一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，所述并联运动模拟器是基于并联机构的运动模拟器，包括动平台、静平台、驱动机构以及约束机构组成，可以实现周期性往复运动。部分此类运动模拟器的功率很大，因此采用弹性元件将并联运动模拟器的动平台和静平台连接起来，使动平台与弹性元件构成振动系统，而并联机构的驱动机构为外部激励源。根据弹性元件的布置方式设计其刚度，使振动系统的固有频率与并联运动模拟器的工作频率接近甚至相等。当动平台以工作频率做周期性往复运动时，振动系统处于共振状态，动平台的动能与弹性元件的弹性势能相互转化，减小了驱动支链输入的能量，从而大大地降低了并联运动模拟器的功率。
【专利说明】一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于并联运动模拟器设计及优化方法领域，涉及一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法。
【背景技术】
[0002]能够模拟船舶在水面上做横摇、纵摇及升沉等典型运动、基于并联机构的运动模拟器往往被形象地称作并联摇摆台。并联机构作为并联运动模拟器的主体结构，如图1所示，通常由动平台、静平台、驱动机构组成，部分少自由度机构还含有约束机构。动平台做周期性往复运动；驱动机构精确地控制动平台的运动，动平台的能量变化完全由驱动机构输入、输出实现；对于少自由度并联机构，约束机构约束住不需要的方向上的运动。
[0003]舰船运动模拟器往往需要模拟船舶横摇、纵摇、升沉等典型运动，这些运动属于周期性往复运动，一般可以用正弦规律描述。用于上述运动模拟的并联运动模拟器具有多种形式，如:有两自由度并联运动模拟器、三自由度并联运动模拟器及六自由度并联运动模拟器。其中两自由度并联运动模拟器可以模拟横摇、纵摇及两者复合的运动；三自由度并联运动模拟器可以模拟横摇、纵摇、升沉及其复合运动；六自由度并联运动模拟器可以模拟三个移动自由度方向及三个转动自由度方向的运动。运动过程中，动平台的动能周期性地增加、减少。当动能增加时，驱动支链对动平台做的总功是正功，做功大小等于动能的增加量；当动能减少时，驱动支链对动平台做的总功是负功，做功大小等于动能的减少量。考虑机械效率小于I并且不同支链间存在动力耦合现象，平台消耗的总能量大于支链做功总和。
[0004]由于船舰是大型设备，部分摇摆台的尺寸和载荷都很大，在上述往复做功过程中支链消耗的能量是巨大的。当动平台尺寸较大时，由于自重增加及支撑之间跨度变大，对其强度、刚度要求变高，设计质量增加，从而导致驱动支链负担增大，直接导致额定功率很大，实际运行中的能耗很大，电力设备的装机容量高，使用及制造成本急剧上升。
[0005]目前提高并联摇摆台的承载能力、降低额定功率的方法主要是增加并联机构的液压驱动支腿以及增加支撑机构等，这些方法平衡了动平台及负载的部分重力，起到了一定的作用，但并没有平衡掉惯性力，而且增加了系统复杂性增加了制造成本；部分文献中提出运用铝合金等材料制作动平台等，通过部件减重降低了驱动支链负担，但在实际应用中，由于结构强度、刚度限制，该方法具有很大的局限性。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提出一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，将并联运动模拟器中并联机构的动平台与静平台间设置弹性元件，使动平台与弹性元件间构成振动系统，降低并联机构中驱动机构的功率。
[0007]所述弹性元件的刚度确定方法如下:
[0008]A、当并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率为定值时，弹性元件刚度确定方法如下:
[0009]根据振动力学理论，得到振动系统的固有频率计算模型，为:
[0010]co0 = f(K)(I)
[0011]式⑴中，COtl是振动系统的固有频率，K = (K1, K2，…Ki,...，!(?) ,Ki为第i个弹性元件的刚度，η为弹性元件的总个数；
[0012]设定各个弹性元件的刚度值，直至振动系统在各个自由度方向上振动的固有频率与对应自由度方向上的工作频率Of相等。
[0013]B、若并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率是一个范围时，弹性元件刚度确定方法如下:
