1.一种新型柔性电缆刚度测定方法,其特征在于,包括:
步骤m1:通过气浮的方式抵消运动舱的重力,模拟失重环境,实现运动舱在平面内二自由度平动和一自由度转动;
步骤m2:在失重环境下,预设激励作用的幅值和周期,通过非接触式执行机构给运动舱持续激励;
步骤m3:建立运动监测系统,测量通过非接触式执行机构给运动舱持续激励作用下的运动舱相对固定舱的转角和位移;
步骤m4:建立运动舱动力学模型,将非接触式执行机构给运动舱持续激励作为运动舱动力学模型的输入,输出周期性激励动力学信息;
步骤m5:利用运动舱相对固定舱的转角和位移以及周期性激励动力学信息,根据运动分离算法将非接触式持续周期性激励作用引起的位移和转角信息中的周期性激励运动信息和非周期性激励运动信息分离;
步骤m6:建立稳定控制器,将非周期性激励运动信息作为稳定控制器的输入,输出稳态控制力和力矩,保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞;
步骤m7:在保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞的情况下,建立非接触式执行机构力和力矩分配模型,执行非接触持续周期性激励作用和稳态控制器联合输入的稳态控制力和力矩,根据分配矩阵将稳态控制力和力矩分配到每一路磁浮作动器,将稳态控制力和力矩和周期性激励输出至运动舱;
步骤m8:将稳态控制力和力矩和周期性激励输出至运动舱后,采集固定舱电缆端的力和力矩,结合周期性激励运动信息,根据弹簧模型解算得到柔性电缆刚度系数矩阵;
所述运动舱动力学模型:是在输出已知激励的情况下,输出动力学信息;
所述非接触式执行机构力和力矩分配模型是一个分配矩阵,作用是根据指令力和指令力矩计算执行机构力;
所述弹簧模型是指用来描述舱间电缆干扰力和力矩与位移和转角的关系。
2.根据权利要求1所述的一种新型柔性电缆刚度测定方法,其特征在于,所述步骤m1包括:运动舱通过气足放置于气浮平台上,通过气浮平台实现二自由度平动和一自由度转动;运动舱和固定舱之间安装预设台磁浮作动器,实现二自由度平动控制和一自由度转动控制;运动舱和固定舱之间安装预设台位移传感器;
所述步骤m2包括:在失重环境下,预设激励作用的幅值和周期,通过非接触式执行机构给运动舱持续激励,公式如下:
其中,tjl为周期性激励力矩,fjl为周期性激励力,ta为周期性激励力矩幅值,ωt为周期性激励力矩频率,φt为周期性激励力矩相位:fa为周期性激励力幅值,ωf为周期性激励力频率,φf为周期性激励力相位;t代表相对试验初始时刻的时间。
3.根据权利要求1所述的一种新型柔性电缆刚度测定方法,其特征在于,所述步骤m3包括:通过预设台位移传感器测量信息,解算得到二自由度平动位移信息和一自由度转动转角信息;
所述位移传感器有3台,3台移传感器的测量结果分别为d1,d2,d3,待解算的二自由度平动信息和一自由度转动信息分别为px,py,θz,运动舱相对固定舱的转角和位移公式如下:
改写为矩阵形式:
其中,d1为位移传感器1测量敏感轴轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离;d2为位移传感器2测量敏感轴轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离,d3为位移传感器3测量敏感轴轴线与运动舱坐标系y轴的垂直距离,mcx和mcy分别为运动舱的xy向质心偏心;px表示运动舱相对固定舱的x向位移;py表示运动舱相对固定舱的y向位移;θz表示运动舱相对固定舱的转角。
4.根据权利要求1所述的一种新型柔性电缆刚度测定方法,其特征在于,所述步骤m6包括:
建立稳态控制器,将非周期性激励运动信息作为稳定控制器的输入,输出稳态控制力和力矩,通过闭环控制保证运动舱和固定舱相对平动和转动保持稳定,保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞;
所述步骤m7包括:
所述运动舱和固定舱之间安装预设台磁浮作动器,所述磁浮作动器有3台;
设二自由度平动指令控制力和一自由度转动指令控制力矩为
其中,
其中,l1为磁浮作动器1作用力轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离,l2为磁浮作动器2作用力轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离,l3为磁浮作动器3作用力轴线与运动舱坐标系y轴的垂直距离;
根据上述分配矩阵即将稳态控制力和力矩、非接触持续周期性激励分配到每一路磁浮作动器。
5.根据权利要求1所述的一种新型柔性电缆刚度测定方法,其特征在于,所述步骤m8包括:采集固定舱电缆端的力和力矩,结合周期性激励运动周期和幅值,根据弹簧模型解算得到柔性电缆刚度系数矩阵;
运动舱线缆端的运动和固定舱线缆端的力和力矩关系表达式如下:
其中,[xyz]t为运动舱线缆端三轴平动,[φxφyφz]t为运动舱线缆端三轴转动,[fxfyfz]t为固定舱线缆端连接点的三轴作用力,[txtytz]t为固定舱线缆端连接点的三轴作用力矩,kij为刚度系数,6×6刚度系数矩阵中,左上的3×3矩阵系数单位为n/m、右上的3×3矩阵系数单位为n/rad、左下的3×3矩阵系数单位为nm/m,右下的3×3矩阵系数单位为nm/rad;
根据上述公式,为了得到刚度系数矩阵,根据平台舱六自由度运动,对运动舱施加运动激励,并在固定舱在线缆连接处测量力和力矩,每次施加一个方向的运动激励,根据力和力矩测量结果结合周期性运动激励信息,根据弹簧模型即得到刚度矩阵中对应行的系数,最终得到刚度系数矩阵。
