大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)設計【六自由度并聯(lián)機械手運動平臺機構(gòu)】

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[3]蔡自興. 機器人學[M]. 北京：清華大學出版社， 2000. [4]鄒慧君. 機械運動方案設計手冊[M]. 上海：上海交通大學出版社， 1994. [5] 詹啟賢. 自動機械設計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社， 1994. [6]呂仲文. 機械創(chuàng)新設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [7]梁崇高等. 平面連桿機構(gòu)的計算設計[M]. 北京：高等教育出版社， 1993. [8]郁明山等. 現(xiàn)代機械傳動手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996. [9] 王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京：高等教育出版社，1988. [10] Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985. [11] Patton W .J .Mechanical Power Transmission[M]. New Jersey: Printice-Hall. 1980. [12]Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach[M]. New York:Wiley,1983. 4. 擬采取的研究路線： 指導教師下達任務→充分理解課題要解決的問題→查閱文件和素材→翻譯英文資料→到工廠參觀實習→寫論文→指導教師審查→修改完善，定稿→準備答辯。 5.進程安排 3月 8日—3月 26日 查閱文件，書籍材料。 3月 29日—4月 09日 翻譯英文材料。 4月 11日—5月 14日 寫課題論文，寫初稿。 5月 17日—5月 21日 完善論文，定稿。 5月 23日—6月 11日 繪制設計草圖、打印。 6月 14日—6月 18日 整理，熟悉文件。 指導教師審閱意見： 年 月 日 記事： 指導教師審閱意見： 年 月 日 3 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計（論文）題目申報表 院 別 機 電 工 程 分 院 教 研 室 機 械 工 程 教 研 室 指導教師 張 廣 杰 職稱 講 師 職稱 2010年 3 月8日 題目名稱 六自由度并聯(lián)機構(gòu) 題目類別 設計類 √ 題目性質(zhì) 結(jié)合實際 √ 專業(yè) 機 械 設 計 參加本題目學生人數(shù) 1人 論文類 虛擬題目 題目來源、教師準備情況、主要培養(yǎng)學生哪些能力 1．本題目來源于指導教師的命題。 2．指導教師對此課題有深厚的理論基礎及實際經(jīng)驗，在師生共同努力下定能順利、按期完成該課題設計。 3．本課題主要培養(yǎng)學生對已有知識的運用能力、查找資料和閱讀能力、英譯漢的能力、工程機械的設計、制造能力。 題 目 內(nèi) 容 及 要 求 一、內(nèi)容： 六自由度并聯(lián)機構(gòu)是由動平臺、固定平臺等組成，以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)平臺的各種動作。對已有結(jié)構(gòu)并結(jié)合ADAMS仿真軟件對六自由度并聯(lián)機構(gòu)進行設計。 二、要求： 1.寫出1～1.5萬字的論文，繪制總裝圖、部裝圖及零件圖。 論文內(nèi)容包括: （1）并聯(lián)機構(gòu)的應用現(xiàn)狀。 （2）并聯(lián)機構(gòu)的特點及分類。 （3）并聯(lián)機構(gòu)的自由度計算及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。 （4）液壓系統(tǒng)的分析及確定。 （5）六自由度及液壓系統(tǒng)控制合理調(diào)配。 2.將一篇與本課題有關的英文資料，翻譯成中文（約5000字）。 實 踐 環(huán) 節(jié) 安 排 實習 長春客車廠 實驗 金工實習基地 計算機應用 計算機繪圖 中、外文參考資料： [1]蘇長贊. 紅外線與超聲波遙控[M]. 北京：北京人民郵電出版社， 2001. [2]楊立民. 單片機技術(shù)及應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1997. [3]蔡自興. 機器人學[M]. 北京：清華大學出版社， 2000. [4]鄒慧君. 機械運動方案設計手冊[M]. 上海：上海交通大學出版社， 1994. [5]詹啟賢. 自動機械設計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社， 1994. [6]呂仲文. 機械創(chuàng)新設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [7]梁崇高等. 平面連桿機構(gòu)的計算設計[M]. 北京：高等教育出版社， 1993. [8]郁明山等. 現(xiàn)代機械傳動手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996. [9]王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京：高等教育出版社， 1988. [10] Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985. [11] Patton W .J .Mechanical Power Transmission[M]. New Jersey: Printice-Hall ,1980. [12]Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach[M]. New York:Wiley,1983. 教研室主任 審 批 簽 字 分 院 院 長 審 批 簽 字 注：題目類別和題目性質(zhì)請用符號√填在相應欄內(nèi)。 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者：楊世祥 楊濤 徐悅桐 一、概述 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應用前景，近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領域水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里，向客人展示水平的第一個標志就是六自由度運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領域基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程 二、傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺 到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平臺都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾所名牌大學的研究水平較高，其控制原理基本相同，六自由度平臺單缸控制框圖如下： 從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算，然后將解算結(jié)果送到六個單缸控制器，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動編程控制，如果是實時模擬控制，還需要在主控計算機前增加姿態(tài)信號輸入裝置，即用各種信號發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復雜、調(diào)試困難、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高，因而國內(nèi)盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。 