[发明专利]自适应六自由度气浮仿真试验台及其计算方法

权利要求书

1.一种自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：

包括试验台(1)、下工位机构(2)和上工位机构(3)；

所述下工位机构(2)包括下工位平台(4)、升降支架(5)、升降驱动机构(6)、气浮轴颈轴承(7)、第一气浮平面轴承(8)、第一气浮球轴承(9)、自适应气浮组(10)；

所述升降支架(5)通过气浮轴颈轴承(7)安装在下工位平台(4)上，所述气浮轴颈轴承(7)具备一个移动自由度和一个转动自由度，使所述升降支架(5)能够相对于下工位平台(4)竖直移动和绕竖直轴转动；

所述升降驱动机构(6)用于驱动升降支架(5)相对于下工位平台(4)竖直移动；

所述第一气浮平面轴承(8)设于升降驱动机构(6)与升降支架(5)之间，所述第一气浮平面轴承(8)具备一个转动自由度，使所述升降支架(5)能够相对于升降驱动机构(6)绕竖直轴转动；

所述升降支架(5)通过第一气浮球轴承(9)与上工位机构(3)连接，所述第一气浮球轴承(9)具备三个转动自由度，使所述上工位机构(3)能够相对于升降支架(5)自由转动；

所述自适应气浮组(10)设有至少三组并均匀布置在下工位平台(4)的底部，所述自适应气浮组(10)包括自适应支架(11)、第二气浮平面轴承(12)、第二气浮球轴承(13)；

所述第二气浮平面轴承(12)安装在自适应支架(11)与试验台(1)之间，所述第二气浮平面轴承(12)具备两个移动自由度，使所述自适应支架(11)能够相对于试验台(1)水平移动；

所述自适应支架(11)通过第二气浮球轴承(13)与下工位平台(4)连接，所述第二气浮球轴承(13)具备三个转动自由度，使所述自适应支架(11)能够相对于下工位平台(4)自由转动；

所述上工位机构(3)上设有压缩空气推进系统。

2.根据权利要求1所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述下工位机构还包括第一供气模块，所述第一供气模块用于给气浮轴颈轴承(7)、第一气浮平面轴承(8)、第一气浮球轴承(9)提供用于润滑的空气。

3.根据权利要求2所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述第一供气模块包括第一高压气罐(14)和第一气道(15)，所述第一高压气罐(14)安装在下工位平台(4)上，所述第一气道(15)设于下工位平台(4)内，所述第一高压气罐(14)通过第一气道(15)分别与气浮轴颈轴承(7)、第一气浮平面轴承(8)、第一气浮球轴承(9)连接。

4.根据权利要求1所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述自适应气浮组还包括第二供气模块，所述第二供气模块用于给第二气浮平面轴承(12)、第二气浮球轴承(13)提供用于润滑的空气。

5.根据权利要求4所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述第二供气模块包括第二高压气罐(16)和第二气道(17)，所述第二高压气罐(16)安装在自适应支架(11)上，所述第二气道(17)设于自适应支架(11)内，所述第二高压气罐(16)通过第二气道(17)分别与第二气浮平面轴承(12)、第二气浮球轴承(13)连接。

6.根据权利要求5所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述第二高压气罐(16)设有多个并沿同一周向均布。

7.根据权利要求1-6任一所述的自适应六自由度气浮仿真试验台，其特征在于：所述升降驱动机构(6)为直线电机，所述直线电机安装在下工位平台(4)上，所述直线电机的动子与托板(18)连接，所述第一气浮平面轴承(8)设于托板(18)与升降支架(5)之间。

8.一种根据权利要求1-7任一所述的自适应六自由度气浮仿真试验台的刚体运动学和刚体动力学计算方法，包括以下步骤：

A、建立两个坐标系：一个是和地面固定的惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w；另一个是本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o；

B、由三个线性变量的轨道运动学和轨道动力学求得上工位机构(3)的本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o原点O_o在试验台(1)的惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的三个坐标值的变化；

C、由姿态运动学和姿态动力学求得上工位机构(3)相对本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o原点O_o的三个角度的变化，所述步骤C的具体步骤包括：

C1、上工位机构(3)的本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o中的任一向量R’通过坐标变换方法转换到试验台(1)的惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w中的向量R：

上式中为本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o的三坐标轴在惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的方向余弦矩阵，即转移矩阵；P是本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o原点O_o在惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的坐标值；

如定义两个坐标系的方位角为：俯仰角θ，偏航角ψ和滚转角φ，则上述转移矩阵写为三个初等旋转矩阵乘积的形式：

上式中，c,s分别为cos和sin的缩写，下同；

自适应六自由度气浮仿真试验台的六个参数，即本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o原点在惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的三个坐标和本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o坐标轴在惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w上的三个方位角表示为时间的单值连续函数，即有自适应六自由度气浮仿真试验台运动学方程：

上述x₀(t),y₀(t),z₀(t)在惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w下对时间的导数即是本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o原点O_o的速度

对于姿态运动来说，上工位机构(3)连同固结在其上的本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o相对惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w的转动是分别绕三个轴以欧拉角速度来完成，其矢量和就是上工位机构(3)转动的合成角速度：

其中ω_ox，ω_oy，ω_oz为本体坐标系下姿态三个角速度分量；

本体坐标系下欧拉角速度分量ω_ox，ω_oy，ω_oz与三个欧拉角速度的关系有：

对上式转换矩阵求逆，以将欧拉角速度度用本体坐标系下姿态角速度分量ω_ox，ω_oy，ω_oz来表示：

C2、由于上工位机构(3)的质心C与转动中心O_o两者之间存在偏差，因此，对上工位机构(3)的刚体姿态运动学和刚体姿态动力学两部分给出考虑偏差后的计算方法：

设上工位机构(3)的质心C与转动中心O_o偏差为r_c，质心C到惯性坐标系原点的矢量为本体坐标系O_o-X_oY_oZ_o原点O_o到惯性坐标系O_w-X_wY_wZ_w原点的矢量为作用于上工位机构(3)上所有外力的主矢量为所有外力对转动中心O_o点的主矩矢量为上工位机构(3)质量为m_A，下工位机构(2)质量为m_P，整个自适应六自由度气浮仿真试验台的质量为M；

对上工位机构(3)的刚体模型进行分析，有如下矢量关系：

由上工位机构(3)动量对时间的导数等于压缩空气推进系统的主矢矩，推得上工位机构(3)轨道动力学方程：

上工位机构(3)轨道动力学公式可以表示为：

上式中，F_p为压缩空气推进系统产生的推进力的合力，F_Q为第一气浮球轴承(9)对上工位机构(3)产生的推力、G_A为上工位机构(3)所受重力、F_d为上工位机构(3)气动干扰等外界干扰力；

上工位机构(3)对O_o点的动量矩为：

由于任一质量微元m_i与第一气浮球轴承(9)球心O_o间有下述关系：

则上工位机构(3)对O_o点的动量矩可写为：

其中第二项为上工位机构(3)对第一气浮球轴承(9)球心O_o的相对动量矩：

将上述动量矩对时间取导后，有：

根据矢量叉积的定义：上式可写为：

由于外力矩应等于刚体对O_o的相对动量矩对时间的导数加上刚体对原点附加动量矩，于是从刚体动力学平衡公式，有：

若引入刚体在本体坐标系中对旋转中心O_o的转动惯量张量矩阵J_b：

于是有上工位机构(3)的姿态动力学方程为：

其中为外力矩，包括压缩空气推进系统的空气推进力产生的控制力矩，上工位机构(3)重心与旋转中心O_o不重合产生的力矩、气动阻尼力矩和涡流力矩。