6.一种新型柔性电缆刚度测定系统,其特征在于,包括:
通过气浮的方式抵消运动舱的重力,模拟失重环境,实现运动舱在平面内二自由度平动和一自由度转动;
模块m2:在失重环境下,预设激励作用的幅值和周期,通过非接触式执行机构给运动舱持续激励;
模块m3:建立运动监测系统,测量通过非接触式执行机构给运动舱持续激励作用下的运动舱相对固定舱的转角和位移;
模块m4:建立运动舱动力学模型,将非接触式执行机构给运动舱持续激励作为运动舱动力学模型的输入,输出周期性激励动力学信息;
模块m5:利用运动舱相对固定舱的转角和位移以及周期性激励动力学信息,根据运动分离算法将非接触式持续周期性激励作用引起的位移和转角信息中的周期性激励运动信息和非周期性激励运动信息分离;
模块m6:建立稳定控制器,将非周期性激励运动信息作为稳定控制器的输入,输出稳态控制力和力矩,保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞;
模块m7:在保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞的情况下,建立非接触式执行机构力和力矩分配模型,执行非接触持续周期性激励作用和稳态控制器联合输入的稳态控制力和力矩,根据分配矩阵将稳态控制力和力矩分配到每一路磁浮作动器,将稳态控制力和力矩和周期性激励输出至运动舱;
模块m8:将稳态控制力和力矩和周期性激励输出至运动舱后,采集固定舱电缆端的力和力矩,结合周期性激励运动信息,根据弹簧模型解算得到柔性电缆刚度系数矩阵;
所述运动舱动力学模型:是在输出已知激励的情况下,输出动力学信息;
所述非接触式执行机构力和力矩分配模型是一个分配矩阵,作用是根据指令力和指令力矩计算执行机构力;
所述弹簧模型是指用来描述舱间电缆干扰力和力矩与位移和转角的关系。
7.根据权利要求6所述的一种新型柔性电缆刚度测定系统,其特征在于,所述模拟失重环境包括:运动舱通过气足放置于气浮平台上,通过气浮平台实现二自由度平动和一自由度转动;运动舱和固定舱之间安装预设台磁浮作动器,实现二自由度平动控制和一自由度转动控制;运动舱和固定舱之间安装预设台位移传感器;
所述模块m2包括:在失重环境下,预设激励作用的幅值和周期,通过非接触式执行机构给运动舱持续激励,公式如下:
其中,tjl为周期性激励力矩,fjl为周期性激励力,ta为周期性激励力矩幅值,ωt为周期性激励力矩频率,φt为周期性激励力矩相位:fa为周期性激励力幅值,ωf为周期性激励力频率,φf为周期性激励力相位;t代表相对试验初始时刻的时间。
8.根据权利要求6所述的一种新型柔性电缆刚度测定系统,其特征在于,所述模块m3包括:通过预设台位移传感器测量信息,解算得到二自由度平动位移信息和一自由度转动转角信息;
所述位移传感器有3台,3台移传感器的测量结果分别为d1,d2,d3,待解算的二自由度平动信息和一自由度转动信息分别为px,py,θz,运动舱相对固定舱的转角和位移公式如下:
改写为矩阵形式:
其中,d1为位移传感器1测量敏感轴轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离;d2为位移传感器2测量敏感轴轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离,d3为位移传感器3测量敏感轴轴线与运动舱坐标系y轴的垂直距离,mcx和mcy分别为运动舱的xy向质心偏心;px表示运动舱相对固定舱的x向位移;py表示运动舱相对固定舱的y向位移;θz表示运动舱相对固定舱的转角。
9.根据权利要求6所述的一种新型柔性电缆刚度测定系统,其特征在于,所述模块m6包括:
建立稳态控制器,将非周期性激励运动信息作为稳定控制器的输入,输出稳态控制力和力矩,通过闭环控制保证运动舱和固定舱相对平动和转动保持稳定,保证运动舱运动期间不与固定舱发生碰撞;
所述模块m7包括:
所述运动舱和固定舱之间安装预设台磁浮作动器,所述磁浮作动器有3台;
设二自由度平动指令控制力和一自由度转动指令控制力矩为
其中,
其中,l1为磁浮作动器1作用力轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离,l2为磁浮作动器2作用力轴线与运动舱坐标系x轴的垂直距离,l3为磁浮作动器3作用力轴线与运动舱坐标系y轴的垂直距离;
根据上述分配矩阵即将稳态控制力和力矩、非接触持续周期性激励分配到每一路磁浮作动器。
10.根据权利要求6所述的一种新型柔性电缆刚度测定系统,其特征在于,所述模块m8包括:采集固定舱电缆端的力和力矩,结合周期性激励运动周期和幅值,根据弹簧模型解算得到柔性电缆刚度系数矩阵;
运动舱线缆端的运动和固定舱线缆端的力和力矩关系表达式如下:
其中,[xyz]t为运动舱线缆端三轴平动,[φxφyφz]t为运动舱线缆端三轴转动,[fxfyfz]t为固定舱线缆端连接点的三轴作用力,[txtytz]t为固定舱线缆端连接点的三轴作用力矩,kij为刚度系数,6×6刚度系数矩阵中,左上的3×3矩阵系数单位为n/m、右上的3×3矩阵系数单位为n/rad、左下的3×3矩阵系数单位为nm/m,右下的3×3矩阵系数单位为nm/rad;
根据上述公式,为了得到刚度系数矩阵,根据平台舱六自由度运动,对运动舱施加运动激励,并在固定舱在线缆连接处测量力和力矩,每次施加一个方向的运动激励,根据力和力矩测量结果结合周期性运动激励信息,根据弹簧模型即得到刚度矩阵中对应行的系数,最终得到刚度系数矩阵。