r e e so f f r e e d o m ”，w i n dt u n n e le x p e r i m e n tm o t i o np l a t f o r ms t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o ni sb u i l t ，a n di t s f r e e d o ma n dt h em o t i o np r i n c i p l ea r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld e m a n do fw i n d t u n n e le x p e r i m e n t sm o t i o np l a t f o r m ss t r u c t u r e f i r s t l y , t h ei n v e r s ea n df o r w a r dk i n e m a t i c so ft h e p a r a l l e lp a r ta r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x p e r i m e n tm o d e l so r i e n t a t i o na n d e a c hb r a n c hc h a i no fe l e c t r i cc y l i n d e ri nm o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi ss u m m e du p f i n a l l y , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a bs o f t w a r ea n dt h er e s u l t sa r ev e r i f i e d s t a t i c sr e s e a r c hi sb a s e do nt h es i m u l a t i o nm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e p l a t f o r m ， c o m b i n e dw i t ht h eg r a v i t yo fs e r i e sp a r t sa n dt h es t r e s ss i t u a t i o no ft h et e s tm o d e li nw i n dt u n n e l t e s t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x p e r i m e n tm o d e l ss t r e s sa n db r a n c hc h a i no fe l e c t r i cc y l i n d e ri n m o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi ss u m m a r i z e d i n h e r e n t 行e q u e n c ya n a l y s i si sa ni m p o r t a n tp a r to fc o n s t r u c t i n gt h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n d b ya n a l y z i n gt h es t i f f n e s so fe a c hb r a n c hc h a i no fe l e c t r i cc y l i n d e r ，t h eg e n e r a ls t i f f n e s sm a t r i xo f m o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi sg o t , a n dg e n e r a lm a s sm a t r i xo fm o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi s f o u n db yk a n em e t h o d a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a ls t i f f n e s sm a t r i xa n dg e n e r a lm