CN115292665A - 基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法 - Google Patents

基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，属于船上辅助设备技术领域，用于一体化拆解装备的模拟实验，包括搭建实验台架，建立坐标系，连接测量仪器，连接工控机与执行元件，首先启动两个六自由度运动平台，输入含有相位差的五级海况横向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应，然后启动举升电动缸控制程序，通过控制器来控制举升电动缸，使举升臂尖端刚刚贴上被抬举物体，关闭举升电动缸，测量举升电动缸和姿态传感器数据，继而继续启动举升电动缸使被抬举物体刚好被抬起，关闭举升电动缸，测量举升电动缸和姿态传感器数据；继续启动举升电动缸，抬起被抬举物体，被抬举物体在坐标系下的空间位置数据，记录姿态传感器数据。

Description

基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法
技术领域
本发明公开基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，属于船上辅助设备技术领域。
背景技术
一体化拆解装备是海上工作中常用的装置，由于实际工况中工作海域环境复杂，受外界影响较大，且拆解装备体积庞大，导致难以分析拆解装备的系统特性，造成部分新拆解装备处于研发阶段时，无实船验证。为使一体化拆解装备的系统特性便于分析，本发明建立一体化拆解装备的缩尺模型，通过模型实验的手段，来实现一体化拆解举升臂系统动力学实验验证，为原型拆解装备的设计提供有效的参考信息。
发明内容
本发明的目的在于提供基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，以解决现有技术中，一体化拆解装备难以分析特性的问题。
基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，包括：
S1.搭建实验台架，建立坐标系，连接测量仪器，连接工控机与执行元件；
所述实验台架包括被抬举物体、两个六自由度运动平台、两个举升电动缸和两个举升臂，所述六自由度运动平台包括上平台、下平台和六个平台电动缸，平台电动缸的两端分别铰连接上平台底部和下平台顶部，所述举升臂通过举升电动缸设在上平台顶部，被抬举物体底部的两端分别设在两个举升臂的顶部；
S2.启动两个六自由度运动平台，输入含有相位差的五级海况横向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S3.启动举升电动缸控制程序，通过控制器来控制举升电动缸，使举升臂尖端贴上被抬举物体，关闭举升电动缸，测量举升电动缸和姿态传感器数据；
S4.继续启动举升电动缸使被抬举物体被抬起，关闭举升电动缸，测量举升电动缸和姿态传感器数据；
S5.继续启动举升电动缸，抬起被抬举物体，被抬举物体在坐标系下的空间位置数据，记录姿态传感器数据；
S6.还原实验装置至S2状态，改变两个六自由度运动平台的输入，输入含有相位差的五级海况纵向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S7.第二次执行S2至S6；
S8.还原实验装置至S2状态，改变两个六自由度运动平台的输入，输入含有相位差的五级海况复合波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S9.第三次执行S2至S6。
优选地，所述建立坐标系包括：在六自由度运动平台上建立两个笛卡尔坐标系，在 上平台底部所在平面建立动坐标系
Figure 298428DEST_PATH_IMAGE002
，在下平台顶部所在平面建立惯性坐标系
Figure 418831DEST_PATH_IMAGE004
；
动坐标系与惯性坐标系之间存在的变换矩阵即为六自由度运动平台的数学模型， 记为变换矩阵
Figure 916677DEST_PATH_IMAGE006
，动坐标系中的任一向量
Figure 515148DEST_PATH_IMAGE008
通过坐标变换转换为惯性坐标系中的R，即
Figure 798362DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 330145DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 66020DEST_PATH_IMAGE013
为动平台绕X轴的旋转角，
