[发明专利]一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法

说明书

技术领域

本发明属于并联运动模拟器设计及优化方法领域，涉及一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法。 

背景技术

能够模拟船舶在水面上做横摇、纵摇及升沉等典型运动、基于并联机构的运动模拟器往往被形象地称作并联摇摆台。并联机构作为并联运动模拟器的主体结构，如图1所示，通常由动平台、静平台、驱动机构组成，部分少自由度机构还含有约束机构。动平台做周期性往复运动；驱动机构精确地控制动平台的运动，动平台的能量变化完全由驱动机构输入、输出实现；对于少自由度并联机构，约束机构约束住不需要的方向上的运动。 

舰船运动模拟器往往需要模拟船舶横摇、纵摇、升沉等典型运动，这些运动属于周期性往复运动，一般可以用正弦规律描述。用于上述运动模拟的并联运动模拟器具有多种形式，如：有两自由度并联运动模拟器、三自由度并联运动模拟器及六自由度并联运动模拟器。其中两自由度并联运动模拟器可以模拟横摇、纵摇及两者复合的运动；三自由度并联运动模拟器可以模拟横摇、纵摇、升沉及其复合运动；六自由度并联运动模拟器可以模拟三个移动自由度方向及三个转动自由度方向的运动。运动过程中，动平台的动能周期性地增加、减少。当动能增加时，驱动支链对动平台做的总功是正功，做功大小等于动能的增加量；当动能减少时，驱动支链对动平台做的总功是负功，做功大小等于动能的减少量。考虑机械效率小于1并且不同支链间存在动力耦合现象，平台消耗的总能量大于支链做功总和。 

由于船舰是大型设备，部分摇摆台的尺寸和载荷都很大，在上述往复做功过程中支链消耗的能量是巨大的。当动平台尺寸较大时，由于自重增加及支撑之间跨度变大，对其强度、刚度要求变高，设计质量增加，从而导致驱动支链负担增大，直接导致额定功率很大，实际运行中的能耗很大，电力设备的装机容量高，使用及制造成本急剧上升。 

目前提高并联摇摆台的承载能力、降低额定功率的方法主要是增加并联机构 的液压驱动支腿以及增加支撑机构等，这些方法平衡了动平台及负载的部分重力，起到了一定的作用，但并没有平衡掉惯性力，而且增加了系统复杂性增加了制造成本；部分文献中提出运用铝合金等材料制作动平台等，通过部件减重降低了驱动支链负担，但在实际应用中，由于结构强度、刚度限制，该方法具有很大的局限性。 

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，将并联运动模拟器中并联机构的动平台与静平台间设置弹性元件，使动平台与弹性元件间构成振动系统，降低并联机构中驱动机构的功率。 

所述弹性元件的刚度确定方法如下： 

A、当并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率为定值ω_f时，弹性元件刚度确定方法如下： 

根据振动力学理论，得到振动系统的固有频率计算模型，为： 

ω₀＝f(K)               (1) 

式(1)中，ω₀是振动系统的固有频率，K＝(K₁,K₂,…K_i,…,K_n)，K_i为第i个弹性元件的刚度，n为弹性元件的总个数； 

设定各个弹性元件的刚度值，直至振动系统在各个自由度方向上振动的固有频率与对应自由度方向上的工作频率ω_f相等。 

B、若并联运动模拟器在各个自由度方向上的工作频率是一个范围时，弹性元件刚度确定方法如下： 

建立具有弹性元件的并联运动模拟器的动力学模型，求出一个周期内并联机构中的驱动机构消耗功率P： 

P＝f(K,ω)               (2) 

根据上述功率计算模型，设定各个弹性元件的刚度值，可使并联运动模拟器工作频率ω范围内的最大功率值最小。 

所述弹性元件的初始力为：使各个弹性支链的初始力的合力与动平台重力大小相等、方向相反。 

所述弹性元件的安装位置优选为：动平台处于水平状态时，使弹性元件处于竖直状态，和或弹性元件相对于动平台转轴轴线两侧对称位置布置。 

本发明的优点在于： 

1、本发明利用振动系统降低并联运动模拟器功率的方法，采用弹性元件将 并联运动模拟器的动平台和静平台(或地面)连接起来构成一个振动系统，在并联运动模拟器做往复运动过程中，动平台的动能和弹性元件的弹性势能相互转化，从而减小了驱动机构的能量输入，大大降低系统的额定功率，同时，提高了并联运动模拟器使用时的安全性；