三、六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算 1．順向解）：即已知六根液壓缸的長度，求解平臺姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的的正解方程式，只能采用疊代方法，利用計算機快速運算的特點和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解， 2．反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢，最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達，當剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢下，此三個歐拉角即組成唯一的旋轉(zhuǎn)矩陣，并借由旋轉(zhuǎn)矩陣作坐標轉(zhuǎn)換，便可求得剛體的絕對位置。 四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制 當給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了讓平臺上的油缸在同一時間運動到新的位置，六只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決有兩種方法，一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時間，自動分配六只缸的運動速度，同時到達終點。第二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達到同樣目的。 五、六自由度平臺的全數(shù)字控制 為了攻克六自由度運動平臺的應用難關，北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關和國家重點新產(chǎn)品項目），作為六只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內(nèi)部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運動行程，一一對應，將復雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。億美博公司與我國××軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量3噸和8噸的數(shù)字式六自由度運動平臺，它的控制框圖和實際平臺圖照片所示如下： 從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知，控制原理大大簡化，不但系統(tǒng)響應速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得以增加。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)成十分清爽。平臺運動的錄像可在www.aemetec.com/sim網(wǎng)站觀看。它的性能指標如下： 六自由度數(shù)字運動平臺技術(shù)指標 六．數(shù)字液壓技術(shù)在其他領域的成功應用 數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合，幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，把討厭的現(xiàn)場調(diào)試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用，已經(jīng)成功的應用到冶金、機械、水電、國防軍工等一系列疑難控制領域，其控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)，成功應用的實例有：冶金領域中的鋼水連鑄結(jié)晶器液面控制、結(jié)晶器液壓非正弦振動（均列入過國家攻關項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）。水電領域中的水輪機調(diào)速控制；機械領域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制，軍工領域的大型導彈裝彈機構(gòu)的多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達0.1%）、軍艦舵機控制、減搖稽控制，模擬器領域的六自由度平臺控制等等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。 中文摘要 并聯(lián)運動機構(gòu)是新發(fā)展起來的一種機構(gòu)，與傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)相比，并聯(lián)機構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、動態(tài)性能好、速度快、可重構(gòu)等優(yōu)點，在運動模擬器、并聯(lián)機器人、并聯(lián)機床、微動器等領域有廣泛的應用。 本六自由度液壓伺服并聯(lián)機械手是由動平臺、固定平臺、電液伺服控制子系統(tǒng)等組成，以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)平臺的各種動作。本文參照已有結(jié)構(gòu)并結(jié)合ADAMS仿真軟件對六自由度并聯(lián)機械手進行了概念設計并討論了對其運用牛頓迭代法進行運動學正解的過程。對于結(jié)構(gòu)部分，本文主要對并聯(lián)機械手的六自由度運動平臺進行了設計，并建立了該系統(tǒng)的CATIA模型。六自由度并聯(lián)機械手電液伺服子系統(tǒng)包括非對陣直線液壓缸、電液伺服閥、位置傳感器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制電路及主控計算機等，本文主要對液壓缸的結(jié)構(gòu)，電液伺服閥及位置傳感器的選擇、安裝，位置檢測電路進行了設計。 