基于ADAMS的六自由度液压动感平台建模及运动学仿真.pdf

2 0 1 2年 7月 第 4 |D卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 3 ． 0 4 8 基于 A D A M S的六 自由度液压动感平台建模及运动学仿真 林砺宗，潘大亨，傅招国，倪小鹏 华 东理工大学机械与动力工程 系，上海 2 0 0 2 3 7 摘要根据 S t e w a r t 结构制作了一个六自由度运动平台，并以该平台为主要研究对象，构建了整个位姿系统的模型。运 用 S o l i d Wo r k s 和 A D A M S 软件，构建平台仿真模型并进行仿真分析，得出上平台以及各缸体的运动特性曲线 ， 验证平台设 计的合理性与准确性。同时分析了整个平台机构的运动过程、运动的极限位置、转角 、干涉情况、空间运动位置和运动参 数等，对整个六自由度液压系统的安全性及可靠性有重要的指导作用。 关键词六 自由度液压平台；建模；运动学仿真 中图分类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 31 6 6 4 M o d e l i n g a nd Ki n e ma t i c s S i mul a tio n o f 6． DOF Hy dr a uli c Pl a t f o r m Ba s e d o n So l i dW o r k s a n d ADAM S L I N Li z o n g，PAN Da h e n g，FU Zh a o g u o，NI Xi a o p e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ，E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7，C h i n a Ab s t r a c t A p l a t f o r m wa s d e v e l o p e d w h i c h h a d s i x d e g r e e s o f f r e e d o m a c c o r d i n g t o t h e S t e w a r t s t r u c t u r e ． T h e mo d e l o f t h e p o s i t i o n a n d o r i e n t a t i o n s y s t e m wa s c o n s t ruc t e d ． B y u s i n g S o l i d W o r k s an d AD AMS， t h e mo d e l o f t h e p l a tf o rm wa s b u i l t a n d s i mu l a t e d ． T h e n t h e mo t i o n c u r v e s o f t h e p l a t f o rm a n d t h e c y l i n d e r w e r e g o t t e n ．T h e mo v e me n t p r o c e s s o f t h e p l a tf o r m，mo v e me n t l i mi t p o s i t i o n， a n g l e ，t h e i n t e r f e r e n c e， s p a c e mo t i o n l o c a t i o n a n d mo t i o n p a me t e m w e r e a n a l y z e d ．I t p l a y s a n i mp o r t a n t g u i d i n g r o l e i n t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e w h o l e 6 - DOF h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s 6 - DOF h y d r a u l i c p l a tf o rm ；Mo d e l i n g；Ki n e ma t i c s i mu l a t i o n 六 自由度运动平台是一种可完成空间6个自由度 的运动并模拟出空间各种运动姿态的并联式运动机 构。