[0014]建立具有弹性元件的并联运动模拟器的动力学模型，求出一个周期内并联机构中的驱动机构消耗功率P:
[0015]P = f (K, ω)(2)
[0016]根据上述功率计算模型，设定各个弹性元件的刚度值，可使并联运动模拟器工作频率ω范围内的最大功率值最小。
[0017]所述弹性元件的初始力为:使各个弹性支链的初始力的合力与动平台重力大小相等、方向相反。
[0018]所述弹性元件的安装位置优选为:动平台处于水平状态时，使弹性元件处于竖直状态，和或弹性元件相对于动平台转轴轴线两侧对称位置布置。
[0019]本发明的优点在于:
[0020]1、本发明利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，采用弹性元件将并联运动模拟器的动平台和静平台(或地面)连接起来构成一个振动系统，在并联运动模拟器做往复运动过程中，动平台的动能和弹性元件的弹性势能相互转化，从而减小了驱动机构的能量输入，大大降低系统的额定功率，同时，提高了并联运动模拟器使用时的安全性；
[0021]2、本发明利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，在并联运动平台的动平台处于水平位置时，通过设计弹性支链的预压紧量，从而可以平衡动平台的重力；
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为通常并联机构的结构示意图；
[0023]图2为本发明方法的并联运动模拟器工作时能量转化示意图；
[0024]图3为本发明方法流程图；
[0025]图4为并联运动模拟器以不同频率做周期性往复运动过程中一种典型的功率随运动频率变化曲线；
[0026]图5应用本发明方法与未应用本发明方法的并联运动模拟器功率随运动频率变化曲线；
[0027]图6为实施例中的应用本发明方法的并联运动模拟器结构简图；
[0028]图7为实施例中在并联运动模拟器的合页式结构的简图；
[0029]图8为实施例中在并联运动模拟器上建立的坐标系的示意图；
[0030]图9为实施例中弹性支链的结构简图；
[0031]图10为在动平台转动轴线两侧对称位置上弹性支链布置示意图；
[0032]图11为弹性支链在合页结构上布置方式示意图；
[0033]图12为在动平台转动轴线上弹性支链布置示意图。
[0034]图中:
[0035]1-动平台2-静平台 3-驱动支链
[0036]4-中央移动副5-合页式结构6-外导向装置
[0037]7-圆柱螺旋压缩弹簧 8-伸出杆 9-虎克铰
[0038]501-合页上部502-合页下部
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0040]一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，为了减小能量消耗，在并联运动模拟器的并联机构动平台与静平台间加装弹性元件，从而在并联运动模拟器中构造一个振动系统，使在动平台运动过程中，能量在不同部件间转化；当动平台动能减小时，通过弹性元件吸收动平台减少的动能，将其转换为弹性势能并储存起来；在动平台动能增加时，弹性元件通过做功的方式将弹性势能释放，降低了动平台周期往复运动过程中的额定功率。当振动系统共振时，动平台的动能的变化量与弹簧弹性势能的变化量相等。如图2所示，具体步骤如下:
[0041]步骤一:根据并联运动模拟器设计需求，设定弹性元件的结构、安装位置与个数，使并联运动模拟器中并联机构的动平台与弹性元件构成振动系统；
[0042]弹性元件可采用圆柱螺旋压缩弹簧、气弹簧等具有弹性特性的部件，两端分别通过运动副与动平台和静平台连接，运动副可采用球铰、虎克铰等，由此，实现弹性元件在并联机构上的安装。弹性元件可采用伸缩缸体结构，置于导向装置(内导向装置或外导向装置)中，通过导向装置防止弹性元件侧向弯曲而失去稳定性；如图3所示，弹性元件端部设置有伸出杆，伸出杆的伸出端由导向装置顶端面伸出；并在导向装置底端与伸出杆的伸出端处安装运动副连接件；由此，使弹性元件形成弹性支链结构。上述弹性支链中可根据实际情况采用有一个弹性元件，也可采用一个以上的弹性元件并联或串联。具体根据动平台与静平台间距，以及所需弹性元件的刚度，通过弹性元件的串联弥补弹性元件长度的不足；根据弹性元件的并联弥补弹性元件刚度的不足。
