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六自由度振动试验系统运动极限

IT圈 admin 25浏览 0评论

2024年4月27日发(作者:实昭懿)

第33卷第4期 

2013年8月 

振动、测试与诊断 

Journal of Vibration.Measurement&Diagnosis 

VoI.33 No.4 

Aug.2O13 

六自由度振动试验系统运动极限 

张步云 , 陈怀海 , 贺旭东 , 郭家骅 

(1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

(2.上海宇航系统工程研究所

南京,210016) 

上海,201108) 

摘要针对六自由度振动试验系统的试验能力问题,对试验系统台面的运动极限情况进行分析。研究的振动试验 

系统由8个独立的电动振动台和一个台面组成,振动台和台面之间通过静压球形接头进行机械解耦。建立该振动 

试验系统的几何模型,采用斯图尔特平台分析方法,推导出台面位移和各振动台位移之间的关系。建立了一种优 

化计算方法,根据振动试验系统的参数计算出台面的极限位移,得到振动试验系统的最大试验能力;也可根据给定 

的试验条件要求计算出各振动台应具有的试验能力。此工作为此类型振动试验的实施提供了判断依据。 

关键词振动台;多轴振动;六自由度;运动极限;建模 

0329 中图分类号

际产品的生产中。Wyle实验室为Hill空军基地研 

引 言 

在实验室条件下用振动台进行振动测试试验是 

对产品在运输、使用环境中经受振动环境的最佳人 

工模拟L1]。单轴振动试验技术在工程领域应用广 

制的三轴向六自由度电动振动系统是目前较先进的 

电动式多轴振动系统[8]。关广丰等[g。0]就六自由度 

液压振动试验系统的控制策略进行了理论和试验研 

究。严侠等[1 以三轴向六自由度液压振动台系统 

为典型被控对象,建立了三轴六自由度液压振动台 

随机振动控制仿真系统。陈建秋等L1 对六自由度 

地震模拟振动台的控制系统进行了研究。这些研究 

多以多轴液压振动系统为主。 

在振动试验中关心的是多轴振动系统的试验能 

力,尤其是六自由度电动振动系统。若已知振动系 

统的相关参数,求得台面的最大运动能力(即能达到 

的最大位移或最大加速度)是研究人员关心的问题。 

另一方面,给定一定的试验条件,振动台能否达到这 

样的指标是试验能否成功的关键。笔者根据斯图尔 

特平台模型[1 ]的分析方法,以六自由度电动振动 

泛,局限性也很明显。文献[2—3]指出单轴振动试验 

无法完全复现外场故障,加大量级的补偿措施易导 

致试件过试验或过设计,难以实现不同振动方向载 

荷的准确迭加。贺旭东[4 指出在对大型试件进行振 

动试验时,单轴振动台无法提供足够的推力,难以达 

到规定的试验量级,且单点激励不利于实现振动分 

布的均匀性,使应力和位移分布不够合理。Free— 

man[5 指出通过单轴振动试验的设备无法承受多维 

的外场振动环境。事实上,从严格意义来说,产品在 

使用过程中的振动环境大都是多自由度的,单轴振 

动试验难以准确描述产品的真实工况。 

从20世纪6O年代开始,研究重点转移到多轴 

振动系统领域,并取得一系列进展。Whiteman 

系统台面的运动极限问题进行建模研究,建立各振 

动台与台面之间的位移关系,为多轴振动系统试验 

的实际应用提供理论依据。 

等【6 ]研究了多维振动试验方法,指出多轴振动试验 

能有效减少试验时间且提供更真实的应力分布情 

况。美国的Wyle实验室、MTS公司和Team公司 

1 振动系统几何模型 

在实际振动环境中,大部分产品有6个自由度 等都开始研究多轴振动环境试验技术,且应用到实 

* 国家自然科学基金资助项目(10972104,11102083) 

