stewart平臺電液驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【六自由度運(yùn)動平臺】
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Stewart平臺電液驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
Stewart平臺是六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)平臺。Stewart平臺具有諸多優(yōu)良特性，它在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。六自由度運(yùn)動平臺由于應(yīng)用場合不同，采用不同的驅(qū)動方式。目前，這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動方式主要包括電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠驅(qū)動方式、閥控液壓缸驅(qū)動方式、氣動人工肌肉驅(qū)動方式、電動液壓混合執(zhí)行器驅(qū)動方式、壓電陶瓷驅(qū)動方式、電機(jī)驅(qū)動滑輪鋼索驅(qū)動方式等。閥控液壓缸驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、功率-重量比和力矩-慣量比大、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)頻帶寬。對該平臺的驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對于深刻理解并聯(lián)機(jī)床和運(yùn)動模擬器的機(jī)理具有重要的意義.
本文的核心是研制一個滿足實(shí)驗(yàn)要求Stewart平臺的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，為了完成此機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文主要從以下三個方面進(jìn)行了理論分析。
對Stewart平臺的運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。重點(diǎn)分析了動平臺的位置、速度和加速度和支撐桿的相應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系。
對Stewart平臺的驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核,并對液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真。
利用以上的理論分析和計(jì)算過程，本文針對設(shè)計(jì)目標(biāo)的參數(shù)要求，給出了Stewart平臺的驅(qū)動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并完成了平臺的各個組件的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 Stewart 平臺；運(yùn)動學(xué)；液壓伺服系統(tǒng)
The hydraulic drive mechanism of the Stewart platform design
Abstract
The Stewart Platform is the base of the six degree-of-freedom parallel mechanism. Stewart platform has many fine characteristics, which in many areas has been widely applied. Six degree-of-freedom campaign platform is used in different applications, so using different-driven approach. At present, the drive way of the parallel institutions contains Motor driven a ball screw-driven approach, valve controlled hydraulic cylinder-driven approach, pneumatic muscle-driven approach, hydraulic hybrid electric actuator-driven approach, piezoelectric ceramic-driven approach, Motor drive pulley cables-driven approach and so on. The advantage of Valve controlled hydraulic cylinder driven approach is high stiffness, Strong anti-interference capability, high Power - weight ratio and Torque – inertia ratio, Fast response, and wide system frequency band. It is critical to the consideration of parallel machine and motion simulation that theoretical research of the Stewart Platform is being carried.
The core of the dissertation is to design a drive mechanism for Stewart Platform to meet a certain requirements. Three parts of research are being managed to approach the goal.
To analysis and calculations the parameters of theoretical kinematics of the Stewart platform. Lay the emphases on the analysis of Moving platform position, speed acceleration and the relationship of corresponding parameters of the Supporting bar.
Design and check the drive mechanism of the Stewart platform. And kinematics simulate for the hydraulic servo system.
An optimization of Stewart platform design is put forward based on the above four parts of work. The mechanical design of every component of the Stewart Platform is accomplished finally.
Keywords Stewart Platform, kinematics, hydraulic servo system
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2 選題的目的和意義 1
1.3 仿真用模擬器的組成 2
1.4 Stewart平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成 2
1.5 Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀 2
1.5.1 Stewart平臺系統(tǒng)的運(yùn)動特點(diǎn) 2
1.5.2 Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論 3
1.5.3 Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動方式 4
1.5.4 六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的控制策略 4
1.6 Stewart平臺的特點(diǎn)及應(yīng)用 5
1.6.1 性能特點(diǎn) 5
1.6.2 技術(shù)特點(diǎn) 5
1.6.3 檢測和控制特點(diǎn) 6
1.6.4 六自由度并聯(lián)平臺的應(yīng)用 7
1.7 論文所要研究的主要內(nèi)容 8
第2章 六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)研究 9
2.1 引言 9
2.2 六自由度運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu) 9
2.3 六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué) 10