Figure 733761DEST_PATH_IMAGE015
为动平台绕Y轴的旋转角，
Figure 605902DEST_PATH_IMAGE017
为动平台绕Z轴 的旋转角，a为上运动平台沿X轴正方向的平移量，b为上运动平台沿X轴正方向的平移量，c 为上运动平台沿X轴正方向的平移量。
优选地，平台电动缸的参数包括电动缸行程和机械传递量。
优选地，电动缸行程包括：
六个平台电动缸的伸缩位移
Figure 582955DEST_PATH_IMAGE019
的求解式为：
Figure 274967DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 388810DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 381037DEST_PATH_IMAGE024
为旋 转后的一个平台电动缸上下铰点之间的距离，
Figure 528990DEST_PATH_IMAGE026
为六自由度运动平台处于初始状态下一个 平台电动缸上下铰点之间的距离，
Figure 505036DEST_PATH_IMAGE028
为旋转后上铰点在惯性坐标系中的坐标，
Figure 983422DEST_PATH_IMAGE030
为下铰 点在惯性坐标系中的坐标。
优选地，机械传递量的表达式为
Figure 95735DEST_PATH_IMAGE031
，式中，
Figure 149010DEST_PATH_IMAGE033
为机械传递量，k 为电机轴上的扭转刚度系数，
Figure 346773DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 628850DEST_PATH_IMAGE037
分别为两个同步轮的齿数，l为丝杠螺母螺距，J 1、J 2分别 为两个同步轴的转动惯量，M为螺母、内活塞杆及负载折算后的质量矢量，D为直线运动速度 阻尼系数，s为标准轴径。
优选地，使用相似理论建模，以长度、力、时间作为基本量纲，再选定其他16个物理 量的量纲，共19个量纲组成量纲矩阵和
Figure 595669DEST_PATH_IMAGE039
矩阵。
优选地，
Figure 85425DEST_PATH_IMAGE041
矩阵中各分量的相似准则为：
Figure 504905DEST_PATH_IMAGE042
；
式中，
Figure 856252DEST_PATH_IMAGE044
分别表示
Figure 677578DEST_PATH_IMAGE046
矩阵中的各分量，δ是线位移，L是长度，θ是角位 移，A是截面积，σ是应力，F是集中载荷，ε是应变，E是弹性模量，μ是泊松比，ρ是质量密度，T 是时间，p是面载荷，m是质量，k是刚度，c是阻尼，f是频率，v是速度，a是加速度，g是重力加 速度。
相对比现有技术，本发明由陆地振动平台实验代替水池实验，即采用六自由度振动平台模拟实际海况下半潜驳船甲板的运动，由举升电动缸提供举升力矩模拟浮箱与压载箱的作用。多维度振动实验台实验方法与水池实验相比，即大大节省了人力物力，还能通过严格控制实验相关参数，使得实验过程更加理想化，从而得到准确的结果；模拟海洋环境下，得到双船拆解过程中被拆物的运动响应特性，测量拆解过程拆解模型在此控制系统下的临界作业条件，通过得到实验中的临界作业条件，为实际拆解作业提供建议。
附图说明
图1是基于六自由度运动平台的一体化拆解装备结构图；
图2是图1中的六自由度运动平台的结构图；
附图标记包括：1-被抬举物体，2-举升臂，3-举升电动缸，4-六自由度运动平台，5-平台电动缸，6-上平台，7-下平台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，包括：
S1.搭建实验台架，如图2，建立坐标系，连接测量仪器，连接工控机与执行元件；
所述实验台架如图1，包括被抬举物体1、两个六自由度运动平台4、两个举升电动缸3和两个举升臂2，所述六自由度运动平台4包括上平台6、下平台7和六个平台电动缸5，平台电动缸5的两端分别铰连接上平台6底部和下平台7顶部，所述举升臂2通过举升电动缸3设在上平台6顶部，被抬举物体1底部的两端分别设在两个举升臂2的顶部；
S2.启动两个六自由度运动平台4，输入含有相位差的五级海况横向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S3.启动举升电动缸3控制程序，通过控制器来控制举升电动缸3，使举升臂2尖端贴上被抬举物体1，关闭举升电动缸3，测量举升电动缸3和姿态传感器数据；
S4.继续启动举升电动缸3使被抬举物体1被抬起，关闭举升电动缸3，测量举升电动缸3和姿态传感器数据；
