海洋工作平台波浪补偿控制模型的建立.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.2(上)-61-工 业 技 术海洋工作平台上的起重机作业时会受海上风浪、水动力等因素的干扰,在其过驳过程中,在海上风、浪、流的影响下,舰船运动会呈现横荡(Sway)、纵荡(Surge)、升沉(Heave)与横摇(Pitch)、纵摇(Roll)和艏摇(Yaw)等六自由度的运动姿态。剧烈的摇荡易造成货物补给撞击速度过大,偏离着落点,增加事故风险。为保证过驳作业顺利进行,应对船舶运动进行波浪补偿以控制摇荡运动,保证起重机工作的稳定性,使平台能够在海浪影响下保持相对稳定的状态1。1 双层并联六自由度运动平台结构设计1.1 双 Stewart 平台系统结构本文设计的波浪补
2、偿装置采用上、下 2 个 Stewart 平台的结构。下层 Stewart 平台用于模拟海上的波浪扰动,上层Stewart平台用于感知下层平台的扰动并进行主动补偿。对海洋波浪补偿试验装置进行分析,具体如下。下层 Stewart 平台由静平台、动平台和 6 个执行机构组成。静平台固定在基座上,动平台通过 6 个执行机构与静平台相连。控制6 个执行机构伸缩可以驱动动平台产生六自由度的运动,模拟海浪对工作平台的扰动2。上层 Stewart 平台与下层的结构相同,同样由静平台、动平台和 6 个执行机构组成。上端通过球铰与上层平台相连,下端通过球铰与下层平台相连,实现 6 个自由度的运动。执行机构受控制
3、系统控制,传递动力以实现平台间的相对运动。控制系统包括控制器、驱动器和传感器等,能够控制执海洋工作平台波浪补偿控制模型的建立唐树备张磊(河海大学机电工程学院,江苏 常州 213000)摘 要:传统的波浪补偿设备以补偿升沉方向的扰动为主,波浪补偿精度较低,为了更好地补偿海浪对船舶的非线性扰动,提高波浪补偿技术的精确度,本文使用 SolidWorks 建立了 Stewart 并联六自由度平台的三维模型,对波浪补偿控制系统的设计及仿真分析进行了研究。首先,本文介绍了双层并联六自由度运动平台结构设计,对海洋波浪补偿试验装置进行了分析,列出了上、下 Stewart 平台的运动参数。其次,建立了双层并联六
4、自由度平台动力学模型,并建立了六自由度运动平台的坐标系,描述了各坐标系间的变换关系。最后,利用 MATLAB 进行动力学仿真,设置了双层六自由度并联运动平台的模型参数。关键词:Stewart 平台;结构设计;动力学建模;运动学建模;动力学仿真中图分类号:TP27文献标志码:A为 90,导致拆卸时根部应力超过材料的屈服强度,因此维修时常有卡钩断裂。3)原卡钩的顶部厚度 X 设计为 1.3mm,超过了卡钩的厚度 1.1mm,与林杨明7关于卡钩顶部厚度应小于卡钩厚度的结论不符,导致装入过程受阻较大,因此生产时常出现装配不顺畅的现象。4 结论本文对用户型缆桥交换机的卡扣尺寸优化进行了仿真研究,主要分析
5、了 7 个关键尺寸对 2 种评价指标的影响规律和主次关系。所得结论如下。1)在卡钩装入过程中,影响程度从大到小依次是卡扣长度 L、导入角、拆卸角 和配合深度 Y。在卡钩拆卸过程中,影响程度从大到小依次是配合深度 Y、卡钩长度 L、拆卸角 和导入角。2)本款用户型缆桥交换机的卡钩优尺寸为卡钩厚度 T=4mm、卡钩长度 L=7mm、卡钩宽度 W=4mm、导入角=25、拆卸角=55、顶部厚度 X=0.8mm 和配合深度 Y=0.8mm。比较优化前、后,最大装入力和最大拆卸力均得到了改善,实现了预期目标。参考文献1 茹伟光,王正军,倪晨鸣.C-HPAV 在 NGB 接入网中的应用 J.电视技术,201
6、3,37(20):34-37.2 柏秋阳,王辉,郝旭飞,等.汽车内饰塑料卡扣配合结构设计研究 J.塑料工业,2015,43(9):50-53,56.3 雷恒,郭鹏程,林启权,等.卡扣设计参数对连接性能的影响分析 J.机械设计与研究,2018,34(6):163-167.4 纪海慧.Ansys Workbench 在卡扣装配分析中的应用 J.现代制造工程,2008(8):48-49,131.5 吴礼红,马腾,姚思捷,等.墙壁开关按钮卡扣的扣合量对脱扣力的影响研究 J.日用电器,2022(6):74-78.6 于海华.悬臂钩卡扣装配有限元分析及优化设计 D.南京:南京理工大学,2009.7 林杨明
