• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看

      ?

      不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動力差異

      2020-12-07 06:08:18劉福才曹志瓊
      宇航學(xué)報 2020年11期
      關(guān)鍵詞:驅(qū)動電流驅(qū)動力重力

      劉福才,曹志瓊,張 曉,李 倩

      (燕山大學(xué)工業(yè)計算機(jī)控制工程河北省重點實驗室,秦皇島 066004)

      0 引 言

      對于在太空中運行的空間機(jī)構(gòu),重力釋放是其在空間復(fù)雜環(huán)境中遇到的問題之一[1]??臻g機(jī)構(gòu)通常在地面進(jìn)行設(shè)計調(diào)試,在空間微重力環(huán)境中進(jìn)行操控,由于重力環(huán)境的變化,空間機(jī)構(gòu)的運行會受到一定的影響,嚴(yán)重時會發(fā)生故障[2-3]。因此,有必要研究重力變化對空間機(jī)構(gòu)運動行為造成的影響,分析空間機(jī)構(gòu)在不同重力環(huán)境下運動行為的差異性。以此作為依據(jù),進(jìn)行空間機(jī)構(gòu)的優(yōu)化和控制器設(shè)計,改善空間機(jī)構(gòu)的在軌服役性能,提高空間機(jī)構(gòu)的操作精度,避免因重力變化而引起的機(jī)構(gòu)故障[4]。

      國外關(guān)于重力對空間機(jī)構(gòu)運動行為的研究,首先是在數(shù)值模擬仿真領(lǐng)域。研究者在計算機(jī)中建立各種不同的重力環(huán)境,運用結(jié)構(gòu)力學(xué)、物體運動學(xué)及動力學(xué)等知識,對機(jī)構(gòu)在不同重力環(huán)境中的各項參數(shù)特性進(jìn)行了理論仿真研究,從理論上對空間機(jī)構(gòu)在微重力環(huán)境中的重力效應(yīng)問題做出了重要的貢獻(xiàn)[5-7]。在取得相關(guān)理論研究成果后,世界先進(jìn)航天國家如德國、日本、美國,又通過落塔、飛機(jī)拋物線飛行、空間站在軌飛行等試驗方法,相繼獲得空間機(jī)構(gòu)定位精度、電機(jī)驅(qū)動電流、摩擦參數(shù)等微重力環(huán)境下的試驗數(shù)據(jù),并將其與地面試驗研究數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[8-12]。對比研究結(jié)果表明,地面模擬微重力環(huán)境中得到的試驗數(shù)據(jù),與真實微重力環(huán)境中獲取的試驗數(shù)據(jù)存在著很大的差異。

      我國在重力變化對空間機(jī)構(gòu)運動行為的影響方面研究較晚,初期研究重點多在機(jī)構(gòu)運動學(xué)的模型建立與分析、地面模擬微重力環(huán)境試驗以及試驗方法上[13]。由于空間試驗條件及技術(shù)水平的限制,關(guān)于不同重力條件下空間機(jī)構(gòu)運動行為的差異性研究成果還比較少,目前的研究成果主要集中在多自由度微重力模擬試驗裝置、重力影響試驗補(bǔ)償研究、重力影響仿真分析和重力影響下的空間機(jī)構(gòu)控制技術(shù)等方面[14-17]。王文魁教授在文獻(xiàn)[1]中提出了空間機(jī)構(gòu)運動行為模擬概念,指出可以在地面重力場環(huán)境中,以試驗?zāi)M手段找出重力對機(jī)構(gòu)運動行為造成的影響,尤其是對機(jī)構(gòu)間隙等其它一系列運動行為參數(shù)的影響。燕山大學(xué)劉福才教授對不同重力環(huán)境下機(jī)械臂驅(qū)動力進(jìn)行了仿真模型及試驗研究,通過改變關(guān)節(jié)軸線取向的方法,對微重力環(huán)境進(jìn)行了模擬,得到適用于不同重力環(huán)境下的關(guān)節(jié)摩擦模型[18-19]。在空間機(jī)構(gòu)地面試驗中,研究者多采用關(guān)節(jié)軸線平行于地面重力方向進(jìn)行的微重力環(huán)境模擬[20],并沒有進(jìn)行真正的微重力環(huán)境試驗,關(guān)于空間機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動力在微重力環(huán)境與模擬微重力環(huán)境中的差異,還沒有相關(guān)結(jié)論。