收稿El期:201I-12—26;修改稿收到日期:2012—04—26 

第4期 张步云,等:六自由度振动试验系统运动极限 

的运动,其中:3个平动自由度分别为沿 轴、Y轴 

和z轴的移动;3个转动自由度为绕轴z旋转的 

R 、绕Y轴旋转的R 和绕z轴旋转的R 。图1为 

六自由度振动简化模型。 

的振动系统模型。该振动系统由振动台面和8个独 

立单轴振动台组成,振动台用序号#1,#2,…,#8 

表示。#1和#2表示X向的振动台,#3和#4表 

示Y向的振动台,#5~#8表示 向的4个振动 

台。为了消除不同轴向运动之间耦合关联,该系统 

通过连接试验台面和振动台动圈的静压球形接头来 

实现机械解耦。振动台的下铰点为具有4个自由度 

的球铰联接,固定在系统底座。振动台的上铰点与 

台面相连,传递作用力。 

图1六自由度振动模型图 

为准确计算振动台的轴向伸缩与台面运动之间 

的关系,以#1到#4振动台与台面的连接点所在面 

在具有8个独立的单轴振动台的六自由度振动 

的几何中心为原点建立两个空间直角坐标系。其 

中:一个坐标系O-xyz固连于大地,称为静坐标系 

系统中,每个自由度的响应都是由8个振动台共同 

激励产生的[1 。图2为美国Hill空军基地SVIC 

S;另一坐标系O'-x Y z 固连于台面,称为动坐标 

系M。 

中心的多台多轴(MEMA)系统,由2个z向振动 

台、2个Y向振动台、4个z向振动台和一个振动台 

8个振动台的下铰点在坐标系S中的坐标不 

面组成[8]。本研究以此系统为研究对象。 

变,上铰点在动坐标系M中的坐标不变。台面处于 

中位时两坐标系重合[g]。原点。到振动台下铰点 

B 的向量为b 一Eb b b ] ,i一1,2,…,8,原 

点O 到上铰点A 的向量为aj一[口扛 12 a J ] , 

一1,2,…,8。 

2振动系统运动分析 

2.1各振动台试验能力 

图2美国Hill空军基地多台多轴系统 

分析各振动台试验能力,即在已知振动台面运 

根据斯图尔特平台系统的相关理论,在多轴电 

动的情况下求得各振动台轴向的伸缩位移。一般称 

动振动系统中引入类似分析方法,建立如图3所示 

此类问题为振动系统反解问题。求得各振动台的轴 

向伸缩位移,结合已知振动台参数,便可判断振动系 

统的试验能力。如图3所示,振动台面的位姿 可 

以表示为 

=== 

Iqt3xl 

其中:t。 为平动位移坐标向量,即原点O到o 的向 

量表示,t3X1一IX1 z z。] ; 。Xl为转动坐标向 

量, 3×l:==Ex4 X5 X6] ; 4,X5,X6分别为绕 

轴、Y轴和z轴的转角。 

用此3个参数可以计算出静坐标系到动坐标系 

图3八振动台多轴系统几何模型 的转动传递矩阵R[ 为 

[- ̄osx6 COSX5 COSX6 sinx5 sinx4一sinx6 COSX4 sinx6 sinx4一COSX6 sinx5 COSX4 1 

R=l sinx6 COSX5 COSX6 COSX4一sinx6 sinx5 sinx4 COSX6 sinx5 COSX4一COSX6 sinx4 I 

}一slnxs cosx5 slnx4 cos:E5 COSX4 -J 

振动、测试与诊断 第33卷 

台面的运动速度可以表示为 

r}] 

主一1 l (2) 

j 

其中: 为平动速度向量; 为角速度向量。 

因为台面的运动是8个振动台共同激励的结 

果,下面探求振动台的轴向伸缩位移与台面的位姿 

之间的关系。第i个振动台上、下铰点间向量可表 

示为Z ,有 

f —t+Rai—b (3) 

其中:z 为一个3×1维的向量,它表示振动台的 

位置。 

I Z l 一玎f (4) 