目前六自由度运动平台基本上采用 S t e w a r t 结构 形式u ，该结构具有承载能力强、刚度大以及机构稳 定等优点。其应用前景广阔，可以广泛应用于飞机、 汽车、轮船等模拟器以及动感 4 D电影和娱乐设备领 域，具有重大的经济价值和国防战略意义 。六 自由 度运动平台的研制涉及机械、液压、控制、计算机、 传感器、空间运动数学模型、网络通信、动态仿真等 一 系列高科技领域。六自由度运动平台的驱动方式通 常有电气、气动和液压 3 种基本方式，其中液压驱动 形式的六 自由度平台系统正是各高校与研究院所研究 的热点课题。早在 2 0世纪 7 0年代初，美国 L I N K公 司开发的飞行模拟器就是应用六自由度运动平台，它 的发展水平可以标志一个国家航空、航天等方面的发 达程度。作者正是采用液压驱动方式，利用仿真软件 对六 自由度运动平台进行仿真研究，使系统平台在一 定程度上能够模拟现实的试验条件完成设计对象功能 的可行性及其工作性能的分析，更好地理解系统的运 动特性 、动力特性 ，比较 设计方 案 ，优化设计 ，提 高 产品质量和机械设计效率等。 当前我国的六 自由度平台设计水平和制造水平较 低 ，和美 国等发达 国家相 比尚有较大差距 ，且 对六 自 由度平 台控制 理论 、控制 系统 与技 术 的研 究还 很粗 浅 ，因此需要对其进 行深入 的理论分析 和实验研 究 。在六 自由度运动平 台的研究 中，运动学 的仿 真 分析十分重要。此外，建模仿真研究也是非常重要的 一 个方面。理想的仿真应能满足以下要求建模简单 迅速 、模型逼真、能实现动画生成和便于参数调整。 利用 S o l i d Wo r k s 和 A D A MS 软件可将这些工作有机地 结合起来 ，简单、直观，且大大提高工作效率 ，对尽 快研制出性能优 良的六 自由度平台，提高我国的仿真 技术水平 ，具有重大的理论意义和实际应用价值 。 1 平台结构的设计与分析 六自由度液压平台控制系统由平台运动机构、控 制系统、液压源等设备组成。其中平台运动机构主要 收稿 日期 2 0 1 1 一 O 6 0 2 作者简介林砺宗 1 9 6 l 一 ，男 ，教授，主要研究方向为机 电一体化技术、机器人与数控技术。Em a i l l z l i n e c u s t ． e d u ． c no 第 1 3 期 林砺宗 等 基于A D A MS的六 自由度液压动感平台建模及运动学仿真 1 6 7 包括上平台、下平台、六组液压缸以及虎克铰等部 件。其基本结构框 图如 图 1 。 亡j 机 供 六 放 轴 大 莲 放 器 动 大 及 控 器 端 制 子 板 卡 电 源 图 1 平 台控制系统组成 工控 机上插有运 动控制卡，且该系统是 基于 V C 6 ． 0开发的平台控制系统。同时工控机外接端子板 与放大器 ，放大器与编码器相连，使系统产生的模拟 电压信号经放大器放大 电压用以控制 比例换 向阀 系统采用型号为 P A - D V - D 2 4的比例换向阀 ，再由 阀控制液压缸活塞杆 的伸缩，驱动上平台运动 上 平台与小船 固连在一起 并结合实时播放 的 3 D影 片，使乘客体会虚拟驾驶的真实感。同时液压缸的伸 缩量经编码器传送给放大器，形成闭环控制，增强系 统的稳定性 。 1 ． 1 机构运动姿 态与 自由度计算 该平台控制端主要是应用于 4 D动感电影领域， 因此上平台要完成空间6 个 自由度的运动姿态 ，再配 合 3 D投影，使乘客产生身临其境的感觉。结合 6缸 各 自的伸缩量可使小船俯冲、俯仰、偏航、倾斜等， 同时可以改变 6缸的伸缩速度 ，使小船既能平稳运动 又能快速运动 ，达到实时配合影片运动的效果。该液 压平台的自由度计算如公式 1 F6 n 一∑P 1 i 1 其中F为机构的自由度数，n为活动构件总数 ，m 为运动副总数，P 为第 i 个运动副的约束条件数。本 机构 n1 3 ，m 1 8 1 2 个虎克铰、6 组液压缸 ，每 个虎克铰的约束条件数为4 ，每组液压缸的约束条件 数也为 4 ，代人上式可得 F 61 3一 41 2 4 6 6 2 1 ． 2 系统的运动学分析与设计流程 该六 自由度液压平台结构紧凑，运动平稳 ，其上 平台转动幅度介于 0 。 ～ 7 5 。 。