      本文為了對不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動力進(jìn)行分析,首先基于拉格朗日方程推導(dǎo)了單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動力學(xué)模型,再根據(jù)力矩平衡和直流電機(jī)原理,得到直流電機(jī)的電樞電流;通過在不同重力環(huán)境下分別改變摩擦、轉(zhuǎn)速、負(fù)載等條件進(jìn)行仿真,分析地面與空間驅(qū)動力的差異及其影響因素;綜合考慮并設(shè)計一套基于單關(guān)節(jié)驅(qū)動的機(jī)械臂試驗裝置,并進(jìn)行落塔微重力試驗,對比分析地面模擬微重力環(huán)境試驗和落塔微重力試驗的試驗數(shù)據(jù),獲取相關(guān)結(jié)論;同時將試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,并基于試驗獲取的數(shù)據(jù)對摩擦模型進(jìn)行修正,辨識得到微重力條件下的摩擦系數(shù)。

      1 模型建立

      單關(guān)節(jié)機(jī)械臂是由直流減速電機(jī)通過輕桿(連桿質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載質(zhì)量,故忽略連桿質(zhì)量)帶動負(fù)載進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動的裝置。在笛卡爾坐標(biāo)系(X,Y,Z)中,以輕桿連接電機(jī)的一端(軸心端)作為原點,分別建立坐標(biāo)系(0)、坐標(biāo)系(1)。其中坐標(biāo)系(0)是笛卡爾坐標(biāo)系(X,Y,Z)在XY平面上的一個平移,固定不動,其坐標(biāo)原點為(0x0,0y0,0z0);坐標(biāo)系(1)隨著輕桿的轉(zhuǎn)動相對于固定坐標(biāo)系(0)繞0z軸旋轉(zhuǎn)(1z軸和0z軸重合),其坐標(biāo)原點為(1x0,1y0,1z0),建立的坐標(biāo)系如圖1所示。

      圖1 輕桿坐標(biāo)系

      為了對單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的驅(qū)動力進(jìn)行分析,采用拉格朗日方程對單關(guān)節(jié)機(jī)械臂建立動力學(xué)模型。該方法將系統(tǒng)看作一個整體,通過分析系統(tǒng)能量、系統(tǒng)變量及其微分之間的關(guān)系,將有關(guān)運動的描述轉(zhuǎn)化為能量的描述,避開了系統(tǒng)中力、速度、加速度等矢量以及矢量間的復(fù)雜運算,從而得到運動方程式。在廣義坐標(biāo)系中,定義拉格朗日函數(shù)為:

      L=T-U

      (1)

      式中:L是拉格朗日量,T和U分別為系統(tǒng)的動能和勢能。

      對拉格朗日函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)及變形,得到拉格朗日方程表示如下:

      (2)

      式中:q是機(jī)械臂關(guān)節(jié)變量組成的向量,ξ是廣義坐標(biāo)q相關(guān)的廣義力。對于空間中的一點X,在上述坐標(biāo)系(0)和坐標(biāo)系(1)中分別表示為0X和1X,展開表示為:

      (3)

      又由圖1可知,負(fù)載重心點P在坐標(biāo)系(1)中的坐標(biāo)為(l,0,0)T,則點P在坐標(biāo)系(1)中記為

      (4)

      坐標(biāo)系(0)繞0z軸旋轉(zhuǎn)θ角后,與坐標(biāo)系(1)重合,由此得到兩坐標(biāo)系的變換矩陣0R1為:

      (5)

      由式(4)和式(5),得P點在坐標(biāo)系(0)中的坐標(biāo)0P為:

      (6)

      將式(6)對時間進(jìn)行微分,得到速度v:

      (7)

