一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，所述并聯運動模擬器是基于并聯機構的運動模擬器，包括動平臺、靜平臺、驅動機構以及約束機構組成，可以實現周期性往復運動。部分此類運動模擬器的功率很大，因此采用彈性元件將并聯運動模擬器的動平臺和靜平臺連接起來，使動平臺與彈性元件構成振動系統，而并聯機構的驅動機構為外部激勵源。根據彈性元件的布置方式設計其剛度，使振動系統的固有頻率與并聯運動模擬器的工作頻率接近甚至相等。當動平臺以工作頻率做周期性往復運動時，振動系統處于共振狀態，動平臺的動能與彈性元件的彈性勢能相互轉化，減小了驅動支鏈輸入的能量，從而大大地降低了并聯運動模擬器的功率。
【專利說明】一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于并聯運動模擬器設計及優化方法領域，涉及一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法。
【背景技術】
[0002]能夠模擬船舶在水面上做橫搖、縱搖及升沉等典型運動、基于并聯機構的運動模擬器往往被形象地稱作并聯搖擺臺。并聯機構作為并聯運動模擬器的主體結構，如圖1所示，通常由動平臺、靜平臺、驅動機構組成，部分少自由度機構還含有約束機構。動平臺做周期性往復運動；驅動機構精確地控制動平臺的運動，動平臺的能量變化完全由驅動機構輸入、輸出實現；對于少自由度并聯機構，約束機構約束住不需要的方向上的運動。
[0003]艦船運動模擬器往往需要模擬船舶橫搖、縱搖、升沉等典型運動，這些運動屬于周期性往復運動，一般可以用正弦規律描述。用于上述運動模擬的并聯運動模擬器具有多種形式，如:有兩自由度并聯運動模擬器、三自由度并聯運動模擬器及六自由度并聯運動模擬器。其中兩自由度并聯運動模擬器可以模擬橫搖、縱搖及兩者復合的運動；三自由度并聯運動模擬器可以模擬橫搖、縱搖、升沉及其復合運動；六自由度并聯運動模擬器可以模擬三個移動自由度方向及三個轉動自由度方向的運動。運動過程中，動平臺的動能周期性地增加、減少。當動能增加時，驅動支鏈對動平臺做的總功是正功，做功大小等于動能的增加量；當動能減少時，驅動支鏈對動平臺做的總功是負功，做功大小等于動能的減少量。考慮機械效率小于I并且不同支鏈間存在動力耦合現象，平臺消耗的總能量大于支鏈做功總和。
[0004]由于船艦是大型設備，部分搖擺臺的尺寸和載荷都很大，在上述往復做功過程中支鏈消耗的能量是巨大的。當動平臺尺寸較大時，由于自重增加及支撐之間跨度變大，對其強度、剛度要求變高，設計質量增加，從而導致驅動支鏈負擔增大，直接導致額定功率很大，實際運行中的能耗很大，電力設備的裝機容量高，使用及制造成本急劇上升。
[0005]目前提高并聯搖擺臺的承載能力、降低額定功率的方法主要是增加并聯機構的液壓驅動支腿以及增加支撐機構等，這些方法平衡了動平臺及負載的部分重力，起到了一定的作用，但并沒有平衡掉慣性力，而且增加了系統復雜性增加了制造成本；部分文獻中提出運用鋁合金等材料制作動平臺等，通過部件減重降低了驅動支鏈負擔，但在實際應用中，由于結構強度、剛度限制，該方法具有很大的局限性。
【發明內容】
[0006]針對上述問題，本發明提出一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，將并聯運動模擬器中并聯機構的動平臺與靜平臺間設置彈性元件，使動平臺與彈性元件間構成振動系統，降低并聯機構中驅動機構的功率。
[0007]所述彈性元件的剛度確定方法如下:
[0008]A、當并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率為定值時，彈性元件剛度確定方法如下:
[0009]根據振動力學理論，得到振動系統的固有頻率計算模型，為:
[0010]co0 = f(K)(I)
[0011]式⑴中，COtl是振動系統的固有頻率，K = (K1, K2，…Ki,...，!(?) ,Ki為第i個彈性元件的剛度，η為彈性元件的總個數；
[0012]設定各個彈性元件的剛度值，直至振動系統在各個自由度方向上振動的固有頻率與對應自由度方向上的工作頻率Of相等。
[0013]B、若并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率是一個范圍時，彈性元件剛度確定方法如下:
[0014]建立具有彈性元件的并聯運動模擬器的動力學模型，求出一個周期內并聯機構中的驅動機構消耗功率P:
[0015]P = f (K, ω)(2)
[0016]根據上述功率計算模型，設定各個彈性元件的剛度值，可使并聯運動模擬器工作頻率ω范圍內的最大功率值最小。
[0017]所述彈性元件的初始力為:使各個彈性支鏈的初始力的合力與動平臺重力大小相等、方向相反。
[0018]所述彈性元件的安裝位置優選為:動平臺處于水平狀態時，使彈性元件處于豎直狀態，和或彈性元件相對于動平臺轉軸軸線兩側對稱位置布置。
[0019]本發明的優點在于:
[0020]1、本發明利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，采用彈性元件將并聯運動模擬器的動平臺和靜平臺(或地面)連接起來構成一個振動系統，在并聯運動模擬器做往復運動過程中，動平臺的動能和彈性元件的彈性勢能相互轉化，從而減小了驅動機構的能量輸入，大大降低系統的額定功率，同時，提高了并聯運動模擬器使用時的安全性；
[0021]2、本發明利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，在并聯運動平臺的動平臺處于水平位置時，通過設計彈性支鏈的預壓緊量，從而可以平衡動平臺的重力；
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為通常并聯機構的結構示意圖；
[0023]圖2為本發明方法的并聯運動模擬器工作時能量轉化示意圖；
[0024]圖3為本發明方法流程圖；
[0025]圖4為并聯運動模擬器以不同頻率做周期性往復運動過程中一種典型的功率隨運動頻率變化曲線；
[0026]圖5應用本發明方法與未應用本發明方法的并聯運動模擬器功率隨運動頻率變化曲線；
[0027]圖6為實施例中的應用本發明方法的并聯運動模擬器結構簡圖；
[0028]圖7為實施例中在并聯運動模擬器的合頁式結構的簡圖；
[0029]圖8為實施例中在并聯運動模擬器上建立的坐標系的示意圖；
[0030]圖9為實施例中彈性支鏈的結構簡圖；
[0031]圖10為在動平臺轉動軸線兩側對稱位置上彈性支鏈布置示意圖；
[0032]圖11為彈性支鏈在合頁結構上布置方式示意圖；
[0033]圖12為在動平臺轉動軸線上彈性支鏈布置示意圖。
[0034]圖中:
[0035]1-動平臺2-靜平臺 3-驅動支鏈
[0036]4-中央移動副5-合頁式結構6-外導向裝置
[0037]7-圓柱螺旋壓縮彈簧 8-伸出桿 9-虎克鉸
[0038]501-合頁上部502-合頁下部
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0040]一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，為了減小能量消耗，在并聯運動模擬器的并聯機構動平臺與靜平臺間加裝彈性元件，從而在并聯運動模擬器中構造一個振動系統，使在動平臺運動過程中，能量在不同部件間轉化；當動平臺動能減小時，通過彈性元件吸收動平臺減少的動能，將其轉換為彈性勢能并儲存起來；在動平臺動能增加時，彈性元件通過做功的方式將彈性勢能釋放，降低了動平臺周期往復運動過程中的額定功率。當振動系統共振時，動平臺的動能的變化量與彈簧彈性勢能的變化量相等。如圖2所示，具體步驟如下:
[0041]步驟一:根據并聯運動模擬器設計需求，設定彈性元件的結構、安裝位置與個數，使并聯運動模擬器中并聯機構的動平臺與彈性元件構成振動系統；
[0042]彈性元件可采用圓柱螺旋壓縮彈簧、氣彈簧等具有彈性特性的部件，兩端分別通過運動副與動平臺和靜平臺連接，運動副可采用球鉸、虎克鉸等，由此，實現彈性元件在并聯機構上的安裝。彈性元件可采用伸縮缸體結構，置于導向裝置(內導向裝置或外導向裝置)中，通過導向裝置防止彈性元件側向彎曲而失去穩定性；如圖3所示，彈性元件端部設置有伸出桿，伸出桿的伸出端由導向裝置頂端面伸出；并在導向裝置底端與伸出桿的伸出端處安裝運動副連接件；由此，使彈性元件形成彈性支鏈結構。上述彈性支鏈中可根據實際情況采用有一個彈性元件，也可采用一個以上的彈性元件并聯或串聯。具體根據動平臺與靜平臺間距，以及所需彈性元件的剛度，通過彈性元件的串聯彌補彈性元件長度的不足；根據彈性元件的并聯彌補彈性元件剛度的不足。