關鍵詞 并聯(lián)機構(gòu) 運動學正解 液壓缸 電液伺服 位置檢測 外文摘要 Title New design for a 6-dof Hydraulic servo parallel Manipulator Abstract Parallel kinematics mechanism is a new developed mechanism ,compared with the traditional series mechanism ,it has simpler structure ,higher stiffness ,better dynamic performance and be faster ,and has a wide range of applications in the fields of motion simulator ,parallel robot ,parallel machines ,micro-actuators ,and so on. This 6-DOF hydraulic servo parallel manipulator is composed of a mobile platform ,a base platform and electro-hydraulic servo control subsystem ,and takes hydraulic cylinders for the implementation of components ,electro-hydraulic servo valve for the control components to control the platform to achieve the various movements .This article has been reference to the existent structure and use the simulation software ADAMS to make a conceptual design of 6-DOF parallel manipulator, and discussed the process of it's kinematics positive solutions use the Newton's method .To the structure part ,this article mostly designed the 6-DOF movement platform of the parallel manipulator ,and established the CATIA model of this system .The electro-hydraulic servo subsystem of the 6-DOF parallel manipulator including non-symmetry linear hydraulic cylinder ,electro-hydraulic servo valve ,position sensor ,D/A transformer ,A/D transformer ,control circuit and control computer and so on .This paper mostly designed the structure of the hydraulic cylinders ,the choice and installation of the servo valve and the location sensors and the location detection circuit. Keywords Parallel mechanism Kinematics positive solutions Cylinder Electro-hydraulic servo Position detecti 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 并聯(lián)機構(gòu)的提出 1 1.2 并聯(lián)機構(gòu)的應用現(xiàn)狀 2 1.3 并聯(lián)機構(gòu)的研究展望 6 第二章 并聯(lián)機構(gòu)概述及設計任務 8 2.1 并聯(lián)機構(gòu)的特點 8 2.2 并聯(lián)機構(gòu)的分類 8 2.3 設計任務 9 2.4 工作內(nèi)容 10 第三章 并聯(lián)機構(gòu)的概念設計及分析方法 11 3.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇 11 3.2 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 12 3.3 自由度計算 12 3.4 并聯(lián)機構(gòu)的位置分析方法 13 3.5 并聯(lián)機構(gòu)的運動分析方法 20 3.6 并聯(lián)機構(gòu)動力學分析方法 20 3.7 平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 21 第四章 液壓缸設計計算 28 4.1 液壓缸類型的選擇 28 4.2 液壓缸安裝方式的選擇 28 4.3 液壓缸主要尺寸的確定 28 4.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)設計 33 第五章 電液伺服系統(tǒng)總體方案設計 36 5.1 系統(tǒng)組成 36 5.2 電液伺服系統(tǒng)的構(gòu)成 36 5.3 六自由度運動模擬器位置伺服控制系統(tǒng)工作過程 37 第六章 電氣原理設計（液壓缸位移檢測電路） 39 6.1 電氣系統(tǒng)的基本組成 39 6.2 電氣系統(tǒng)主要元件的選擇 40 6.3 電氣系統(tǒng)的設計 42 第七章 液壓伺服系統(tǒng)設計 47 7.1 液壓控制回路方案確定 47 7.2 六自由度并聯(lián)機械手液壓控制回路的構(gòu)成 47 7.3 液壓回路主要元件的選擇 48 畢業(yè)設計總結(jié) 53 參考文獻 54 致謝 56 第一章 緒論 1.1 并聯(lián)機構(gòu)的提出 1965年，德國D.Stewart發(fā)表了一篇名為“一個具有六自由度的平臺”的論文，引起國際工程界的轟動，而空間并聯(lián)機構(gòu)也由此受到了廣泛的重視，相應的平臺被稱為Stewart平臺（如圖1.1所示）。隨著研究的深入，現(xiàn)在所稱的Stewart平臺稍微有點差別，其結(jié)構(gòu)件圖1.2。這種平臺最初用做飛行員的飛行模擬器，利用六個液壓缸支撐和驅(qū)動模擬機艙，六個液壓缸的兩端分別用球鉸和虎克鉸接于機艙（動平臺）和基座（靜平臺），通過六個液壓缸伸縮運動使機艙實現(xiàn)任意位置與姿態(tài)的運動。隨后Stewart平臺用做天文望遠鏡的基架，實現(xiàn)了天文望遠鏡三維空間任意位姿的精確定位。并聯(lián)機構(gòu)由最初的Stewart平臺不斷發(fā)展，到今天已經(jīng)成了一個龐大的體系。隨著應用的深入和研究手段的加強，并聯(lián)機構(gòu)的理論分析和工程應用已經(jīng)成為一個熱門課題。 圖1.1 Stewart平臺原型 圖1.2 Stewart平臺變型 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應用前景，近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領域水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里，向客人展示水平的第一個標志就是六自由度運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領域基本上就沒有了難題。 