      因為坐標(biāo)系(1)繞0z軸旋轉(zhuǎn)θ角,故在0x軸、0y上的旋轉(zhuǎn)角度為0,坐標(biāo)系(1)相對于坐標(biāo)系(0)的旋轉(zhuǎn)角速度ω為:

      (8)

      根據(jù)速度v和角速度ω,得到拉格朗日方程中的系統(tǒng)動能T:

      (9)

      式中:m是負(fù)載質(zhì)量,Iz是負(fù)載慣量。

      將式(7)、式(8)代入式(9)中,計算得到系統(tǒng)動能T為:

      (10)

      在圖1的笛卡爾坐標(biāo)系中,當(dāng)輕桿與Y軸負(fù)半軸平行時,系統(tǒng)的勢能記為0,以X軸正半軸作為起始運動處,逆時針旋轉(zhuǎn)為運動正方向,計算系統(tǒng)的勢能U為:

      U=(1+sinθ)mgl

      (11)

      根據(jù)式(10)和式(11),代入拉格朗日函數(shù)式(1)中求得(單關(guān)節(jié)機(jī)械臂:q=(0,0,θ)T:

      (12)

      由于系統(tǒng)受到重力和摩擦力的作用,故系統(tǒng)的合力FL為:

      (13)

      綜上,對拉格朗日方程中的各項分別進(jìn)行運算,得到:

      (14)

      將式(13)帶入式(14)進(jìn)一步整理得:

      (15)

      將上式表述為矩陣形式,得到動力學(xué)方程為:

      (16)

      又由于單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動使用行星直流減速電機(jī),根據(jù)直流電機(jī)原理,電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比,即電磁轉(zhuǎn)矩Te:

      Te=Kt×i

      (17)

      式中:Kt為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù),i為直流電機(jī)電樞電流。

      在機(jī)械臂帶動負(fù)載進(jìn)行運動時,電磁轉(zhuǎn)矩Te的一部分會因為轉(zhuǎn)動中的慣性和摩擦而損失,這部分損失記為Tf;電磁轉(zhuǎn)矩的另一部分則會傳遞到負(fù)載側(cè)用于帶動負(fù)載運動,記為Td。

      根據(jù)力矩平衡原理,得到力矩平衡方程:

      (18)

      式中:J是轉(zhuǎn)動慣量(電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的慣性),Bm是黏滯摩擦系數(shù)。

      單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的驅(qū)動電機(jī)為直流減速電機(jī),存在減速機(jī)構(gòu),設(shè)定其減速比為N。又因為減速機(jī)構(gòu)是通過多級齒輪來完成減速,齒輪間存在著滑動摩擦,電機(jī)輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩Td經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)時會因此損失一部分,該摩擦損失力矩與轉(zhuǎn)矩Td成比例。設(shè)定摩擦比例系數(shù)為c,則經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)傳遞到負(fù)載側(cè)的扭矩τq為:

      τq=N(Td-cTd)=N(1-c)Td

      (19)

      2 仿真分析

      基于上述拉格朗日方程與直流電機(jī)原理推導(dǎo)出的單關(guān)節(jié)機(jī)械臂動力學(xué)方程,在Matlab軟件中建立仿真模型,根據(jù)試驗?zāi)康呐c試驗裝置的實際參數(shù),設(shè)置方程中各參數(shù)如表1所示。同時,為了分析不同重力環(huán)境下有無摩擦、不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速對直流電機(jī)驅(qū)動力的影響,分別設(shè)置不同的仿真條件如表2所示。