其中:【fj I为台面运动时振动台的长度。 

振动台的轴向伸缩位移△z 为 

Al 一 ̄/l z 一z ( 一1,2,…,8) (5) 

其中:z 为无台面运动时第i个振动台的轴向长度。 

由式(5)可知,振动台的轴向伸缩位移△ 可以 

表示成台面6个自由度的函数。若知振动台面的运 

动,可由式(5)求出各振动台应该具备的试验能力。 

2.2振动台面极限运动 

振动台面运动分析相对各振动台轴向位移的求 

解难度较大,国内外学者研究了分析振动台面运动 

的方法L1。屯。。。在实际工程中仅仅求得振动台面的 

运动是不够的。振动系统的最大试验能力在振动环 

境试验中具有重要的实际意义,每一个轴向运动或 

转动能达到怎样的极限位置是值得考虑的问题。 

由式(3)和式(5)可以得到一组非线性方程组为 

f ( )一(t+Ra{一bf) (f+Raf—b )一 

(1 十Al ) ===0 (6) 

其中: ===1,2,…,8。 

当已知各振动台的伸缩位移△z 时,式(6)可以 

写成 

f ( )一0 (i一1,2,…,8) (7) 

该方程组有8个方程,6个未知数。对于每组 

给定的振动台轴向位移Al (i一1,2,…,8),运用 

Newton—Raphson算法或QR分解法都可得到相应 

的台面运动X。每个振动台的轴向位移都在一定的 

范围内,即 

I△Zf I≤max/ (8) 

当振动台轴向位移不同时台面的运动也不同。 

分析振动台面的运动极限即找出一组最优的振动台 

轴向位移,使得振动台面某一自由度的平动位移或 

转角达到最大值,该值即表示振动台最大的试验能 

力。此时可以将振动台的轴向位移视为自变量,振动 

台面的运动即为轴向位移的函数。式(7)可以写为 

f厂l(z1,z2,…,z6,Al1)一0 

_』

Il

 ¨勃,

 

… 6,Al2)一 (‘ J9) 

厂8(z1, 2,…,X6,Al

; 

8)一0 

其中:Al ( 一1,2,…,8)为变量,其定义域为式(8)。 

台面的每个自由度运动都可表示为Al (i一1, 

2,…,8)的函数,即 

z 一 (A/1,A/2,…,A/s)( 一1,2,…,6) 

(1O) 

