Stewart并联机构型天...座架故障监测策略与实验研究_窦玉超.pdf

第4 0卷第1期2 0 2 3年2月河 北 省 科 学 院 学 报J o u r n a l o f t h e H e b e i A c a d e m y o f S c i e n c e sV o l.4 0 N o.1F e b.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 0作者简介:窦玉超(1 9 8 3-),男,河北沧县人,博士,高级工程师,主要从事天线伺服系统与并联机构学研究.文章编号:1 0 0 1-9 3 8 3(2 0 2 3)0 1-0 0 3 0-0 6S t e w a r t并联机构型天线座架故障监测策略与实验研究窦玉超,段艳宾,王大为,董 哲(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1)摘 要:S t e w a r t并联机构型天线座架以其重量轻、无盲区的特点,应用日益广泛,为建立针对该机构的故障监测策略,提高天线的安全性。首先对S t e w a r t并联机构关节空间故障类型进行分类,并分析了关节空间故障对操作空间的影响。其次依据多数故障所产生影响的共同性,提出将分支实际方向向量与理论方向向量进行比对,通过二者差异的变化对机构故障进行监测的安全策略。最后建立安全监测策略数学模型,进行数值计算分析和实验验证。实验结果表明采用分支实际方向向量与理论方向向量夹角变化作为判断依据,可即时发现S t e w a r t并联机构故障的发生。故基于分支方向向量的故障监测策略,可作为保障S t e w a r t并联机构安全运行的有效手段,同时鉴于并联机构分支间强耦合的共性,该方法也可作为制定其它构型并联机构安全监测策略的参考。关键词:S t e w a r t;并联机构;天线;安全;故障中图分类号:T N 8 2 0.8 2 文献标识码:AF a u l t m o n i t o r s t r a t e g y a n d e x p e r i m e n t a l s t u d y o f S t e w a r t p a r a l l e l m e c h a n i s m t y p e a n t e n n a f r a m eD O U Y u-c h a o,D U A N Y a n-b i n,WA N G D a-w e i,D O N G Z h e(T h e 5 4t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:S t e w a r t p a r a l l e l m e c h a n i s m t y p e a n t e n n a f r a m e i s w i d e l y u s e d b e c a u s e o f i t s l i g h t w e i g h t a n d n o b l i n d a r e a.I n o r d e r t o e s t a b l i s h t h e f a u l t m o n i t o r i n g s t r a t e g y f o r t h e m e c h a n i s m a n d i m p r o v e t h e s a f e t y o f t h e a n t e n n a.F i r s t l y,t h e t y p e s o f j o i n t s p a c e f a u l t o f S t e w a r t p a r a l l e l m e c h a n i s m c l a s s i f i e d,a n d t h e i n f l u e n c e o f j o i n t s p a c e f a u l t s o n t h e o p e r a t i o n s p a c e w a s a n a l y z e d.S e c o n d l y,a c c o r d i n g t o t h e c o mm o n i n f l u e n c e o f m o s t f a u l t s,a s a f e t y s t r a t e g y o f m o n i t o r i n g m e c h a n i s m f a u l t s b y c o m p a r i n g t h e a c t u a l d i r e c t i o n v e c t o r o f b r a n c h e s w i t h t h e t h e o r e t i c a l d i r e c t i o n v e c t o r o f f o r c e s i s p r o p o s e d.F i n a l l y,t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f s a f e t y m o n i t o r i n g s t r a t e g y i s e s t a b l i s h e d,a n d t h e n u m e r i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n a r e c a r r i e d o u t.