六自由度振动台控制原理和使用.pdf

六自由度振动台控制原理和使用 许 胜 奇瑞汽车股份有限公司 摘要 六角并联的六自由度振动台 通过改变六个执行器伸缩行程 来实现平台空间六自由度运动 垂向 横向 纵向 翻滚 俯仰 摇摆 以及绕这些自由度的复合运动 通过采集试验场汽车零部件在试验场运行的振动信号 包括振 动加速度 三向力 位移等 在六自由度振动台上再现 考核汽车零部件的疲劳寿命 关键词 六自由度振动台 六角并联 再现 疲劳寿命 引 言 随着液压伺服技术和计算机技术的飞速发展 液压系统 具有控制精度高 性能稳定等优点 在汽车零部件振动试验 中得到了越来越广泛的应用 并联机构的运动平台同时由 根杆支撑 与串联的悬臂梁相比 刚度大 而且结构稳定 并联机构较串联机构在相同的自重或体积下 有高得多的承 载能力 串联机构的误差是各个关节误差的积累和放大 因 而误差大 精度低 并联机构的误差趋于平均化 因此误差 小 精度高 液压执行器处于移动平台下 减小了运动负 荷 动力性能好 位置求解上 串联机构正解容易 但反解 十分困难 而并联机构正解困难 反解却非常容易 并联和 串联两种结构如图 和图 所示 图 六自由度振动台串联结构 试验系统控制原理 设计思想 该机构的线性执行机构一般为液压缸 具有伸缩的能 力 相当于一个移动副 液压缸的活塞 活塞杆与缸筒 图 六自由度振动台并联结构 间可以实现一个自由度的回转 因此液压缸活塞和缸 筒间具有两个自由度 和 因此 该机构称为 并联机构 若在三维空间中有 个完全不受约束的物体 并 且任选其中的一个为固定参照物 因每个物体相对参照物都 有 个运动自由度 则 个物体相对参照物共有 个运动自由度 若在所有的物体之间用运动链联接起来 如 果所有 个物体之间的运动副数目为 个 而且第 个运动 副的自由度数为 则机构的自由度可以表示为 上式为 公式 是一般形式的空间机构 自由度计算公式 对于 并联机构来说 包括固定平台在内 共有 个刚体 个运动副 每个运动副 都具有两个自由度 因此 并联机构的自由度为 可见 并联机构具有六个自由度 其运动平台可 以实现空间六个自由度的运动 图 图 中国汽车工程学会年会论文集 图 振动台并联结构简化模型 图 振动台并联结构坐标系 系统控制原理 用六自由度振动台进行汽车零部件台架模拟试验时 我 们通常是采集零部件的几个薄弱点位置的加速度 近似按照 实车状态把样件安装在六自由度振动台上 在试验室内再现 汽车零部件的振动情况 姿态旋转矩阵 平动 平台的位置 欧拉角 欧拉角用绕轴 旋转角 绕轴 旋转角 绕 轴旋转 角 来描述任何可能的姿态 平台的速度 平台的位置的变化率 台体角速度 与欧拉角变化率 之间的关系 式中 为旋转变换矩阵 为上铰点在连体坐标系 中的径矢 为下铰点在惯性坐标系 中的径矢 下标 表示第 个液压缸 第 个液压缸的单位方向矢量为 液压缸长度可由下式得到 液压缸伸长速度可以用通过上铰点速度沿液压缸方向投 影得到 对液压缸长度进行微分得到 式中 为第 个液压缸上铰点的运动速度 写成矩阵方程的形式 并定义雅克比矩阵 式中 为 六 个 液 压 缸 伸 长 速 度 构 成 的 矩 阵 为液压缸的单位方向矢量 组成的矩阵 为上铰 点速度组成的矩阵 为平台广义速度组成的矩阵 是描述六自由度运动平台的一个极为重要的量 它 将平台速度到液压缸伸长速度联系起来 其转置将液压缸出 力与平台出力之间联系起来 液压缸伸长加速度 液压缸单位向量的微分为 可得液压缸运动的加速度为 上铰点加速度 式中 为投影举证 它将上铰点向量 投 影到与平台单位角速度 方向正交的平面上 控制策略 图 单个液压执行器控制策略 在单个液压执行器液压伺服系统中 控制器给系统一个 命令信号 通过比例增益 积分增益 微分增益等 同时对 比反馈信号 进行闭环控制 驱动电动伺服阀动作 保证液 压执行器按照程序命令来执行 六自由度振动台控制策略 为了保证振动台按照程序命令动作 在低频时用位移模 式控制 高频时用加速度模式控制 在软件系统里可以设置 临界切换频率 个液压执行器上面分别有 个位移传感 器 同时振动台上 个角上均布 个加速度传感器 个 方向 个 方向 个 方向 系统不断对比液压缸的 中国汽车工程学会年会论文集 位移 振动台加速度和系统程序命令的位移 加速度 并对 比位移 速度 加速度误差 同时保证系统的稳定性 修正 伺服阀驱动 保证振动台按照程序命令来执行动作 图 单个液压执行器控制图 六自由度振动台试验 六自由度振动台能够验证汽车冷凝器散热器 图 仪表板 图 蓄电池支架 油箱 发动机进气排气系统 电子电器 前照灯 音响等 悬置系统 图 座椅 图 等 具体实施方法是先采集汽车某个关键部件在用 户或试验场的振动加速度 力 位移 扭矩等信号 再把采 集数据的样件 按照实车状态安装在六自由度振动台上 驱 动振动台使零部件按照数据采集时运动 同时监控样件的受 力和位移等 最终对样件的振动传递情况和疲劳寿命进行评 价 验证产品是否满足设计要求和用户使用要求 图 冷凝器系统试验 图 仪表板系统试验 图 悬置系统试验 图 座椅性能试验 试验结论 经过多轮室内六自由度振动台模拟试验 发现六自由度 振动台能很好地模拟汽车在试验场的振动情况 根据积累的 试验经验 应不断提高试验精度 如下几个方面需要特别 注意 保证台架试验按照与实际路试采集车安装一致 约 束方式 夹具刚度 同时应考虑用户使用温度 光照等 情况 台架模拟试验重点是求驱动信号 为了保证试验精 度 迭代安装的样件与道路数据采集的样件为同一个样件 路试采集传感器安装位置和台架传感器安装位置一致 六自由度振动台模拟试验目标控制信号通常是加速 中国汽车工程学会年会论文集 度信号 但试验场采集应该采集一些应变 力和位移等监控 信号 在台架上监控台架试验精度 六自由度振动台模拟试验主要是模拟汽车的路面激 励振动