2.3.1 旋轉(zhuǎn)變換矩陣 10
2.3.2 六自由度運(yùn)動平臺位置和速度反解 12
2.3.3 六自由度運(yùn)動平臺加速度反解 15
2.4 本章小結(jié) 16
第3章 Stewart平臺的機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.1 液壓缸的設(shè)計(jì) 17
3.1.1 液壓缸主要尺寸的確定 18
3.1.2 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個問題 20
3.2 上、下平臺虎克鉸的設(shè)計(jì) 21
3.3 上、下平臺臺體的設(shè)計(jì) 24
3.4 本章小結(jié) 25
第4章 CAD和UG簡介 26
4.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)思想 26
4.2 機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢 26
4.3 CAD技術(shù)發(fā)展概況 27
4.4 UG簡介 30
4.5 運(yùn)動仿真 32
4.6 運(yùn)動仿真的創(chuàng)建 32
4.7 運(yùn)動仿真中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形式 33
4.8 動畫文件的創(chuàng)建 34
結(jié) 論 35
致 謝 36
參考文獻(xiàn) 37
附錄 38
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第1章 緒 論
1.1 課題背景
Stewart平臺是通過六個作動器的協(xié)調(diào)伸縮來實(shí)現(xiàn)平臺沿x、y、z向的平移和繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（共6個自由度），以及這些自由度的復(fù)合運(yùn)動。目前的六自由度平臺多采用傳統(tǒng)的Stewart平臺結(jié)構(gòu)形式，因此Stewart平臺常被稱之為六自由度運(yùn)動平臺。它可用于娛樂業(yè)的運(yùn)動模擬，機(jī)器人、飛行器空間交會對接，仿真器、艦船及汽車模擬器，新型加工機(jī)床，衛(wèi)星、導(dǎo)彈等飛行器的精確運(yùn)動仿真。Stewart平臺是國防軍事、航空航天、汽車制造、機(jī)械工業(yè)以及各種復(fù)雜環(huán)境測試、訓(xùn)練必不可少的重要設(shè)備。
1.2 選題的目的和意義
Stewart平臺具有剛度大,負(fù)荷自重比高,載荷分布均勻,運(yùn)動平穩(wěn)的特點(diǎn),在高精度、大載荷且對工作空間要求相對較小的場合得到了很廣泛的應(yīng)用。六自由度運(yùn)動平臺已成為對飛機(jī)、艦船、宇航及車載設(shè)備進(jìn)行動態(tài)可靠性研究的重要模擬試驗(yàn)裝置;同時也是飛行員、船員及車輛駕駛員進(jìn)行飛行模擬訓(xùn)練、艦船航行模擬訓(xùn)練和車輛駕駛模擬訓(xùn)練的有力手段。因此,對六自由度運(yùn)動平臺(Stewart平臺)驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致深入的研究具有重要的理論價值和深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。
Stewart平臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對平臺運(yùn)動學(xué)性能、動力學(xué)性能起著決定性作用，提高平臺性能，設(shè)計(jì)出一種優(yōu)良的平臺具有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。自1987年Hunt提出并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型以來，并聯(lián)機(jī)器人的研究受到許多學(xué)者的關(guān)注。美國、日本先后有Roney、Ficher 、Duffy 、Sugimoto等一批學(xué)者從事研究，英國、德國、俄羅斯等一些歐洲國家也在研究。迄今為止，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的樣機(jī)各種各樣，包括平面的、空間不同自由度的、不同布置方式的、以及超多自由度并串聯(lián)機(jī)構(gòu)。大致來說，60年代曾用來開發(fā)飛行模擬器，70年代提出并聯(lián)機(jī)器手的概念，80年代來開始研制并聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)床，90年代利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)開發(fā)起重機(jī)，日本的田和雄、內(nèi)山勝等則用并聯(lián)機(jī)構(gòu)開發(fā)宇宙飛船空間的對接器。此后，日本、俄羅斯、意大利、德國以及歐洲的各大公司相繼推出并聯(lián)機(jī)器人作為加工工具的應(yīng)用機(jī)構(gòu)。我國也非常重視并聯(lián)機(jī)器人及并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)工作，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)、浙江大學(xué)、燕山大學(xué)等許多單位也在開展這方面研究工作，并取得了一定的成果。
1.3 仿真用模擬器的組成
仿真用模擬器從整體上說由軟、硬件兩大部分組成。軟件部分包括聯(lián)接、控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的看不見的東西，如：操作系統(tǒng)、為完成某種運(yùn)動而編譯的程序。硬件部分主要指看的到摸的著的東西，如：各種機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器。由于Stewart平臺能完成六個自由度的獨(dú)立運(yùn)動及復(fù)合運(yùn)動，并且具有優(yōu)良的運(yùn)動性能。Stewart平臺常作為仿真模擬器的硬件組成部分之一。
1.4 Stewart平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成
Stewart平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)由上平臺、油缸、上鉸支部件、下鉸支部件、基礎(chǔ)平臺五個部件組成。其組成圖見圖1-1所示。
圖1-1 六自由度平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖
1.5 Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀
并聯(lián)六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論、關(guān)鍵零部件及其控制策略等的研究，是進(jìn)行運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 提高模擬器運(yùn)動性能的關(guān)鍵技術(shù)。
1.5.1 Stewart平臺系統(tǒng)的運(yùn)動特點(diǎn)
1965年，D. Stewart提出將并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)用作訓(xùn)練飛機(jī)駕駛員的飛行模擬器，因而這種由上下平臺和6根驅(qū)動桿組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)也被稱為“Stewart 機(jī)構(gòu)”。與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)形式具有很大的優(yōu)越性：結(jié)構(gòu)布局合理、精度高、剛度大、運(yùn)動速度高。因此除了用于飛行模擬器等高速、大負(fù)載的各類運(yùn)動模擬器以外，近年來，還被廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、飛船對接器以及各種精密儀器測試設(shè)備等。 從設(shè)計(jì)的角度看，六自由度運(yùn)動系統(tǒng)在運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等機(jī)構(gòu)學(xué)理論方面與并聯(lián)機(jī)床、并聯(lián)機(jī)器人、動感娛樂模擬器等是相同的。但從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制精度、響應(yīng)快速性等方面來看，它們?nèi)杂休^大的差別。并聯(lián)機(jī)床、空間交叉耦合等均可能會造成平臺的抖動，甚而造成虛假的動作感覺。此外，控制計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能也是制約系統(tǒng)運(yùn)動平滑性的一個重要因素。這主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)處理運(yùn)動系統(tǒng)軟件的迭代速率方面。只有較高的迭代速率，才能保證快速實(shí)時的控制要求，不僅能提高系統(tǒng)運(yùn)動平滑性，而且能較真實(shí)的仿真高頻特殊效應(yīng)[1]。