      表1 仿真參數(shù)設(shè)置

      表2 仿真條件設(shè)置

      2.1 不同重力環(huán)境下摩擦對電機(jī)驅(qū)動力矩的影響

      根據(jù)表1中的條件1進(jìn)行仿真,得到不同重力環(huán)境下摩擦對驅(qū)動電流影響曲線如圖2所示。

      從圖2中可以看出,在不同重力環(huán)境下摩擦對關(guān)節(jié)驅(qū)動電流的影響是不同的。在地面重力環(huán)境中電機(jī)驅(qū)動電流曲線近似正/余弦波形,驅(qū)動電流的變化與機(jī)械臂運動時的位置存在一定比例的正/余關(guān)系;又由于摩擦的關(guān)系,有摩擦?xí)r的電機(jī)驅(qū)動電流要略大于無摩擦?xí)r的電機(jī)驅(qū)動電流,但摩擦對電機(jī)驅(qū)動力的影響很小,電機(jī)驅(qū)動力主要用于克服重力做功。在空間微重力環(huán)境中,當(dāng)空間無摩擦?xí)r,電機(jī)驅(qū)動電流為零;當(dāng)存在摩擦?xí)r,電機(jī)驅(qū)動電流為一恒值,分析可知此時的電機(jī)驅(qū)動力全部用于克服摩擦力做功。

      由上述可知,在地面重力環(huán)境中摩擦相對于重力對電機(jī)驅(qū)動力的影響很?。坏诳臻g微重力環(huán)境中,因為沒有重力的影響,摩擦對電機(jī)驅(qū)動力的影響很大,因此只考慮在空間微重力環(huán)境中不同摩擦對電機(jī)驅(qū)動力的影響。進(jìn)一步采用表3中各組參數(shù)進(jìn)行仿真,得到空間微重力環(huán)境中不同摩擦對驅(qū)動電流影響曲線如圖2(b)所示。從圖中可以看出,在空間微重力環(huán)境中,電機(jī)驅(qū)動力主要用于克服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運動中的摩擦力,并且電機(jī)驅(qū)動電流與旋轉(zhuǎn)運動黏滯摩擦系數(shù)Bm呈線性關(guān)系,而減速機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)對電機(jī)驅(qū)動力影響不大。

      圖2 不同重力環(huán)境下有、無摩擦?xí)r電機(jī)驅(qū)動電流曲線

      表3 不同摩擦參數(shù)仿真表

      2.2 不同重力環(huán)境下負(fù)載對驅(qū)動力矩的影響

      根據(jù)表1中的條件2進(jìn)行仿真,得到不同重力環(huán)境下負(fù)載對驅(qū)動電流影響曲線如圖3所示。

      從圖3可以看出,在不同重力環(huán)境下負(fù)載對關(guān)節(jié)驅(qū)動電流的影響是完全不同的。在地面重力環(huán)境中,隨著負(fù)載的增加,電機(jī)驅(qū)動電流也隨之增加,可知驅(qū)動電流與負(fù)載成正比關(guān)系,但在空間微重力環(huán)境中,驅(qū)動電流始終為一恒值,因空間微重力環(huán)境中的重力加速度g=0,不管負(fù)載質(zhì)量如何變化,重力影響始終為零,機(jī)械臂只需要克服摩擦做功即可。

      圖3 不同重力環(huán)境下不同負(fù)載時的電機(jī)驅(qū)動電流曲線

      2.3 不同重力環(huán)境下轉(zhuǎn)速對驅(qū)動力矩的影響

      根據(jù)表1中的條件3進(jìn)行仿真,得到不同重力環(huán)境下轉(zhuǎn)速對驅(qū)動電流影響曲線如圖4所示。

      從圖4中可以看出,在不同重力環(huán)境下,轉(zhuǎn)速的不同對關(guān)節(jié)驅(qū)動電流的影響極小。在地面重力環(huán)境中與空間微重力環(huán)境中,隨著轉(zhuǎn)速的增加,電機(jī)的驅(qū)動電流都會相應(yīng)增大,但增加幅度不明顯。從機(jī)械臂動力學(xué)方程中分析可知,轉(zhuǎn)速的增加會導(dǎo)致方程中相關(guān)摩擦力的略微增大。總體而言,轉(zhuǎn)速對電機(jī)驅(qū)動電流的影響很小。

      圖4 不同重力環(huán)境下不同轉(zhuǎn)速時的電機(jī)驅(qū)動電流曲線

      3 地面試驗分析

      3.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

      單關(guān)節(jié)機(jī)械臂由直流電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動帶動單桿組成(單桿作為機(jī)械臂),單桿連接電機(jī)的一側(cè)作為軸心端,另一端為自由端,可以帶動負(fù)載進(jìn)行運動。因單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的驅(qū)動為直流電機(jī),而電機(jī)轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁力,通過電流與轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)關(guān)系,可以求出關(guān)節(jié)的驅(qū)動力,因此試驗采用對電機(jī)電流的直接測量來對驅(qū)動力進(jìn)行分析,設(shè)計測控系統(tǒng)如圖5所示。