1.2 并聯(lián)機構(gòu)的應用現(xiàn)狀 目前關于并聯(lián)機構(gòu)的研究開發(fā)和應用正日益廣泛，應用的領域也在不斷地擴大，其應用主要集中在以下領域 (1) 運動模擬器 并聯(lián)機構(gòu)廣泛應用于運動仿真領域，主要用于訓練、研究、開發(fā)和娛樂等方面。 (2) 并聯(lián)機器人機構(gòu) 由于并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、位姿精度高、承載能力大，適用做并聯(lián)式機器人或執(zhí)行機構(gòu)，用于搬運重物，安裝重型設備、工件及挖掘、開采等條件比較差的工況下。 同時在醫(yī)用機器人、天文望遠鏡、可視化觸覺裝置、空氣動力學實驗車、繩索機器人吊車等領域有廣泛的應用。 (3) 并聯(lián)機床 并聯(lián)機床實質(zhì)上是并聯(lián)機器人技術(shù)與機床結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它由固定和活動兩個平臺以及連接兩個平臺的可變長度多支路構(gòu)成，適用于磨、膛和銑等多項特種加工，具有很大的開發(fā)潛力和廣泛的應用前景。 (4) 微動器 利用并聯(lián)機構(gòu)作為微動機構(gòu)充分發(fā)揮了并聯(lián)機構(gòu)的特點，工作空間不大，但運動精細，在三維空間的微小移動精度可達亞微米甚至納米的分辨率，主要用于精密機械工程、醫(yī)學工程等要求精細操作與加工領域。 下面主要針對并聯(lián)機構(gòu)在運動模擬器的應用進行闡述。主要包括飛行模擬器、汽車模擬器、體感娛樂模擬器。 ① 飛行模擬器 并聯(lián)機構(gòu)早期就應用于飛行模擬裝置，利用飛行模擬器來訓練飛行員，具有節(jié)能、經(jīng)濟、安全、不受場地和氣候條件的限制，訓練周期短、訓練效率高等突出優(yōu)點，在模擬器上可以進行各種復雜飛行技巧、飛行失效狀態(tài)及軍事上導彈閃避技術(shù)等的訓練。飛行模擬器可在地面實驗條件下復現(xiàn)模擬空中飛行的各種狀態(tài)，是相關專業(yè)人員（如飛行員、飛機機務人員）訓練不可缺少的航空地面設備。由六自由度并聯(lián)驅(qū)動平臺提供模擬訓練的速度、加速度產(chǎn)生運動感覺，也能產(chǎn)生諸如撞擊、失重、振動等特殊動感，當這些運動與視景系統(tǒng)同步配合時，可產(chǎn)生具有相當真實感的模擬效果。 迄今而止，國外生產(chǎn)六自由度運動平臺的大公司，有美國的 Singer 公司Link 分部、加拿大的 CAE 公司、英國的 REDIFUSFON 公司、法國的THOMSON－CSF 公司、德國的 Rexroth 公司及日本東京精密測器株式會社等，都具有先進的技術(shù)水平。據(jù)有關資料統(tǒng)計，世界各國用于訓練模擬器的經(jīng)費達到近百億美元。 我國也建立了利用飛行模擬器進行飛行員訓練的培訓中心。基于并聯(lián)機構(gòu)的飛行模擬器也是飛機設計研制的工具，通過它可以早期發(fā)現(xiàn)問題，減少風險；綜合系統(tǒng)驗證，解決各系統(tǒng)之間的動態(tài)匹配連接關系；加速系統(tǒng)試驗過程，縮短研制周期；分析解決試飛后的技術(shù)問題，使飛行員參與飛機的設計試制工作。 ②汽車模擬器 當今日新月異的汽車開發(fā)技術(shù)需要創(chuàng)造出一種可控的模擬閉環(huán)系統(tǒng)，使駕駛員在模擬閉環(huán)系統(tǒng)中，考核車輛在各種工況下的功能，優(yōu)化汽車各總成或各項參數(shù)之間的最佳匹配。傳統(tǒng)的實車試驗不能滿足主動安全性閉環(huán)設計的要求，其試驗設計方法只能在樣車試制后采用，并受到自然條件、人體生理條件等限制等缺陷，而駕駛模擬器試驗則可以任意設定試驗條件，無危險地對人—車輛—環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)進行全工況仿真。它解決了對有思維駕駛員的行為特性難以實現(xiàn)較為精確的數(shù)學描述這一困難，試驗重復性好，結(jié)果置信度高，可比性強，具有場地試驗無法比擬的優(yōu)越性。因此各汽車大國紛紛研制了各種駕駛模擬器，以滿足產(chǎn)品的開發(fā)和各種條件下的試驗要求。 最早研制駕駛模擬器的要算是美國的通用汽車公司了，早在六十年代就進行了這方面的研究。七十年代初，德國大眾汽車公司研制了可繞三軸轉(zhuǎn)動的駕駛模擬器。進入八十年代以來，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，廉價、高速的微處理器和計算機圖形處理器及靈敏傳感器的出現(xiàn)，使得汽車工業(yè)和相關領域中的開發(fā)型車輛駕駛模擬器數(shù)量劇增。1985年Daimler—Benz汽車公司建立了世界上規(guī)模最大的模擬器，并成功地用于系列化高速轎車的產(chǎn)品開發(fā)中。與此同時，瑞典VDI也投資建成了規(guī)模較小的駕駛模擬器，用于瑞典車輛和交通系統(tǒng)的研究與開發(fā)；1989年，Daimler—Benz汽車公司則投資重新改建了其原有的駕駛模擬器，更新了計算機運算能力和視景生成系統(tǒng)，并用于新產(chǎn)品的研制中。1991年日本馬自達汽車公司投資興建了跑車型開發(fā)型駕駛模擬器。1993年初，美國福特汽車公司也投資研制開發(fā)駕駛模擬器，現(xiàn)正在建設中。1995年日本汽車研究所(JARI)也建成了帶有體感模擬系統(tǒng)的駕駛模擬器。吉林大學南嶺校區(qū)(原吉林工業(yè)大學)動態(tài)模擬國家重點實驗室及其駕駛模擬器(簡稱為ADSL駕駛模擬器)經(jīng)過幾年的籌建，于一九九六年正式通過國家有關部門驗收，標志著我國汽車計算機動態(tài)仿真技術(shù)已經(jīng)達到了國際先進水平。ADSL駕駛模擬器（圖1.3所示）是進行“駕駛員一汽車一道路”閉環(huán)系統(tǒng)研究的重要工具，是在先進的計算機、電子、液壓、自動控制等技術(shù)的支持下開發(fā)的大型設備。它主要有以下幾個模塊組成：駕駛模擬艙、運動模擬系統(tǒng)、實時控制與運算系統(tǒng)、視景模擬系統(tǒng)、聲響模擬系統(tǒng)、觸感模擬系統(tǒng)和中央控制臺等。 圖1.3 ADSL駕駛模擬器結(jié)構(gòu) 目前汽車模擬器一般由三自由度、四自由度和六自由度的并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成。 ③ 體感娛樂模擬器 體感娛樂模擬器是一種模仿運動載體特征，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速度和加速度的運動感覺的一種現(xiàn)代新潮游樂設備，它是當代高科技向游樂業(yè)滲透的產(chǎn)物。多自由度并聯(lián)平臺是構(gòu)成娛樂機的機構(gòu)運動主體。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、航海航空旅行模擬機等出現(xiàn)，其載人量最多可達 240 人。此外，利用多自由度并聯(lián)平臺技術(shù)的動感電影也應運而生。運動模擬器的技術(shù)發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)價值都是巨大的。