[0043]弹性元件的安装位置与个数较灵活，根据并联机构的结构与试验需要，在动平台与静平台间设定弹性元件的初始安装位置，优选为:动平台处于水平状态时，弹性元件处于竖直状态，和或使弹性元件相对于动平台转轴轴线两侧对称位置布置。
[0044]通过上述方式在并联机构中加入弹性元件后，使动平台与弹性元件构成一个振动系统。
[0045]步骤二:设计弹性元件的刚度，使并联运动模拟器在工作频率范围内消耗功率减小;
[0046]从振动系统的角度考虑，驱动机构为系统提供一个激励，振动系统在激励的作用下运动。整个振动系统是一个受迫振动模型。激励是一个给定的广义位移X，振动系统的质量是M，刚度是K，考虑到质量、刚度相对于阻尼很大，为简化起见，令振动系统的阻尼C =0，则振动系统的动力学方程为:
[0047]MX+ KX ^ F(I)
[0048]当工作频率等于系统固有频率时，振动系统发生共振现象。驱动力等于零，功率也最小。此时振动系统的动力学方程为:
[0049]MX + KX = O⑵
[0050]从能量守恒角度考虑，并联机构中，惯性单元(动平台)的动能与弹性单元(弹性元件)的弹性势能相互转化，同时驱动机构对振动系统做功。如图3所示，当惯性单元的动能减小时，减小的动能一部分由于阻尼等原因损耗掉，一部分转换为弹性元件的弹性势能储存起来；当惯性单元的动能增加时，弹性元件的弹性势能减小，减小的弹性势能一部分由于阻尼等原因损耗掉，一部分转化为惯性单元的动能，可写为:
[0051 ] Δ E惯性+ Δ E弹性+ Δ E损耗=W⑶
[0052]当振动系统以固有频率运动时，若没有损耗，则惯性单元的动能与弹性元件的弹性势能能够完全相互转化而不需要外界输入，如下:
[0053]八已惯性+八已弹性=O(4)
[0054]在实际情况中，由于振动系统具有一定的阻尼，在上述能量转化过程中会有损耗
O)，该损耗的能量通过驱动机构做功补充。当激励频率与固有频率相近、同时阻尼较小时，上述损耗较小，则驱动机构做功较少，并联运动模拟器的额定功率与能耗都较小。
[0055]当并联运动模拟器的工作频率是一个范围时，如图4所示一种典型的功率随运动频率变化曲线，可看出:极小值点对应的频率ω2是振动系统固有频率，曲线存在一个极大值点，其对应的频率为O1，原因是:振动系统工作频率ω与固有频率的差值越大，驱动力也越大，因此功率增加；但当ω < Co1时，尽管驱动力增大了，但系统频率很低，驱动支链的速度很小，所以相比较极大值点，功率反而降低了。
[0056]由此弹性元件的刚度确定方法如下:
[0057]Α、若并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率(即要实现的周期性运动的频率)为定值时，弹性元件刚度的确定方法如下:
[0058]1、得到振动系统的固有频率计算模型；
[0059]对并联机构这种复杂的振动系统，通过振动力学方法，可得到振动系统的固有频率计算模型，为:
[0060]ω 0 = f (K)(5)
[0061]式(5)中，Coci是振动系统的固有频率，K = (K1, K2,…Ki, - ,Kn)，Ki设第i个弹性元件的刚度，η为弹性元件的总个数。
[0062]2、确定弹性元件的刚度值；
[0063]设定各个弹性元件的刚度值，直至振动系统在各个自由度方向上振动的固有频率与对应自由度方向上的工作频率ω f相等或接近，此时振动系统发生共振现象，并联运动模拟器的功率等于零。
[0064]B、若并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率是一个范围时，则需要通过求解振动系统功率来确定弹性元件的刚度，则弹性元件刚度确定方法如下:
[0065]I)建立具有弹性元件的并联运动模拟器的动力学模型，求出一个周期内并联机构中的驱动机构消耗功率P ;该功率P与弹性元件的刚度和并联运动模拟器工作频率ω (范围值)有关，为:
[0066]P = f (K, ω)(6)
[0067]式(6)的一种典型的功率曲线如图4所示，GJ1与ω2分别为函数曲线中功率极大值点a与极小值点b对应的并联运动模拟器工作频率；可见，当ω e (O, GJ1)时，功率随频率增加而增大；当ω e ( ω I, ω 2)时，功率随频率增加而减小；当ω e ( ω 2, + C? )时，功率随频率增加而增加，则极小值点对应的工作频率ω2等于振动系统的固有频率Oci，且当动平台以固有频率运动时振动系统发生共振现象，不考虑能量损耗时功率P等于零。
[0068]2)确定弹性元件的刚度值；