7、.塑料制品悬臂卡扣连接件设计方法的研究 D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.8 单辉祖.材料力学(I)M.北京:高等教育出版社,2006.图 13 新卡扣的拆装力随时间变化的曲线1614121086420-2-4-6-8-10-12-14-16-18-20-220246810新卡扣 原卡扣 拆卸力 3.75N 装入力-3.25N时间/s拆装力/N中国新技术新产品2024 NO.2(上)-62-工 业 技 术行机构的伸缩运动,使上层平台产生与下层平台相反的运动,实现对下层平台扰动的主动补偿。1.2 平台结构参数设计船舶在海面上受到风、浪、流等载荷的影响,产生 6个自由度的位移,分别为升沉、横荡
8、、纵荡、横摇、纵摇和艏摇。其中升沉是船体的首要运动,也是波浪补偿的首要任务3。根据波浪补偿的工作要求,本文研究的海洋波浪补偿平台为试验所用,实验平台与实际模型大小比例为1 5,实验平台在升沉方向上至少具有 250mm 的行程,确定双 Stewart 平台的主要结构参数如下:平台尺寸为上平台铰链分布外接圆半径为 300mm,下平台铰链分布半径为 400mm;执行机构行程需要满足 250mm 的工作行程要求;执行机构最小分辨力 10N;执行机构最大输出力250N;执行机构响应频率 10Hz;位置传感器分辨力0.5mm;姿态传感器分辨力 0.1。2 双层并联六自由度运动平台动力学建模2.1 运动坐标
9、系本文研究的海洋波浪补偿装置为基于双 Stewart 并联机构的机器人系统。该并联机构的运动学分析包括运动学正解和运动学逆解2个方面。本文建立的双Stewart平台波浪补偿装置运动学原理如图 1 所示。图 1 为双 Stewart 平台波浪补偿装置运动学原理图,主要描述了上层 Stewart 平台运动学正解与运动学反解间的连接关系,上平台静坐标系 B 与上平台工作空间、上平台支运动链长度的连接关系,下层 Stewart 平台运动学正解与运动学反解间的连接关系,下平台静坐标系 A 与下平台工作空间、下平台支运动链长度的连接关系。传统串联机器人的运动学正解问题是已知各关节转角及杆件长度,求解末端执
10、行器的位姿。运动学逆解问题是给定末端位姿变化,求解各关节所需的转角。而对本文的双 Stewart 波浪补偿装置来说,运动学正解问题是已知上、下 2 个 Stewart 平台各支链的长度和转角,求解上层平台在静平台坐标系下的位置和姿态。运动学逆解问题是给定上层平台所需补偿位姿,求解各支链的长度和转角变化4。2.2 坐标系建立为建立双 Stewart 平台的动力学模型,需要确定坐标系。Stewart 平台系统中的坐标系如图 2 所示。图 2 为在各平台与伺服电动缸的铰接平面建立坐标系,便于对平台位姿进行坐标变换描述。在 Stewart 的上平台建立静坐标系 B 和下平台建立静坐标系 A,其中 S为
11、惯性坐标系,a 为下层 Stewart 平台的动坐标系,b 为上层 Stewart 平台的动坐标系。根据图 2,下层 Stewart 平台的静坐标系原点位于静平台原点 A,平台铰接点 B1,2,.6分布在以 A 为圆心且r=400mm 的圆上;下层 Stewart 平台的动坐标系原点位于动平台原点 a,平台铰接点 b1,2,.6分布在以 a 为圆心且r=350mm 的圆上,其中 Z 与 Z 轴重合且过 A 点、a 点与动静平台相互垂直,AX 轴与 aX 轴相互平行,AY 轴与 aY轴也相互平行。下层Stewart平台的动坐标系a与上层Stewart平台静坐标系 B 相互平行,间距 d=50mm
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