从设计的角度看 ，该系 统在运动学、动力学理论方面与并联机器人、并联机 床、各种模拟器等是相同的，且该系统采用液压驱动 方式更加有利于运动的平稳性、与影片响应的准确性 及良好的承载能力等要求。只有满足这些运动指标的 要求，才能达到逼真的效果。 对六自由度运动平台空间姿态的控制与测量有两 种解算方法位置反解和位置正解 。文中采用位 置反解方程验证机构运动的准确性。已知输出件的位 置和姿态，求解输入件的位置称为机构的位置反解。 因为上平台的运 动可分解 为下平 台的旋转与平移 ，下 平台各铰点的静坐标为 A ∽ B C 。 ，上平台各 铰点的静坐标为 A ，B ，C ，上平台各铰点的 动坐标为 o ，b ，c ，旋转变换矩阵为 T，平移量 料嘲 L A A B 日 。 c 一c 。 i 1 ，2 ，3 ，4 ， 5 ，6 4 实验证 明 ，该六 自由度液压平台符合上述动力 学 方程。结合以上设计原则，对该六自由度液压平台进 行仿真分析的整体设计与分析过程如图2 。 定义 各个 part“ 母圃圃 田 重命名、 材质、约 束、motion 函数1 图2 六 自由度液压平台仿真分析过程 2 S o l i d Wo r k s 建模与装配 采用 S o l i d Wo r k s 建模、A D A M S仿真的方法，充 分利用了两款软件的优势 ，提高实验效率。同时对运 动状态进行仿真、检查机构设计的合理性等，对物理 样机的设计具有重要的参考和指导价值。 已知六 自由度液压平台由上平台、下平台、液压 缸及虎克铰等组成。首先利用 S o l i d Wo r k s 建立各零件 模型 ，然后将其依实物模型组装成装配体，如 图 3 示 ，并以P a r a s o l i d 格式导出为最终导人 A D A M S仿真 分析做准备。在建模过程中，要根据已知结构尺寸准 确地 建立 1 l 平台模型 ，其中上平 台为动平 台 ，通过 上虎 克铰与液压缸 活塞杆 连接 ，下平 台为 固定基座 ， 通过下虎克铰与液压缸体连接。由于该平台结构基本 上是对称分布，所以其空间装配要十分精确 。 一 I I _ 图3 模型装配体 3 A D A MS模型仿真分析 机械系统动力学 自动分析软件 A D A M S ，是美国 MD I 公司开发的非 常著名的虚拟样机 分析软件 。 1 6 8 机床与液压 第 4 0卷 A D A M S一方 面是虚拟样 机分析 的应用 软件 ，使用 其 交互式图形环境和零件库、约束库 、力库，创建完全 参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系 统动力学理论中的拉格朗 日方程方法 ，建立系统动力 学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力 学分析，输出位移、速度、加速度、扭矩和反作用力 等曲线。另一方面 A D A MS又是虚拟样机分析开发工 具，其仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、 碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 它集建模、设计和后处理于一体 ，由多个模块组成 ， 包括基本模块、扩展模块 、接口模块、专业模块及工 具箱等。文中采用 A D A M S软件 中的基本模块 A D ． AMS ／Vi e w、 ADAMS ／S o l v e、 ADAMS ／ P o s t P r o c e s s o r 、 A D A MS ／ A n i m a t i o n等对六 自由液压 平台进行运动仿 真 分析 。 3 ． 1 模 型 的导入 六 自由度液压平台三维模型是 A D A MS运动仿真 的基础，可以用 A D A M S自带的建模工具创建模型， 但由于 A D A M S的三维造型能力略有不足，对于复杂 的零部件或者是含有较多组件的装配体采用 A D A M S ／ V i e w不能很好地把其特征表达出来。因此对复杂的 机械模型进行运动学和动力学分析，通常运用 C A D A D A MS的组合方式，先利用 C A D软件进行三维模型 的创建 、装配 ，然后将 设计好 的模型导入 A D A MS再 进行运动学 和动力学 的分析。