[0069]由于并联运动模拟器的工作频率ω是已知的，根据上述功率计算模型，设定各个弹性元件的刚度值，直至并联运动模拟器工作频率ω范围内的功率最小，S卩:当工作频率范围是ω e (0，ω_)时，求出Pmax = g (K)，式中，Pmax是刚度K的函数；再确定K使Pmax最小。
[0070]步骤三:设计弹性元件的初始力；
[0071]当动平台处于水平位置时，设计弹性元件的初始力用来平衡动平台重力，使在并联机构上加装的弹性元件初始力的合力方向与动平台重力相反，大小相等。上述原则适用于具有竖直方向移动自由度的并联运动模拟器，弹性支链初始力的合力可以起到平衡动平台或者负载重力的作用，从而减小支链负担。因此，首先确定动平台运动的平衡位置；然后设计各个弹性支链的初始力使其合力与动平台重力大小相等、方向相反。
[0072]如图5所示，为应用本发明方法与未应用本发明方法的并联运动模拟器功率随运动频率变化曲线，可以看出本发明方法可以大大降低并联运动模拟器的功率。
[0073]实施例1:
[0074]通过本发明方法，对3-UPS/PU型并联运动模拟器进行改进，降低额定功率；所述3-UPS/PU型并联运动模拟器的主体结构与功能为:
[0075]3-UPS/PU型并联机构属于少自由度并联机构，如图6所示，主要包括动平台1、静平台2、驱动支链3以及由中央移动副4、合页式结构5构成的约束机构；驱动支链3由液压缸及两端的虎克铰构成，通过两个虎克铰分别与动平台1、静平台2铰接。约束机构中，中央移动副4的一端通过虎克铰与动平台连接，另一端与弹性支链4固定连接；合页式结构5由合页上部501、合页下部502及四个转动副组成，如图7所示；合页上部501与合页下部502通过转动副连接，合页上部501与合页下部502分别通过虎克铰与动平台I和静平台2铰接。
[0076]3-UPS/PU型并联运动模拟器可以实现两个摆动、一个移动，模拟船舶在水面上的横摇、纵摇及升沉运动。如图8所示，以动平台I中心为原点，竖直向上为Z轴方向，平行于两边方向为X、Y方向建立固定于动平台上的笛卡尔坐标系ΧρΥρΖρ-Ορ，在静平台2中心相应位置建立固定于机架上的笛卡尔坐标系ΧβΥβΖβ-0β。则该并联运动模拟器能够实现的运动是绕ΧΡ、ΥΡ轴的转动与沿Zp轴方向的移动，称对应的运动为横摇、纵摇及升沉运动。运动规律描述如下，各个运动的幅值范围与运动频率范围均为已知量。
[0077]a.横摇运动:A = δ Asin(coAt),其中 δΑ e (O, δ Amax)，ωΑ e (O, ω Amax)；
[0078]b.纵摇运动:B = δ Bsin(coBt),其中 δΒ e (O, δ Bmax)，ωΒ e (O, ω Bmax)；
[0079]c.升沉运动:Z = δ zsin(cozt),其中 δζε (O, δ Zmax)，ωζ e (O, ω Zmax) 0
[0080]其中，A表示动平台I绕Xb轴转过的角度；Β表示动平台I绕Yb轴转过的角度；Ζ表示动平台I沿Zb轴的位移；t表示时间；δ Α、δ Β、δ z表示对应的运动幅值大小；δ Amax、δ Bmax> δζ_表示对应的运动幅值的最大值；ωΑ、ωΒ、ωζ表示对应运动规律的角速度；ωΑ?χ、ωΒ_、ωζ_表示对应运动规律的角速度最大值。
[0081]针对上述3-UPS/PU型并联运动模拟器，利用本发明方法的具体步骤为:
[0082]步骤一:弹性元件采用圆柱螺旋压缩弹簧7，安装在外导向装置6中，外导向装置6下端与伸出杆8上端分别安装有虎克铰9，如图9所示。设计在动平台I与静平台2间安装有5个弹性元件，如图10所示；其中，动平台与静平台间安装4个弹性元件，在中央移动副4与静平台2间安装一个弹性元件。其中，动平台I与静平台2间的4个弹性元件两两为一对，一对弹性元件相对并联机构横摇转动轴对称设置，另一对弹性支链相对并联机构纵摇转动轴对称设置，且当动平台水平时，各个弹性支链垂直于水平面。上述中央移动副4与静平台2间的弹性元件可安装在约束机构中的合页结构上，两端分别通过运动副与合页上部501、合页下部502铰接，如图11所示。也可安装在合页结构中合页上部与静平台之间，两端分别通过运动副与合页上部、静平台铰接。
[0083]步骤二:由于3-UPS/PU型并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率范围较广，且满足ω e (O, ω_)的形式，因此，根据功率计算模型，通过确定各个弹性元件合适的刚度值合适的K值，使并联运动模拟器工作频率ω范围内的功率尽可能小。