S5.继续启动举升电动缸3，抬起被抬举物体1，被抬举物体1在坐标系下的空间位置数据，记录姿态传感器数据；
S6.还原实验装置至S2状态，改变两个六自由度运动平台4的输入，输入含有相位差的五级海况纵向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S7.第二次执行S2至S6；
S8.还原实验装置至S2状态，改变两个六自由度运动平台4的输入，输入含有相位差的五级海况复合波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S9.第三次执行S2至S6。
所述建立坐标系包括：在六自由度运动平台4上建立两个笛卡尔坐标系，在上平台 6底部所在平面建立动坐标系
Figure 75585DEST_PATH_IMAGE048
，在下平台7顶部所在平面建立惯性坐标系
Figure 982362DEST_PATH_IMAGE050
；
动坐标系与惯性坐标系之间存在的变换矩阵即为六自由度运动平台4的数学模 型，记为变换矩阵
Figure 871820DEST_PATH_IMAGE052
，动坐标系中的任一向量
Figure 62499DEST_PATH_IMAGE054
通过坐标变换转换为惯性坐标系中的R，即
Figure 910369DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 38862DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 732012DEST_PATH_IMAGE058
为动平台绕X轴的旋转角，
Figure 511618DEST_PATH_IMAGE060
为动平台绕Y轴的旋转角，
Figure 530389DEST_PATH_IMAGE061
为动平台绕Z轴 的旋转角，a为上运动平台沿X轴正方向的平移量，b为上运动平台沿X轴正方向的平移量，c 为上运动平台沿X轴正方向的平移量。
平台电动缸5的参数包括电动缸行程和机械传递量。
电动缸行程包括：
六个平台电动缸5的伸缩位移
Figure 411758DEST_PATH_IMAGE063
的求解式为：
Figure 643019DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 542711DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 201225DEST_PATH_IMAGE066
为旋 转后的一个平台电动缸5上下铰点之间的距离，
Figure 569890DEST_PATH_IMAGE026
为六自由度运动平台4处于初始状态下一 个平台电动缸5上下铰点之间的距离，
Figure 604842DEST_PATH_IMAGE028
为旋转后上铰点在惯性坐标系中的坐标，
Figure 361970DEST_PATH_IMAGE030
为 下铰点在惯性坐标系中的坐标。
机械传递量的表达式为
Figure 925806DEST_PATH_IMAGE031
，式中，
Figure 781767DEST_PATH_IMAGE068
为机械传递量，k 为电机轴上的扭转刚度系数，
Figure 869677DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 229114DEST_PATH_IMAGE072
分别为两个同步轮的齿数，l为丝杠螺母螺距，J 1、J 2分别 为两个同步轴的转动惯量，M为螺母、内活塞杆及负载折算后的质量矢量，D为直线运动速度 阻尼系数，s为标准轴径。
使用相似理论建模，以长度、力、时间作为基本量纲，再选定其他16个物理量的量 纲，共19个量纲组成量纲矩阵和
Figure 495011DEST_PATH_IMAGE039
矩阵。
Figure 572688DEST_PATH_IMAGE041
矩阵中各分量的相似准则为：
Figure 464290DEST_PATH_IMAGE042
；
式中，
Figure 943813DEST_PATH_IMAGE073
分别表示
Figure 380610DEST_PATH_IMAGE046
矩阵中的各分量，δ是线位移，L是长度，θ是角位 移，A是截面积，σ是应力，F是集中载荷，ε是应变，E是弹性模量，μ是泊松比，ρ是质量密度，T 是时间，p是面载荷，m是质量，k是刚度，c是阻尼，f是频率，v是速度，a是加速度，g是重力加 速度。