a s sm a t r i x ，t h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d eo ft h em o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi s d e d u c e d i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o n ，am o d e lt h a ts i m u l a t e st h em o t i o n s i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l ti ns o l i d w o r k s ，a n dt h e nm o d a la n a l y s i si su s e dt oo b t a i nt h en a t u r a l f r e q u e n c yi na n s y s b a s e do nt h er e s u l t ，t h ed e r i v a t i o np r o c e s si sf u r t h e rv a l i d a t e d a c c o r d i n gt ot h em o t i o np r i n c i p l eo fm o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h eh a r d w a r eo fc o n t r o l s y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，a n dt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n da p p l i c a t i o no ft h em a i n h a r d w a r ei nm o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m 1 1 1 ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fs e r v od r i v e r ，d cp o w e r a n dc o n n e c t i o n sa r ed e s i g n e d 西ep a p e ra l s os h o w sc o n n e c t i o np r i n c i p l eo fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ? a n dm a k e sd e t a i l e de x p l a n a t i o n so ft h ec o r r e s p o n d i n gd a t ai nd a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e l s 功ea d j u s t m e n to ft h es e r v os y s t e mc a ne n s u r et h a ts e r v om o t o ro p e r a t i o nh a sg o o ds t a b i l i t y a n dr e s p o n s e i nt h i sp a p e r , ad i s c u s s i o no ft h es e r v om o t o rd e b u g g i n gm e t h o da n dp r o c e s si s m a d e t h ec o n t r o lp r o g r a mo fm o t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mi sw r i t t e nb yv i s u a lc + + a n da d e t a i l e di n t r o d u c t i o no fs i m u l a t i o na n do p e r a t i o nf o ra p p l i c a t i o no ft h ei n t e r f a c ei sm a d e i i i t h ed e s i g na n dr e s e a r c hf o rw i n dt u n n e le x p e r i m e n t