[0043]彈性元件的安裝位置與個數較靈活，根據并聯機構的結構與試驗需要，在動平臺與靜平臺間設定彈性元件的初始安裝位置，優選為:動平臺處于水平狀態時，彈性元件處于豎直狀態，和或使彈性元件相對于動平臺轉軸軸線兩側對稱位置布置。
[0044]通過上述方式在并聯機構中加入彈性元件后，使動平臺與彈性元件構成一個振動系統。
[0045]步驟二:設計彈性元件的剛度，使并聯運動模擬器在工作頻率范圍內消耗功率減小;
[0046]從振動系統的角度考慮，驅動機構為系統提供一個激勵，振動系統在激勵的作用下運動。整個振動系統是一個受迫振動模型。激勵是一個給定的廣義位移X，振動系統的質量是M，剛度是K，考慮到質量、剛度相對于阻尼很大，為簡化起見，令振動系統的阻尼C =0，則振動系統的動力學方程為:
[0047]MX+ KX ^ F(I)
[0048]當工作頻率等于系統固有頻率時，振動系統發生共振現象。驅動力等于零，功率也最小。此時振動系統的動力學方程為:
[0049]MX + KX = O⑵
[0050]從能量守恒角度考慮，并聯機構中，慣性單元(動平臺)的動能與彈性單元(彈性元件)的彈性勢能相互轉化，同時驅動機構對振動系統做功。如圖3所示，當慣性單元的動能減小時，減小的動能一部分由于阻尼等原因損耗掉，一部分轉換為彈性元件的彈性勢能儲存起來；當慣性單元的動能增加時，彈性元件的彈性勢能減小，減小的彈性勢能一部分由于阻尼等原因損耗掉，一部分轉化為慣性單元的動能，可寫為:
[0051 ] Δ E慣性+ Δ E彈性+ Δ E損耗=W⑶
[0052]當振動系統以固有頻率運動時，若沒有損耗，則慣性單元的動能與彈性元件的彈性勢能能夠完全相互轉化而不需要外界輸入，如下:
[0053]八已慣性+八已彈性=O(4)
[0054]在實際情況中，由于振動系統具有一定的阻尼，在上述能量轉化過程中會有損耗
O)，該損耗的能量通過驅動機構做功補充。當激勵頻率與固有頻率相近、同時阻尼較小時，上述損耗較小，則驅動機構做功較少，并聯運動模擬器的額定功率與能耗都較小。
[0055]當并聯運動模擬器的工作頻率是一個范圍時，如圖4所示一種典型的功率隨運動頻率變化曲線，可看出:極小值點對應的頻率ω2是振動系統固有頻率，曲線存在一個極大值點，其對應的頻率為O1，原因是:振動系統工作頻率ω與固有頻率的差值越大，驅動力也越大，因此功率增加；但當ω < Co1時，盡管驅動力增大了，但系統頻率很低，驅動支鏈的速度很小，所以相比較極大值點，功率反而降低了。
[0056]由此彈性元件的剛度確定方法如下:
[0057]Α、若并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率(即要實現的周期性運動的頻率)為定值時，彈性元件剛度的確定方法如下:
[0058]1、得到振動系統的固有頻率計算模型；
[0059]對并聯機構這種復雜的振動系統，通過振動力學方法，可得到振動系統的固有頻率計算模型，為:
[0060]ω 0 = f (K)(5)
[0061]式(5)中，Coci是振動系統的固有頻率，K = (K1, K2,…Ki, - ,Kn)，Ki設第i個彈性元件的剛度，η為彈性元件的總個數。
[0062]2、確定彈性元件的剛度值；
[0063]設定各個彈性元件的剛度值，直至振動系統在各個自由度方向上振動的固有頻率與對應自由度方向上的工作頻率ω f相等或接近，此時振動系統發生共振現象，并聯運動模擬器的功率等于零。
[0064]B、若并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率是一個范圍時，則需要通過求解振動系統功率來確定彈性元件的剛度，則彈性元件剛度確定方法如下:
[0065]I)建立具有彈性元件的并聯運動模擬器的動力學模型，求出一個周期內并聯機構中的驅動機構消耗功率P ;該功率P與彈性元件的剛度和并聯運動模擬器工作頻率ω (范圍值)有關，為:
[0066]P = f (K, ω)(6)
[0067]式(6)的一種典型的功率曲線如圖4所示，GJ1與ω2分別為函數曲線中功率極大值點a與極小值點b對應的并聯運動模擬器工作頻率；可見，當ω e (O, GJ1)時，功率隨頻率增加而增大；當ω e ( ω I, ω 2)時，功率隨頻率增加而減小；當ω e ( ω 2, + C? )時，功率隨頻率增加而增加，則極小值點對應的工作頻率ω2等于振動系統的固有頻率Oci，且當動平臺以固有頻率運動時振動系統發生共振現象，不考慮能量損耗時功率P等于零。
[0068]2)確定彈性元件的剛度值；