1.5.2 Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論
Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論屬于空間多自由度多環(huán)機(jī)構(gòu)學(xué)理論的新分支，它是隨著對Stewart機(jī)構(gòu)的研究而發(fā)展起來的。其研究內(nèi)容可分為三大組成部分，即機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、機(jī)構(gòu)動力學(xué)。自1965年D. Stewart提出并建造了第一個飛行模擬器六自由度平臺后，各國學(xué)者對以Stewart機(jī)構(gòu)為代表的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論研究投入了極大的熱情。早期的研究主要集中于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本理論方面，如機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、工作空間等。隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的發(fā)展，目前的研究正逐漸向一些具體的實(shí)際問題發(fā)展，如運(yùn)動學(xué)中的位置正解、結(jié)構(gòu)校驗(yàn)等。
Stewart平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)研究的主要任務(wù)是揭示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成規(guī)律、機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征以及它們與機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)選，構(gòu)思發(fā)明新機(jī)構(gòu)。這部分也是該機(jī)構(gòu)學(xué)理論中研究得較為成熟的部分，各國學(xué)者曾先后提出了6-SPS平臺機(jī)構(gòu)(即傳統(tǒng)的Stewart機(jī)構(gòu))的各種變形機(jī)構(gòu)(如6-SPS單三角、雙三角機(jī)構(gòu)等)以及6-RSS、6-PSS、6-TPS等多種六自由度并聯(lián)平臺機(jī)構(gòu)。但無論是飛行模擬器，還是并聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床以及各種運(yùn)動模擬器，基于機(jī)構(gòu)的制造、使用、經(jīng)濟(jì)性等因素，大都采用6-TPS或傳統(tǒng)的6-SPS機(jī)構(gòu)。且目前Stewart平臺在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方面研制的關(guān)鍵點(diǎn)主要在于設(shè)計(jì)出加工、裝配工藝性好，運(yùn)動范圍大、精度高的球鉸、十字鉸等關(guān)節(jié)鉸鏈組件。在這方面，加拿大CAE公司、德國力士樂(Rexroth)公司、日本科學(xué)技術(shù)廳航空宇宙技術(shù)研究所最新研制的鉸鏈組件都相當(dāng)?shù)湫汀tewart平臺機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)是目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)中研究的重點(diǎn)，其主要研究內(nèi)容有機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度分析(即正解、逆解)，此外還包括機(jī)構(gòu)的工作空間、奇異位形問題、運(yùn)動誤差及結(jié)構(gòu)校驗(yàn)、優(yōu)化等方面[6]。
1.5.3 Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動方式
并聯(lián)六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動方式在很大程度上決定了運(yùn)動系統(tǒng)的承載能力、運(yùn)動精度、快速性等性能指標(biāo)，也是運(yùn)動系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。
液壓驅(qū)動方式的突出優(yōu)點(diǎn)是抗負(fù)載的剛度大，執(zhí)行器的功率-重量比大，可以組成體積小、重量輕、加速能力強(qiáng)和快速反應(yīng)的伺服系統(tǒng)來控制大功率和大負(fù)載。比較適合用于大負(fù)載的運(yùn)動模擬器，因此目前幾乎所有的飛行模擬器運(yùn)動系統(tǒng)都采用液壓驅(qū)動方式。液壓驅(qū)動中所用的伺服油缸通常有兩類，即采用組合密封的普通伺服油缸和有圓錐靜壓軸承的靜壓伺服油缸。但采用組合密封的伺服油缸因其摩擦力很難小于最大有效載荷1％，故其運(yùn)動性能目前只能滿足一般的動感運(yùn)動模擬器。目前只有靜壓伺服油缸能滿足該要求。我國在這方面的研究起步較晚，但近十年內(nèi)也取得了一些研究成果，1984年，北京航空模擬器公司與西北工業(yè)大學(xué)、秦峰航空液壓公司合作開始研制應(yīng)用于飛行模擬器的靜壓伺服油缸，1991年采用該大位移靜壓伺服油缸的協(xié)和式六自由度運(yùn)動平臺通過了部級鑒定。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年也成功研制出飛行模擬器用靜壓伺服油缸，經(jīng)嚴(yán)格測試，該油缸的摩擦力小于其最大有效載荷的0.2%，最低跟蹤速度可達(dá)0.0002m/s。但靜壓伺服油缸工藝復(fù)雜，制造成本高，抗側(cè)向力能力低，因而目前研制摩擦力小，且動靜摩擦系數(shù)相差不大的普通伺服油缸及其組合密封技術(shù)仍是Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)中的一個研究重點(diǎn)。 但傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動方式技術(shù)難度大、設(shè)計(jì)維護(hù)復(fù)雜，需要液壓泵站等輔助能源，成本較高，且系統(tǒng)的運(yùn)動性能還要取決于價格昂貴的大流量電液伺服閥。因此目前國內(nèi)外各Stewart平臺運(yùn)動系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商正在積極地開發(fā)新型的電動、氣動等驅(qū)動元件[7]。
1.5.4 六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的控制策略
從動力學(xué)觀點(diǎn)看，并聯(lián)六自由度運(yùn)動系統(tǒng)是一個高度非線性、強(qiáng)耦合、變參數(shù)的多變量系統(tǒng)。在運(yùn)動過程中，雖然運(yùn)動平臺的總體質(zhì)量為一定值，但當(dāng)它處于不同位姿或以不同的速度運(yùn)動時，作用在各個分支上的負(fù)載將在幾十倍的范圍內(nèi)作非線性變化，屬于典型的變負(fù)載系統(tǒng)。此外，由于負(fù)載系統(tǒng)的連接，各通道的輸出及控制相互影響，導(dǎo)致負(fù)載耦合，影響系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。同時，因其動力機(jī)構(gòu)存在不確定性因素的影響(如模型結(jié)構(gòu)攝動、參數(shù)時變和不可預(yù)計(jì)的外部干擾等)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難滿足并聯(lián)六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的控制要求。因而研究能解決強(qiáng)變負(fù)載干擾及交聯(lián)耦合干擾的控制策略是研制高精度六自由度運(yùn)動系統(tǒng)中一個非常重要的課題。 目前，國內(nèi)外在這方面所做的工作還很粗淺?，F(xiàn)有的產(chǎn)品大多數(shù)是把每個通道當(dāng)成完全獨(dú)立的系統(tǒng)，并采用傳統(tǒng)的PID控制，控制效果很難滿足使用要求。采用魯棒最優(yōu)控制方法效果會好些。國外先進(jìn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，具有高度魯棒性的智能控制方法以及具有負(fù)載力干擾補(bǔ)償?shù)聂敯艨刂品椒ㄊ墙鉀Q該類問題的有效途徑之一[10]，這也是目前我國研制六自由度運(yùn)動系統(tǒng)所需研究的重點(diǎn)。