sm o t i o np l a t f o r mp r o v i d e sw i n dt u n n e l e x p e r i m e n t sw i t han e wt e c h n o l o g y , a n di t h a sc e r t a i ns i g n i f i c a n c et ot h ec o n f i g u r a t i o na n d c o n t r o lr e s e a r c ho ft h eo t h e rs i m i l a rf i v ed e g r e eo f 丘e e d o mp a r a l l e l s e r i e si n s t i t u t i o n s k e yw o r d s ：p a r a l l e l - s e r i e si n s t i t u t i o n s ；k i n e m a t i c s ；s t a t i c s ；i n h e r e n tf r e q u e n c y ；c o n t r 0 1 i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录、， 第一章绪论1 1 1 课题的来源及研究的意义1 1 2 风洞试验的概述1 1 3 混联机构的发展现状3 1 3 1 国外混联机构的发展现状3 1 3 2 国内混联机构的发展现状4 1 4 课题主要研究内容5 第二章混联机构的运动学研究7 2 1 混联机构的模型及运动原理7 2 1 1 五自由度混联机构的机构原理7 2 1 2 坐标系的建立8 2 1 3 五自由度混联机构的机构的自由度分析8 2 2 运动平台混联机构闭环反馈的正解9 2 2 1 运动学关系9 2 2 2 运动学正解1 1 2 2 3 运动平台混联机构与串联的关系1 2 2 3 机构动平台混联机构闭环反馈的反解1 3 2 4 运动平台正反解算法分析1 4 2 4 1 正反解问题的解法选择1 4 2 4 2 修正牛顿迭代法15 2 4 3 算法设计1 6 2 4 4 机构数值解法实例16 2 5 本章小结1 7 第三章混联机构的静态分析1 8 3 1 机构的静力学方程1 8 3 2 串联部分的重力及在风洞中的受力分析1 9 3 3 模拟运动平台的静力分析2 0 3 4 本章小结一2 2 第四章混联机构固有频率分析2 3 4 1 混联机构的广义刚度矩阵2 3 4 1 1 广义刚度矩阵2 3 4 2 凯恩方法求广义质量矩阵2 5 v 4 2 1 坐标和位置姿态2 5 4 2 2 角速度和质心速度2 5 4 2 3 偏速度和偏角速度2 6 4 2 4 广义质量矩阵2 6 4 3 固有频率方程2 7 4 4 算例2 8 4 5 软件仿真研究2 8 4 6 本章小结。3 1 第五章基于混联机构模拟运动平台主要硬件的设计3 2 5 1 控制器3 3 5 2 驱动器3 4 5 3 伺服电机3 6 5 4 电动缸3 7 5 5 数据采集卡及编码器。3 9 5 6 工控机4 0 5 7 模拟运动平台的电源控制原理4 2 5 7 1 驱动器的电源控制4 2 5 7 2d c 电源及其它的连接4 3 5 7 3 采集卡的连接原理4 4 5 8 本章小结。4 6 第六章基于混联机构模拟运动平台的伺服系统调试4 7 6 1 模拟运动平台总的控制控制原理4 7 6 2 伺服电机的调试4 8 6 2 1 俯仰电机的调试4 8 6 2 2 偏航电机的调试5 0 6 3 模拟运动平台的控制操作一51 6 3 1 模拟运动平台的仿真5 1 6 3 2 模拟运动平台的自由度释放5 3 6 3 3 模拟运动平台的运动控制5 4 6 4 本章小结5 5 第七章总结 7 1 工作总结一5 6 7 2 未来工作展望5 6 参考文献5 7 至筻谢。6 1 攻读硕士学位期间发表的论文情况6 2 李士佩：五自由度模拟运动平台的构型及控制研究 1 1 课题的来源及研究的意义 第一章绪论 本科研项目是以“五自由度风洞模拟试验平台 为背景，对五自由度串并混联机构的 构型及控制进行了分析和实验研究。 随着现代科学技术( 如制造技术、机器人技术、生物科学技术等) 的发展，对各种机 械设备性能的要求越来越高，例如医疗器械的发展对微型高精度设备的要求，制造业设备 的高速度，高精度，高强度需求，等等。航空航天事业这种需求更为严格，混联机构在这 种需求下就产生和演化了。 由于本文研究的是五自由度混联机构的构型及控制，五自由度混联机构是机构学研究 的很少，相对其它机构而言，对这一类机构专门研究的文献并不多，现有文献中很少找到 对五自由度混联联机构的构型和控制问题的研究。