      圖5 單關(guān)節(jié)機(jī)械臂測控系統(tǒng)組成

      該測控系統(tǒng)采用STM32作為控制核心,通過向H橋電機(jī)驅(qū)動器輸出PWM波來控制直流電機(jī)的運行速度;在電機(jī)運行過程中由霍爾電流傳感器采集電機(jī)的驅(qū)動電流,并將采集到的原始數(shù)據(jù)傳送給控制單元,經(jīng)過核心控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換及相關(guān)數(shù)據(jù)處理后,利用FatFs文件管理系統(tǒng)將處理好的電流數(shù)據(jù)存儲到外設(shè)模塊TF卡中。TF卡中的電流數(shù)據(jù)可在試驗后進(jìn)行讀取,便于進(jìn)一步的處理與曲線繪制,從而對不同重力環(huán)境下單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的驅(qū)動力進(jìn)行分析,完成對仿真結(jié)果的驗證和參數(shù)辨識,機(jī)械臂相關(guān)硬件選型及其關(guān)鍵參數(shù)如表4所示。

      表4 測控系統(tǒng)硬件選型

      在進(jìn)行微重力試驗前,需要對測控系統(tǒng)進(jìn)行地面試驗與調(diào)試。在機(jī)構(gòu)驅(qū)動力的試驗研究中,通常將機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)軸線垂直于地面來消除重力的影響,獲取模擬微重力試驗條件,進(jìn)而研究機(jī)構(gòu)在微重力環(huán)境下的某些特性[14,20]。在地面進(jìn)行試驗時,首先采用關(guān)節(jié)軸線垂直于重力方向(平行于水平面),設(shè)置試驗條件,獲取地面重力環(huán)境下單關(guān)節(jié)機(jī)械臂電機(jī)驅(qū)動電流數(shù)據(jù);再采用關(guān)節(jié)軸線平行于重力方向(垂直于水平面),獲取模擬微重力試驗條件下單關(guān)節(jié)機(jī)械臂電機(jī)驅(qū)動電流數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為后續(xù)落塔微重力試驗做準(zhǔn)備。

      3.2 不同重力環(huán)境對電機(jī)驅(qū)動力矩的影響

      將試驗裝置的關(guān)節(jié)軸線分別平行和垂直于地面放置,設(shè)置臂桿末端負(fù)載為285 g,電機(jī)開環(huán)旋轉(zhuǎn)速度為85 r/min,測得的電機(jī)驅(qū)動電流響應(yīng)曲線如圖6所示。

      從圖6中可以看出,當(dāng)試驗機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)軸線取向不同時,電機(jī)驅(qū)動電流差異很大。在重力環(huán)境中(關(guān)節(jié)軸線平行于地面),機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電流峰值為166.89 mA,在模擬微重力試驗條件下(關(guān)節(jié)軸線垂直于地面),機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電流峰值為142.15 mA;模擬微重力試驗條件下的電機(jī)驅(qū)動電流為重力環(huán)境中機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電流的85%。

      圖6 不同重力環(huán)境下電機(jī)驅(qū)動電流曲線

      分析認(rèn)為在重力環(huán)境中,電機(jī)在帶動負(fù)載運行時受到重力的影響較大,電機(jī)驅(qū)動力主要用來克服重力和部分摩擦力;而模擬微重力試驗條件中,機(jī)構(gòu)受到重力的影響較小,驅(qū)動力矩主要用來克服摩擦力,由此導(dǎo)致模擬微重力試驗條件中的電機(jī)驅(qū)動電流遠(yuǎn)小于在重力環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流。