记X』一--Xj, ̄lJxj的极小值为zJ的极大值。用 

MATLAB中的优化命令fmincon函数求得X,的极 

小值,由此得到每个自由度运动的极限位置。 

3 算 例 

3.1参数设定 

当台面运动时,第i个振动台的轴向伸缩位移 

△ 是以台面6个自由度为自变量的函数。若是单 

轴振动系统,振动台的伸缩位移即为台面的运动位 

移。在多轴振动系统中,由于不同轴向的振动之间 

存在着机械耦合,每个振动台的运动不仅产生轴向 

位移,还对其他轴向的运动产生牵连作用,所以当单 

个振动台的位移达到最大值时,试验台面的位移并 

不一定达到最大值。表1为多轴振动系统相关参 

数,计算其台面的位移范围,可以得到上、下各铰点 

在静坐标系中的坐标,如表2和表3所示。 

表1多轴振动台参数设定 mm 

各振动台参数 数值 

#l~#4振动台轴向长度 

#5~#8振动台轴向长度 

振动台轴向位移极限 

台面尺寸 

台体高 

同向水平振动台之间距离 

垂向振动台之间距离 

表2各振动台上铰点的坐标向量 mm 

第4期 张步云,等:六自由度振动试验系统运动极限 

表3各振动台下铰点的坐标向量 mm 

值。可以计算出振动台的伸缩位移为何值时台面的 

位移达到最大,如表4所示。可以看出,当某一轴向 

振动台伸缩位移达到最大值时,该向的台面运动达 

到最大值;但台面运动的最大值并不仅由这一轴向 

的振动台提供,其他各向振动台都有位移贡献。由 

3.2计算结果 

表4得到该振动系统平动的运动范围为[一25 mm, 

向量aj和向量b 的值分别为A 和B 的坐标 

25 mm],绕X轴和Y轴转动角范围为[一20.805。, 

表4各振动台位移与台面极限位移 mm 

20.805。],绕z轴转动角范围为[一18.168。, 

质量的试件会对振动台产生倾覆力矩,振动台和台 

18.168。],此为该振动系统的试验能力。 面之间的运动关系更为复杂,这些问题需要进一步 

另一方面,若已知试验条件,可以求得振动台应 

研究。 

具有的试验能力。例如,要求台面的X轴向位移达 

到20 ITlm,同时绕z轴转动角度达到18。,可以得到 

参 考 文 献 

各振动台的轴向位移应满足的条件如表5所示。可 

以看出,要达到设定的试验条件,需要振动台的最大 

[1]Davis T.MIMO control system-a new ear in shaker 

轴向位移为22.244 0 1Tim,设计的振动台完全能够 

control[J].Sound and Vibration,2006,40(1):6-9. 

[2]夏益霖.多轴振动环境试验的技术、设备和应用[J]. 

满足此试验要求。 

导弹与航天运载技术,1996,6:48—55. 

表5 l=20 mm。x4=18。时各振动台的轴向位移 

Xia Yilin.The technology,equipment and application 

mm 

of multi-axis vibration environment testing[J].Mis 

siles and Space Vehicles,1996,6:48—55.(in Chinese) 

[3]Harman C.Multi-axis vibration reduces test time[J]. 

Evauluation Engineering,2006,45(6):44—47. 

[4]贺旭东.多输入多输出振动试验控制系统的理论、算 

法及实现I-D].南京:南京航空航天大学,2006. 

4 结束语 

[5]Freeman M T.3-Axis vibration test system simulates 

real world[J].Test Engineering and Management, 

在六自由度振动试验系统中,不同自由度之间 

l990,12:10-14. 

存在机械耦合,每个轴向的平动或绕轴的转动都是 

[6]Whiteman W E,Berman M S.Inadequacies in uniaxial 

由所有振动台共同作用形成的。笔者在机械解耦的 

stress screen vibration testing[J].Journal of the 

IEST,2001,44:20-23. 

基础上计算试验系统的最大试验能力,在实际试验 

[7]Whiteman W E.Fatigue failure results for multi-axial 

实施中有着重要的应用。笔者仅对台面的位移和振 

versus uniaxial stress vibration testing[J].Shock and 

动台位移之间的关系进行了探讨,速度与加速度之 

Vibration,2002,9:319-328. 

间的关系并未涉及。在多轴振动试验中,具有一定 

[8] Chen M,Wilson D R.The new tri—axial shock and vi. 

564 振动、测试与诊 断 第33卷 

bration test system at hill ah force base[J].Journal of 

Institute of Environmental Sciences and Technology, 

1998,41(2):27-32. 

[9]关广丰.液压驱动六自由度振动试验系统控制策略研 

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[1O]关广丰,王海涛,熊伟.6自由度液压振动台运动学分 

析及控制策略[J].振动、测试与诊断,2011,31(1): 

89—93. 

Guan Guangfeng,Wang Haitao,Xiong Wei.Kinemat- 

ic analysis and control strategy of 6-DOF hydraulic vi— 

bration table[J].Journal of Vibration,Measurement 

&Diagnosis,2011,31(1):89—93.(in Chinese) 

[11]严侠,牛宝良,朱长春.三轴六自由度液压振动台随 

机振动控制分析与仿真[J].机床与液压,2007,35 

(10):165-191. 

