弱碰撞半物理仿真系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).pdf

1、弱碰撞半物理仿真(或稱半實(shí)物模擬)系統(tǒng)是空間試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)之一，也是我國探月工程的必要試驗(yàn)裝置，其工作核心由運(yùn)動(dòng)模擬器組成。為了真實(shí)地模擬空間中的碰撞運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模擬器需要具有高剛度、大承載、高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特性，而弱碰撞對(duì)接的特殊性又對(duì)高頻響、工作空間、各向同性有更為嚴(yán)格的要求。目前的運(yùn)動(dòng)模擬器在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、工作空間及各向同性等方面都無法滿足弱碰撞測試的需求。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種全新的高性能運(yùn)動(dòng)模擬器，進(jìn)行了從機(jī)構(gòu)構(gòu)型、尺

2、度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化全面設(shè)計(jì)，并在制造裝配完成后對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行了標(biāo)定，具體內(nèi)容如下：
　?。?）提出了一種雙運(yùn)動(dòng)模擬器協(xié)作的九軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。通過對(duì)試驗(yàn)需求的分析，提出了一種創(chuàng)新的六自由度3-3正交并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)與當(dāng)前廣泛采用的Stewart機(jī)構(gòu)相比，需求工作空間/可達(dá)工作空間的占比很高，具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及優(yōu)良的各向同性，在工作空間內(nèi)不易發(fā)生奇異，同時(shí)還具有高剛度、大承載、高精度等特點(diǎn)；為模擬系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)

3、動(dòng)學(xué)建模、控制方案設(shè)計(jì)、以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)搭建。
　?。?）基于本文發(fā)現(xiàn)的一種關(guān)鍵點(diǎn)特性進(jìn)行了機(jī)構(gòu)尺度設(shè)計(jì)。提出了一種直觀且全面的工作空間描述方法；發(fā)現(xiàn)并證明了運(yùn)動(dòng)模擬器的一類關(guān)鍵點(diǎn)特性；利用這種關(guān)鍵點(diǎn)特性提出了一種基于工作空間需求的機(jī)構(gòu)尺度設(shè)計(jì)方法，其結(jié)果準(zhǔn)確、計(jì)算量小；之后對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器的干涉和條件數(shù)進(jìn)行了分析。
　　（3）基于動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立了系統(tǒng)的等效慣性和剛度參數(shù)模型，以及機(jī)構(gòu)尺度對(duì)系統(tǒng)的剛度、固有頻率

4、的影響關(guān)系模型；利用此模型并結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)和優(yōu)化算法對(duì)機(jī)構(gòu)尺度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；最終完成了運(yùn)動(dòng)模擬器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　?。?）以提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建立了運(yùn)動(dòng)模擬器的動(dòng)力學(xué)模型和機(jī)電一體化數(shù)字樣機(jī)；分析了驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)能力需求之間的關(guān)系，并對(duì)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)；最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬器的綜合性能進(jìn)行了考核。
　　（5）全面分析了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度的影響因素，建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差對(duì)輸出精度的影響關(guān)系模型