大型液压Stewart平台动态耦合特性

大型液压Stewart平台动态耦合特性 大型液压Stewart平台动态耦合特性 第43卷第9期 2007年9月 机械工程v.1.43No.9 CHrNESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGSep.2007 大型液压Stewart平台动态耦合特性冰 王伟谢海波傅新杨华勇 (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州310027) 摘要:耦合现象在液压Stewart平台中普遍存在,以大型液压Stewart平台为目标,采用AMESim和SimMechanics 对液压部分及平台机构部分分别建模.通过软件接口建立联合仿真体系对平台动态耦合进行定量分析,数值模拟 6缸动态特性在一致和有差异的情况下动态耦合的强度和规律,该仿真体系针对液压与并联机构进行分布式建模, 改善了建模精度.建立大型液压Stewart平台通用联合仿真模型,为Stewart平台的耦合研究提供了有效的理论研 究手段,能够针对平台进行前期耦合预测,保证设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的准确性与可靠性. 关键词:液压Stewart平台耦合AMESim联合仿真 中图分类号:TB24 0前言 对多自由度平台来说,耦合现象普遍存在.随 着Stewart平台应用越来越广泛,在耦合方面的关注 也越来越多,如变轴数控机床设计时必须考虑空间 并联Stewart平台机构的非线性耦合因卜引,空间 飞行器为保证飞行品质必须加入耦合控制【3】,在平 台标定中也要考虑耦J等. 对于大型Stewart平台,元件的加工,安装, 测量难度增加,各部件性能不一,其耦合特性对平 台的设计,控制更加重要】.目前很少有资料能明 确地阐明大型Stewart平台的动态耦合问题,用数学 方法推导也有很大的难度. 本文以大型Stewart平台为对象进行多软件模 块化联合建模.对液压部分采用专业的AMESim【6J 软件建模,保证单缸模型的准确性,平台动力学模 型是以SimMechanics为仿真平台,两者通过软件接 口联合仿真,针对大型并联Stewart平台的耦合特性 进行数值试验. 1Stewart平台耦合机理 Stewart平台是多变量,强耦合系统.6个单元 油缸动态响应的一致性直接影响平台的性能.从理 论角度而言,当6个液压控制单元输出响应完全一 致时,平台理论上不存在耦合误差.但在实际工程 中有两个主要因素造成液压控制单元输出不一致: ?各控制单元的非线性误差,如摩擦力,铰链的间 ?国家重点基础研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (973计划,2006CB705400)NI[]家自然 科学基金(50575200)资助项目.20060911收到初稿,20070426收到 修改稿 隙,平台的刚度等,这类非线性误差不仅会造成运 动模拟器在运动自由度上的振动,而且会在其他自 由度上产生激振.?各液压控制单元的响应特性不 一 致.通过动力学分析,不同位姿各液压控制单元 的负载特性不同,每个油缸响应也不同, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在输 出位移对指令位移的幅值比不同和相位滞后不同. 当给平台在某一自由度施加一个位移正弦激振信 号,由于各油缸响应不同,平台的实际位移输出与 指令位移存在偏差,这个偏差存在各自由度上,所 以,运动模拟器除了在"激振"信号自由度上有一个 响应外,还会在其他自由度产生激振,其频率与信 号频率相同,从而产生耦合现象. 2液压一机构联合仿真 对Stewart平台的仿真研究,国内外研究人员很 多基于数学推导,通过编程,在VC++和OpenGL 环境下或者在Simulink等环境下实现建模【7】,数学 推导较复杂,很多因素被简化导致整体模型精度较 差,大部分模型只能对平台进行一些定性分析.然 而耦合分析对数学模型精度的依赖性很强,同时也 对模型的计算效率提出了很高的要求.本文把平台 液压部分与机构部分分别用专业软件建模,改善建 模精度,通过接口无缝连接,完成快速联合仿真. 2.1液压建模 由于分支油缸的性能对整个平台动态影响非常 关键,因此在建模时要重点考虑,采用机电液专业 仿真软件AMESim,该软件对液压部分单独建模, 其自带的智能求解器能保证运算的精度,并有良好 的扩展性.在对关键元件进行参数测试基础上,根 据液压原理图(图1)搭建分支油缸系统模型,最后通 过单元试验验证模型的准确性., 2007年9月王伟等:大型液压Stewart平台动态耦合特性13 图1AMESim中单缸控制系统仿真模型 从静态特性看仿真与实物性能都能达到所要求 的静态性能,在此不作赘述.动态耦合涉及到单缸 的动态性能,实物单缸动态响应为一3dB和一9O.,频 宽达到15Hz,仿真结果如图2所示,从伯德图可 以看出两者相当吻合,说明所建立的单缸模型对于 动态响应精度符合要求. ? 