专利名称：基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析方法
技术领域：
本发明涉及机械技术，具体说是一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率 分析方法。
背景技术：
空间对接机构六自由度并联运动系统采用液压驱动的典型Stewart平台形式，与 目前存在的并联运动系统的不同在于，空间对接并联运动系统要求运动系统具有超大运动 空间能力，超长支腿工作行程和高的系统频宽。目前，满足空间对接运动系统的指标要求的 Stewart平台在国内尚无前例，国际上也仅美国和俄罗斯拥有该类型对接机构运动系统。这 种大型超长支腿形式的并联运动系统工作频宽可达到10Hz，而当前的液压驱动并联运动模 拟系统频宽仅3-5Hz，且工作空间小。对于高频宽要求且工作空间大的并联运动系统，忽略 其结构和驱动模态将导致设计出的系统无法满足实际技术指标。要设计出满足空间对接机 构运动性能要求的并联运动结构，必须对系统进行频率特性分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析方 法。本发明的目的是这样实现的根据空间对接六自由度并联运动系统的二阶振动微 分方程，建立并联运动系统的模态方程，构造方程系统矩阵，采用数值分析方法对系统矩阵 进行分解，计算六自由度并联运动系统的低阶模态集及其对应的特征频率，分析出空间六 自由度并联运动系统的低阶模态频率；空间六自由度并联运动系统通常工作于中位附近， 其低阶模态频率分析在工程应用上主要集中于中位，此时将并联运动系统的二阶振动模型 以如下形式表示Mx{t) + Cx{t) + Kx(t) = f(t)式中M为nXn广质量矩阵；C为ηΧη广义阻尼矩阵；K为ηΧη广义刚度阵；f(t) 为系统外部输入激励；为分析系统中位模态频率，将阻尼项和外部激励项去掉，于是，得到无阻尼二阶振 动方程，假定其模态频率为ωη，模态振型为Ψ，则得到空间六自由度并联运动系统模态方 禾呈，(K- ωηΜ) Ψ =0构造系数矩阵，系数矩阵等于ηΧη维广义质量阵的逆与η维广义刚度阵的矩阵乘 积，然后采用数值分析的方法，特征值分解、奇异值分解计算出空间六自由度并联运动系统 的需要考察的模态和其对应的特征频率，根据特征频率求得系统对应模态频率，依据分析 的模态频率反映出所设计的系统是否满足要求。本发明一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析方法，突破传统基于 物理空间分析和设计的方法，尤其是克服了基于单通道等效频率设计的通用方法。本发明可以应用到所有空间六自由度并联系统的设计和分析中，使设计的机构满足设计频宽要 求，为改变系统模态提供有效依据，为更有效的六自由度结构设计和优化提供新的方法和 思路，对于工程实际应用和理论分析而言，均具有重要意义。
图1为空间对接机构六自由度并联运动系统结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1 结合图1，本发明一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析 方法，根据空间对接六自由度并联运动系统的二阶振动微分方程，建立并联运动系统的模 态方程，构造方程系统矩阵，采用数值分析方法对系统矩阵进行分解，计算六自由度并联运 动系统的低阶模态集及其对应的特征频率，分析出空间六自由度并联运动系统的低阶模态 频率；空间六自由度并联运动系统通常工作于中位附近，其低阶模态频率分析在工程应用 上主要集中于中位，此时将并联运动系统的二阶振动模型以如下形式表示紙⑴+ Cx{t) + Kx{t) = f{t)式中M为nXn广质量矩阵；C为ηΧη广义阻尼矩阵；K为ηΧη广义刚度阵；f(t) 为系统外部输入激励；为分析系统中位模态频率，将阻尼项和外部激励项去掉，于是，得到无阻尼二阶振 动方程，假定其模态频率为ωη，模态振型为Ψ，则得到空间六自由度并联运动系统模态方 禾呈，(Κ-ωηΜ) Ψ =0构造系数矩阵，系数矩阵等于ηXη维广义质量阵的逆与η维广义刚度阵的矩阵乘 积，然后采用数值分析的方法，特征值分解、奇异值分解计算出空间六自由度并联运动系统 的需要考察的模态和其对应的特征频率，根据特征频率求得系统对应模态频率，依据分析 的模态频率反映出所设计的系统是否满足要求。实施例2 本发明一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析方法，所 述的空间对接机构并联运动系统由运动平台(1)、上连接铰(2)、液压驱动支腿(3)、下连接 铰(4)和固定基平台(5)组成。中位支腿长度为4.0m，行程1.850m。上铰园直径3.0m，下 铰园直径7. 3m。平台及负载总质量为563Kg。针对该结构下的空间六自由度并联运动系统， 保留其中位时二阶振动微分方程中广义刚度阵的6X6维刚度阵和6X6维质量矩阵，则广 义质量矩阵和刚度阵为
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权利要求
1. 一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析方法，其特征在于根据空间 对接六自由度并联运动系统的二阶振动微分方程，建立并联运动系统的模态方程，构造方 程系统矩阵，采用数值分析方法对系统矩阵进行分解，计算六自由度并联运动系统的低阶 模态集及其对应的特征频率，分析出空间六自由度并联运动系统的低阶模态频率；空间六 自由度并联运动系统通常工作于中位附近，其低阶模态频率分析在工程应用上主要集中于 中位，此时将并联运动系统的二阶振动模型以如下形式表示
全文摘要
本发明提供一种基于模态的空间六自由度并联运动系统频率分析方法。本发明是这样实现的根据空间对接六自由度并联运动系统的二阶振动微分方程，建立并联运动系统的模态方程，构造方程系统矩阵，采用数值分析方法对系统矩阵进行分解，计算六自由度并联运动系统的低阶模态集及其对应的特征频率，分析出空间六自由度并联运动系统的低阶模态频率。本发明突破传统基于物理空间分析和设计的方法，可以应用到所有空间六自由度并联系统的设计和分析中，使设计的机构满足设计频宽要求，为改变系统模态提供有效依据，为更有效的六自由度结构设计和优化提供新的方法和思路，对于工程实际应用和理论分析具有重要意义。
文档编号G06F17/50GK102004822SQ20101053715
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者张辉, 杨炽夫, 郑淑涛, 韩俊伟, 黄其涛 申请人:哈尔滨工业大学