1.6 Stewart平臺的特點(diǎn)及應(yīng)用
Stewart平臺是一種較新型的空間運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)。理論上，六自由度并聯(lián)平臺的驅(qū)動方式可以有多種，但其最佳選擇當(dāng)屬液壓驅(qū)動。電液伺服驅(qū)動的六自由度平臺具有結(jié)構(gòu)簡潔、空間占用體積少、施力大等優(yōu)點(diǎn)。在國外，己有的六自由度并聯(lián)平臺幾乎都采用了電液伺服驅(qū)動方式。從運(yùn)動性能考慮，要求伺服缸摩擦力小且均勻，為此有些并聯(lián)平臺的液壓缸活塞桿采用了靜壓軸承。
1.6.1 性能特點(diǎn)
與通常的串聯(lián)式多自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)相比，Stewart平臺在性能上獨(dú)具自己的特色。
·剛度好，由于并聯(lián)平臺的多支撐結(jié)構(gòu)。其抗外負(fù)載干擾的能力明顯見優(yōu)；
·承載能力大，同等重量下的并聯(lián)平臺比串聯(lián)式機(jī)構(gòu)的承載能力要大上幾百倍；
·無誤差積累，精度較高并聯(lián)平臺的各支撐缸分支系統(tǒng)存在各種誤差時，給平臺總體誤差的影響不會是一般串聯(lián)式機(jī)構(gòu)難以避免的疊加累積式的；
·工作空間范圍小，姿態(tài)變化幅度有限，靈巧性差。
1.6.2 技術(shù)特點(diǎn)
Stewart結(jié)構(gòu)并聯(lián)電液伺服平臺是一個集多領(lǐng)域技術(shù)于一體的運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)，它與空間幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、液壓傳動、控制理論及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等專業(yè)有關(guān)聯(lián)。并聯(lián)平臺的基礎(chǔ)技術(shù)列舉如下。
1.6.2.1 平臺機(jī)構(gòu)動力學(xué)
六自由度并聯(lián)平臺的靜力和動力學(xué)分析，是平臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和動態(tài)性能分析的基礎(chǔ)。尤其是動力學(xué)分析，如六個缸的動力學(xué)建模、動態(tài)力傳遞耦合、平臺運(yùn)動的等效變載荷作用等，是平臺運(yùn)動控制、動態(tài)特性研究的基礎(chǔ)。
1.6.2.2 平臺液壓元件及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析
平臺用液壓元件的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其使用場合的特點(diǎn)。當(dāng)平臺需載乘人員時，尤其應(yīng)考慮強(qiáng)化其安全可靠性、采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)和控制措施。由于非對稱缸的參數(shù)非對稱影響，加上平臺運(yùn)動時的變負(fù)載及動力耦合，使平臺系統(tǒng)成力復(fù)雜的時變系統(tǒng)，對其迸行動態(tài)特性的理論分析及仿真研究，將對整個平臺系統(tǒng)性能的改善和提高起著直接的作用。
1.6.2.3 平臺控制策略與計(jì)算機(jī)分級控制技術(shù)
六自由度并聯(lián)平臺的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)既包含有高性能計(jì)算機(jī)相檢側(cè)傳感器，也與平臺運(yùn)動學(xué)方程、動力學(xué)建模和電液系統(tǒng)理論有緊密關(guān)聯(lián)。平臺的整體位置控制一般是屬于開環(huán)控制．每個缸的直線位移又屬于閉環(huán)控制。為使平臺獲得有效和適當(dāng)?shù)目刂疲詫?shí)現(xiàn)諸如平臺精度、動態(tài)性能等指標(biāo)，其控制策略和計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)是十分重要的。
1.6.2.4 相關(guān)技術(shù)與試驗(yàn)方法
當(dāng)與平臺的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來時，平臺的技術(shù)研究領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大，如，當(dāng)平臺用于體感娛樂模擬機(jī)時，圖像和音響制作及同步技術(shù)將必不可少；平臺用于物體位置對接或裝配時，空間位置檢測技術(shù)就顯得較為突出。就試驗(yàn)方法而言，由于有些平臺的結(jié)構(gòu)較為龐大，從試驗(yàn)的方便、安全、節(jié)能等角度考慮，在實(shí)物試驗(yàn)之前，首先進(jìn)行小型模擬機(jī)方案試驗(yàn)是一種適當(dāng)可行的技術(shù)方法。
1.6.3 檢測和控制特點(diǎn)
平臺的伺服系統(tǒng)常采用位置和壓差兩種反饋。位置檢測元件可采用超聲脈沖磁致伸縮式位移傳感器、直線位移電位器、光電碼盤等，其中光電碼盤須經(jīng)蝸輪蝸桿將角位移轉(zhuǎn)換成直線位移，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些。超聲脈沖磁致伸縮式位移傳感器是一種較新型的位移檢測元件，近年來在國外的電液控制系統(tǒng)中已得到較多應(yīng)用，它用作伺服缸位移檢測時，常可安裝在缸內(nèi)部，這既可以使外觀結(jié)構(gòu)簡潔、空間占用比小，又能使傳感器避免可能的碰撞破壞，因此超聲脈沖磁致伸縮式位移傳感器是位置檢測元件的較佳選擇。
壓差反饋不但可適度提高系統(tǒng)阻尼比，而且對并聯(lián)平臺而言，還有利于克服變負(fù)載和非對稱缸的影響，較好的實(shí)現(xiàn)加速度控制，因而壓差反饋在并聯(lián)平臺系統(tǒng)中被較多地采用。
六自由度并聯(lián)平臺的控制方式為二級分級控制。上位機(jī)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，完成平臺位置、速度及加速度的算法指令及管理，構(gòu)成一級控制。二級控制由單片機(jī)來擔(dān)任下位機(jī)，負(fù)責(zé)對各伺服缸子系統(tǒng)進(jìn)行各種補(bǔ)償校上控制，確保各缸子系統(tǒng)的動態(tài)性能達(dá)到一定的指標(biāo)要求。下位機(jī)子系統(tǒng)有六個，性能相同。
平臺的總體位置姿態(tài)和運(yùn)動檢測較為復(fù)雜也是該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)之一，這是由于面的檢測比線和點(diǎn)的檢測要復(fù)雜得多。在不少情況下，平臺的位置姿態(tài)和運(yùn)動檢測需要專門儀器來解決[5]。
1.6.4 六自由度并聯(lián)平臺的應(yīng)用
1.6.4.1 航空飛行模擬器
航空飛行模擬器可在地面實(shí)驗(yàn)條件下復(fù)現(xiàn)模擬空中飛行的各種狀態(tài)，是訓(xùn)練相關(guān)專業(yè)人員（如飛行員、飛機(jī)機(jī)務(wù)人員）時不司缺少的航空地面設(shè)備。六自由度并聯(lián)驅(qū)動平臺是模擬器飛行座艙的關(guān)鍵設(shè)備之一。由該平臺提供模擬訓(xùn)練所必須的速度、加速度運(yùn)動感覺。并能產(chǎn)生諸如撞擊、失重、振動等特殊動感，當(dāng)這些運(yùn)動與視景系統(tǒng)同步配合時。可產(chǎn)生具有相當(dāng)真實(shí)感的模擬效果[3]。
1.6.4.2 航天器交會對接模擬
兩個航天器在宇宙空間進(jìn)行對接時要進(jìn)行最多達(dá)12個自由度的軌道和姿態(tài)控制，所涉及的理論和技術(shù)均相當(dāng)復(fù)雜。目前空間交會對接的研究手段較多采用模擬方法，即在地面上通過半物理模擬進(jìn)行交會對接的可行性研究，力求在盡量減少空間飛行實(shí)驗(yàn)的條件下確保交會對接的技術(shù)作能達(dá)到一定要求。交會對接半物理模擬機(jī)構(gòu)由兩個6自由度并聯(lián)電液伺服驅(qū)動平臺面對面設(shè)置組成，兩個平臺分別夾持兩個被對接物體，通過運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)位置對接模擬。在此應(yīng)用中，此并聯(lián)平臺機(jī)構(gòu)的性能要求主要體現(xiàn)在位置精度高和低速運(yùn)動平穩(wěn)這兩點(diǎn)上。
