[发明专利]具有机械容错功能的大型重载振动模拟器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械自动化技术领域的装置，具体是一种具有容错功能的大型重载振动模拟器。

背景技术

大型重载多自由度振动模拟器是研究振动破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗振能力和衡量减振、隔振效果的重要仪器设备，应用于核电、海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等重要领域。为保证此类设备的大承载能力、低惯性、高加速度高以及较好的刚度等特性，目前并联机构被广泛采用(N.Ogawa，K.Ohtani，T.Katayama and H.Shibata.Construction of a three-dimensional，large-scale shaking table and development of core technology.Philosophical Transactions：Mathematical，Physical and Engineering Sciences.2001，359(1786)：1725-1751.)。为了保证使用寿命并可获得强大的驱动力，驱动源被限制在液压驱动上，多采用大型伺服油缸驱动，并配备大型蓄能装置，导致设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏造成控制精度降低、环境污染，内部摩擦力大导致传动效率降低、浪费能源，液压油对温度和尘土敏感使之不能在高温、低温或灰尘多的工作环境下工作。以伺服电机为驱动源的电气机械系统驱动虽无上述液压驱动的缺点，但目前没有符合其动力要求的合适伺服电机，且大功率伺服电机的研发费用高并存在技术瓶颈。

经过对现有技术的检索发现，《一种局部并联冗余驱动机械手》(T.Kokkinis，P.Millies.A Parallel Robot-Arm Regional Structures with Actuational Redundancy.Mechanism and Machine Theory.1991，6(26)：629-641)；以及文献《动力冗余并联操作器的运动性能》(Kokkinis，T，Millies，P.Kinetostatic Performance of a Dynamically Redundant Parallel Robot.International Journal of Robotics&Automation.1992，7(1)：30-37))等文献，从理论上提出了一些冗余驱动的方法并进行了一定的性能指标分析，为实现多电机冗余输入替代液压驱动提供了可能。用多个较小电机作为驱动源，提供较大的驱动力和输出功率，不但可以克服上述液压驱动的缺点，而且相对于同功率大电机驱动也能够降低成本.多个小电机作为驱动源还可以弥补由于大电机的大惯性所导致的响应较慢的不足。

但上述技术中所提及的冗余驱动多为局部的驱动冗余且仅仅停留于理论推导，也并未考虑实际的机构形式和结构组成。特别是对于具有大型重载振动模拟器特点的电气机械冗余驱动系统的机构构型、结构形式以及实现技术并未涉及。

现有技术的另一不足是并未从机构上解决大型重载振动模拟器冗余支链过约束所引起的问题，系统也不具备协调冗余驱动单元间受力不均匀的容错模块。无论是液压的冗余驱动还是电机的冗余驱动，都存在冗余驱动引起的过约束问题。过约束对系统的变形和制造、设置及控制误差敏感，其存在对系统的影响主要表现在以下几个方面：1)导致构件及运动副元素在运转过程中的强制变形，使运动副中的作用力急剧增大，机械效率降低；还使运动副的磨损加快，降低机械工作的可靠性、精度和使用寿命。2)要求各部件具有较高的制造精度、装配精度和结构刚度，提高了制造、设置拆卸的难度和成本。3)对控制精度要求较高，不允许地位对等的约束任何一方出现运行故障，也不允许出现较大的控制误差，提高了控制系统的成本和难度。一般的电气机械驱动单元刚度较大，当存在系统误差或控制误差时，各冗余驱动单元间的受力不均衡，为避免该缺陷，现有技术需使用力反馈控制，而在重载、高速场合必须使用动力特性好、承载能力强的力传感器，且控制算法复杂并引入新的非线性化因素，导致控制难度和制造成本大幅度提高，控制的稳定性和鲁棒性下降。液压冗余驱动虽因液压油的非绝对不可压缩性和低刚性而对过约束表现出一定的容忍性，但一旦出现大的误差和地位对等的驱动源中有一个或几个出现故障，也必然造成各冗余驱动单元间的受力不均衡，以致影响部件寿命，甚至损坏部件造成模拟平台倾覆等灾难性事故。

发明内容