本發(fā)明涉及一種單自由度大柔性負載模擬器，可實現(xiàn)對大柔性負載的扭轉(zhuǎn)方向動力學(xué)特性的模擬。

技術(shù)背景

由于地球重力的影響，實現(xiàn)柔性負載的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動控制較為困難。需要設(shè)計一種有效的柔性負載動力學(xué)模擬器，用以克服地球重力對柔性動力學(xué)特性的影響。

目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報道，也尚未收集到國內(nèi)外類似的資料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種單自由度大柔性負載模擬器，可以實現(xiàn)對大柔性負載的扭轉(zhuǎn)方向動力學(xué)特性的模擬。

提供一種單自由度大柔性負載模擬器，其特征在于包括：主驅(qū)動電機（1）、角度編碼器（2）、測控計算機（3）、柔性動力學(xué)模型解算計算機（4）、電機驅(qū)動控制器（5）、加載伺服電機（6）和扭矩傳感器（7）；

主驅(qū)動電機（1）為整個系統(tǒng)的主運動源，主要為驅(qū)動柔性負載的驅(qū)動裝置；角度編碼器（2）安裝在主驅(qū)動電機（1）的輸出端，主要用于實時測量主驅(qū)動電機（1）的運行狀態(tài)；測控計算機（3）實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，以及不同控制模型的建立和下載；柔性動力學(xué)模型解算計算機（4）為柔性負載的動力學(xué)特性模擬計算機，依據(jù)大柔性負載的有限元模型，建立柔性動力學(xué)模型，輸入為角加速度輸出為扭轉(zhuǎn)力矩。電機驅(qū)動控制器（5）和加載伺服電機（6）共同實現(xiàn)對主驅(qū)動電機（1）的負載扭矩加載。其加載指令由測控計算機向電機驅(qū)動控制器實時發(fā)送。扭矩傳感器（7）安裝在加載伺服電機（6）和主驅(qū)動電機（1）的同軸上，用于監(jiān)視加載伺服電機（6）的扭矩輸出。如加載伺服電機（6）輸出扭矩與指令扭矩有偏差，將通過測控計算機（3）向電機驅(qū)動控制器（5）發(fā)送指令，實現(xiàn)力矩補償。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例柔性負載示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例單自由度大柔性負載模擬器系統(tǒng)控制框圖；

圖3為本發(fā)明實施例單自由度大柔性負載模擬器系統(tǒng)方案；

圖4本發(fā)明實施例位柔性負載坐標(biāo)定義。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1～4和實施例對本發(fā)明進行詳盡的描述：

參考圖1為柔性負載示意圖。依據(jù)大柔性負載的有限元模型，建立柔性動力學(xué)模型，輸入為角加速度輸出為扭轉(zhuǎn)力矩。

針對主驅(qū)動電機邊界固支，帶柔性負載的動力學(xué)模型。其中慣性坐標(biāo)系固定在主驅(qū)動電機上，隨動坐標(biāo)系固定在柔性負載上。系的原點在柔性負載與主驅(qū)動電機的鉸接點上。

柔性負載上某一質(zhì)量節(jié)點到慣性坐標(biāo)系原點的矢徑為：

（1）

其中，表示兩個坐標(biāo)系原點間的矢量位移；表示柔性負載上第個節(jié)點到點的矢徑；表示第個節(jié)點的變形位移。對（1）式在慣性坐標(biāo)系下求導(dǎo)數(shù)，可以得到柔性負載上節(jié)點的速度表達式：

（2）

其中，為隨動坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系的角速度。

考慮到柔性負載本身是直接鉸接在主驅(qū)動電機上的，所以如果將系與系設(shè)定在同一個原點上，同時在主驅(qū)動電機啟動之初兩個坐標(biāo)系完全重合。與圖中的隨動坐標(biāo)系的三軸方向重合。則。（2）式可簡化為：

（3）

式中“~”表示其對應(yīng)的反對稱矩鄭。

同時有隨動坐標(biāo)系向慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的關(guān)系式如下：

（4）

變換陣：，其中表示柔性負載轉(zhuǎn)過的角位移（軸方向）。

經(jīng)由以上的柔性負載運動學(xué)描述，下面將依據(jù)Lagrange方程建立柔性負載的柔性動力學(xué)模型?？傻萌嵝匀嵝载撦d的動能和勢能分別為

（5）

（6）

其中，表示柔性體有限元模型中第個節(jié)點的等效質(zhì)量；表示柔性負載模態(tài)分析得到的剛度矩陣；表示柔性負載的廣義模態(tài)坐標(biāo)。

將（3）式代入（5）式得到動能方程的展開形式：

（7）

式中：

為柔性負載相對于鉸接點的轉(zhuǎn)動慣量矩陣；

，為柔性負載振動對其自身轉(zhuǎn)動的耦合系數(shù)矩陣；

為柔性負載振動對主驅(qū)動電機平動的柔性耦合系數(shù)矩陣；

為柔性負載的模態(tài)矩陣。

由上式得到柔性負載的Lagrange函數(shù)為：

（8）

將式（6）、（7）代入Lagrange動力學(xué)方程：

（9）

其中，為包含節(jié)點物理坐標(biāo)與模態(tài)坐標(biāo)的混合坐標(biāo)。

從而得到在隨動坐標(biāo)系下的動力學(xué)方程表達式：

（10）

式中為作用力矩，實際也就是柔性負載對主驅(qū)動電機的反作用力矩；為模態(tài)阻尼比；為模態(tài)頻率對角陣，且。

假設(shè)定向機構(gòu)驅(qū)動在慣性坐標(biāo)系的Y軸上，公式（10）的第3式Laplace變換得

（11）

將（12）的2式代入1式消去可得，

柔性負載轉(zhuǎn)動角加速度與驅(qū)動力矩的傳遞函數(shù)：

（13）

圖2為單自由度大柔性負載模擬器系統(tǒng)控制框圖。試驗時，啟動主驅(qū)動電機，安裝在主驅(qū)動電機輸出軸上的角度編碼器實時采集主驅(qū)動電機的角位移、角速度、角加速度，通過測控計算機提供給柔性動力學(xué)模型解算計算機，解算出負載扭矩，并轉(zhuǎn)化為控制信號，控制加載電機實現(xiàn)對主驅(qū)動電機的實時加載。通過扭矩傳感器獲得實測加載扭矩值，用以監(jiān)視加載電機輸出。如加載伺服電機輸出扭矩與指令扭矩有偏差，將通過測控計算機向電機驅(qū)動控制器發(fā)送指令，實現(xiàn)力矩補償。

圖3為單自由度大柔性負載模擬器系統(tǒng)方案。

對于其他未敘述的部件功能，由附圖中可以明顯看出，且為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知，在此不一一詳述。需要說明的是，上述只對本發(fā)明進行示意性的闡述和說明，對本發(fā)明的任意修改和替換，都屬于本發(fā)明的保護范圍。