Yan Xia,Niu Baoliang,Zhu Changchun.MIMO ran— 

dom vibration control simulation in the three axis—six 

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2007,35(10):165—191.(in Chinese) 

[12]陈建秋.六自由度模拟地震振动台台面控制原理研究 

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Chen Jianqiu.Analysis of 6-DOF and table control of 

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[13]陈建秋,任珉,杨泽群.模拟地震振动台台面补偿技 

术分析[J].广州大学学报:自然科学版,2005,4(1): 

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Chen Jianqiu,Ren Min,Yang Zequn.Analysis of 

compensation technology of seismic simulation system 

[J].Journal of Guangzhou University:Natural Science 

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[15]马建明.飞行器模拟液压Stewart平台奇异位形分析 

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2010. 

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Theory,2000(35):15—40. 

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[18]Lin W,Griffis M,Dully J.Forward displacement a— 

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[19]Raghavan M.The stewart platform of general geome— 

try has 40 configurations[J].Journal of Mechanical 

Design,1993,115(2):277—282. 

[2O]Ku D M.Direct displacement analysis of a stewart 

platform mechanism[J].Mechanism and Machine 

Theory,1999,34:453—465. 

第一作者简介:张步云,男,1987年8月 

生,博士研究生。主要研究方向为振动 

测试与控制。曾发表《磁流变阻尼器减 

振特性实验研究》(《南京航空航天大学 

学报:自然科学版 ̄2012年第44卷第6 

期)等论文。 

E-mail:zhangbuyun@nuaa.edu.cn 

2024年4月27日发(作者:实昭懿)

第33卷第4期 

2013年8月 

振动、测试与诊断 

Journal of Vibration.Measurement&Diagnosis 

VoI.33 No.4 

Aug.2O13 

六自由度振动试验系统运动极限 

张步云 , 陈怀海 , 贺旭东 , 郭家骅 

(1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

(2.上海宇航系统工程研究所

南京,210016) 

上海,201108) 