但是该类型机构具有一定的应用价值， 因此对这种机构的研究会进一步促使我们理论知识的加深和实际应用的拓展。目前，混联 机构的研究正处于向机床与机器人领域商品化的转换时期，这相对对我国来说，制造业在 该领域既是挑战也是机遇l l j 。 混联机构与单纯的串联和单纯的并联机构具有下列特点： ( 1 ) 可以在接近机架的位置安装驱动装置； ( 2 ) 能够避免采用纯并联构型所引起的支链干涉、姿态能力差和工作空间小等缺陷： ( 3 ) 在串联部分或并联与串联的连接部分安装驱动装置，提高机构的控制精度和驱动 力。 ( 4 ) 方便在连架铰和恰约束链轴线方向上安装转动或移动传感器，通过直接检测末端 位姿的闭环反馈信息提高精度。 ( 5 ) 机构的运动部分动态性能好、质量轻、速度高； ( 6 ) 模拟平台的姿态角变化范围较大，灵活性较好。 混联机构综合串联与并联机构的优点子一体，具有承载能力强、刚度大，精度高( 积 累误差较小) 、活动构件重量轻，容易控制，结构紧凑等优点，因而受到人们的广泛关注。 一些国家已经将混联机构用于生产实际，收到了良好的效果。由此可见，对五自由度混联 机构的构型及控制进行分析，不仅是研制风动试验模拟设备的需要，还能提高民用领域的 运动模拟技术，并促进混联机构相关理论的发展。 1 2 风洞试验的概述 航空航天飞行器研制的发展与风动试验【2 。5 1 设备密切相关，对空气动力学问题的探究促 进了风洞的诞生。风洞试验设备的发展随着风洞的建设分别经历了低速风洞、高速风洞、 超声速风洞、跨声速风洞、超高速风洞和特种风洞的发展阶段。为了满足航天事业的需求， 风洞设备的发展又经历了更新改造、稳定发展和新概念的发展。 扬州大学硕士学位论文 世界上大部分的发达国家都对空气动力试验机构的研究给予了高度的重视。1 8 7 1 年， 英国的温霍姆建造了世界上第一座风洞试验设备。德国于1 9 0 7 年成立了哥庭根空气动力 试验院，并花巨资建立了许多低速、高速、超高速和特种风洞试验设备，同时也是世界上 领先先研制出弹道导弹和喷气式飞机的国家。美国在上个世纪8 0 年代推出了“星球大战” 计划，于1 9 1 5 年成立了国家空气动力研究机构并把作为基础学科的空气动力学放在了主 要学科的位置上。 2 0 世纪8 0 年代，各国家开始对风洞的各种性能进行改造，美国计划将2 0 m 3 6 m 的 全尺寸风洞改造为无回声试验段。n a s a 的高空风洞( 。删t ) 也进行了改造，风速由m a = 0 6 增加到了0 9 ，增加了声学试验和风洞结冰的能力。1 9 9 9 年，法国完成了直径8 m 的s i m a 风洞声学试验段的改造，有效的抑制了飞速在0 8 5 m a 内，频率为2 0 0 h z 到2 k h z 风洞的 噪声。2 0 0 1 年，法国对f 1 低速风洞进行了试验改造，可吸收声音的频率范围达到6 0 0 h z 到2 5 k h z 。英国为了改善飞机及其增升系统在空气动力风洞试验的精度，英国皇家航空研 究院在法恩巴勒建立了一座大型增压的5 m 低速风洞，该风洞可以在恒定的m 数下改变 r e ，可以在接近于真实的r e 数下进行大尺度发动机短舱或半模试验。 随着航空航天领域的快速发展，一些新兴的经济强国也开始重视风洞设备的建设。1 9 9 6 年，日本三菱重工建立了一座试验段的出口3 m 高2 5 m 的静音风洞，该风洞设计制造过程 中使用了降低噪声的新技术。1 9 9 8 年，韩国在大田市建立了一座在设计、扩展性及流场等 方面功能比较强大的现代化的4 m x 3 m 风洞试验设备。 2 0 世纪6 0 年代，我国风洞试验设备的建设才开始起步，于1 9 7 7 年建造了亚洲最大的 低速风洞，该风洞先后进行了上海东方明珠电视塔、杨浦大桥、多枚通信卫星等近千项风 洞试验。1 9 8 0 年5 月1 8 日，我国在南太平洋海域成功的发射了一枚远程运载火箭，从此 就向世界宣告我国是高水平的飞行器空气动力试验机构的国家。 图1 1 运一8 风洞试验 图1 2 全机震颤试验 在我国最受关注的是被航空航天界誉为“功勋风洞”的位于川西的风洞群，该风洞群累 计完成了5 0 万余项课题和型号研究试验，是我国综合实力最强、规模最大的国家级空气 动力试验、开发和研究机构，其综合的风洞试验能力达到世界先进行列。该风洞群为我 国的国民经济建设和军事武器装备发展等作出重大贡献，如中国空军的主力运输机运一8 ( 图 1 1 ) 、“枭龙”战机、“神舟”系列飞船、磁悬浮高速列车等都在这里做过过风洞试验。 2 0 1 2 年3 月1 5 日，我国的的8 米6 米风洞全机颤振悬挂系统成功的完成某飞机全机 李士佩：五自由度模拟运动平台的构型及控制研究 颤振试验如图1 2 ，标志着我国已经具有在大型风洞进行全机颤振试验的能力。