1.6.4.3 用于相關(guān)儀器設(shè)備的試驗(yàn)
飛機(jī)、船舶、潛艇、航天器等運(yùn)動載體中的相關(guān)儀器設(shè)備，在正式使用前，應(yīng)首先通過在運(yùn)動環(huán)境狀態(tài)下的性能測試，而在模擬環(huán)境下測試實(shí)驗(yàn)比在實(shí)際環(huán)境廠測試實(shí)驗(yàn)要方便得多，而區(qū)節(jié)省大量人力、物力[8]。六自由度平臺能展現(xiàn)各類運(yùn)動器的搖擺、回轉(zhuǎn)和平移等運(yùn)動，因而在六自由度平臺上進(jìn)行相關(guān)儀器設(shè)備的測試，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是很有價值的。六自由度并聯(lián)平臺作為直接提供實(shí)驗(yàn)的主要機(jī)構(gòu)設(shè)備，所起的作用是很重要的。
1.6.4.4 機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)
六自由度并聯(lián)平臺作為機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，能完成普通機(jī)器人不易完成或不能完成的某些大型精密零部件的位置搬運(yùn)調(diào)整，以及要求復(fù)雜運(yùn)動軌跡或姿態(tài)的場合，在諸如鑄造生產(chǎn)線、總裝線等方面用作自動控制機(jī)構(gòu)，均具有較大的應(yīng)用潛力。它亦可用作機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)。在這方面應(yīng)用較多的是機(jī)械手。為了克服六自由度平臺存在的工作空間小、機(jī)動性差的缺點(diǎn)，有的井聯(lián)機(jī)械手采用兩個六自由度平臺串聯(lián)的方式，即后一個平臺的基礎(chǔ)安裝在前一個平臺上。六自由度平臺還有用于航天攝譜儀的穩(wěn)定平臺、船用雷達(dá)天線及衛(wèi)星天線平臺等。
近期還將此機(jī)構(gòu)用于新型加工機(jī)床，其優(yōu)點(diǎn)是：
1. 結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；
2. 運(yùn)動控制所需計(jì)算量大，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這一問題已經(jīng)得到了解決，完全可以滿足應(yīng)用的要求；
3. 機(jī)床比剛度高；
4. 高速加工能力；
5. 加工精度高；
6. 可以實(shí)現(xiàn)完全的六自由度加工。無需特殊工夾具即可進(jìn)行曲面、斜孔及斜面等任意方位的加工。
1.6.4.5 體感模擬娛樂機(jī)械
體感模擬娛樂機(jī)是一種模仿運(yùn)動載體特征，給人以目視圖像、耳聞聲響，同時又特別地給人的身體以相應(yīng)速度和加速度運(yùn)動感覺的現(xiàn)代新潮游樂設(shè)備，它是當(dāng)代高科技向游樂業(yè)滲透的產(chǎn)物。六自由度并聯(lián)平臺是構(gòu)成娛樂機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動主體、目前在世界各地的一些著名游樂場所，已有飛行體感模擬機(jī)、航海航空旅行模擬機(jī)等先后出現(xiàn)，其載人量最多可達(dá)240人。利用六自由度并聯(lián)平臺技術(shù)的動感電影應(yīng)運(yùn)而生，以液壓驅(qū)動及控制為主技術(shù)之一的六自由度并聯(lián)平臺因此帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
1.7 論文所要研究的主要內(nèi)容
（1） Stewart平臺的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)分析；
（2） Stewart平臺的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析；
（3） Stewart平臺機(jī)構(gòu)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（4） Stewart平臺機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。
鑒于所研究內(nèi)容多，而且Stewart平臺本身是一種較為復(fù)雜的六自由度空間結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用UG軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型，來加深對Stewart平臺模型的認(rèn)識。在運(yùn)動、動力學(xué)分析時，計(jì)算數(shù)據(jù)量大。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，要把軟件的學(xué)習(xí)、機(jī)構(gòu)學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三者有機(jī)結(jié)合起來，交叉進(jìn)行，才能盡快的完成本論文所提出的研究任務(wù)。
第2章 六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)研究
2.1 引言
六自由度運(yùn)動平臺是一個通道間存在嚴(yán)重負(fù)載交聯(lián)耦合的非線性復(fù)雜系統(tǒng)。對運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析和研究，是確定平臺和驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)，對分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)、提高運(yùn)動平臺控制精度和運(yùn)動模擬逼真度也起著重要的作用。
本章首先介紹了六自由度運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)形式，然后采用矩陣和向量分析方法，對六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，建立了概念清晰明確、表達(dá)方式簡潔的位置、速度和加速度反解數(shù)學(xué)模型[9]。
2.2 六自由度運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)
六自由度運(yùn)動平臺（Stewart平臺）結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1所示，它是由上平臺、下平臺、六個驅(qū)動通道和胡克鉸組成的，運(yùn)動平臺單通道驅(qū)動方式采用對稱閥控制非對稱缸電液驅(qū)動方式。上平臺質(zhì)量為，上平臺在動坐標(biāo)系中的慣性矩陣為。Stewart平臺俯視示意圖如圖2-2所示，在圖中上平臺動坐標(biāo)系為，下平臺慣性坐標(biāo)系為。上平臺各鉸接點(diǎn)Bi在動坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為：
(2?1)
式中 i= 1, 3, 5
i= 2, 4, 6
下平臺各鉸接點(diǎn)Ai在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為：
(2?2)
式中 i= 1, 3, 5
i= 2, 4, 6
圖2?1 Stewart平臺結(jié)構(gòu)簡圖 圖2-2 Stewart平臺俯視示意圖
2.3 六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)
六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)分析，就是求解上平臺和六個通道間位置、速度以及加速度之間的關(guān)系。已知運(yùn)動平臺各通道長度求解平臺位姿時稱為運(yùn)動學(xué)正解；反之，已知運(yùn)動平臺位姿求取各通道長度的過程稱為運(yùn)動學(xué)反解。運(yùn)動平臺運(yùn)動學(xué)正解有利于運(yùn)動平臺誤差分析、工作空間分析、受力分析以及機(jī)構(gòu)綜合等，而運(yùn)動平臺反解是進(jìn)行運(yùn)動平臺各通道速度、加速度分析以及動力學(xué)分析等的基礎(chǔ)。在運(yùn)動平臺實(shí)際控制過程中，位置反解將用于各通道實(shí)時控制程序中，而通過位置正解可對運(yùn)動平臺位姿進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)控。
2.3.1 旋轉(zhuǎn)變換矩陣
