《运动模拟器结构参数优化与数字样机研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动模拟器结构参数优化与数字样机研究（152页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分类号： TP242 单位代码： 10335 密 级： 公 开 学 号： 10408070 博士学位论文 中文论文题目：中文论文题目：运动模拟器结构参数优化与数字样机研究运动模拟器结构参数优化与数字样机研究 英文论文题目：英文论文题目： Research on Optimization and Virtual Prototype for Large Hydraulic Parallel Simulators 申请人姓名： 王伟 指导教师： 傅新 教授 合作导师： 专业名称： 机械电子工程 研究方向： 机电液系统设计及控制 所在学院： 机械工程学系 论文提交日期 2009 年 4 月 运动模拟器
2、结构参数优化与数字样机研究运动模拟器结构参数优化与数字样机研究* 论文作者签名论文作者签名: 指导教师签名指导教师签名: 论文评阅人 1： 高峰教授上海交通大学 评阅人 2： 谭建平教授中南大学 评阅人 3： 高英杰教授燕山大学 评阅人 4： 姜继海教授哈尔滨工业大学 评阅人 5： 屈福政教授大连理工大学 答辩委员会主席： 李平教授浙江大学工业控制技术研究所 委员 1： 邵雪明教授浙江大学流体工程研究所 委员 2： 傅建中教授浙江大学现代制造工程研究所 委员 3： 胡旭东教授浙江理工大学机械电子工程研究所 委员 4： 阮晓东教授浙江大学机械电子工程研究所 委员 5： 傅新教授浙江大学机械电子工
3、程研究所 答辩日期： 2009 年 6 月 6 日 * 国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目，巨型重载操作装备的基础学科 问题，编号：2006CB705400 Research on Optimization and Virtual Prototype for Large Hydraulic Parallel Simulators* Authors signature: Supervisors signature: External Reviewers: Prof. Gao Feng, Shanghai Jiao Tong University Prof. Tan Jianping,
4、Central South University Prof. Gao Yingjie, Yanshan University Prof. Jiang Jihai, Harbin Institute of Technology Prof. Qu Fuzheng, Dalian University of Technology Examining Committee Chairperson: Prof. Li Ping, Zhejiang University Examining Committee Members: Prof. Shao Xueming, Zhejiang University
5、Prof. Fu Jianzhong, Zhejiang University Prof. Hu Xudong, Zhejiang Sci-Tech University Prof. Ruan Xiaodong, Zhejiang University Prof. Fu Xin, Zhejiang University Date of oral defence： June 6, 2009 * Supported by the National Grand Fundamental Research Program of China(973 Program, No. 2006CB705400) 浙
6、江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得 浙江大学浙江大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学浙江大学 可以将学位论文的 全部或部分内
7、容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 浙江大学博士学位论文 致谢 I 致谢致谢 谨以此文献给所有关心、爱护、帮助我的师长、同学和朋友们，以表达我由衷的感谢 之情！ 本论文是在尊敬的导师傅新教授的指导下完成的。 从本科进入实验室至今六年的学习 和生活中，导师给予了我悉心的指导、莫大的关怀和鼓励。在课题组的学术会议上亦或平 时的交流中，导师都从不同层面上给予点拨与引导，使我清晰的感觉到每一步成长。傅老 师渊博的学识、科技报国的思
8、想、忘我的工作精神深深地影响着我，平易近人、幽默的风 格则使我在学习和生活中保持愉悦的心情，感谢傅老师给我提供了如此良好的平台。在此 谨向导师表示忠心的感谢和深深的敬意。 衷心感谢上海航天院任安业、邹怀武等对本课题给予的指导与帮助。 感谢课题组阮晓东教授在生活和学习上给予的真挚关怀， 同时感谢流体传动及控制国 家重点实验室的杨华勇教授、周华教授、徐兵教授、龚国芳教授、王庆丰教授、陈鹰教授、 王宣银教授在科研过程中所给予的热心帮助和支持。 感谢我的师兄、 现已为副教授的谢海波和邹俊在我博士课题研究期间提供的指导和帮 助，同时感谢课题组的陈水宣博士、王驰宇博士、杜学文博士、段萱苡硕士、金艳硕士、