      4 落塔微重力試驗

      4.1 試驗環(huán)境

      為了進(jìn)行地面模擬微重力與真實微重力環(huán)境下電機(jī)驅(qū)動電流的對比,將地面試驗用單關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行落塔微重力試驗。國家微重力實驗室塔高116 m,地下深8 m,有效落高63 m,微重力水平10-3g~10-2g,最大可搭載載荷90 kg,可以獲得有效微重力的時間在3.5 s左右,滿足在不同重力環(huán)境下分析電機(jī)驅(qū)動力的試驗條件。

      在落塔微重力試驗中,試驗裝置被密封放置在錐型的落艙中,艙內(nèi)外通過無線電進(jìn)行信息交互。在試驗艙內(nèi)放置攝像機(jī),記錄試驗過程中單關(guān)節(jié)機(jī)械臂的運動影像。試驗結(jié)束后打開艙體,取出試驗數(shù)據(jù)與視頻錄像。微重力試驗過程中單關(guān)節(jié)機(jī)械臂三個不同位置的運動圖像如圖7所示。

      圖7 落塔試驗過程中運動圖像記錄

      4.2 不同重力環(huán)境下電機(jī)驅(qū)動力分析

      落塔微重力試驗是以自由釋放的方式進(jìn)行,可能會對試驗裝置造成一定的損壞,因此設(shè)計同樣的單關(guān)節(jié)機(jī)械臂試驗裝置共4組,通過改變負(fù)載的試驗條件如表5所示,在轉(zhuǎn)速一定的條件下進(jìn)行微重力試驗,并與上述地面模擬微重力試驗條件下的電機(jī)驅(qū)動電流相比較,獲取并分析機(jī)構(gòu)在兩種重力環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流數(shù)據(jù)。圖8為落塔微重力試驗時的重力參數(shù),圖9為試驗組2在落塔微重力試驗中的電機(jī)驅(qū)動電流曲線;圖10為試驗組2在模擬微重力試驗環(huán)境與落塔微重力試驗環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流數(shù)據(jù)對比曲線。

      圖8 微重力試驗中的重力曲線

      表5 試驗條件設(shè)置

      從圖9中可以看出,在不同重力環(huán)境中運行的空間機(jī)構(gòu),其電機(jī)驅(qū)動電流存在著較大的差異。在未進(jìn)入微重力環(huán)境中(試驗機(jī)構(gòu)處在重力環(huán)境中),電機(jī)驅(qū)動電流較大且具有周期性;當(dāng)進(jìn)入微重力環(huán)境后,電機(jī)驅(qū)動電流變小、無周期性,數(shù)據(jù)曲線近似于一條直線,即在微重力環(huán)境中電機(jī)驅(qū)動電流為恒值;同時對比模擬微重力試驗環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流,從圖10可以看出落塔微重力與模擬微重力環(huán)境中的電流曲線較接近,并且模擬微重力試驗環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流略大于落塔微重力環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流。

      圖9 落塔微重力試驗中的電機(jī)驅(qū)動電流曲線

      圖10 電機(jī)驅(qū)動電流數(shù)據(jù)對比曲線

      設(shè)置負(fù)載120 g,轉(zhuǎn)速85 r/min的試驗條件,將重力環(huán)境、模擬微重力環(huán)境與落塔微重力環(huán)境試驗中獲取的驅(qū)動電流數(shù)據(jù)合并繪制如圖11所示。當(dāng)機(jī)械臂處于重力環(huán)境中,電機(jī)驅(qū)動電流的峰值約為190 mA;當(dāng)關(guān)節(jié)軸線平行于重力方向進(jìn)行地面模擬微重力環(huán)境試驗時,獲得電機(jī)驅(qū)動電流為160.75 mA左右;當(dāng)機(jī)械臂處于落塔微重力環(huán)境中,電機(jī)驅(qū)動電流在156.75 mA左右波動。可以看出,落塔微重力環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流與模擬微重力試驗環(huán)境中驅(qū)動電流相差很小,但與重力環(huán)境中的電機(jī)驅(qū)動電流有近18%的差值,驅(qū)動電流數(shù)值相差較大。