馨 O - 20 — 4o 毽 一 6O 罂一 8O — l0o l 频率f/Hz (a)幅频曲线 频率f/Hz (b)相频曲线 图2AMESim中单缸动态响应仿真结果 2.2平台机构建模 在SimMechanics软件中搭建平台机构模型,利 用Matlab强大的数学计算能力,同时方便引入控制 策略,对机械结构多刚体运动分析,实现三维并联 机械结构的动力学建模与仿真.在模型中考虑机构 的空间几何分布,考虑平台和各支路的质量惯量, 对机构的链接部分建立相应的连接副,并预留输入 输出接口. 2.3软件接口与测试 液压部分即6个油缸系统和平台机构部分分别 在两个软件中建模,通过软件接口进行数据交换, 完成整体无缝连接,从而实现整个系统的联合仿真. 图3是两个软件无缝连接联合仿真的原理图. AMESim液压模型中,油缸把液压驱动力输出到软 件接口,同时通过软件接口接收反馈回来的各个油 缸的位移,速度等参数;Simulink中机构模型则是 通过软件接口得到液压驱动力,经SimMechanics 的机构模型计算后输出位移速度等给软件接口,从 而完成了整体的无缝连接. 同l显示J, ..................... 对软件接口进行测试,同时检验联合模型的准 确性,对平台进行了模拟信号跟踪试验,所建的模 型产生的输出误差都在允许的范围内. Stewart平台耦合分析 在耦合性试验中,主要考察6个液压缸动态响 应一致和不一致时平台的位姿情况.分析液压缸 在响应一致与否的情况下平台的耦合情况,以定 性观察与分析耦合原因,在此基础上进一步量化 液压缸响应特性的不一致性分布对耦合程度的影 响.图4为平台的坐标定义,并对6个油缸支路进 行了编号. 图4平台的坐标定义 3.16个液压缸动态响应一致 3.1.1对称位置情况 在对称位置情况下,仅给平台z方向输入正弦 信号如图5所示,观察其他方向上的耦合情况,输 入参数及输出误差如表1. 试验结果表明,在对称位置情况下,,Y方向 无耦合.z方向仿真曲线与目标曲线的差异属于跟 踪误差,且在允许的误差范围内. 14机械工程第43卷第9期 { 氇 时间f/s 图5z方向位移曲线 表1输入参数及输出误差表(对称位置) 3.1.2非对称位置情况 在非对称位置情况下,仅给平台z方向输入正 弦信号,观察其他方向上的耦合情况,输入参数及 结果如表2所示. 表2输入参数及输出误差表(非对称位置) 试验结果表明,在非对称位置情况下,,Y方 向同样无耦合,z方向仿真曲线与目标曲线的差异 属于跟踪误差. 上述两组数值试验表明,6个液压缸动态响应 一 致时,平台不存在动态耦合. 3.26个液压缸动态响应不一致 液压缸动态响应不一致的分类情况较多,设定 平台的初始位置在对称位置,输入均如表l的输入, 仅给平台z方向输入正弦信号. 3.2.1一个油缸与其他油缸响应不一致 5个油缸响应一致,另一个油缸特征频率与其 他相差lHz时,在图4定义下,由平台机构的对称 性可知仅有一种分类情况,由于全局坐标系已确定, 因此选取哪个作为不一致油缸,产生的结果在空间 上是一样的,即+y不变,取相邻的第1个油缸和 第6个油缸为例作对比,,Y方向的耦合情况分别 如图6,7的位移输出曲线所示. 由图6,7可知,上述两种情况,Y方向都出 现耦合,根据定义的全局坐标系,两种情况相位不 一 致,但总幅值+y一样,两种情况下z方向仿真 曲线一致,z方向仿真曲线与目标曲线有差异,属 于跟踪误差.从仿真结果及机构结构分析可知这两 种情况在空间上属同一类. O O O O E0 登一. 一 O — O — O O 0.20I30.40.50.6 时间f/s 图6油缸1不一致时,Y方向位移曲线 时间f/ 图7油缸6不一致时,Y方向位移曲线 3.2.2两个油缸与其他响应不一致 4个油缸响应一致,另两个油缸特征频率与其 他相差1Hz时,由于平台机构的空间对称性,有四 种不同的情况,Y方向的耦合情况如表3所示. 表3X,Y方向耦合结果表(4油缸响应一致) 试验结果表明,两个油缸与其他响应不一致, 上述四组试验都出现耦合现象. 3.2.33个油缸与其他响应不一致 3个油缸响应一致,另3个油缸特征频率与其 他相差lHz时,由于平台机构的空间对称性,有四 种不同的情况,Y方向的耦合情况如表4所示. 试验结果表明,三个油缸与其他响应不一致, 在第三种情况对称分布时Y方向没有耦合现象, 其他情况都出现耦合情况. 2007年9月王伟等:大型液压Stewart平台动态耦合特性 表4X,Y耦合结果表(3个油缸响应一致) 3.3特性分析 根据上述几种情况,可对Stewart平台耦合特性 作如下分析. (1)液压缸动态响应频率一致时,不产生动态 耦合,所存在的误差是跟踪误差,且在允许的误差 范围内. (2)液压缸动态频响相差1Hz时,平台耦合随 不一致缸的数量及空间分布有关.仅有一个缸不一 致时,,Y方向都出现耦合;两个缸不一致时,都 出现耦合情况;3个缸不一致时隋况较复杂,当这3 个缸在空间对称分布时,Y方向无耦合现象,其他 几种情况都出现耦合显现,并且,Y方向的输出位 移的幅值和相位随不一致缸的分布不同变化较大. (3)液压缸动态响应频率不一致时,若产生动 态耦合,则耦合的频率和输入信号频率相同. 