就其技術(shù)而言，有以下發(fā)展途徑： ① 動感模擬更加細膩逼真。動感模擬平臺在控制動態(tài)特性上更加反映真實的運動特點。 ② 與視景系統(tǒng)及三維聲音處理系統(tǒng)無縫連接。 ③ 控制系統(tǒng)增加模擬更加逼真的手感和力感，甚至氣味的感覺。 ④ 開發(fā)的硬軟件技術(shù)將便于共享、升級和移植。 1.3 并聯(lián)機構(gòu)的研究展望 近些年來并聯(lián)機器人研究取得了一些進展,但仍有幾個方面需要進一步研究。 (1)結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)動力學、預報誤差分布的形態(tài)、機構(gòu)構(gòu)型,探求一種機構(gòu)尺寸全參數(shù)綜合優(yōu)化的設計方法,以獲得機構(gòu)最佳性能的科學結(jié)構(gòu)尺寸。 (2) 加強位置正解的研究,尋求一種通用的解析算法,它是解決很多并聯(lián)機構(gòu)問題的關鍵,具有重要的理論與現(xiàn)實意義。 (3) 加強奇異位形的研究,尤其在避開奇異位形的方法上應著重通用性、實用性。奇異位形的判斷對并聯(lián)機器人無奇異路徑存在性判斷準則的建立、運動的可控性等方面具有十分重要的意義。 (4) 探求一種實用、簡單的誤差補償及自動零位標定方法,找出所有單項誤差與機構(gòu)末端誤差關系的解析表達式,有效破解機構(gòu)誤差的耦合性。 (5) 加強并聯(lián)機器人動力學、彈性動力學的理論和試驗研究,這些問題的解決將有利于并聯(lián)機器人動力學性能的提高。 (6) 利用并聯(lián)機器人并聯(lián)特性,研究新的控制算法,降低運算時間,便于實時、在線控制。 (7) 加強并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型的理論研究,對于并聯(lián)機構(gòu)應用的普及具有深遠影響。 綜上所述,并聯(lián)機器人有著廣泛的應用前景,是一種新興的高技術(shù),加強并聯(lián)機構(gòu)的理論研究與工程實踐對于將這種高技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力具有重要的意義。 第二章 并聯(lián)機構(gòu)概述及設計任務 2.1 并聯(lián)機構(gòu)的特點 (1)與串聯(lián)機構(gòu)相比剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； (2)承載能力大； (3)微動精度高； (4)運動負荷小； (5)在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機構(gòu)正解困難反解卻非常容易。 2.2 并聯(lián)機構(gòu)的分類 從運動形式來看，并聯(lián)機構(gòu)可分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)；細分可分為平面移動機構(gòu)、平面移動轉(zhuǎn)動機構(gòu)、空間純移動機構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動機構(gòu)和空間混合運動機構(gòu)，另可按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類： （1）2自由度并聯(lián)機構(gòu)。2自由度并聯(lián)機構(gòu)，如5-R, 3-R-2-P (R表示轉(zhuǎn)動副，P表示移動副)平面5桿機構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機構(gòu)，這類機構(gòu)一般具有2個移動運動。 （2）3由度并聯(lián)機構(gòu)。3自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多，形式較復雜，一般有以下形式:平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR機構(gòu)、3-RPR機構(gòu)，它們具有2個移動和一個轉(zhuǎn)動;球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR球面機構(gòu)、3-UPS-1-S球面機構(gòu)，3-RRR球面機構(gòu)所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構(gòu)的中心，而3-UPS-1-S球面機構(gòu)則以S的中心點為機構(gòu)的中心，機構(gòu)上的所有點的運動都是繞該點的轉(zhuǎn)動運動;3維純移動機構(gòu)，如Star Like并聯(lián)機構(gòu)、Tsai并聯(lián)機構(gòu)和DELTA機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構(gòu);空間3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS機構(gòu)，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點，由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構(gòu)在實際中的廣泛應用，還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)，如德國漢諾威大學研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS1-PU球坐標式3自由度并聯(lián)機構(gòu)，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構(gòu)的運動平臺具有1個移動和2個轉(zhuǎn)動的運動(也可以說是3個移動運動)。 （3） 4自由度并聯(lián)機構(gòu)。4自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR機構(gòu)，運動平臺通過3個支鏈與定平臺相連，有2個運動鏈是相同的，各具有I個虎克鉸U, 1個移動副P，其中P和1個R是驅(qū)動副，因此這種機構(gòu)不是完全并聯(lián)機構(gòu)。 （4）5自由度并聯(lián)機構(gòu)?，F(xiàn)有的5自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)(2個并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)合)。 （5）6自由度并聯(lián)機構(gòu)。6自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領域。但這類機構(gòu)有很多關鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構(gòu)必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中，也有擁有3個運動鏈的6自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-PRPS和3-URS等機構(gòu)，還有在3個分支的每個分支上附加1個5桿機構(gòu)作這驅(qū)動機構(gòu)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)等。 