      圖11 不同重力環(huán)境下的電機(jī)驅(qū)動電流

      分析認(rèn)為,在微重力環(huán)境中,由于機(jī)械臂不再受重力的影響,電機(jī)驅(qū)動力只需克服摩擦力矩做功。因此在微重力環(huán)境中,機(jī)構(gòu)驅(qū)動力矩大小等于其所受到的摩擦力矩大小,其數(shù)值相對較??;而在重力環(huán)境中運行的機(jī)械臂,會受到重力和摩擦力的雙重影響,機(jī)械臂驅(qū)動力矩的大小為其受到的重力與摩擦力矩之和,其數(shù)值相對較大;在地面模擬微重力環(huán)境試驗中,由于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)軸線平行于重力方向,相對于關(guān)節(jié)軸線垂直于重力方向、可以消除重力的對電機(jī)運動的影響,但是因為試驗是在地面重力環(huán)境中進(jìn)行,總會受到重力的影響,進(jìn)而機(jī)械臂的間隙和摩擦?xí)l(fā)生變化,導(dǎo)致驅(qū)動力矩在不同位置有所不同。但是模擬微重力環(huán)境試驗與微重力環(huán)境中的驅(qū)動力差值約為3%,相對重力環(huán)境與微重力環(huán)境中驅(qū)動力差值的18%,還是比較小的。

      因此,在一般探究微重力環(huán)境中空間機(jī)構(gòu)運動行為分析的試驗中,可以通過將關(guān)節(jié)軸線平行于重力方向進(jìn)行微重力環(huán)境的模擬。

      4.3 基于試驗結(jié)果的摩擦參數(shù)辨識

      在不同重力環(huán)境下設(shè)置負(fù)載120 g,轉(zhuǎn)速85 r/min的試驗,基于試驗得到的數(shù)據(jù)對電機(jī)摩擦參數(shù)進(jìn)行辨識,辨識后的摩擦參數(shù)如表6所示。將辨識后的摩擦參數(shù)帶入方程對模型進(jìn)行修正,再進(jìn)行仿真并得到驅(qū)動電流數(shù)據(jù),與試驗獲取到的驅(qū)動電流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,繪制不同重力環(huán)境下參數(shù)辨識后的電機(jī)驅(qū)動電流曲線如圖12所示。

      從圖12中可以看出,使用辨識后的摩擦參數(shù)仿真得到的電流數(shù)據(jù)曲線與試驗測得的電流曲線基本一致,驗證了摩擦參數(shù)辨識的正確性。另外,從表6辨識后的摩擦參數(shù)可以看出,在不同重力環(huán)境下電機(jī)旋轉(zhuǎn)黏滯摩擦系數(shù)相差不大,但減速機(jī)構(gòu)摩擦系數(shù)變化較大,在重力環(huán)境與模擬微重力環(huán)境中分別為0.005 N·s·rad-1和0.003 N·s·rad-1,而在落塔微重力環(huán)境中僅為0.001 N·s·rad-1,可見在空間微重力環(huán)境中,由于減速機(jī)構(gòu)的重力釋放,而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)摩擦系數(shù)減小。

      表6 不同重力環(huán)境下的摩擦參數(shù)

      圖12 不同重力環(huán)境下參數(shù)辨識后電機(jī)驅(qū)動電流

      5 結(jié) 論

      對不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)驅(qū)動力的分析,首先通過仿真得出一般性結(jié)論,其次進(jìn)行重力環(huán)境、模擬微重力環(huán)境及落塔微重力環(huán)境試驗驗證仿真結(jié)果,由試驗數(shù)據(jù)再對模型摩擦參數(shù)進(jìn)行辨識,并得到修正后的機(jī)械臂動力學(xué)模型,所得結(jié)論如下:

      1)在地面環(huán)境中,可以通過模擬微重力的方法來近似獲得空間微重力環(huán)境,即將機(jī)構(gòu)的運動軸線平行于重力方向(垂直于水平面),消除重力對機(jī)構(gòu)的影響,近似等效空間微重力環(huán)境,其與真正微重力環(huán)境中的驅(qū)動力矩相差在3%左右。