4结论 通过对液压部分AMESim单独建模及 SimMechanics中平台机构建模,结合软件接口完成 了Stewart平台联合建模与仿真.该参数化联合仿真 模型对于液压Stewart平台具有通用性,可进行耦合 预测和性能优化,提出切实可行的设计指标,同时 模型的模块化,数字化可为相关的研究提供良好的 研究平台.对大型液压并联Stewart平台耦合特性进 行数值试验结果表明,当单缸液压系统响应一致时, 平台无动态耦合特性;而单缸液压系统响应不一致 时,平台存在动态耦合,耦合情况与缸不一致的数 量及几何结构分布有关.因此保证单缸液压系统动 态频响一致性是液压缸设计的关键,也是保证整个 Stewart平台性能的关键.耦合分析也表明了在设计 大型液压Stewart平台时必须进行耦合预测分析与 优化. 参考文献 【1]丁洪生,王迪华,刘惠林.BKX-I型变轴数控机床运动 学仿真建模及实现[J].北京理工大学,2001,2l(4): 434—439. 【2]史长虹,张建民,张同庄,等.变轴数控机床重复定位 精度评定策略探讨[J].北京理工大学,2001,21(4): 450.453. 【3]徐瑞娟.六自由度独立控制飞机飞行品质研究[J].西北 工业大学,l994,12(4):659.663. 【4]刘文涛,唐德威,王知行.Stewart平台机构标定的鸡尾 酒法[J].机械工程,2004,40(12):48.52. 【5]SIROUSPOURMR,SALCUDEANSE.Nonlinear controlofahydraulicparallelmanipulator[C]//Proceedings ofthe200lIEEEInternationalConferenceonRobotics& Automation.Seoul,Korea:IEEE,200l:3760.3765. 【6]余佑官,龚国芳,胡国良.AMESim仿真技术及其在液 压系统中的应用[J].液压气动与密封,2005(3):28.31. 【7]曲中英,翁正新.基于Simulink的Stewart平台仿真研究 . 计算机仿真,2005,22(4):264.268. CoUPLINGCHARACTERISTICS oFLA.RGEHYDRAULICSTEWART PLATFoRM WANGWei)fiEHaiboFUXinYANGHuayong (StateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmission andControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027) Abstract:Thecouplingcharacteristicsarealwaystakeninto considerationwhendesigningthehydraulicStewartplatform. ThelargehydraulicStewartplatformisstudiedonthecoupling dynamics.Acombinedsimulationmethodisdevelopedin whichthehydraulicsystemmodelisbuiltinsoftwareAMESim, andtheparallelmechanismsystemmodelisbuiltinsoftware SimMechanics.Wichthesimulationsystemthedynamic couplingcharacteristicsarestudiedunderalternativesitu~ions dependedonthedynamicconsistencyofthesixhydraulic cylinders.Thesimulationsystemwhichisuniversalindifferent hugehydraulicStewartplatformsisofhighaccuracy,and providesatheoreticalresearchtechniqueofthecouplingstudy fortheStewartplatform.Inaddition,thesimulationsystemCan pre-estimatethecouplingstate,thereforeitensurestheaccuracy andthereliabilityofthedesignscheme. Keywords:HydraulicStewartplatformCouplingAMESim Combinedsimulation 作者简介:王伟,男,1981年出生,博士研究生.主要从事液压6自由 度并联机构方面的研究. E—mail:leowz@zju.edu.cn