2.3 設計任務 1.設計六自由度新型液壓伺服并聯(lián)機械手，能夠?qū)崿F(xiàn)六個自由度運動。XY方向評議±200，Z方向平移±150，最大回轉(zhuǎn)角度XYZ軸±15度； 2.設計六自由度并聯(lián)機械手的液壓伺服控制系統(tǒng)，并針對所設計系統(tǒng)運用運動正解結(jié)算確定機械手位置； 3.在一定的空間和運動范圍考慮傳感器布置，并設計并聯(lián)機械手的執(zhí)行元件； 4.設計控制系統(tǒng)伺服放大控制單元。 2.4 工作內(nèi)容 1.設計六自由度新型液壓并聯(lián)機械手的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動原理、位移控制方法； 2.設計電液伺服的結(jié)構(gòu)和控制原理及液壓執(zhí)行元件； 3.選擇電氣部分元件，設計驅(qū)動電路及位移檢測電路； 第三章 并聯(lián)機構(gòu)的概念設計及分析方法 3.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇 并聯(lián)機構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)形式，常見的6自由度并聯(lián)機構(gòu)有如圖3.1所示的幾種型式： （a）6—SPS機構(gòu) （b）6—SPS三角機構(gòu) （c）6—SPS雙三角機構(gòu) （d）6—PSS機構(gòu) （e）6—RSS機構(gòu) （f）6—RSS機構(gòu) 圖3.1自由度并聯(lián)機構(gòu)的幾種型式 根據(jù)并聯(lián)機械手的特點，我們選用6-SPS結(jié)構(gòu)，其三種結(jié)構(gòu)的運動學及動力學分析通用，本文選擇的是第一種結(jié)構(gòu)。 3.2 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 6-DOF并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動方式通常有電氣、氣動和液壓3種基本方式，每種裝置都有其優(yōu)缺點，因此使用范圍也各有不同。氣壓驅(qū)動最簡單，它的工作介質(zhì)是高壓空氣，由于空氣的可壓縮性，實現(xiàn)精確控制很困難，但是在能夠滿足精度要求的場合下，氣壓驅(qū)動在所有6-DOF并聯(lián)機構(gòu)中是質(zhì)量最輕、成本最低的。電氣系統(tǒng)啟動容易，可設計成轉(zhuǎn)動慣量小，加、減速性能好的系統(tǒng)，因而在輕載情況下，電氣傳動在高速、高精度、小型化、節(jié)能燈方面更能滿足6-DOF并聯(lián)機構(gòu)的需要。但要得到大功率輸出，電動機的重量和體積都較大。液壓傳動系統(tǒng)的輸出功率大，系統(tǒng)剛度大，輸出位移受外負載的影響小，定位準確，位置誤差小，精度高，這一點是電動和氣動控制所不能比擬的。又因為液體的體積彈性模數(shù)很大，因此充滿液壓油的液壓執(zhí)行元件，其液壓彈簧剛度也是很大的，液壓彈簧與負載形成的液壓諧振頻率高，所以系統(tǒng)的響應速度快。從結(jié)構(gòu)上看，液壓缸是直線位移式驅(qū)動機構(gòu)。液壓系統(tǒng)以液壓油為工作介質(zhì)，油液對運動部件能起潤滑作用，并通過油液的流動將熱量帶走，實現(xiàn)系統(tǒng)的自冷卻，延長元件和系統(tǒng)的使用壽命。此外，利用液壓系統(tǒng)的集成回路可以將系統(tǒng)設計得非常緊湊，以減少系統(tǒng)所占空間。 3.3 自由度計算 根據(jù)選擇的結(jié)構(gòu)形式，對其進行自由度計算，看是否滿足設計要求 由圖可知，該機構(gòu)由動、靜平臺、6根由兩個構(gòu)件組成的伸縮桿組成，總的構(gòu)件數(shù)為： 動靜平臺上各有6個萬向鉸。6個連桿之間有6個運動副。因此機構(gòu)總運動副數(shù)為： g=12+6=18 機構(gòu)中共12個萬向鉸，每個萬向鉸自由度數(shù)為2；液壓缸有共6個移動副，每個自由度數(shù)為1，允許活塞之間與缸體間存在相對轉(zhuǎn)動，即有6個轉(zhuǎn)動副，每個自由度數(shù)為1；所有運動副相對自由度之和為： 空間機構(gòu)自由度計算公式如下： 其中：—為空間機構(gòu)總的自由度數(shù) —為機構(gòu)總的構(gòu)件數(shù) —為機構(gòu)總的運動副數(shù) —為第i個運動副的相對自由度數(shù) 由此可得機構(gòu)的自由度數(shù)為： 故滿足設計要求。 3.4 并聯(lián)機構(gòu)的位置分析方法 機構(gòu)的位置分析走求解機構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置關系，這是機構(gòu)運動分析的最基本的任務，也是機構(gòu)速度、加速度、受力分析、誤差分析、工作空間分析、動力分析和機構(gòu)綜合等的基礎。由于并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，對并聯(lián)機構(gòu)進行位置分析要比單環(huán)空間機構(gòu)的位置分析復雜得多。 當已知機構(gòu)主動件的位置，求解機構(gòu)的輸出件的位置和姿態(tài)稱為機構(gòu)的位置正解，若已知輸出件的位置和姿態(tài)，求解機構(gòu)輸入件的位置稱為機構(gòu)位置的反解。在串聯(lián)機器人機構(gòu)的位置分析中，正解比較容易，反解比較困難，相反在并聯(lián)機構(gòu)的位置分析中，反解比較簡單而正解卻十分復雜，這正是并聯(lián)機構(gòu)分析的特點。下面給出6—SPS并聯(lián)機構(gòu)位置正反解方法，為以后進行并聯(lián)機構(gòu)運動的控制打下基礎。 1.坐標系的建立 根據(jù)6—SPS平臺的結(jié)構(gòu)建立圖3.2所示坐標系。靜坐標系原點位于靜平臺中心點，軸垂直于靜平臺，、軸位于靜平臺平面內(nèi)。動坐標系固定于動平臺上，原點為動平臺中心點，軸垂直于動平臺，、軸位于動平臺平面內(nèi)。在初始狀態(tài)下，動坐標系軸與靜坐標系軸重合，俯視圖如圖3.3 圖3.2 6—SPS并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 圖3.3 坐標系俯視圖 其中為靜平臺鉸點，為動平臺鉸點，各鉸點在各自坐標系下的坐標分別為： 2.位置反解 設動坐標系沿靜坐標系的、和軸分別平移x、y和z后，先繞軸轉(zhuǎn)角，再繞軸轉(zhuǎn)角，最后繞軸轉(zhuǎn)角，以上轉(zhuǎn)動相當于先繞軸轉(zhuǎn)角，再繞軸轉(zhuǎn)角，最后繞軸轉(zhuǎn)角，其旋轉(zhuǎn)變換矩陣為： 其中，。 則齊次坐標變換矩陣為： 設靜平臺各鉸點在靜坐標系中的坐標為，動平臺各鉸點在動坐標系中的坐標為，動平臺各鉸點在靜坐標系中的坐標為，有 則： 由上式可得驅(qū)動桿桿長為： （1） 式（1）即為此并聯(lián)機構(gòu)的位置反解方程，當已知機構(gòu)的基本尺寸和動平臺的位置和姿態(tài)后，就可以利用上式求出6個驅(qū)動桿的長度。 3.位置正解 位置正解是已知各驅(qū)動桿桿長求動平臺的位姿。位置正解主要有數(shù)值解法和解析法。解析法主要是通過消元法消去機構(gòu)約束方程中的未知數(shù)，從而使得機構(gòu)的輸入輸出方程成為只含一個未知數(shù)的高次方程。