      2)在不同重力環(huán)境下運動的空間機(jī)構(gòu),其驅(qū)動力大小存在著較大的差異。在微重力環(huán)境中運行的機(jī)構(gòu),其驅(qū)動力大小近似于恒值,且遠(yuǎn)小于機(jī)構(gòu)在重力環(huán)境中的驅(qū)動力,數(shù)據(jù)表明落塔微重力試驗中電機(jī)驅(qū)動力矩峰值與重力環(huán)境中電流峰值相差約18%。

      3)在不同重力環(huán)境中,負(fù)載的變化對機(jī)構(gòu)驅(qū)動力造成的影響也不同。在重力環(huán)境中,負(fù)載的變化會直接影響機(jī)構(gòu)驅(qū)動力的變化,具體表現(xiàn)為機(jī)構(gòu)驅(qū)動力會隨著負(fù)載的增大而增大;在微重力環(huán)境下,當(dāng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載發(fā)生變化時,對機(jī)構(gòu)驅(qū)動力影響極小。

      4)在不同重力環(huán)境下,機(jī)構(gòu)運行速度的不同對其驅(qū)動力的影響很小。在地面重力環(huán)境中,機(jī)構(gòu)不同的運動速度,對機(jī)構(gòu)驅(qū)動力大小的影響較小;在微重力環(huán)境中,機(jī)構(gòu)運行速度的不同對其驅(qū)動力幾乎無影響。

      5)在不同重力環(huán)境下,電機(jī)受到的摩擦力也不相同。在重力環(huán)境下,機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動力主要用于克服重力做功,此時摩擦力對電機(jī)運行的影響很小,由試驗數(shù)據(jù)辨識得到電機(jī)黏滯摩擦系數(shù)為0.0201 N·s·rad-1,減速機(jī)構(gòu)摩擦系數(shù)為0.005 N·s·rad-1;在微重力環(huán)境下,機(jī)構(gòu)的電機(jī)運行不受到重力的影響,此時電機(jī)驅(qū)動力用于克服摩擦力做功,基于試驗數(shù)據(jù)辨識得到電機(jī)黏滯摩擦系數(shù)為0.0197 N·s·rad-1,減速機(jī)構(gòu)摩擦系數(shù)為0.001 N·s·rad-1??梢钥闯?,在不同重力環(huán)境下機(jī)構(gòu)所受到的摩擦力并不相同,重力環(huán)境下機(jī)構(gòu)受到的摩擦力要略大于微重力環(huán)境中機(jī)構(gòu)所受到的摩擦力。

      猜你喜歡
      驅(qū)動電流驅(qū)動力重力
      瘋狂過山車——重力是什么
      油價上漲的供需驅(qū)動力能否持續(xù)
      中國外匯(2019年9期)2019-07-13 05:46:30
      溫暖厚實,驅(qū)動力強(qiáng)勁 秦朝 QM2018/QC2350前后級功放
      突出文化產(chǎn)業(yè)核心驅(qū)動力
      以創(chuàng)新為驅(qū)動力,兼具學(xué)院派的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度 Q Acoustics
      電動機(jī)驅(qū)動電流依賴于可觀測量的數(shù)學(xué)模型
      電子制作(2017年14期)2017-12-18 07:07:48
      仰斜式重力擋土墻穩(wěn)定計算復(fù)核
      核電廠控制棒失步的判斷方法
      一張紙的承重力有多大?
      SiCl自由基X2Π和A2Σ+態(tài)的光譜性質(zhì)
      計算物理(2015年5期)2015-12-01 11:35:09
      五家渠市| 恭城| 和林格尔县| 綦江县| 西昌市| 历史| 九龙县| 石棉县| 广水市| 通城县| 白城市| 元阳县| 阜阳市| 新郑市| 安陆市| 常熟市| 南靖县| 京山县| 马关县| 上蔡县| 龙胜| 黄龙县| 长宁区| 蓬莱市| 西林县| 建昌县| 宜春市| 吉首市| 广南县| 沅陵县| 齐河县| 夏邑县| 溆浦县| 晋中市| 门源| 沽源县| 和田县| 鲁甸县| 团风县| 嘉峪关市| 灌阳县|