[0069]由于并聯運動模擬器的工作頻率ω是已知的，根據上述功率計算模型，設定各個彈性元件的剛度值，直至并聯運動模擬器工作頻率ω范圍內的功率最小，S卩:當工作頻率范圍是ω e (0，ω_)時，求出Pmax = g (K)，式中，Pmax是剛度K的函數；再確定K使Pmax最小。
[0070]步驟三:設計彈性元件的初始力；
[0071]當動平臺處于水平位置時，設計彈性元件的初始力用來平衡動平臺重力，使在并聯機構上加裝的彈性元件初始力的合力方向與動平臺重力相反，大小相等。上述原則適用于具有豎直方向移動自由度的并聯運動模擬器，彈性支鏈初始力的合力可以起到平衡動平臺或者負載重力的作用，從而減小支鏈負擔。因此，首先確定動平臺運動的平衡位置；然后設計各個彈性支鏈的初始力使其合力與動平臺重力大小相等、方向相反。
[0072]如圖5所示，為應用本發明方法與未應用本發明方法的并聯運動模擬器功率隨運動頻率變化曲線，可以看出本發明方法可以大大降低并聯運動模擬器的功率。
[0073]實施例1:
[0074]通過本發明方法，對3-UPS/PU型并聯運動模擬器進行改進，降低額定功率；所述3-UPS/PU型并聯運動模擬器的主體結構與功能為:
[0075]3-UPS/PU型并聯機構屬于少自由度并聯機構，如圖6所示，主要包括動平臺1、靜平臺2、驅動支鏈3以及由中央移動副4、合頁式結構5構成的約束機構；驅動支鏈3由液壓缸及兩端的虎克鉸構成，通過兩個虎克鉸分別與動平臺1、靜平臺2鉸接。約束機構中，中央移動副4的一端通過虎克鉸與動平臺連接，另一端與彈性支鏈4固定連接；合頁式結構5由合頁上部501、合頁下部502及四個轉動副組成，如圖7所示；合頁上部501與合頁下部502通過轉動副連接，合頁上部501與合頁下部502分別通過虎克鉸與動平臺I和靜平臺2鉸接。
[0076]3-UPS/PU型并聯運動模擬器可以實現兩個擺動、一個移動，模擬船舶在水面上的橫搖、縱搖及升沉運動。如圖8所示，以動平臺I中心為原點，豎直向上為Z軸方向，平行于兩邊方向為X、Y方向建立固定于動平臺上的笛卡爾坐標系ΧρΥρΖρ-Ορ，在靜平臺2中心相應位置建立固定于機架上的笛卡爾坐標系ΧβΥβΖβ-0β。則該并聯運動模擬器能夠實現的運動是繞ΧΡ、ΥΡ軸的轉動與沿Zp軸方向的移動，稱對應的運動為橫搖、縱搖及升沉運動。運動規律描述如下，各個運動的幅值范圍與運動頻率范圍均為已知量。
[0077]a.橫搖運動:A = δ Asin(coAt),其中 δΑ e (O, δ Amax)，ωΑ e (O, ω Amax)；
[0078]b.縱搖運動:B = δ Bsin(coBt),其中 δΒ e (O, δ Bmax)，ωΒ e (O, ω Bmax)；
[0079]c.升沉運動:Z = δ zsin(cozt),其中 δζε (O, δ Zmax)，ωζ e (O, ω Zmax) 0
[0080]其中，A表示動平臺I繞Xb軸轉過的角度；Β表示動平臺I繞Yb軸轉過的角度；Ζ表示動平臺I沿Zb軸的位移；t表示時間；δ Α、δ Β、δ z表示對應的運動幅值大小；δ Amax、δ Bmax> δζ_表示對應的運動幅值的最大值；ωΑ、ωΒ、ωζ表示對應運動規律的角速度；ωΑ?χ、ωΒ_、ωζ_表示對應運動規律的角速度最大值。
[0081]針對上述3-UPS/PU型并聯運動模擬器，利用本發明方法的具體步驟為:
[0082]步驟一:彈性元件采用圓柱螺旋壓縮彈簧7，安裝在外導向裝置6中，外導向裝置6下端與伸出桿8上端分別安裝有虎克鉸9，如圖9所示。設計在動平臺I與靜平臺2間安裝有5個彈性元件，如圖10所示；其中，動平臺與靜平臺間安裝4個彈性元件，在中央移動副4與靜平臺2間安裝一個彈性元件。其中，動平臺I與靜平臺2間的4個彈性元件兩兩為一對，一對彈性元件相對并聯機構橫搖轉動軸對稱設置，另一對彈性支鏈相對并聯機構縱搖轉動軸對稱設置，且當動平臺水平時，各個彈性支鏈垂直于水平面。上述中央移動副4與靜平臺2間的彈性元件可安裝在約束機構中的合頁結構上，兩端分別通過運動副與合頁上部501、合頁下部502鉸接，如圖11所示。也可安裝在合頁結構中合頁上部與靜平臺之間，兩端分別通過運動副與合頁上部、靜平臺鉸接。
[0083]步驟二:由于3-UPS/PU型并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率范圍較廣，且滿足ω e (O, ω_)的形式，因此，根據功率計算模型，通過確定各個彈性元件合適的剛度值合適的K值，使并聯運動模擬器工作頻率ω范圍內的功率盡可能小。