[0084]在确定刚度过程中，为了兼顾动平台在不同自由度方向上的运动，需要兼顾不同弹性元件刚度。由此，为了便于刚度的确定，可将弹性元件与动平台I连接位置设定在动平台I转轴轴线上，如图12所示；如:在动平台绕X轴转时，X轴上的弹性元件不起作用，安装在X轴上弹性元件刚度设计时可不用兼顾绕X轴的运动，只需按照绕Y轴运动设计。
[0085]步骤三:由于3-UPS/PU型并联机构具有竖直方向移动自由度，因此需要设计弹性支链使其具有一定的初始力，具体为:设计四周的四个弹性支链初始力相等，令其SF1 ;中间弹性支链的初始力F2，五个弹性支链的初始力合力大小等于与动平台重力(附属部件的质量相对较小，为方便此处忽略这部分重力)，即满足:
[0086]4FJF2 = G(J)。
【权利要求】
1.一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:将并联运动模拟器中并联机构的动平台与静平台间设置弹性元件，使动平台与弹性元件构成振动系统，降低并联机构中驱动机构的功率。
2.如权利要求1所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:所述弹性元件的刚度为: A、若并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率为定值时，弹性元件刚度确定方法如下: 振动系统的固有频率计算模型，为: ω0 = f(K)(I) 式⑴中，Otl是振动系统的固有频率，K = (K1, K2，…Ki,...，!(?) ,Ki为第i个弹性元件的刚度，η为弹性元件的总个数； 设定各个弹性元件的刚度值，直至振动系统在各个自由度方向上振动的固有频率与对应自由度方向上的工作频率相等； B、若并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率是一个范围时，弹性元件刚度如下: 建立具有弹性元件的并联运动模拟器的动力学模型，求出一个周期内并联机构中的驱动机构消耗功率P: P = f(K, ω)(2) 根据上述功率计算模型，设定各个弹性元件的刚度值，可使并联运动模拟器工作频率ω范围内的最大功率值最小。
3.如权利要求1所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:所述弹性元件的初始力为:使各个弹性支链的初始力的合力与动平台重力大小相等、方向相反。
4.如权利要求3所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:所述弹性支链中具有一个弹性元件，或具有一个以上弹性元件并联或串联。
5.如权利要求1所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:所述弹性元件的安装位置优选为:动平台处于水平状态时，使弹性元件处于竖直状态，和或弹性元件相对于动平台转轴轴线两侧对称位置布置。
6.如权利要求1所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:所述弹性元件与动平台连接位置设定在动平台转轴轴线上。
7.如权利要求1所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:对于具有合页结构约束机构的并联运动模拟器来说，弹性元件设置在合页结构中合页上部与合页下部之间，两端分别通过运动副与合页上部、合页下部铰接；或设置在合页结构中合页上部与静平台之间，两端分别通过运动副与合页上部、静平台铰接。
8.如权利要求1?7所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:所述弹性元件采用伸缩缸体结构，置于导向装置内，通过导向装置防止弹性元件侧向弯曲失去稳定性；弹性元件端部设置有伸出杆，伸出杆的伸出端由导向装置顶端面伸出；并在导向装置底端与伸出杆的伸出端处安装运动副连接件；由此，使弹性元件形成弹性支链结构。
9.如权利要求1所述一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，其特征在于:适用于六自由度并联机构与少自由度并联机构。
【文档编号】F16F15/12GK104154175SQ201410437803
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】韩先国, 薛超群 申请人:北京航空航天大学