摘要针对六自由度振动试验系统的试验能力问题,对试验系统台面的运动极限情况进行分析。研究的振动试验 

系统由8个独立的电动振动台和一个台面组成,振动台和台面之间通过静压球形接头进行机械解耦。建立该振动 

试验系统的几何模型,采用斯图尔特平台分析方法,推导出台面位移和各振动台位移之间的关系。建立了一种优 

化计算方法,根据振动试验系统的参数计算出台面的极限位移,得到振动试验系统的最大试验能力;也可根据给定 

的试验条件要求计算出各振动台应具有的试验能力。此工作为此类型振动试验的实施提供了判断依据。 

关键词振动台;多轴振动;六自由度;运动极限;建模 

0329 中图分类号

际产品的生产中。Wyle实验室为Hill空军基地研 

引 言 

在实验室条件下用振动台进行振动测试试验是 

对产品在运输、使用环境中经受振动环境的最佳人 

工模拟L1]。单轴振动试验技术在工程领域应用广 

制的三轴向六自由度电动振动系统是目前较先进的 

电动式多轴振动系统[8]。关广丰等[g。0]就六自由度 

液压振动试验系统的控制策略进行了理论和试验研 

究。严侠等[1 以三轴向六自由度液压振动台系统 

为典型被控对象,建立了三轴六自由度液压振动台 

随机振动控制仿真系统。陈建秋等L1 对六自由度 

地震模拟振动台的控制系统进行了研究。这些研究 

多以多轴液压振动系统为主。 

在振动试验中关心的是多轴振动系统的试验能 

力,尤其是六自由度电动振动系统。若已知振动系 

统的相关参数,求得台面的最大运动能力(即能达到 

的最大位移或最大加速度)是研究人员关心的问题。 

另一方面,给定一定的试验条件,振动台能否达到这 

样的指标是试验能否成功的关键。笔者根据斯图尔 

特平台模型[1 ]的分析方法,以六自由度电动振动 

泛,局限性也很明显。文献[2—3]指出单轴振动试验 

无法完全复现外场故障,加大量级的补偿措施易导 

致试件过试验或过设计,难以实现不同振动方向载 

荷的准确迭加。贺旭东[4 指出在对大型试件进行振 

动试验时,单轴振动台无法提供足够的推力,难以达 

到规定的试验量级,且单点激励不利于实现振动分 

布的均匀性,使应力和位移分布不够合理。Free— 

man[5 指出通过单轴振动试验的设备无法承受多维 

的外场振动环境。事实上,从严格意义来说,产品在 

使用过程中的振动环境大都是多自由度的,单轴振 

动试验难以准确描述产品的真实工况。 

从20世纪6O年代开始,研究重点转移到多轴 

振动系统领域,并取得一系列进展。Whiteman 

系统台面的运动极限问题进行建模研究,建立各振 

动台与台面之间的位移关系,为多轴振动系统试验 

的实际应用提供理论依据。 

等【6 ]研究了多维振动试验方法,指出多轴振动试验 

能有效减少试验时间且提供更真实的应力分布情 

况。美国的Wyle实验室、MTS公司和Team公司 

1 振动系统几何模型 

在实际振动环境中,大部分产品有6个自由度 等都开始研究多轴振动环境试验技术,且应用到实 

* 国家自然科学基金资助项目(10972104,11102083) 