[0084]在確定剛度過程中，為了兼顧動平臺在不同自由度方向上的運動，需要兼顧不同彈性元件剛度。由此，為了便于剛度的確定，可將彈性元件與動平臺I連接位置設定在動平臺I轉軸軸線上，如圖12所示；如:在動平臺繞X軸轉時，X軸上的彈性元件不起作用，安裝在X軸上彈性元件剛度設計時可不用兼顧繞X軸的運動，只需按照繞Y軸運動設計。
[0085]步驟三:由于3-UPS/PU型并聯機構具有豎直方向移動自由度，因此需要設計彈性支鏈使其具有一定的初始力，具體為:設計四周的四個彈性支鏈初始力相等，令其SF1 ;中間彈性支鏈的初始力F2，五個彈性支鏈的初始力合力大小等于與動平臺重力(附屬部件的質量相對較小，為方便此處忽略這部分重力)，即滿足:
[0086]4FJF2 = G(J)。
【權利要求】
1.一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:將并聯運動模擬器中并聯機構的動平臺與靜平臺間設置彈性元件，使動平臺與彈性元件構成振動系統，降低并聯機構中驅動機構的功率。
2.如權利要求1所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:所述彈性元件的剛度為: A、若并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率為定值時，彈性元件剛度確定方法如下: 振動系統的固有頻率計算模型，為: ω0 = f(K)(I) 式⑴中，Otl是振動系統的固有頻率，K = (K1, K2，…Ki,...，!(?) ,Ki為第i個彈性元件的剛度，η為彈性元件的總個數； 設定各個彈性元件的剛度值，直至振動系統在各個自由度方向上振動的固有頻率與對應自由度方向上的工作頻率相等； B、若并聯運動模擬器在各個自由度方向上的工作頻率是一個范圍時，彈性元件剛度如下: 建立具有彈性元件的并聯運動模擬器的動力學模型，求出一個周期內并聯機構中的驅動機構消耗功率P: P = f(K, ω)(2) 根據上述功率計算模型，設定各個彈性元件的剛度值，可使并聯運動模擬器工作頻率ω范圍內的最大功率值最小。
3.如權利要求1所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:所述彈性元件的初始力為:使各個彈性支鏈的初始力的合力與動平臺重力大小相等、方向相反。
4.如權利要求3所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:所述彈性支鏈中具有一個彈性元件，或具有一個以上彈性元件并聯或串聯。
5.如權利要求1所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:所述彈性元件的安裝位置優選為:動平臺處于水平狀態時，使彈性元件處于豎直狀態，和或彈性元件相對于動平臺轉軸軸線兩側對稱位置布置。
6.如權利要求1所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:所述彈性元件與動平臺連接位置設定在動平臺轉軸軸線上。
7.如權利要求1所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:對于具有合頁結構約束機構的并聯運動模擬器來說，彈性元件設置在合頁結構中合頁上部與合頁下部之間，兩端分別通過運動副與合頁上部、合頁下部鉸接；或設置在合頁結構中合頁上部與靜平臺之間，兩端分別通過運動副與合頁上部、靜平臺鉸接。
8.如權利要求1?7所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:所述彈性元件采用伸縮缸體結構，置于導向裝置內，通過導向裝置防止彈性元件側向彎曲失去穩定性；彈性元件端部設置有伸出桿，伸出桿的伸出端由導向裝置頂端面伸出；并在導向裝置底端與伸出桿的伸出端處安裝運動副連接件；由此，使彈性元件形成彈性支鏈結構。
9.如權利要求1所述一種利用振動系統降低并聯運動模擬器功率的方法，其特征在于:適用于六自由度并聯機構與少自由度并聯機構。
【文檔編號】F16F15/12GK104154175SQ201410437803
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】韓先國, 薛超群 申請人:北京航空航天大學