在Stewart平臺運(yùn)動學(xué)分析時，通常采用歐拉角(Euler Angle)方式來描述上平臺動坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系中的姿態(tài)。按照下面的旋轉(zhuǎn)順序來進(jìn)行坐標(biāo)變換： 繞轉(zhuǎn)過角后到達(dá)，然后繞轉(zhuǎn)過角后到達(dá)，最后繞轉(zhuǎn)過角后到達(dá)。每一次旋轉(zhuǎn)變換都可以通過一個旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣來表示，以上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換可表示為：
(2-3)
式中 ——z軸旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣，；
——y軸旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣，；
——x軸旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣，。
定義描述上述旋轉(zhuǎn)變換過程的變換矩陣為，則
(2-4)
式中 ，，其它類似
定義上平臺在動坐標(biāo)系中的角速度為：
(2-5)
則上平臺在動坐標(biāo)系中的角速度和歐拉角速度的關(guān)系為
(2-6)
旋轉(zhuǎn)變換矩陣具有下述性質(zhì)：
(2-7)
式中為的反對稱螺旋陣，具有以下形式：
(2-8)
為上平臺在慣性坐標(biāo)系中角速度的反對稱螺旋陣，它同的反對稱螺旋陣具有的關(guān)系為
(2-9)
通過式(2-9)，可以建立運(yùn)動系統(tǒng)上平臺在動坐標(biāo)系中角速度和在慣性坐標(biāo)系中角速度之間的關(guān)系。
2.3.2 六自由度運(yùn)動平臺位置和速度反解
運(yùn)動平臺單通道結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-3所示，在圖中缸筒的質(zhì)量為，其質(zhì)心距離下鉸點(diǎn)為；活塞桿的質(zhì)量為，其質(zhì)心距離上鉸點(diǎn)為。假設(shè)液壓缸繞其軸線的慣性是可忽略的；為活塞桿在點(diǎn)繞垂直于液壓缸軸線的任何軸線的慣量；為缸筒在點(diǎn)繞垂直于液壓缸軸線的任何軸線的慣量，活塞桿質(zhì)心和缸筒質(zhì)心都在對應(yīng)通道的軸線上[11]。
圖2-3 六自由度運(yùn)動平臺單通道結(jié)構(gòu)簡圖
定義上平臺中心點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量為：
(2-10)
定義上平臺廣義位姿向量為：
(2-11)
由圖2-1可得第個通道位置矢量表達(dá)式為：
(2-12)
式中 ??表示第個通道的位置向量；
根據(jù)式(2-12)可得，運(yùn)動平臺位置反解矢量表達(dá)式為
(2-13)
式中 ??上平臺各鉸點(diǎn)在動坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，；
??下平臺各鉸點(diǎn)在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，；
??六個通道的位置矩陣，
??中心點(diǎn)位置矩陣，。
定義運(yùn)動系統(tǒng)上平臺在慣性坐標(biāo)系中角速度為：
(2-14)
則上平臺在慣性坐標(biāo)系中的廣義速度表示為：
(2-15)
根據(jù)上平臺中心點(diǎn)線速度和角速度可得，第個上鉸點(diǎn)速度為
(2-16)
式中 ??上平臺中心點(diǎn)速度向量，；
??第上個上鉸點(diǎn)速度向量；
??上平臺廣義速度和上鉸點(diǎn)速度間的轉(zhuǎn)換矩陣，且
(2-17)
??上鉸點(diǎn)的反對稱螺旋矩陣，且
(2-18)
根據(jù)式(2-16)可得,上鉸點(diǎn)速度為
(2-19)
式中 ??中鉸點(diǎn)速度，；
??上平臺廣義速度和上鉸點(diǎn)速度間的雅克比矩陣，且
(2-20)
根據(jù)式(2-12)可得，第個通道的長度為
(2-21)
則六個通道的長度向量為
(2-22)
第個通道伸縮速度可通過將對應(yīng)上鉸接點(diǎn)速度向其伸縮方向投影得到，即
(2-23)
式中 ??第個通道伸縮速度標(biāo)量；
??第個通道伸縮速度方向單位向量。
將六個通道伸縮速度寫成向量形式為
(2-24)
式中 ??六個通道伸縮速度向量，且；
??六個通道伸縮速度單位向量矩陣，且
(2-25)
根據(jù)式(2-19)和式(2-24)，可得運(yùn)動平臺速度反解為：
(2-26)
式中 ??六個通道伸縮速度和上平臺廣義速度間的雅克比矩陣，且
(2-27)
第個通道角速度和上鉸點(diǎn)速度之間的關(guān)系為
(2-28)
根據(jù)圖2-3可得缸筒重心處的速度為
(2-29)
式中
(2-30)
(2-31)
根據(jù)圖2-3可得活塞桿重心處速度為
(2-32)
式中
(2-33)
2.3.3 六自由度運(yùn)動平臺加速度反解
根據(jù)式(2-26)可得，運(yùn)動平臺加速度反解為
(2-34)
根據(jù)式(2-24)可得，上鉸點(diǎn)加速度和六個通道伸縮加速度關(guān)系式為
(2-35)
根據(jù)式(2-16)可得上鉸點(diǎn)加速度為
(2-36)
式中為矢量投影，且 (2-37)
第個通道單位向量的微分為
(2-38)
根據(jù)式(2-23)和式(2-38)可得，第個通道加速度為
(2-39)
根據(jù)式(2-35)和式(2-39)可得，六個通道的伸縮加速度向量為
(2-40)
由式(2-40)可知，每個通道伸縮加速度包括兩項(xiàng)：一項(xiàng)為上平臺鉸接點(diǎn)加速度沿六個通道軸線方向的投影；另一項(xiàng)為六個通道的向心加速度。
根據(jù)式(2-31)可得，活塞桿重心加速度為：
(2-41)
由式(2-32)和 (2-38)得：
(2-42)
因?yàn)?、，所以?
(2-43)
由式(2-41)和(2-43)得：
(2-44)
由式(2-44)可知，活塞桿重心加速度包括對應(yīng)通道伸縮方向上的二次離心項(xiàng)和正交于伸縮方向的科氏項(xiàng)，在給定平臺位姿時，活塞桿加速度僅與上平臺鉸接點(diǎn)的速度和加速度有關(guān)。
2.4 本章小結(jié)
利用矩陣和向量分析法，對六自由度運(yùn)動平臺進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，建立了運(yùn)動平臺位置、速度和加速度反解數(shù)學(xué)模型。
第3章 Stewart平臺的機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Stewart平臺主要有上、下臺體，作動器，關(guān)節(jié)鉸四部分組成。上臺體作為載體，用來安裝設(shè)備、直接接觸負(fù)載。下臺體作為基體，固定在地基里，或者安裝在其他物體上。作動器用來驅(qū)動整個上臺體的運(yùn)動。關(guān)節(jié)鉸具有活動關(guān)節(jié)的作用，固定在上、下臺體上。整個平臺的關(guān)鍵部件是作動器和關(guān)節(jié)鉸?，F(xiàn)重點(diǎn)介紹對作動器和關(guān)節(jié)鉸的設(shè)計(jì)。
3.1 液壓缸的設(shè)計(jì)
并聯(lián)六自由度運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動方式在很大程度上決定了運(yùn)動系統(tǒng)的承載能力、運(yùn)動精度、快速性等性能指標(biāo)，也是運(yùn)動系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。
由于負(fù)載是中高負(fù)載，用于模擬器，需要有較高的頻響、故采用伺服液壓缸驅(qū)動。而不是電動或者氣動驅(qū)動。
液壓驅(qū)動方式的突出優(yōu)點(diǎn)是抗負(fù)載的剛度大，執(zhí)行器的功率-重量比大，可以組成體積小、重量輕、加速能力強(qiáng)和快速反應(yīng)的伺服系統(tǒng)來控制大功率和大負(fù)載。比較適合用于大負(fù)載的運(yùn)動模擬器，因此目前幾乎所有的飛行模擬器運(yùn)動系統(tǒng)都采用液壓驅(qū)動方式。
液壓驅(qū)動中所用的伺服油缸通常有兩類，即采用組合密封的普通伺服油缸和有圓錐靜壓軸承的靜壓伺服油缸。
采用組合密封的伺服油缸因其摩擦力很難小于最大有效載荷1％，故其運(yùn)動性能目前只能滿足一般的動感運(yùn)動模擬器。靜壓伺服油缸工藝復(fù)雜，制造成本高，抗側(cè)向力能力低，且系統(tǒng)的運(yùn)動性能還要取決于價格昂貴的大流量電液伺服閥。作者的設(shè)計(jì)采用普通伺服油缸。
運(yùn)動平臺的電液伺服控制系統(tǒng)常采用位置和壓力兩種反饋,位置檢測元件可采用超聲脈沖磁致伸縮式位移傳感器、直線位移傳感器、光電碼盤等,其中光電碼盤須經(jīng)蝸輪蝸桿將角位移轉(zhuǎn)換成直線位移,其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些;直線位移傳感器的重復(fù)性不好,在運(yùn)動平臺系統(tǒng)高頻的往返動作中其測量精度和工作的穩(wěn)定性差;超聲脈沖磁致伸縮式位移傳感器是較新型的位移檢測元件,靜動態(tài)特性好,近年來在國內(nèi)外的電液控制系統(tǒng)中已得到較多的應(yīng)用,因此它是六自由度運(yùn)動平臺位置檢測元件的較佳選擇。