为设计一体化拆解装备的缩尺模型，搭建多维度振动实验台水动力实验台架，需 推导符合该拆解装备的相似准则，保证模型实验与实际拆解过程的吻合度。由相似理论可 知，按照相似理论进行模型实验，所得到的结果可直接推广到实际工程中去。且推导得到的 相似准则对于多维度振动实验台水动力实验方法具有普遍的指导意义。基于相似原理，由 分析得出分别从几何相似、材料特性相似、边界条件相似以及动力特性相似四个方面连接 模型实验与工程实际拆解问题，故以长度
Figure 945584DEST_PATH_IMAGE074
、力
Figure 375297DEST_PATH_IMAGE075
、时间
Figure 443747DEST_PATH_IMAGE076
作为基本量纲，选定其他16个物 理量的量纲如下表1所示：
表1 相关物理量的量纲
Figure 317025DEST_PATH_IMAGE077
则一体化拆解设施系统的量纲矩阵由表2所示。
表2 一体化拆解系统的量纲矩阵
Figure 103715DEST_PATH_IMAGE078
根据相似第二定理，一体化拆解作业现象中共有19个物理量，得到
Figure 86189DEST_PATH_IMAGE079
矩阵由表3所 示。
表3
Figure 743566DEST_PATH_IMAGE081
矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE082
根据实验场地与实验设备的限制要求，该一体化拆解作业模型实验台架的几何相 似比确定为
Figure DEST_PATH_IMAGE083
。缩放后举升臂2实验模型的总长为1660mm，宽为216mm，高为280mm。综合 分析，本次实验举升臂2实验模型材料选择聚丙烯树脂（有机玻璃），板厚为8mm。拆解系统其 他结构的材料均采用45钢，六自由度运动平台4的运动参数如表4。
表4 六自由度运动平台4的运动参数
Figure DEST_PATH_IMAGE084
本发明建模的原型为双船联合式海上平台6一体化拆解装备实验平台，其中选用折返式（丝杠主轴与电机主轴平行）举升电动缸3。举升电动缸3的型号4120-65-190，其中伺服驱动器型号为台达的ASD-B2-0221-B；实验所用工控机配有英特尔I3CPU，4G内存，128G固态硬盘，配套15寸工业触摸屏与485总线扩展；姿态传感器型号为WT901C485；交换机型号为TL-SF1008。此外，根据材料应力应变相似原理，举升臂2的实验模型和其实物在材料许用应力范围内发生相同的应变，且两者之间应力比值为3:200，根据实物力学分析得知其最大应力值为697.12MPa，所以本次实验测得的实验模型最大值应达到10.46MPa就可以满足实验要求，故本次选用120欧姆应变片。试验测试系统根据模型的设计要求，选用DH5902N动态测试分析系统，系统组成包括如下：（1）激光位移传感器；（2）采用DH5902N三十二通道数据采集处理器，实时采集应变片的应变数据；（3）数据采集器与电脑通过网线连接，实时发送数据给电脑进行记录，并通过DHDAS测试软件进行数据的后处理。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征在于，包括：
S1.搭建实验台架，建立坐标系，连接测量仪器，连接工控机与执行元件；
所述实验台架包括被抬举物体、两个六自由度运动平台、两个举升电动缸和两个举升臂，所述六自由度运动平台包括上平台、下平台和六个平台电动缸，平台电动缸的两端分别铰连接上平台底部和下平台顶部，所述举升臂通过举升电动缸设在上平台顶部，被抬举物体底部的两端分别设在两个举升臂的顶部；
S2.启动两个六自由度运动平台，输入含有相位差的五级海况横向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S3.启动举升电动缸控制程序，通过控制器来控制举升电动缸，使举升臂尖端贴上被抬举物体，关闭举升电动缸，测量举升电动缸和姿态传感器数据；
S4.继续启动举升电动缸使被抬举物体被抬起，关闭举升电动缸，测量举升电动缸和姿态传感器数据；
S5.继续启动举升电动缸，抬起被抬举物体，被抬举物体在坐标系下的空间位置数据，记录姿态传感器数据；
S6.还原实验装置至S2状态，改变两个六自由度运动平台的输入，输入含有相位差的五级海况纵向波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S7.第二次执行S2至S6；
S8.还原实验装置至S2状态，改变两个六自由度运动平台的输入，输入含有相位差的五级海况复合波下半潜驳船甲板的运动姿态响应；
S9.第三次执行S2至S6。
2.根据权利要求1所述的基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征 在于，所述建立坐标系包括：在六自由度运动平台上建立两个笛卡尔坐标系，在上平台底部 所在平面建立动坐标系