這種方法的優(yōu)點是可以求解機構(gòu)的所有可能的解，但消元過程一般非常繁瑣,求解一元高次方程時對計算精度要求非常高。數(shù)值方法的優(yōu)點是可以應用于任何形式的并聯(lián)機構(gòu),但一般的數(shù)值方法采用優(yōu)化搜索原理,需要大量的計算時間,且只能達到有限的精度。本文采用Newton迭代法，利用桿長逐次逼近的思想進行位置正解，選取合適的初值，便可以得到合理的位置正解，計算速度快、方法簡便。 （1）構(gòu)造Newton迭代格式。 根據(jù)桿長和動平臺位姿的關系，可以得到桿長的一階導數(shù)和動平臺位姿的一階導數(shù)有如下的關系： （2） 寫成向量形式有： （3） 式中為各驅(qū)動桿速度，為動平臺位姿的一階導數(shù)，稱為雅可比矩陣。 式兩邊同時乘以，并且用表示驅(qū)動桿桿長的增量，動平臺位姿增量用表示，有，則： （4） （2）迭代過程 首先給定一個初始位姿（迭代初值），根據(jù)位置反解，可求得此位姿下各個驅(qū)動桿的桿長。已知驅(qū)動桿的桿長為，兩桿長的差值為： （5） 將式（5）所得差值帶入迭代方程（4）可求得位姿增量，這樣可以得到新的位姿為： （6） 由迭代后的位姿根據(jù)反解方程可得到新的桿長，若雅可比矩陣收斂則相對于來說，更接近于已知桿長。同時，也可以求得新的桿長差值，將此差值代入迭代方程（4）便可求得新的位姿增量以及新的位姿，由反解方程可求得在此位姿下的桿長。同理，比更接近于已知桿長。 重復以上過程，得到的桿長逐次逼近于已知桿長，當各個桿長偏差值之和滿足時，迭代結(jié)束，此時的位姿可認為是已知驅(qū)動桿桿長下的動平臺位姿。 3.5 并聯(lián)機構(gòu)的運動分析方法 為了并聯(lián)機構(gòu)運動分析過程方便起見，引入運動影響系數(shù)。機構(gòu)的影響來數(shù)是機構(gòu)學中一個十分重要的概念，它深刻地反映了機構(gòu)的本質(zhì)，很多機構(gòu)分析問題用影響系數(shù)表達就格外清楚和簡單。如速度分析、加速度分析、誤差分析和受力分析等。都能以機簡單的顯式表達，另一方面，它本身與運動分離，它只與并聯(lián)機構(gòu)的運動學尺寸以及所選原動件的位置有關。運動影響系數(shù)反應了并聯(lián)機構(gòu)的位姿狀態(tài)，當位姿改變時，一階和二階運動影響系數(shù)隨之改變。因此，對于機構(gòu)的性能的一些深入的分析都可以從分析影響系數(shù)矩陣入手，如機構(gòu)的特殊形位、機器人驅(qū)動空間與工作空間的映射、機器人臂的靈活性、各向同性及可操作度等。若已知運動影響系數(shù)，可以方便地以顯函數(shù)的形式表示出該機構(gòu)構(gòu)件的速度和加速度。而影響系數(shù)本身計算又十分方便，實際上一般并不需要求導。許多文獻中，運動影響系數(shù)稱為雅可比矩陣。 3.6 并聯(lián)機構(gòu)動力學分析方法 己知各連桿驅(qū)動力求動平臺的運動屬于并聯(lián)機構(gòu)的動力學正問題；已知動平臺的運動求各連桿需要的驅(qū)動力屬于動力學逆問題。其中并聯(lián)機械手的設計中最具有實際意義的是動力學逆問題，因為它是控制系統(tǒng)和機構(gòu)設計的基本依據(jù)。 對并聯(lián)機構(gòu)進行受力分析時，可以作適當?shù)暮喕?，以方便計算。我們忽略各個驅(qū)動桿及運動副的質(zhì)量，這樣各個驅(qū)動桿可以看作是二力桿，桿件的驅(qū)動力方向即為桿件的主矢方向。并聯(lián)機械手的載荷有給定載荷及平臺的重力，方向垂直向下，受力如圖3.4： 圖3.4 6—SPS并聯(lián)機械手受力圖 根據(jù)質(zhì)點系達朗伯原理，可以把動力學問題視為靜力學中力系平衡的問題，即可以利用靜力學的平衡條件建立系統(tǒng)的運動和受力的關系。 3.7 平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括靜平臺與動平臺的半徑；靜平臺與動平臺短邊中心角；兩平臺間距離；各驅(qū)動桿長度。并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取對平臺的工作空間和機構(gòu)的運動靈活性都會產(chǎn)生影響，所以結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是一個很重要的問題。選取結(jié)構(gòu)參數(shù)應綜合考慮所希望達到的工作空間、剛度、固有頻率、受力及尺寸等方面的要求。 文獻（《新型并聯(lián)機床的固有特性研究》《機械設計》1999年9月）通過對并聯(lián)機構(gòu)固有頻率的研究，得出以下結(jié)論：活動平臺半徑越小越好，固定平臺半徑則盡可能大；由于固定平臺半徑相對較大，鉸鏈位置角對其固有頻率影響也較大，因此要盡可能減小固定平臺鉸鏈位置角，而活動平臺的球鉸位置角可適當放大以便于制造；盡可能減小最大支路長度，或盡可能使機床工作在較小的支路長度范圍內(nèi)以避免機床動力學性能出現(xiàn)惡化；保證加工工件位于工作臺的中心位置。 文獻（《并聯(lián)機床參數(shù)設計》《機械設計與研究》2000.12）通過對并聯(lián)機構(gòu)剛度的研究，得出以下結(jié)論：機床參數(shù)設計時應盡量使兩平臺間距離在0.5～1.5倍的定平臺半徑范圍內(nèi)；動平臺球鉸分布圓半徑一般比動平臺分布圓半徑小，其越大，機床剛度就越大，但工作空間空間越小。 參照現(xiàn)有并聯(lián)機構(gòu)的尺寸，我們定靜平臺半徑為500mm，并以此確定其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。 3.7.1 確定中性面的高度 取機構(gòu)的初始狀態(tài)，當動平臺的高度以H=700+200sin(t)變化時，桿長及其受力的變化趨勢如圖3.5： 圖3.5 動平臺高度變化時桿長及受力變化趨勢 從圖中可知，動平臺的高度越大，受力越小，但是桿長增大，相應的驅(qū)動桿行程也會增大。因此，權(quán)衡受力及桿長的變化，同時考慮電動缸的長度，選擇中性面高度H=900mm。 3.7.2 確定動平臺短邊中心角 取初始狀態(tài)（各桿長及受力相同），當動平臺的位置角以變化時，桿長及其受力變化如圖3.6： 圖3.6 動平臺位置角變化時各桿桿長及受力變化圖 從圖7中可知，當位置角取0度時的受力及桿長都最大，60度時的受力及桿長都最小。 為考慮桿的水平傳力性能，取動平臺做圓周運動時的一個狀態(tài)，當位置角以變化時，桿長及其受力變化如圖3.7： 圖3.7 平臺做圓周運動，位置角變化時桿長及受力的變化 從圖8可知，當位置角等于0度的時候桿受力最小，傳力性能最好，但桿的行程最大。上圖是以球鉸做的仿真分析，而我們選用的是萬向鉸連，故綜合考慮分析結(jié)果及球鉸與萬向鉸連的不同，取動平臺的短邊中心角為0度。當靜平臺的短邊中心角變化時和動平臺類似，同理取靜平臺短邊中心角為0度。即選擇一般的6—6SPS結(jié)構(gòu)。 3.7.3 確定動平臺的半徑 初始狀態(tài)時，當動平臺半徑以rb=400+100sint變化時，桿受力如圖3.8： 圖3.8動平臺半徑變化時桿的受力變化 從圖中可知，動平臺半徑變化時，驅(qū)動桿的受力只有幾牛的變化，變化很小。而并聯(lián)機械手對機床剛度的要求比較高，對工作空間的要求相對較低，故動平臺半徑也選擇為500mm。 