位移傳感器的作用有兩個,一是根據(jù)測到的液壓缸伸長量計(jì)算平臺的瞬時位置和姿態(tài)。一方面作為限位的預(yù)測信號，同時反饋給洗出回路以便計(jì)算下一瞬時的平臺驅(qū)動信號。二是用實(shí)測液壓缸位移，并經(jīng)位置解算得到的平臺位移和轉(zhuǎn)角再與指令進(jìn)行比較，在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成位置閉環(huán)控制，便于調(diào)整回路增益和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，達(dá)到提高精度和響應(yīng)速度的目的。所以位移傳感器的性能不但是提高平臺位移和轉(zhuǎn)角控制精度的關(guān)鍵，還是運(yùn)動平臺安全運(yùn)行的保障。
采用磁致伸縮式位移傳感器作為位置檢測元件的六自由度運(yùn)動系統(tǒng)，自2001年研制成功以來，先后用于某型直升機(jī)模擬器和某大型運(yùn)輸機(jī)飛行仿真系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明,六自由度運(yùn)動系統(tǒng)運(yùn)行可靠,性能穩(wěn)定,模擬運(yùn)動感覺的逼真度高。
其結(jié)構(gòu)是由不導(dǎo)磁的不銹鋼管(測桿)、磁致伸縮線(波導(dǎo)線)、可移動的磁環(huán)和電子倉部件(脈沖電路轉(zhuǎn)換器、小磁鐵等)等部分組成。
脈沖發(fā)生器產(chǎn)生波導(dǎo)脈沖，經(jīng)電子部分加以變換,轉(zhuǎn)換成沿波導(dǎo)線傳播的電流脈沖即起始脈沖,將產(chǎn)生一環(huán)形磁場,該環(huán)形磁場與永磁鐵的磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場相疊加,產(chǎn)生瞬時扭力,使波導(dǎo)線扭動并產(chǎn)生張力脈沖,這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)線傳回,在線圈轉(zhuǎn)換器的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢脈沖即終止脈沖。通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差即可精確的確定被測位移量。即：
位置=時差扭轉(zhuǎn)波傳播速度—零點(diǎn)位置。
(零點(diǎn)位置為零區(qū)與死區(qū)之和)
扭轉(zhuǎn)波速為Ct=磁致伸縮位移傳感器波形圖。該伺服液壓缸采用磁致伸縮傳感器（位移傳感器）。
液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算是對整個液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，計(jì)算了最大負(fù)載力，選定了工作壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此，首先要根據(jù)使用要求確定結(jié)構(gòu)類型，再按照負(fù)載情況，運(yùn)動要求決定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。
3.1.1 液壓缸主要尺寸的確定
單桿液活塞液壓缸在液壓傳動中應(yīng)用較廣泛。同時，由于兩腔的有效工作面積不相等，它的有關(guān)參數(shù)計(jì)算具有一定的典型性。
3.1.1.1 液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
液壓缸克服其運(yùn)動方向上外機(jī)械載荷所需的液壓推力。外機(jī)械載荷包括切削阻力沿液壓缸運(yùn)動方向的分力，工作部件與導(dǎo)軌的摩擦阻力，工作部件啟動和制動過程中的慣性阻力以及工作部件的自重等。油液進(jìn)入液壓缸工作腔的壓力所產(chǎn)生的推力，除了克服外機(jī)械載荷外，還要克服由回油腔的背壓力所產(chǎn)生的液壓阻力。液壓缸的工作壓力可按上述計(jì)算所得總的外機(jī)械負(fù)載或機(jī)床類型來確定。活塞桿直徑與缸筒內(nèi)徑（活塞直徑）之間的比例關(guān)系，可以按其工作時受力情況來確定
受拉時 （3-1）
受壓時
計(jì)算出的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑，應(yīng)按機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB2183-77規(guī)定的系列選取。否則，所設(shè)計(jì)的液壓缸將無法采用標(biāo)準(zhǔn)密封元件。
3.1.1.2 液壓缸缸筒壁厚和外徑的計(jì)算
在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸缸筒壁厚往往由結(jié)構(gòu)工藝上的要求來確定，強(qiáng)度問題是次要的，一般都不作計(jì)算。在高壓系統(tǒng)中，缸筒最薄處的壁厚須按下式進(jìn)行校核
（3-2）
式中 ——缸筒壁厚
——缸筒內(nèi)徑
——缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)液壓缸的額定壓力時，；當(dāng)額定壓力時，。
——缸筒材料許用應(yīng)力
，為安全系數(shù)，一般取
——材料抗拉強(qiáng)度
上式適用于的情況。當(dāng)時，應(yīng)按材料力學(xué)中厚壁筒的公式進(jìn)行驗(yàn)算。
算出的缸筒壁厚，一般還要根據(jù)無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系列選取。
液壓缸缸筒的外徑為
（3-3）
3.1.1.3 活塞桿的計(jì)算
液壓缸活塞桿的直徑，除上述速度比或經(jīng)驗(yàn)公式（3-1）選取外，必要時還可按下式進(jìn)行強(qiáng)度校核
（3-4）
式中 ——活塞桿直徑
——液壓缸的負(fù)載
——活塞桿材料許用應(yīng)力，為安全系數(shù)一般取
——材料抗拉強(qiáng)度
所以當(dāng)負(fù)載=1000時，由（3-4）可知=32
因?yàn)?32，由（3-1）可知=50
由于=50，由（3-2）可知=7
3.1.1.4 液壓缸缸筒長度的確定
液壓缸缸筒長度根據(jù)所需最大工作行程、活塞桿長度而定。為減少加工難度,一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍。所以=512
3.1.2 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個問題
液壓缸主要尺寸確定之后，缸的結(jié)構(gòu)已基本形成，但在具體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，還必須注意液壓缸的密封、緩沖、排氣以及缸蓋和缸筒端部連接形式等問題。
1缸的密封
液壓傳動是依靠被密封液體工作容積的變化來傳遞能量的，所以液壓系統(tǒng)密封的好壞直接影響系統(tǒng)的效率和工作性能。密封裝置除防止泄露外，還可防止空氣和灰塵進(jìn)入。密封裝置的種類很多，按密封部分的運(yùn)動情況可分為動密封和靜密封兩大類。機(jī)床液壓系統(tǒng)中常采用的有間隙密封、活塞環(huán)密封、填料密封、橡膠密封等。橡膠密封裝置既可用于靜密封，又可用于動密封，是最常用的密封裝置。
2液壓缸的緩沖
液壓缸帶動工作部件運(yùn)動時，運(yùn)動件是有慣性的。若運(yùn)動件的質(zhì)量較大，運(yùn)動速度較高，則在液壓缸到達(dá)行程終點(diǎn)時，會產(chǎn)生液壓沖擊，甚至使活塞與缸筒端蓋之間產(chǎn)生機(jī)械撞沖。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，需要采取緩沖措施。
液壓缸中使用的緩沖裝置，常見的有環(huán)形間隙式，節(jié)流口可調(diào)式或外加緩沖回路等。
環(huán)狀間隙式緩沖裝置是由活塞上的圓柱形凸臺和缸端蓋上的凹腔組成。這種形式的緩沖只適用于運(yùn)動慣性不大，運(yùn)動速度不高的場合。
節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置。它不但有凸臺、凹腔等結(jié)構(gòu)，而且在液壓缸端蓋上還裝有針形節(jié)流閥和單向閥。當(dāng)活塞移近端蓋，凸臺進(jìn)入凹腔后，活塞與端蓋間的油液需經(jīng)針形節(jié)流閥流出，因而使活塞受到制動作用。這種緩沖裝置可以根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)節(jié)流開口，改變吸收能量的大小。在實(shí)現(xiàn)緩沖的過程中，能自動改變節(jié)流口的大小，使緩沖作用均勻，沖擊壓力小，制動位置精度高。
3液壓缸的排氣