收稿El期:201I-12—26;修改稿收到日期:2012—04—26 

第4期 张步云,等:六自由度振动试验系统运动极限 

的运动,其中:3个平动自由度分别为沿 轴、Y轴 

和z轴的移动;3个转动自由度为绕轴z旋转的 

R 、绕Y轴旋转的R 和绕z轴旋转的R 。图1为 

六自由度振动简化模型。 

的振动系统模型。该振动系统由振动台面和8个独 

立单轴振动台组成,振动台用序号#1,#2,…,#8 

表示。#1和#2表示X向的振动台,#3和#4表 

示Y向的振动台,#5~#8表示 向的4个振动 

台。为了消除不同轴向运动之间耦合关联,该系统 

通过连接试验台面和振动台动圈的静压球形接头来 

实现机械解耦。振动台的下铰点为具有4个自由度 

的球铰联接,固定在系统底座。振动台的上铰点与 

台面相连,传递作用力。 

图1六自由度振动模型图 

为准确计算振动台的轴向伸缩与台面运动之间 

的关系,以#1到#4振动台与台面的连接点所在面 

在具有8个独立的单轴振动台的六自由度振动 

的几何中心为原点建立两个空间直角坐标系。其 

中:一个坐标系O-xyz固连于大地,称为静坐标系 

系统中,每个自由度的响应都是由8个振动台共同 

激励产生的[1 。图2为美国Hill空军基地SVIC 

S;另一坐标系O'-x Y z 固连于台面,称为动坐标 

系M。 

中心的多台多轴(MEMA)系统,由2个z向振动 

台、2个Y向振动台、4个z向振动台和一个振动台 

8个振动台的下铰点在坐标系S中的坐标不 

面组成[8]。本研究以此系统为研究对象。 

变,上铰点在动坐标系M中的坐标不变。台面处于 

中位时两坐标系重合[g]。原点。到振动台下铰点 

B 的向量为b 一Eb b b ] ,i一1,2,…,8,原 

点O 到上铰点A 的向量为aj一[口扛 12 a J ] , 

一1,2,…,8。 

2振动系统运动分析 

2.1各振动台试验能力 

图2美国Hill空军基地多台多轴系统 

分析各振动台试验能力,即在已知振动台面运 

根据斯图尔特平台系统的相关理论,在多轴电 

动的情况下求得各振动台轴向的伸缩位移。一般称 

动振动系统中引入类似分析方法,建立如图3所示 

此类问题为振动系统反解问题。求得各振动台的轴 

向伸缩位移,结合已知振动台参数,便可判断振动系 

统的试验能力。如图3所示,振动台面的位姿 可 

以表示为 

=== 

Iqt3xl 

其中:t。 为平动位移坐标向量,即原点O到o 的向 

量表示,t3X1一IX1 z z。] ; 。Xl为转动坐标向 

量, 3×l:==Ex4 X5 X6] ; 4,X5,X6分别为绕 

轴、Y轴和z轴的转角。 

用此3个参数可以计算出静坐标系到动坐标系 

图3八振动台多轴系统几何模型 的转动传递矩阵R[ 为 

[- ̄osx6 COSX5 COSX6 sinx5 sinx4一sinx6 COSX4 sinx6 sinx4一COSX6 sinx5 COSX4 1 

R=l sinx6 COSX5 COSX6 COSX4一sinx6 sinx5 sinx4 COSX6 sinx5 COSX4一COSX6 sinx4 I 

}一slnxs cosx5 slnx4 cos:E5 COSX4 -J 

振动、测试与诊断 第33卷 

台面的运动速度可以表示为 

r}] 

主一1 l (2) 

j 

其中: 为平动速度向量; 为角速度向量。 

因为台面的运动是8个振动台共同激励的结 

果,下面探求振动台的轴向伸缩位移与台面的位姿 

之间的关系。第i个振动台上、下铰点间向量可表 

示为Z ,有 

f —t+Rai—b (3) 

其中:z 为一个3×1维的向量,它表示振动台的 

位置。 

I Z l 一玎f (4) 

其中:【fj I为台面运动时振动台的长度。 

振动台的轴向伸缩位移△z 为 

Al 一 ̄/l z 一z ( 一1,2,…,8) (5) 

其中:z 为无台面运动时第i个振动台的轴向长度。 

由式(5)可知,振动台的轴向伸缩位移△ 可以 

表示成台面6个自由度的函数。若知振动台面的运 

动,可由式(5)求出各振动台应该具备的试验能力。 

2.2振动台面极限运动 

振动台面运动分析相对各振动台轴向位移的求 

解难度较大,国内外学者研究了分析振动台面运动 

的方法L1。屯。。。在实际工程中仅仅求得振动台面的 

运动是不够的。振动系统的最大试验能力在振动环 

境试验中具有重要的实际意义,每一个轴向运动或 

转动能达到怎样的极限位置是值得考虑的问题。 

由式(3)和式(5)可以得到一组非线性方程组为 

f ( )一(t+Ra{一bf) (f+Raf—b )一 

(1 十Al ) ===0 (6) 

其中: ===1,2,…,8。 

当已知各振动台的伸缩位移△z 时,式(6)可以 

写成 

f ( )一0 (i一1,2,…,8) (7) 

该方程组有8个方程,6个未知数。对于每组 

给定的振动台轴向位移Al (i一1,2,…,8),运用 

Newton—Raphson算法或QR分解法都可得到相应 

的台面运动X。每个振动台的轴向位移都在一定的 

范围内,即 

I△Zf I≤max/ (8) 

当振动台轴向位移不同时台面的运动也不同。 

分析振动台面的运动极限即找出一组最优的振动台 

轴向位移,使得振动台面某一自由度的平动位移或 

转角达到最大值,该值即表示振动台最大的试验能 

力。此时可以将振动台的轴向位移视为自变量,振动 

台面的运动即为轴向位移的函数。式(7)可以写为 

f厂l(z1,z2,…,z6,Al1)一0 

_』

Il

 ¨勃,

 

… 6,Al2)一 (‘ J9) 

厂8(z1, 2,…,X6,Al

; 

8)一0 

其中:Al ( 一1,2,…,8)为变量,其定义域为式(8)。 

台面的每个自由度运动都可表示为Al (i一1, 

2,…,8)的函数,即 

z 一 (A/1,A/2,…,A/s)( 一1,2,…,6) 

(1O) 