Figure 351695DEST_PATH_IMAGE002
，在下平台顶部所在平面建立惯性坐标系
Figure 156840DEST_PATH_IMAGE004
；
动坐标系与惯性坐标系之间存在的变换矩阵即为六自由度运动平台的数学模型，记为 变换矩阵
Figure 679088DEST_PATH_IMAGE006
，动坐标系中的任一向量
Figure 236978DEST_PATH_IMAGE008
通过坐标变换转换为惯性坐标系中的R，即
Figure 186479DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 947762DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 273701DEST_PATH_IMAGE013
为动平台绕X轴的旋转角，
Figure 686096DEST_PATH_IMAGE015
为动平台绕Y轴的旋转角，
Figure 806499DEST_PATH_IMAGE017
为动平台绕Z轴的旋 转角，a为上运动平台沿X轴正方向的平移量，b为上运动平台沿X轴正方向的平移量，c为上 运动平台沿X轴正方向的平移量。
3.根据权利要求1所述的基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征在于，平台电动缸的参数包括电动缸行程和机械传递量。
4.根据权利要求3所述的基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征在于，电动缸行程包括：
六个平台电动缸的伸缩位移
Figure 320657DEST_PATH_IMAGE019
的求解式为：
Figure 450287DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 720119DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 277002DEST_PATH_IMAGE024
为旋转后 的一个平台电动缸上下铰点之间的距离，
Figure 747298DEST_PATH_IMAGE026
为六自由度运动平台处于初始状态下一个平台 电动缸上下铰点之间的距离，
Figure 415040DEST_PATH_IMAGE028
为旋转后上铰点在惯性坐标系中的坐标，
Figure 536448DEST_PATH_IMAGE030
为下铰点在 惯性坐标系中的坐标。
5.根据权利要求3所述的基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征在于，机械传递量的表达式为
Figure 264233DEST_PATH_IMAGE031
，式中，
Figure 487404DEST_PATH_IMAGE033
为机械传递量，k为电 机轴上的扭转刚度系数，
Figure 693257DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 934751DEST_PATH_IMAGE037
分别为两个同步轮的齿数，l为丝杠螺母螺距，J 1、J 2分别为两 个同步轴的转动惯量，M为螺母、内活塞杆及负载折算后的质量矢量，D为直线运动速度阻尼 系数，s为标准轴径。
6.根据权利要求5所述的基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征 在于，使用相似理论建模，以长度、力、时间作为基本量纲，再选定其他16个物理量的量纲， 共19个量纲组成量纲矩阵和
Figure 833437DEST_PATH_IMAGE039
矩阵。
7.根据权利要求6所述的基于六自由度运动平台的一体化拆解装备建模方法，其特征 在于，
Figure 278325DEST_PATH_IMAGE041
矩阵中各分量的相似准则为：
Figure 287869DEST_PATH_IMAGE042
；
式中，
Figure 649450DEST_PATH_IMAGE044
分别表示
Figure 453457DEST_PATH_IMAGE046
矩阵中的各分量，δ是线位移，L是长度，θ是角位移，A 是截面积，σ是应力，F是集中载荷，ε是应变，E是弹性模量，μ是泊松比，ρ是质量密度，T是时 间，p是面载荷，m是质量，k是刚度，c是阻尼，f是频率，v是速度，a是加速度，g是重力加速度。
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