六自由度摇摆台设计过程

六自由度摇摆台设计过程

1. 用户技术指标

一般摇摆台的技术指标通常包括一下内容：

1)负载参数

在摇摆台设计时，通常需要用户负载参数，主要包括：

⏹负载质量

负载质量和加速度要求，就形成了对驱动系统的出力要求。

⏹负载形状

负载形状很重要，例如做炮塔试验时，就要求摇摆台的上平台需要留有吊篮通道，因此上平台就要设计成中空的。另外，负载大小，通常也决定着上平台的大小。

⏹负载质心

负载质心不同，在摇摆台旋转时，会对驱动系统形成不同的力矩。

⏹负载绕自身质心的三轴转动惯量

转动惯量与角加速度一起，构成了力矩，也是对驱动系统出力要求。

2)单自由度运动参数

摇摆台的运动参数通常用下面的表格来表示。

三个平移：航向Surge（沿X轴平移）、横向Sway（沿Y轴平移）、升沉Heave（沿Z 平移），三个旋转：横摇Roll（绕X轴旋转）、俯仰Pitch（或称为纵摇、绕Y轴旋转）、偏航Yaw（或者成为首摇、绕Z轴旋转）。

上述指标中，三个位移的大小通常决定了台子的大小，因为即使是小台子，也可以转动较大角度。角度实现与台子大小无关。速度和角速度决定了摇摆台的油源流量和伺服阀的流量（这里还要结合作动器有效面积）。而加速度/.负载质量、角加速度/负载惯量直接决定了所需的驱动力大小。

上述这些指标也是有学问的，通常有一定的关系。比如航向和横向平移一般应该小于升沉位移。而摇摆角度通常偏航角度可以做的更大，甚至可以超过30度。

根据设计经验，并参照国外成熟产品。摇摆台的摇摆角度是最关键的指标。太大的摇摆角度是无法实现的，即使实现了，也会造成摇摆台存在奇异位形，也就存在安全隐患。一般摇摆台的摇摆角度中，横摇和俯仰角度小于30度，最大一般为26度左右。

3)组合运动参数

有些用户会提出多个自由度组合运动参数，这些运动参数有时候要比单自由度参数大，不过，组合运动参数通常可以有技巧，比如更改各个自由度之间的相位，有些看似不能实现的组合就可以实现了。不过这得需要小心，用户通常说任意组合，而任意组合就可能需要很长缸长或者速度，这样实现起来就更困难。最好让用户提指标时候，不用提组合运动要求，

因为单自由度运动参数就已经包含了一定的组合运动能力。除非用户要求做一些他们必须要做的典型组合运动。

4)静态运动参数

有的时候，需要摇摆台进行一定的静态倾斜。如果这个倾斜角度或者位移很大，可以考虑允许摇摆台的驱动系统进行缓冲区来实现，这样就可以尽量缩短作动器行程，而行程太长容易造成摇摆台出现奇异位形。

5)静态精度

静态精度通常是静态定位精度。一般定位精度小于摇摆台最大运动位移/角度的1％。例如，角度在0.3度，位移在3mm左右。在这是以前我们的经验。从目前项目来看，我们可以做的更高。

6)动态精度

⏹频率特性：系统频宽≥Hz（dB）

⏹位姿波形失真度：≤%

⏹各自由度运动间耦合度：≤%

⏹各自由度间相位差（正弦，在相同频率条件下）：≤°

⏹运动谱复现精度：≤%

7)功能要求

⏹运动谱复现要求

⏹长时间连续工作要求

⏹位姿锁定要求

⏹三维动画演示要求

⏹被试品的数据采集要求

⏹与其他系统同步要求

⏹实时测量与位姿输出要求

2. 设计过程

在明确了用户技术要求后，就可以进行设计计算了。

1)参照已有结构

六自由度摇摆台结构基本已经系列化。可以首先根据本项目技术要求，比较以往结构，选择一个类似的结构，作为计算基础。利用这个已有结构参数，对本项目提出的各项指标进行计算校核。如果不能满足，再考虑如何通过更改结构来实现用户指标。

2)参数文件

para.m参数文件给出了摇摆台结构信息、负载信息、坐标系信息。以后的计算程序均利用了该参数文件。

para.m参数文件中，包括：

摇摆台主要结构参数：上铰半径RA、下铰半径RB、支腿中位长度l2、上铰间距l3s、下铰间距l3x；

负载质量m，平台质量M、移动部分总质量mc；

负载转动惯量、平台转动惯量、移动部分总惯量J；

控制点（回转中心）位置h；

初始时体坐标系和惯性坐标系均设定在移动部分的综合质心处。坐标系反映在A和B 矩阵的第三行。

该程序最后能够计算出：上铰坐标矩阵A；下铰坐标矩阵B；中位时上下铰点垂直高度；

3)运动学计算

⏹计算程序：yundong_h.m

⏹计算结果数据：位移数据displacement.txt；速度数据：velocity.txt；加速度数据：

acceleration.txt

该程序主要作用是，根据各种运动工况，计算出各种工况下的支腿伸缩位移、速度和加速度。工况的选择可以首先根据技术指标中单自由度运动要求，在程序中设定各种运动工况pose。这些典型工况是按照正弦运动时：

①.X向最大位移和最大速度同时发生；

②.Y向最大位移和最大速度同时发生；

③.Z向最大位移和最大速度同时发生；

④.绕X旋转最大角位移和最大角速度同时发生；

⑤.绕Y旋转最大角位移和最大角速度同时发生；

⑥.绕Z旋转最大角位移和最大角速度同时发生；

⑦.X向最大速度和最大加速度同时发生；

⑧.Y向最大速度和最大加速度同时发生；

⑨.Z向最大速度和最大加速度同时发生；

⑩.绕X旋转最大角速度和最大角加速度同时发生；

⑪.绕Y旋转最大角速度和最大角加速度同时发生；

⑫.绕Z旋转最大角速度和最大角加速度同时发生；

利用该程序得到支腿行程后，需要进行合理性校核。这包含两个方面的校核。如果行程过大可能会导致机构存在奇异位型或者支腿作动器无法制造出来。奇异位型校核可采用奇异性判断程序来校核。而支腿作动器是否能制造出来，需要根据支腿的中位长度l2和伸缩行程、缓冲长度、支腿固定长度进行校核。

总之，利用运动分析程序，可以确定支腿行程并给出支腿长度分配情况。结果如下：⏹单自由度所需行程：[-mm，+mm]

⏹组合运动所需行程：[-mm，+mm]

⏹静态运动所需行程：[-mm，+mm]

⏹缓冲长度：缩回端mm，伸出端mm

⏹总行程

⏹液压缸固定长度：mm

⏹上铰预留长度：

⏹下铰预留长度：

⏹支腿最大速度：

4)静力学计算与奇异性校核

⏹计算程序：yundong_jingtai.m；searchmaxcondnum.m（利用该程序可以将支腿形成

分成几段，这样计算更精确些）

⏹计算结果给出了典型极限位姿下，各个支腿所受到的最大力以及正解误差，以便判

断所设计的六自由度摇摆台是否具有奇异位型。