记X』一--Xj, ̄lJxj的极小值为zJ的极大值。用 

MATLAB中的优化命令fmincon函数求得X,的极 

小值,由此得到每个自由度运动的极限位置。 

3 算 例 

3.1参数设定 

当台面运动时,第i个振动台的轴向伸缩位移 

△ 是以台面6个自由度为自变量的函数。若是单 

轴振动系统,振动台的伸缩位移即为台面的运动位 

移。在多轴振动系统中,由于不同轴向的振动之间 

存在着机械耦合,每个振动台的运动不仅产生轴向 

位移,还对其他轴向的运动产生牵连作用,所以当单 

个振动台的位移达到最大值时,试验台面的位移并 

不一定达到最大值。表1为多轴振动系统相关参 

数,计算其台面的位移范围,可以得到上、下各铰点 

在静坐标系中的坐标,如表2和表3所示。 

表1多轴振动台参数设定 mm 

各振动台参数 数值 

#l~#4振动台轴向长度 

#5~#8振动台轴向长度 

振动台轴向位移极限 

台面尺寸 

台体高 

同向水平振动台之间距离 

垂向振动台之间距离 

表2各振动台上铰点的坐标向量 mm 

第4期 张步云,等:六自由度振动试验系统运动极限 

表3各振动台下铰点的坐标向量 mm 

值。可以计算出振动台的伸缩位移为何值时台面的 

位移达到最大,如表4所示。可以看出,当某一轴向 

振动台伸缩位移达到最大值时,该向的台面运动达 

到最大值;但台面运动的最大值并不仅由这一轴向 

的振动台提供,其他各向振动台都有位移贡献。由 

3.2计算结果 

表4得到该振动系统平动的运动范围为[一25 mm, 

向量aj和向量b 的值分别为A 和B 的坐标 

25 mm],绕X轴和Y轴转动角范围为[一20.805。, 

表4各振动台位移与台面极限位移 mm 

20.805。],绕z轴转动角范围为[一18.168。, 

质量的试件会对振动台产生倾覆力矩,振动台和台 

18.168。],此为该振动系统的试验能力。 面之间的运动关系更为复杂,这些问题需要进一步 

另一方面,若已知试验条件,可以求得振动台应 

研究。 

具有的试验能力。例如,要求台面的X轴向位移达 

到20 ITlm,同时绕z轴转动角度达到18。,可以得到 

参 考 文 献 

各振动台的轴向位移应满足的条件如表5所示。可 

以看出,要达到设定的试验条件,需要振动台的最大 

[1]Davis T.MIMO control system-a new ear in shaker 

轴向位移为22.244 0 1Tim,设计的振动台完全能够 

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[2]夏益霖.多轴振动环境试验的技术、设备和应用[J]. 

满足此试验要求。 

导弹与航天运载技术,1996,6:48—55. 

表5 l=20 mm。x4=18。时各振动台的轴向位移 

Xia Yilin.The technology,equipment and application 

mm 

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4 结束语 

[5]Freeman M T.3-Axis vibration test system simulates 

real world[J].Test Engineering and Management, 

在六自由度振动试验系统中,不同自由度之间 

l990,12:10-14. 

存在机械耦合,每个轴向的平动或绕轴的转动都是 

[6]Whiteman W E,Berman M S.Inadequacies in uniaxial 

由所有振动台共同作用形成的。笔者在机械解耦的 

stress screen vibration testing[J].Journal of the 

IEST,2001,44:20-23. 

基础上计算试验系统的最大试验能力,在实际试验 

[7]Whiteman W E.Fatigue failure results for multi-axial 

实施中有着重要的应用。笔者仅对台面的位移和振 

versus uniaxial stress vibration testing[J].Shock and 

动台位移之间的关系进行了探讨,速度与加速度之 

Vibration,2002,9:319-328. 

间的关系并未涉及。在多轴振动试验中,具有一定 

[8] Chen M,Wilson D R.The new tri—axial shock and vi. 

564 振动、测试与诊 断 第33卷 

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第一作者简介:张步云,男,1987年8月 

生,博士研究生。主要研究方向为振动 

测试与控制。曾发表《磁流变阻尼器减 

振特性实验研究》(《南京航空航天大学 

学报:自然科学版 ̄2012年第44卷第6 

期)等论文。 

E-mail:zhangbuyun@nuaa.edu.cn 

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