该系统可 验证飞机颤振的特性能否满足适航性气动弹性要求，为飞机飞行包线的确定提供了重要依 据。风洞试验的发展将是进一步提高流场品质和增加风洞的模拟能力，减小在跨音速下 情况下的洞壁干扰等问题，将风洞发展成为自修正的智能形式。 1 3 混联机构的发展现状 1 3 1 国外混联机构的发展现状 国外最具有代表性的混联机构1 1 是1 9 8 5 年由n e u m a n n 发明的t r i c e p t 1 2 - 1 4 1 混联机械 手，在1 9 8 8 年该机构获得美国专利。由于t r i c e p t 混联机械手具有工作空间大、机座体积 比大、较好的静态性能和动态性能等特点，在这种机构的问世之初就得到许多公司的青睐， 比如g m 、b o e i n g 等汽车和飞机制造商。问世于1 9 8 7 年的t r i c e p t6 0 0 ( 见图1 3 1 是这种混 联机构最初的原型机，在1 9 9 2 年，t r i c e p t6 0 0 在意大利c o m a u 公司多处理器控制器c 3 g 的基础上实现真正的控制。 图1 3t r i c e p t6 0 0图1 4t r i c e p t8 0 5图1 5t r i c e n t e r5 坐标万能铣床 为了使t r i c e p t 系列的混联机构满足高速切削的需要，n e o s 公司开发出了t r i c e p t8 0 5 模块( 见图1 4 ) 。t r i c e p t8 0 5 比t r i c e p t6 0 0 具有更高的加工精度、刚度和主轴功率，因为该 机构用用的是s i e m e n s8 4 0 d 数控系统，因此更具有机床的特性。随着t r i c e p t 混联机构系 列的成功开发与应用，n e o s 公司发展迅速，在2 0 0 2 并购了s m t m a c h i n e 后公司重新命名 为s m tt r i c e p t 。同年，该公司将t r i c e p t 使用专利权出售给了国际著名的机器人制造商a b b 和机床制造商d e c k e lm a h o 。在机床领域d e c k e lm a h o 开发出t r i c e n t e r5 坐标万能铣床( 见 图1 5 ) ，这种机床主要用于复杂曲面和5 面体的加工。在机器人领域a b b 开发了i r b 9 4 0 机器人( 见图1 6 ) ，这种机器人可用于预加工和高速清洗铝铸件。 扬州大学硕士学位论文 图1 - 6i r b 9 4 0 机器人图1 7e x e c h o n 并联机床 在2 0 0 4 年，t r i c e p t 系列混联机床的创始人n e u m a n n 发明一种新型的e x e c h o n 并联机 床 1 5 】，如图1 7 所示，新一代并联机床的发明突破了以往阻碍并联机床广泛应用和发展的 许多障碍和瓶颈，其性能和易用性均比t r i c e p t 机床优越。 1 3 2 国内混联机构的发展现状 国内的哈尔滨量具刃具集团有限公司、四川长征机床集团和台湾的友佳精工机械均引 进了瑞典艾克斯康公司的e x e c h o n 并联机床技术，分别开发了l i n k s - e x e 7 0 0 、e 3 0 0 s 和 x 7 0 0 r 型基于混联机构的高档数控机床。t r i c e p t 系列的机器人并联机构部分有3 个位姿 的耦合自由度，并且有导向杆，所有有明显的方向优势。借鉴了t r i c e p t 系列机构的设计原 理，天津大学的黄田教授发明了t r i v a r i a n t l l 6 之o j 机构，这种机构的运动学性能和t r i c e p t 系 列的相似。天津大学在5 自由度可重构混联机器人模块的示范工程应用和关键技术等方面 的研究取得了一定成就，先后创造了基于t r i c e p t 的五自由度混联机器人t r i v a r i a n t a 、改 进型t r i v a r i a n t b 及t r i c e p ti v ，如图1 8 所示。虽然在机构方面取得了一定的进展，但是 由于其刚度不高在应用方便还不是很广，只可应用于泡沫模型的切割，不适合刚度较大的 加工。 a ) t r i v a r i a n t - a ( b ) t r i v a r i a n t - - b ( c ) e x e - - m 图1 8 五自由度混联机器人t r i v a r i a n t 系列 混联机构的发展大部分得益于并联机构2 1 。