典型的 C A D软件如 U G、P r o ／ E、S o l i d Wo r k s 、A u C A D等都可以相应的 格 式 导 人 A D A MS中。 文 中 正 是 采 用 S o l i d - wo r k sAD AMS 的 组 合方式 ，并将 在 S o l i d Wo As中建 立 的 P a r a s o l i d文件 导入 A D A MS 中 如 图 4 进 行 仿 真分析 。 3 ． 2 运动学仿真 图 4 六 自由度液压 平台仿真模型 导人成功后要对各个零部件进行重新命名、赋予 几何材质 ，方便寻找、提高工作效率。同时必须在各 个机构之间加上约束关系。A D A M S提供 了一个约束 库来定义零件连接方式以及零件之间的相对运动，实 现机构的静力学和动力学分析，例如机构的运动极限 位置分析、轨迹跟踪 、各种参数的曲线生成以及动画 生成㈨ 。 1 运动副 的定义 根据 各零部 件 间不 同的运 动 副赋 予其 相应 的约 束 ，在这 里上 下虎克铰支座分别 与上下平 台通过 固定 副 F i x e d 锁 在 一 起 ，下 平 台与 大 地 通 过 固 定 副 F i x e d 锁在一起 。上下虎克铰支座通过 十字架 分别 与活塞杆和缸体进行万向节副 H o o k e 的连接 ，活 塞杆与缸体间为圆柱副 C y l i n d r i c a 1 ，活塞杆与缸体 间再加一移动副 T r a n s l a t i o n a l J o i n t M o t i o n 。 2 驱动 的定义 根据平台机构的不 同运动类型，A D A M S可定义 为连续、步进函数、谐波函数、齿条和表达式等各种 驱动方式。而该六 自由度液压平 台的运动包括 空间 6 个 自由度的运动姿态，可根据运动形式的不同给出不 同的驱动方式。作者将 6个液压缸的采集数据以 t x t 文档逐一导人 A D A M S中生成对应的样条曲线，并使 用 S p l i n e中的 A K I S P L函数将样条曲线赋予对应缸的 M o t i o n上，实现液压缸的驱动 。其中 A K I S P L函数 的表达式为 A K I S P L 1 s t ． I n d e p V a r ，2 n d I n d e p V a r ，S p l i n e Na me，De r i v O r d e r 其中 1 s t I n d e p V a r 为第 一 自变 量 ，可 以为 时 间 t i m e 也可以为距离的函数 ，这里以时间为 自变量 ； 2n d I n d e pV a r为第 二 自变 量，必须 为 0 ；S p l i n e N a m e 为数据单元 s p l i n e的名称；D e r i v O r d e r 为插值 点的微分 阶数，一般用 0就可以了，1表示 1次求 导，这里取 0值。则 函数表 达式为A K I S P L t i m e ， 0，S p l i n e _j ， 0 ， J取 1～ 6。 至此建立起了六 自由度液压平台在 A D A M S环境 下 的完整仿真模型 ，然后进 行 N s 、M 步 的运动 仿真 。 此外，用 A K I S P L t i m e ， 0 ， S p l i n e j， 0 作为 M o t i o n的 函数，仿真时应该选择适当的仿真步数。若仿真步数 太少，步长太大，则拟合取值时将取不尽 S p l i n e的 值 ，造成取值的不准确。所以要调整步数，然后在后 处理看所得的 M o t i o n规律是否和要加 的一致。这里 作者采用 3 8 8 0 0 m s ，5 6 0 0步为最佳取值参数” 。 3 运动分析 最后利用 A D A M S ／ S o l v e r 开 始仿 真 分析计 算 ，就 可获得并联机构 6 个 自由度的性能指标。在仿真分析 中 ，给定 平 台的姿 态变 化规 律 ，A D A MS ／ S o l v e r 就会 自动输出各个缸和动平台的位移、速度、加速度以及 其他计算机 自定义的各种值，如受力、扭矩等。这些 仿真结果在 A D A M S ／ P o s t p r o c e s s o r s中可以根据需要调 用，也可根据实际要求进行数据处理，输出所需要的 数据曲线和动画，从而能够清晰地看出它们在仿真过 程中的变化规律。