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a u l t o f S t e w a r t p a r a l l e l m e c h a n i s m c a n b e f o u n d i mm e d i a t e l y b y u s i n g t h e a c t u a l d i r e c t i o n v e c t o r o f b r a n c h a n d t h e v a r i a t i o n o f t h e t h e o r e t i c a l d i r e c t i o n t o t h e u l t i m a t e a n g l e.T h e r e f o r e,t h e m o n i t o r i n g s t r a t e g y b a s e d o n b r a n c h d i r e c t i o n q u e s t i o n c a n b e u s e d a s a n e f f e c t i v e m e a n s t o e n s u r e t h e s a f e o p e r a t i o n o f S t e w a r t p a r a l l e l m e c h a n i s m s.I n DOI:10.16191/ki.hbkx.2023.01.004第1期窦玉超等:S t e w a r t并联机构型天线座架故障监测策略与实验研究v i e w o f t h e c o mm o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t r o n g c o u p l i n g b e t w e e n b r a n c h e s o f p a r a l l e l m e c h a n i s m s,t h i s m e t h o d c a n a l s o b e u s e d a s a r e f e r e n c e t o d e v e l o p s a f e t y m o n i t o r i n g s t r a t e g i e s f o r p a r a l l e l m e c h a n i s m s o f o t h e r c o n f i g u r a t i o n s.K e y w o r d s:S t e w a r t;P a r a l l e l m e c h a n i s m;A n t e n n a;S a f e t y;F a i l u r e0 引言随着工业技术的进步,以并联机构为原型的自动化设备日趋成熟,并以其结构紧凑、刚度大、精度高的特点,在国家大科学工程中发挥着及其重要的作用,如6 5 m射电望远镜副面调整、S KA天线馈源调整以及中国天眼馈源的动态误差补偿等。伴随并联机构应用领域的不断扩大,设备的安全性、可靠性显得尤为重要,轻则影响设备的正常工作,重则对设备及人员的安全造成威胁。目前并联机构的研究主要集中在构型综合、力学分析与优化、运动学分析、奇异性分析和控制系统设计等方向。但对于并联机构故障类型分析和安全监测策略的研究却甚少,文献1-3 对并联机构内在故障诊断方法进行了论述,更多的侧重于本体内部传动和检测的故障诊断方法。文献4,5 则对并联机构的容错方法从理论的角度进行了研究,并未进行真正的可行性验证。文献6 仅对精度监测方法提出了一种策略,并未对故障类型进行分析,且无法满足并联机构大运动范围的需求。文献7 则利用双目视觉对姿态进行了监测,而未与故障监测建立直接联系。文献8-1 0 则从机械设备的故障诊断、可靠性理论以及故障预防等方面进行了研究,并未涉及运行过程中的并联机构故障监测方法。目前缺少一种切实可行、经过验证的并联机构安全监测策略,以提高并联机构型设备的可靠性、安全性。本文以应用最为广泛的S t e w a r t并联机构作为研究对象,首先对关节空间故障类型及其对操作空间的影响进行了分析。其次依据该并联机构关节空间故障产生的共性影响,设计了一种基于分支方向向量的故障监测策略并建立了数学模型。最后通过数值 计算和实验 验证了所提 故障监测策 略的可行性。1 S t e w a r t并联机构故障类型与影响分析上平台驱动分支下平台下铰链上铰链图1 S t e w a r t并联机构组成S t e w a r t并联机构组成如图1所示,由上平台、下平台以及连接上下平台的六个驱动分支组成。其中驱动分支为直线运动副,其一端通过球关节与上平台相连,另一端通过球铰或胡克铰与下平台相连。当两端均采用球铰时,驱动分支具备绕自身直线副转动的局部自由度,但不会对整体自由度造成影响。驱动分支中的直线副一般采用电机或液压驱动,使其上下两部分可沿其轴线做伸缩运动,驱动分支两端的铰链则在外力作用下被动运动。根据S t e w a r t并联机构的组成,为设计一种完善的S t e w a r t并联机构型安全监测策略,对关节空间故障类型进行了归纳,并分析了其对操作空间的影响,详见表1。从表1可看出,控制系统虽可对多数故障类型识别,但受伺服设备故障预警机制的影响,均无法快速响应,这难以满足故障保护对快速响应的需求。但从各类故障对分支的影响中不难看出,任意一种故障都会引起分支实际方向向量与理论方向向量的差异,故可对分支实际方向向量进行测量并与理论方向向量对比,以二者差值作为故障监测的依据。13河北省科学院学报2 0 2 3年第4 0卷表1 S t e w a r t并联机构故障及其影响序号故障部位对分支的影响对机构的影响控制系统是否可感知1电机无法转动所在分支无法运动,各分支实际方向 向 量 与 理 论 方 向 向 量 不一致其它 分支 继 续 运 动 引 起机构奇异或分支干涉通过对电机电流监测,可即时发现并采取制动措施,但无法快速响应2电机失控飞车所在分支快速运动,各分支实际方向向量与理论方向向量不一致该分 支快 速 运 动 导 致 分支