2 5 1 的发展，2 0 0 7 年，黄田教授发明了一种 李士佩：五自由度模拟运动平台的构型及控制研究 新型可重构的5 自由度混联机器人模块e x e m ( 专利号c n l 0 1 0 4 9 6 9 2 2 6 j ) ，突破了e x e c h o n 机构的并联机床技术，其并联部分是空间轴对称布置的3 - s p r 机构，在整机承载能力分布 上较e x e c h o n 机床更为合理，同时具有很高的加工速度、高动态性能和运动部件重量轻等 特点。同时，该种机器人模型可用于复杂节点的高速制模和加工，并且可以根据多台模块 使用不同的布局或配以各种形式的机架，从而更灵活地针对不同工业应用构建出相应的柔 性制造单元或制造系统。 中国台湾的台湾大学开发了一种串并混联五轴联动机床，该机床的并联结构实现绕两 个轴的转动和沿一个轴移动，传统的两维滑台来实现两个轴方向的移动。图1 - 9 所示是大 连机床厂自主研发的d c b 5 1 0 2 7 1 五轴联动的串并混联机床，该机床主轴头绕两个轴的转 动由传统的串联结构实现完成，并联机构则负责分担x ，y 和z 方向的运动。 图1 9d c b - 5 1 0 五轴联动串并联机床 目前，作为一种新兴技术，串并混联机床继并联机床之后，在国内外均得到了广泛的 研究并取得了一定的成效。根据当前的形势可以断定混联机床研究的将会得到进一步的发 展和完善【2 妣圳。串一并混联机床的发展与并联机床相得益彰，并联机床的研究及相关的理论 及应用非常广泛，从并联机构的发展情况可看出混联机构有更大的发展空间，因此，串 并混联机构对工业的发展有着巨大的作用。 1 4 课题主要研究内容 由上述内容不难看出，在现有的五自由度串并混联机构的研究尚显不足，无法满足实 际应用的要求，而机构运动性能分析及结构综合在混联机构的研究中占重要地位，对于少 自由度并联机构，这些研究领域中现有的分析方法虽然多但都有一定的局限性，而且相关 研究方法杂乱，没有一套系统的研究理论。为了能给出一套完整的、系统的、切实有效的 分析过程，本论文以五自由度串并混联机构为主要研究对象，主要研究内容如下： ( 1 ) 混联机构的运动学研究介绍了风洞试验平台模拟运动原理，机构的自由度分析和 运动学关系。讨论模拟平台位置正反解的解法选择，根据并联与串联的耦合关系将模拟平 台的并联部分和串联部分正解与反解结合起来，通过修正牛顿迭代法的原理结合机构参数 将模拟平台的运动学关系在m a t l a b 软件中得以实现。 ( 2 ) 混联机构的静态分析将静力学分析方法中的几何法与分析法结合，作出模拟平 台的并联机构受力图。综合动平台和串联部分重力作用，计算出平台做模拟试验时每个电 动缸支链的驱动力随风速及动平台位姿的变化的方程组。在m a t l a b 软件中把模拟平台的各 个电动缸支链的受力情况随风速和位姿的变化以三维图的形式表现出来。 扬州大学硕士学位论文 ( 3 ) 混联机构固有频率分析推导出串一并混联联机构的广义刚度矩阵、广义质量矩阵和 固有频率方程。将得到的方程组结合机构的参数在m a t l a b 软件中计算其固有频率及相应的 振型。用a n s y s 软件对试验平台的固有频率进行仿真，通过仿真结果和推导出的固有频率 进行比较，分析推导过程的准确性。 ( 4 ) 基于混联机构模拟运动平台主要硬件的设计主要介绍模拟平台的硬件部分有控制 器、驱动器、伺服电机、电动缸、数据采集卡及编码器并对它们的主要功能和应用给出了 具体的介绍。还包括驱动器的电源控制、d c 电源及其它的连接和采集卡的连接原理。 ( 5 ) 基于混联机构模拟运动平台的伺服系统调试结合系统的控制流程图介绍了模拟 平台总的控制控制原理。描述了模拟平台伺服电机的调整过程及伺服电机理想工作状态时 的相应和稳定性曲线图。介绍了模拟平台的仿真运动、自由度释放运动和动平台的运动控 制操作步骤及注意事项。 李士佩：五自由度模拟运动平台的构型及控制研究 第二章混联机构的运动学研究 混联机构的运动学研究 3 0 - 3 3 】是对机构的尺度综合、伺服电机的参数、模拟执行端轨迹 运动等的基础。机构的雅克比矩阵反映了空间机构的驱动杆和动平台之间速度映射和力映 射关系【j 引。模拟平台位置的逆解是把末端模拟执行器参考点的位姿作为输出或输入量，求 解各驱动支链的输出或输入位姿，混联机构包括并联部分和串联部分的综合正反解。 本章首先描述模拟运动平台构型设计、运动原理和自由度的分析，通过讨论对机构的 分析所要采取的方法。这里首先对机构的并联部分进行运动学分析，然后将串联部分和并 联部分综合起来，用修正牛顿迭代法【3 5 】在m a t l a b 3 6 】软件中实现上述对机构的分析结果。根 据分析的过程和结果为下面的机构固有频率分析奠下了基础及提供参照。 