如机构的整体运动过程，可以将机 构设计中的干涉、速度突变、平台抖动等一系列问题 反映出来，交互地进行结构参数的调整和改进 ，验证 采集数据的准确性。同时可以修正过大的速度参数 ， 使平 台运动得更加平稳 。图 5正是小船 的 3个典型运 动姿态 俯仰 、偏航 、倾斜 。 1 7 4 机床与液压 第4 O卷 q △ p 2 式 中q 表示 流量 ； 是由孔口的形状 、尺寸和液体性质决定的系 数 ； A表示孔 口的通流 面积 ； △ p表示孔口两端的压差。 设 定溢 流 阀 R V 2 压强分 别 为 6和 l 0 M P a ，进行仿真试验， 得到时 间与速 度关 系 曲线如图 4所示。可 见 ，压 强 越 大 ，流 量 越 大 ，运 动 速 度 越 大。 4 ． 2活塞 缸 直 径 对 运动速 度 的影 响 设 定 活 塞 缸 直 径分别 为 1 0 0和 2 0 0 m m，进 行 仿 真 试 验，得 到时 间与 速 度关 系曲线 如 图 5 所 示 。可 见 活 塞 缸 直 径 越 大 ，运 动 速度越小 。 4 ． 3 活 塞 杆 直 径 对运动 速度 的影 响 喜 一 一 一 一 一 ＼ 二二6。。MMPpa 圣 ．t 。{ ＼ ～ ～ 一 一 一 j ／ I ol ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ tl 譬． 1 ⋯⋯⋯⋯ 0 2 4 6 8 10 t l s 图 5 活塞缸直径对运 动速度的影响 设定活塞杆直径分别为 5 0和 8 0 m m进行仿真试 验，得到时间与速度关系曲线如图6所示。可见活塞 杆直径越大 ，运动速度越大。 -7 “ 5 {_ ⋯] - - 50 m m ；{ { ⋯ 。⋯ 。 { 。I -5{ }L 一 一 一 一 一 ． 1 0{ _ 1 1 l 旱 ； -广 1 图 6 活塞杆直径对运动速度的影响 4 ． 4液压缸泄漏对运动速度的影响 液压缸泄 漏对 运动 速度 的影 响很 难 进行 量化 比 较，利用仿真试验可以得到液压缸泄漏对运动速度的 影响 的量化 曲线 ，对 研究泄漏故障有很好 e 的指导 意义 。设 定 液 0 压缸 B A F 1直 径 间 隙 - 5 分 别 为0 ． 0 0 1 和一加 5 m m，进 行 仿 真 试 验 ，得 到 时间 与速 度 关 系 曲 线 如 图 7所 示 。可 见 ，泄 漏 延缓 了运动加速时 间。 5结论 o 2 4 6 8 l O t ／ s 图 7 泄漏对运动 速度 的影响 该仿真试验有效验证了液压系统中影响液压缸运 动的因素，并将流量、活塞缸和活塞杆直径、泄漏对 液压缸运动速度的影响进行 了量化 ，得 到了仿真试验 曲线。该仿真试验为液压缸的设计和故障诊断提供了 有效的依据，开辟了一条液压仿真试验的新途径。 参考文献 【 1 】 李新德． 液压系统故障诊断与维修技术手册[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】 孙成通， 陈国华， 蒋学华 ， 等． 液压系统仿真技术与仿真 软件研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 1 1 1 4 ． 【 3 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】梁晓娟． 基于 A ME S i m三位四通阀动态仿真研究[ J ] ． 煤 矿机电 ， 2 0 0 9 5 3 4 3 6 ． 【 5 】 冯静， 李卫民， 甘元强． 基于A M E S i m的溢流阀动态特性 研究[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 9 9 4 1 4 3 ． 【 6 】G a o Y， K O N G x， Z H A N G Q ． Wa v e l e t A n a l y s i s f o r P i s t o n P u m p F a u l t D i a g n o s i s [ C] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l O ff - 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