9、姜勇硕士、牟宏伟硕士、党田峰硕士、顾其丰硕士，感谢陈文昱博士生、胡亮博士生、黄 硕博士生、徐一鸣博士生、陆亮博士生、侯交义博士生、徐明博士生、陈颖博士生、崔逊 波硕士生、吉晨硕士生、郭丽媛硕士生，这个大家庭互助友爱，也使得读研的生活丰富多 彩。感谢王静、成琳琳、张增猛、王彬、翟江、谢安桓、宋伟等对我的关照，感谢吴乐彬 在实验上的帮助，并祝你们在以后的学习和生活中一帆风顺。 感谢同窗十年的好友刘松国、付强、王海波、吴世军、李勇、徐志鹏在科研与生活上 给予的帮助与照顾，永远难忘这段一起走过的日子，结识你们是我一生的财富。 杭州独特的人文山水、浙江大学的百年积淀与求是创新的氛围，给我留下了诸多美好
10、的记忆，这十年的求学经历将使我终身受益。 特别感谢我最亲爱的父亲与母亲，没有你们多年始终如一、毫无保留的支持，我今天 所取得的一切将是无法想象的！谁言寸草心，报得三春晖，我会经常回去探望你们的。感 谢我的姐姐、姐夫和女友，在我求学过程中给予的无微不至的关怀与支持！我今天的劳动 成果是家人多年来的热切期盼，希望能够以此作为对他们的回报。 浙江大学博士学位论文 致谢 II 最后， 谨向百忙中抽出宝贵时间评阅本论文的各位专家及答辩委员会委员致以最诚挚 的谢意！ 王伟 2009 年 4 月于浙大求是园 浙江大学博士学位论文 摘要 III 摘要摘要 运动模拟器用来替代真实设备训练操作者对设备的操纵能力及
11、研发相关设备，在科 研、生产、生活中发挥了重要作用。六自由度并联运动模拟器由于其位臵精度高、承载能 力大、动态性能优越，从而在航空、航天、海洋等领域内得到了广泛的应用，但其并联闭 环结构导致了其内在缺点：工作空间小、存在奇异位臵、非线性强、耦合影响大。大型高 精度、高动态响应并联运动模拟器，一般采用液压驱动，液压系统自身的非线性特性结合 并联机构的强耦合性给控制带来了较大难度，使机构控制很难满足动态响应要求，现有大 型六自由度运动模拟器的控制带宽均较小，严重制约了它的应用。 本论文以大型高精度、高动态响应并联运动模拟器为研究对象，系统地开展了从结构 参数设计到模拟器控制的研究。首先建立了系统的
12、动力学模型，充分考虑了液压支路质量 惯量的影响，分析了大型运动模拟器液压支路的动态特性；将结构参数设计与液压系统动 态响应带宽相结合，提出了基于系统固有频率的结构参数优化设计方法，研究了不同构型 结构参数的影响规律，并将此方法成功应用于实际运动模拟器的设计中，有效提高了其控 制带宽，为大型高精度六自由度并联运动模拟器的设计提供了一种新的方法；建立了基于 接口的运动模拟器机电液多领域数字样机模型，采用连续性判断及修正方法，保证了数字 样机联合仿真模型的精度；基于数学模型、数字样机及实验验证，分析了并联运动模拟器 耦合特性，并利用支路间的耦合规律，提出了基于耦合支路的解耦控制策略，有效减弱了 支路
13、及广义自由度间的耦合输出，为并联运动模拟器的控制策略研究提供了新的方案。 论文的主要研究内容如下： 第一章，在综合国内外文献的基础上，介绍了运动模拟器特别是六自由度并联运动模 拟器的发展历史、结构特点及应用前景。重点从运动学、动力学、控制策略、硬件控制方 案及综合优化设计等方面介绍了并联运动模拟器的研究现状及研究热点， 分析了其发展趋 势及有待进一步研究的问题，最后根据本课题研究的目的和意义，给出了主要研究内容。 第二章，基于 Lagrange 法建立了液压六自由度并联运动模拟器的完整动力学模型， 考虑了活塞杆及油缸的全部质量惯量，构建了系统等效质量惯量矩阵，并进行了准确性验 证。通过数值计算
14、对比分析了传统简化模型与完整模型的差异，作了等效质量惯量矩阵的 分布特性研究，并引入平台加速度和质量比研究了支路对系统静力学、动力学的影响，为 大型液压六自由度运动模拟器动力学研究提供了准确可靠的理论基础。 第三章，将运动模拟器的结构参数设计与液压系统动态响应带宽相结合，提出了基于 浙江大学博士学位论文 摘要 IV 固有频率的结构参数优化设计方法。建立了广义固有频率数学模型，并对模型进行准确性 验证。在此模型基础上，分析了不同构型动静平台直径比及铰点角度对频率的影响。重点 针对 6-6 SPS 构型研究了不同结构参数对固有频率的影响，结合液压系统得到了液压关键 参数的影响规律。经过优化设计及工
15、作空间等验证校核，完成了大型液压六自由度运动模 拟器的结构参数优化设计。 第四章，针对液压六自由度运动模拟器涉及机、电、液、控制等多领域的特点，开展 了基于接口的多领域建模方法研究，探讨了多领域多软件接口的控制策略，建立了液压六 自由度运动模拟器的多种通用联合仿真模型，并针对多领域联合仿真模型的精度问题，开 展了接口类型及处理方式对模型精度的影响研究。提出了采用连续性判断及修正方法，消 除了不连续性现象，保证了联合仿真模型的精度。 第五章，对运动模拟器进行了数字样机数值计算及实验研究。重点针对并联运动模拟 器的内在交联耦合特性，通过数学模型、数字样机及实验验证，系统研究了两个方面的耦 合特性：并联机构支路不一致带来的广义自由度耦合、支路间的交联