2 1 混联机构的模型及运动原理 2 1 1 五自由度混联机构的机构原理 本次风洞实验运动平台最终采用串并联混合的方式，实现实验模型质心在风洞固定点 的五自由度的运动。风洞试验模拟运动平台的结构简图如图2 1 所示。 图2 - 1风洞实验运动平台的结构简图 1 基座 2 、6 转动关节3 电动缸 4 尾支杆5 弯刀装置7 运动平台 图2 - 1 为运动平台的结构简图，上平台和下平台之间为三条支链，每条支链由一根电 动缸和两个回转关节组成，三条支链布置在平行与x o y 平面的三个平面内，形成一个三自 由度的平面并联机构，该机构可以沿x 和y 方向移动和绕垂直于平面轴的转动，下平台可 以沿着x 轴移动。通过该并联机构，可以改变飞行器模型在风洞中的角度变化，同时，补 偿由于采用尾支杆而引起的运动平台的位移变化。在运动平台上有一个回转关节，其回转 轴线m n 在平面x o y 内。弯刀装置绕该轴线做回转运动，改变飞行器模型的偏航角。弯刀 扬州大学硕士学位论文 装置的另一端通过一个回转关节连接尾支杆，使尾支杆可以做绕体轴的滚转运动。而该平 台的模型体轴上的点m 是不变的，做偏航运动的时候沿着轴m l 转动。风洞试验模拟运动 平台的实物图如图2 2 所示 图2 - 2 风洞试验模拟运动平台 2 1 2 坐标系的建立 建立基础坐标系 b ：坐标原点与模型质心重合，z 轴方向垂直于3 - r p p 机构所在平 面，x 轴方向与下平台导轨方向一致； 3 r p p 机构下平台连体坐标系 f ) ：方向与 b - 一致，初始位置为下平台大致处于轨道 中点处，坐标原点在最左侧铰链f o 处，与模型后端对应，即b p f r o g = b p f o 3 r p p 机构动平台连体坐标系 m ) ：初始方向与与 b 卜一致，原点与模型质心重合； 试验连体坐标系 t ：原点位于模型质心处，x 轴与模型体轴一致，初始方向为将 b 绕其z 轴旋转至x 轴与模型体轴一致； 弯刀连体坐标系f w ：原点与模型质心重合，初始方向与模型连体坐标初始方向一致。 2 1 3 五自由度混联机构的机构的自由度分析 本文使用的公式是由赵洪刚【37 j 等人在“对空间机构自由度计算公式的探索”中对平面 机构和空间机构自由度计算公式进行验算并将计算空间机构自由度公式的重新表述 w = p z - 2 - 3 n( 2 - 1 ) 式中，尸z 为空间机构各级别运动副自由度总和；入为多余自由度，即空间机构自由度总数 吃髟与平面机构自由度总数p z 尸之差应该注意：空间机构中的多余自由度出现在级别、结构、 等值球面、平行共线、往复刚化的机构( 4 杆以上) 中；为空间机构的封闭环数目，绝大多数 是连接机架的封闭环，也有的是杆件构成的封闭环。本实验平台的运动副自由度总和为 p z = l1 ，a = 3 ，n = i 。代人公式( 2 1 ) ，可求出该机构的自由度数目为5 。 李士佩：五自由度模拟运动平台的构型及控制研究 2 2 运动平台混联机构闭环反馈的正解 2 2 1 运动学关系 串并混联机构如图2 - 1 所示，并联部分的上平台通过三个驱动电机分别连接动平台顶 点4 和底座的顶点西，p 和足分别表示动平台原点在参考坐标系中的位置矢量和姿态的变 换矩阵。根据动平台的姿态角和移动位移就可解出电动缸的矢量，即 = p + r a f b f ( f = 1 ，2 ，3 ) ( 2 - 2 ) 式中：a ，b ，分别是两平台顶点在各自坐标系中的位置矢量。乃是并联机构电动缸支撑 杆的矢量，( f = 1 , 2 ，3 ) 。 根据式( 2 2 ) ，各动平台顶点的速度可写成如下形式 1 1 耐= p + x r a j ( f21 , 2 ，3 )( 2 3 ) 式中在参考坐标系中动平台的角速度； 户在参考坐标系中动平台的移动速度。 式( 2 3 ) 写成成矩阵型式为 v 缸：户+ r 口，：【，r ( 玩) r r r 】pi ：l ，础文( f ：1 ，2 ，3 ) ( 2 - 4 ) 式中卜_ 单位矩阵； 赫动平台上点a ，的反对称矩阵； 文是动平台广义速度，爻= 户缈】； 厶工是动平台广义速度到动平台上顶点速度的雅克比矩阵。 将动平台上顶点速度向电动缸伸缩杆矢量方向投影，可得它们的伸缩速度 j f = ，二1 ，耐( i = 1 , 2 ，3 )( 2 5 ) 式中 i i 电动缸伸缩杆的伸缩速度( 州s ) ； k 一电动刚蝴杆的靴矢且 2 南。 将式( 2 3 ) 代入式( 2 5 ) 有 t = ，二v 耐= ，耐t r 十l 耐t r a f ) ( i = l ，2 ，3 ) ( 2 - 6 ) z=蓬巨a；2兰x；!三,2it习兰=，史 c 2 7 ， 扬州大学硕士学位论文 式中f 电动缸支撑杆的伸缩速度矩阵，f = f ，屯j