一种h型气浮运动平台的仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于运动平台的控制领域，更具体地，涉及一种H型气浮运动平台的仿真方法。
【背景技术】
[0002]由直线电机驱动的H型气浮运动平台，克服了传统的旋转电机加丝杠的系统的响应滞后、运动部件摩擦力大等缺陷，在精密测量、IC装备工件定位和生物医学等领域具有十分广泛的应用前景。
[0003]H型气浮运动平台的精度定位是以滑块的空间定位来体现出来的，现有的H型气浮运动平台的建模中，往往将直梁视作不会变形的刚体，但是直梁的偏转和扭曲会影响气体轴承的位姿，进而对滑块的精确定位产生影响。这就使得建立的多刚体建模不能准确反应H型气浮运动平台的所有行为特征，进而影响到H型气浮运动平台模型的仿真效果。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种H型气浮运动平台的仿真方法，由此消除H型气浮运动平台中直梁变形对精确定位造成的影响。
[0005]本发明提供了一种的H型气浮运动平台仿真方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006](I)以笛卡尔坐标系为基准，建立H型气浮运动平台的多刚体模型，并设置所述多刚体模型的参数；所述多刚体模型包括Xl向电机、X2向电机、直梁以及滑块，所述直梁与Y轴平行设置，所述滑块设置于所述直梁上，在Y方向与所述直梁相对位移为P，所述Xl向电机以及X2向电机分别用于向直梁的两端施加X方向的驱动力Fl和F2 ;
[0007](2)根据多刚体模型的部分参数，建立直梁和滑块子系统的有限元模型；所述部分参数为直梁和滑块的形状、尺寸、质量以及材料；
[0008](3)对所述直梁的前端或后端施加沿Y轴方向的约束，对所述直梁的前端和后端施加绕Y轴方向的旋转约束；
[0009](4)根据所述多刚体模型中，滑块与直梁的相对位移P的最大值Pmax，以及X方向的驱动力Fl和F2的最大值Fmax，对O?Pmax和O?Fmax分别进行离散化；设定Fl = F2=F，用步骤(2)中所述有限元模型进行第一仿真以及第二仿真，所述第一仿真用于找出P在固定离散值下，F满足最低设计要求的临界点F。，所述第二仿真用于找出F在固定离散值下，P满足最低设计要求的临界点P。;根据仿真结果，找到F和P满足设计要求时的参数范围组合；其中，所述设计要求为直梁的变形程度；
[0010](5)利用步骤⑷得到的所述参数范围组合，对步骤⑴中所述多刚体模型中X方向的驱动力Fl和F2进行调整，使得所述多刚体模型中的F和P满足所述参数范围组合。
[0011]优选地，所述步骤(4)中第一仿真的步骤具体为:
[0012]S411.设置P为O?Pmax之间的任意离散值，设置F = F(t)，F(t)为随时间t变化的连续函数；
[0013]S412.变化t，使得F(t)遍历O?Fmax之间的所有离散值，观察所述直梁的变形程度，并寻找所述直梁的变形程度满足最低设计要求的第一临界点F。；
[0014]S413.如果F。寻找成功，或者P已经遍历O?Pmax之间的所有离散值，第一仿真结束，否则根据S412中所述直梁的变形程度重新设置P为O?Pmax之间的其它任意离散值，进入S412。
[0015]作为进一步优选地，F(t)为线性函数。
[0016]优选地，所述步骤(4)中第二仿真的步骤具体为:
[0017]S421.设置F为O?Fmax之间的任意离散值，设置P = P(t)，P(t)为随时间t变化的连续函数；
[0018]S422.变化P，使得P (t)遍历O?Pmax之间的所有离散值，观察所述直梁的变形程度，并寻找所述直梁的变形程度满足最低设计要求的第二临界点Pm
[0019]S423.如果P。寻找成功，或者F已经遍历O?Fmax之间的所有离散值，第二仿真结束，否则根据S422中所述直梁的变形程度重新设置F为O?Fmax之间的任意离散值，进入 S422。
[0020]作为进一步优选地，P (t)为线性函数。
[0021]优选地，所述步骤(2)具体为:
[0022]S21.根据所述多刚体模型中直梁和滑块的形状和尺寸，分别建立直梁和滑块的实体模型；
[0023]S22.根据所述多刚体模型中直梁和滑块的质量、形状、尺寸以及材料，设置所述实体模型中所述直梁和滑块的密度以及弹性模量，所述有限元模型即建立完成。
[0024]作为进一步优选地，所述步骤S22中，还包括设置所述直梁和滑块的泊松比。
[0025]优选地，所述直梁的变形程度为所述直梁的偏转程度、扭转程度或扭曲程度。
[0026]优选地，该仿真方法还包括步骤￠):运行所述多刚体模型，并判断是否满足其它系统设计要求，满足则仿真结束，否则重新设置多刚体模型的参数，回到步骤(I)。
[0027]作为进一步优选地，步骤￠)中所述多刚体模型的参数为形状、尺寸、质量或者材料。其中，所述多刚体模型的参数既包括直梁与滑块的参数，也包括多刚体模型中的其它组件，如平台基座的参数。
[0028]本发明因为将有限元分析方法引入了 H型气浮运动平台的运动误差分析中，与现有技术相比较的有益效果是:
[0029]1、将有限元建模引入了 H型气浮运动平台的仿真分析，得出了直梁的变形程度满足系统最低设计要求时的控制参数；
[0030]2、通过两种不同条件下的仿真分析，综合得出了直梁变形程度的变化趋势；
[0031]3、将有限元模型与多刚体模型相结合，将有限元模型中得出的控制参数用于调整多刚体模型中的运行参数，使得对H型气浮运动平台的运动分析更加准确。
【附图说明】
[0032]图1是本发明H型气浮运动平台结构示意图；
[0033]图2是H型气浮运动平台中各组件相对位置示意图；
[0034]图3是H型气浮运动平台中气体轴承受力和位姿示意图；
[0035]图4是H型气浮运动平台中气体轴承模型示意图；
[0036]图5是H型气浮运动平台多刚体模型示意图；
[0037]图6是实施例1中仿真条件I中施加的驱动力函数示意图；
[0038]图7是实施例1中仿真条件2中施加的驱动力函数示意图；
[0039]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:10_平台基座，11-基座前壁、12-基座后壁，13-基座底面，20-直梁，30-滑块，32-滑块左壁，31-滑块右壁，33-滑块顶部，40-气体轴承，41-承载气体轴承42-导向气体轴承，51-X1向电机、52-X2向电机，6-Y向电机，40a-气体轴承模型的输入端，40b-气体轴承模型的输出端，40c-气体轴承底部，40d-气体轴承顶部，40e-平面副，40f_Z向力，40g_X向力矩分量，40h-Y向力矩分量，40?-移动副，40j、40k旋转副，30v-滑块速度，20p-直梁位置。
【具体实施方式】
[0040]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0041]图1为本发明H型气浮运动平台的结构示意图，包括平台基座10、直梁20、滑块30以及直线电机，平台基座10、直梁20以及滑块30之间，通过气体轴承40相连。其中直梁20与平台基座的上表面之间设置有承载气体轴承41，滑块30与平台基座的上表面之间设置有承载气体轴承41，直梁20的两端与平台基座的内侧面之间设置有导向气体轴承42，滑块左右壁的内侧面与直梁之间设置有导向气体轴承