基于AMESim的液压并联机构建模及耦合特性仿真

　　相对于传统的机构，Stewart[1]提出的六自由度空间并联机构具有结构钢度大、承载能力强、位置精度高、响应快等优点，因此得到了广泛应用，但是由于该机构的非线性因素以及强耦合性，机构和控制系统的设计成为难点[2-3],因此机构耦合方面的研究越来越多，例如，在变轴数控机床设计中必须考虑机构的非线性耦合因素[4],空间飞行器为保证飞行品质必须加入耦合控制[5]，在平台标定中也需要考虑耦合因素[6]等。

　　作为一个强耦合系统，单缸系统的一致性直接影响平台的性能，当6个液压控制单元的输出响应完全一致时，平台不存在耦合误差，但在实际工程中有2个主要因素造成输出相应不一致：其一是各控制单元的非线性误差，如由摩擦力造成的液压缸爬行现象、铰链的间隙、平台的刚度等。这类非线性误差不仅会造成平台在运动自由度上的振动，而且会在其他自由度上产生激振，导致静态耦合现象；其二是各液压控制单元的响应特性不一致，平台的实际位移输出与指令位移存在偏差，这个偏差存在于各自由度上，所以平台除了在激振信号自由度上有一个响应外，还在其他自由度上产生激振，导致动态耦合现象，对于大型液压六自由度并联机构，元件的加工、安装、测量难度增加，各部件性能不一，其耦合特性对平台的设计、控制更加重要，对于第一种原因产生的耦合误差已有相关研究[7-8]，目前很少有资料明确阐明第二种原因产生的动态耦合问题，利用数学方法推导也有很大的难度，因此建立一个通用的仿真模型对于大型液压Stewart平台的机构学、运动学等研究具有创新意义和实用价值。

　　本文以大型六自由度空间并联机构为对象进行建模，尤其对液压部分采用专业的AMESim软件建模，保证了单缸液压系统模型的准确性，根据Bhaskar等人[9-10]提出的动力学模型建立了以Simulink为仿真平台的机构模型，两者通过软件接口联合仿真模型，初步研究了机构的动态耦合特性。

　　1 联合仿真模型

　　针对Stewart平台的仿真研究有很多，在建模过程中很多因素被简化从而导致整体模型精度较差，大部分模型只能对平台进行一些定性分析，然而系统耦合分析对模型精度的依赖性很强，同时对模型的计算效果提出了很高的要求，因此本文对平台的液压部分与机构部分分别采用专业软件进行精确建模，通过接口无缝连接，完成快速联合仿真。

　　1.1 液压单缸系统模型

　　液压单缸系统的性能对整个平台的动态影响非常关键，因此在建模时为保证精度，采用机电业专业仿真软件AMESim[11]，该软件对液压部分能够进行详细、准确的建模，其单独开发的智能求解器能够保证运算的精度，并具有良好的扩展性，在对关键元件进行参数测试等基础上，根据液压原理图（如图1所示）搭建液压缸系统模型，最后通过单元实验验证模型的准确性。