液壓缸的最高部位處常常會積聚空氣，這是由于油液中混有空氣所造成的?？諝獾姆e聚使液壓缸運(yùn)動不平穩(wěn)，壓力增大時還會產(chǎn)生絕熱壓縮而造成的局部高溫。為了排除積聚在液壓缸內(nèi)的空氣，可在缸的兩端最高部位各裝一只排氣塞。開車時擰開排氣塞，使活塞全行程空載往返數(shù)次，液壓缸內(nèi)的空氣通過排氣塞錐部縫隙和小孔排出?？諝馀懦龊螅璋雅艢馊P(guān)死。一般在磨床上多采用排氣閥排氣。
3.2 上、下平臺虎克鉸的設(shè)計(jì)
通常上下鉸支座關(guān)節(jié)處的非線性摩擦力和間隙將會對系統(tǒng)的運(yùn)動性能產(chǎn)生很大的影響，而且鉸鏈的擺角和剛度是限制動平臺運(yùn)動空間和承載能力的主要約束因素之一。所以研究低摩擦、大擺角、無間隙或小間隙的關(guān)節(jié)鉸鏈?zhǔn)瞧脚_研制中非常重要的一個環(huán)節(jié)。目前國際上比較典型的結(jié)構(gòu)主要有三種：
(1). 上下平臺均為球形鉸鏈：如哈工大機(jī)械原理教研室研制的BJ-30型并聯(lián)機(jī)床。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是對稱性好，有利于工作空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是鉸鏈工藝復(fù)雜，摩擦力大，精度難以保證，且鉸鏈抗拉強(qiáng)度較差，鉸鏈擺角有限，平臺的工作空間易受到鉸鏈限制。
(2). 上平臺為球形鉸鏈，下平臺為十字鉸鏈：其典型結(jié)構(gòu)如1984年北京航空模擬器公司研制的Y7－100型全任務(wù)飛行模擬器以及日本科學(xué)技術(shù)廳航空宇宙技術(shù)研究所研制的飛行模擬器，對飛行模擬器而言，該結(jié)構(gòu)要優(yōu)于上一種，下平臺為十字鉸可避免球鉸的固有缺點(diǎn)。
(3). 上下平臺均為十字鉸鏈：其典型結(jié)構(gòu)為加拿大CAE公司以及德國力士樂公司的飛行模擬器運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)。這也是目前世界上較為流行的結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡單，擺角范圍大、摩擦力小、易于加工和保證質(zhì)量、裝配精度易于保證等特點(diǎn)。但活塞桿要有一定范圍的轉(zhuǎn)動，因此傳感器一般均裝在油缸內(nèi)部。
因此由上所述，所研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)將采用上下平臺均為十字鉸鏈的結(jié)構(gòu)方案。且其關(guān)鍵技術(shù)在于鉸鏈擺角的設(shè)計(jì)、鉸鏈配合間隙和鉸軸的強(qiáng)度。經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算可以確定出上下鉸鏈的活動范圍如圖3-2所示。
a) 下鉸鏈擺角活動范圍
b) 上鉸鏈擺角活動范圍
圖3-2 平臺上下鉸鏈擺角活動范圍
圖3-3 上平臺虎克鉸
在確定出鉸鏈的活動范圍后，須進(jìn)行鉸鏈的強(qiáng)度校核，尤其是鉸支座中軸承的強(qiáng)度校核。由于強(qiáng)度校核的技術(shù)已比較成熟，此處不再做敘述。
目前飛行模擬器六自由度平臺在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方面研制的關(guān)鍵點(diǎn)主要在于設(shè)計(jì)出加工、裝配工藝性好，運(yùn)動范圍大、精度高的球鉸、十字鉸等關(guān)節(jié)鉸鏈組件。在這方面，加拿大CAE公司、德國力士樂(Rexroth)公司、日本科學(xué)技術(shù)廳航空宇宙技術(shù)研究所最新研制的鉸鏈組件都相當(dāng)?shù)湫汀Ｔ趹?yīng)用方面比較成熟的是采用虎克鉸。因?yàn)樗鼜脑O(shè)計(jì)到加工、制造、裝配、調(diào)試、維護(hù)，都非常的方便。
設(shè)計(jì)原則：上平臺虎克鉸的質(zhì)量要盡量的小，二中心軸間的距離也要
盡量的小。這是因?yàn)閯蛹目傎|(zhì)量將直接影響平臺的頻響，進(jìn)而影響整個平臺的性能。另外二中心軸間的距離是影響平臺二鉸點(diǎn)間的夾角的一個重要因素，在平臺分度圓半徑確定下來后，二中心軸間的距離與平臺的二鉸點(diǎn)間夾角的增減方向是一致的。確定后的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3-3。
從圖3-3上可以看出，為了方便平臺的裝配、調(diào)試、維護(hù)，在軸承端部采用了調(diào)整墊片，采用脂潤滑形式，密封方案良好。
對于下平臺則不需要極力降低質(zhì)量，確定后的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3-4。
圖3-4 下平臺虎克鉸
仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，上、下平臺虎克鉸的機(jī)械結(jié)構(gòu)大同小異，具有相似性，這就為平臺的加工制造、排工藝提供了方便。
平臺最容易發(fā)生疲勞破壞的地方是虎克鉸的軸孔部分，在UG里對其作靜力學(xué)受力分析，給軸孔一個漲力8000N。確定軸上各尺寸及材料后，得到安全系數(shù)15。
3.3 上、下平臺臺體的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)原則：上平臺的質(zhì)量要盡量的小，同時要保證平臺具有足夠的剛度；下平臺要保證足夠的結(jié)構(gòu)剛度，并且使臺體的加工制造、裝配調(diào)試、維護(hù)比較方便。
針對以上要求，平臺的主結(jié)構(gòu)采用槽鋼，與虎克絞裝配后的相對位置關(guān)系見圖3-5、3-6所示。
圖3-5 安裝上虎克鉸后的上平臺
圖3-6下平臺結(jié)構(gòu)方案一
綜合下平臺二種方案發(fā)現(xiàn)：下平臺結(jié)構(gòu)方案一加工、定位比較方便，整體尺寸比較小，方案二似乎沒有什么優(yōu)點(diǎn)可言。
3.4 本章小結(jié)
針對Stewart平臺的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，給出了平臺各主要部件的設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)方案，其中重點(diǎn)闡述了對伺服缸的設(shè)計(jì)，對其中的關(guān)鍵部件 （位移傳感器）的選取、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)時應(yīng)該注意的問題作了詳盡的闡述。
第4章 CAD和UG簡介
4.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)思想
設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率是影響產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵，并且設(shè)計(jì)過程的效率對于生產(chǎn)系統(tǒng)的整個生產(chǎn)率起著舉足輕重的作用。因此，研究、開發(fā)和利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工具以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率就顯得至關(guān)重要。參數(shù)化設(shè)計(jì)正是解決這個問題最有力的工具，它可以存儲設(shè)計(jì)的整個過程，一次能設(shè)計(jì)一系列產(chǎn)品模型，并使工程設(shè)計(jì)人員無需考慮細(xì)節(jié)而盡快畫出零件草圖，經(jīng)過對草圖的反復(fù)修改來得到所需要的設(shè)計(jì)，并可變動某些約束來更新設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)系列化產(chǎn)品時不必每次都重新運(yùn)行設(shè)計(jì)全過程。因此，這種設(shè)計(jì)技術(shù)己成為進(jìn)行產(chǎn)品初始設(shè)計(jì)、模型編輯修改及對多種方案進(jìn)行比較的行之有效的手段。現(xiàn)在新推出的三維設(shè)計(jì)軟件都具有一定的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，己有的CAD系統(tǒng)也都用參數(shù)化設(shè)計(jì)術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品改造。將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)型相結(jié)合，得到參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)（Parametric Modeling），以
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