3.7.4 校驗平臺處于中間位置時液壓缸與地面的夾角α 由于虎克鉸是系統(tǒng)穩(wěn)定性中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此虎克鉸的轉(zhuǎn)角、產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)矩需要越小越好。而與平臺處于中間位置時與地面的夾角α有關。經(jīng)I. Hostens*, J. Anthonis, H. Ramon在《New design for a 6 dof vibration simulator with improved reliability and performance》一文中指出α=50°時虎克鉸的轉(zhuǎn)角最小。α=70°（平臺豎直運動）時產(chǎn)生的扭矩最小。平臺運動的位置誤差和液壓缸運動中相對于液壓缸的中間位置的上部轉(zhuǎn)動和下部轉(zhuǎn)動之間的對稱性是不能夠被忽視的方面，并且對于系統(tǒng)的辨別和控制是非常重要的。在α=70°時獲得了平臺在豎直自由度內(nèi)運動的最高分辨率，并且在α=65°時液壓缸在所有三個移動自由度內(nèi)運動的穩(wěn)定性最高。α=55°時找到一個好的換位。這也是相鄰的連接到平臺且能提高平臺的穩(wěn)定性的液壓缸附屬裝置間最小距離出現(xiàn)時的角度。 經(jīng)以上尺寸確定的平臺處于最低點時，液壓缸與地面的夾角為63°，可計算得出，平臺處于中間位置時，液壓缸與地面的夾角為66.5°，符合平臺穩(wěn)定性要求。 3.7.5 液壓缸行程、受力的確定 通過以上尺寸，我們可計算出液壓缸的伸長長度為275mm，查閱設計手冊，選用液壓缸的行程為300mm。 液壓缸受力計算。額定負載250kg。 動平臺的質(zhì)量為 m=7.8g/cm3*108cm*96cm*1.5cm=121kg 加上上支撐座和萬向鉸的重量，總重量記為400kg。 每個液壓缸的受力F=4000N/（6*sin63）=748.2N。 第四章 液壓缸設計計算 4.1 液壓缸類型的選擇 液壓缸按工作特點分可分為單作用缸和雙作用缸兩大類；根據(jù)結(jié)構(gòu)還可以分為多種形式。根據(jù)六自由度并聯(lián)機械手的運動特點，選用雙作用單活塞桿無緩沖式液壓缸。 4.2 液壓缸安裝方式的選擇 液壓缸的安裝方式是指缸體與機架的固定或連接方式，可分為軸線固定和軸線擺動兩大類。 根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)的特點，采用矩形后端蓋式固定方式。 4.3 液壓缸主要尺寸的確定 4.3.1 液壓缸工作壓力的確定 根據(jù)工作情況，工作壓力定為10MPa。 表4.1 液壓設備常用的工作壓力 設備 類型 機床 農(nóng)業(yè)機械或中型工程機械 液壓機、重型機械、起重運輸機械 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力P（MPa） 0.8～2.0 3～5 2～8 8～10 10～16 20～32 4.3.2 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定 圖4.1 單活塞桿液壓缸計算示意圖 由圖可知 式中 p1——液壓缸工作壓力，p1=10MPa； p2——液壓缸回油腔背壓力，估計值為1.5MPa； d/D——活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，選為0.7； F——工作循環(huán)中最大的外負載，F(xiàn)按800N進行計算； Ffc——液壓缸密封處摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機械效率ηcm進行估算。 式中ηcm——液壓缸的機械效率，一般ηcm=0.9～0.97 將ηcm代入直徑計算式，可求得D為 可計算出直徑，并參考內(nèi)徑系列選用63mm系列。 4.3.3 液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應力分布規(guī)律因壁厚的不同而異。一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚δ的比值D/δ≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運輸機械和工程機械的液壓缸，一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計算 式中 δ——液壓缸壁厚（m）； D——液壓缸內(nèi)徑（m）； Py——試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25～1.5）倍（MPa）； [δ]——缸筒材料的許用應力。其值為：無縫鋼管：[δ]=100～110MPa。 計算得δ≥4.725mm，在低中壓液壓系統(tǒng)中，按上式計算所得的液壓缸的壁厚往往很小，使缸體的剛度往往很不夠，如在切削過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或漏油。因此只用此公式做校核。故我們按缸體厚度系列選擇缸體外徑為76mm，此時壁厚為6.5mm滿足強度要求。 4.3.4 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度，可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)實際工作的最大行程來確定，并參照行程系列進行選擇。根據(jù)第三章概念設計中的行程要求為275mm，查閱液壓缸行程系列，選擇行程為300mm。 4.3.5 缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求可用下面兩式進行近似計算。 無孔時 有孔時 式中 t——端蓋有效厚度（m）； D2——端蓋止口內(nèi)徑（m）； d0——端蓋孔的直徑（m）。 因為所設計的缸蓋上有進油孔，所以按第二式進行計算，得t≥9.3mm，故我們選用端蓋厚度為10mm。 4.3.6 最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動面中點的距離H稱為最小導向長度。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定的最小導向長度。 對一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求： 式中 L——液壓缸的最大行程； D——液壓缸的內(nèi)徑。 可求得H≥46.5，而所設計的液壓缸結(jié)構(gòu)中H=60mm，滿足要求。 4.3.7 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內(nèi)徑的20～30倍。此液壓缸的內(nèi)部長度為363mm，液壓缸內(nèi)徑為63mm，滿足要求。 4.3.8 活塞桿強度及穩(wěn)定性的驗算 當液壓缸支承長度LB≥（10～15）d時，須考慮活塞桿彎曲穩(wěn)定性并進行驗算。液壓缸的支承長度是指活塞桿全部外伸時，液壓缸支承點與活塞桿前端連接處之間的距離；d為活塞桿直徑。液壓缸的支撐長度LB=400mm，d=36mm，需進行穩(wěn)定性計算。 活塞桿的壓縮強度計算： （m） 式中 F——液壓缸的最大推力，F(xiàn)=800N； σS——材料的屈服強度，σS=100MPa； nS——安全系數(shù)，一般nS取2～4，取nS=3； d——活塞桿直徑（m）。 所以可計算出d≥5.5mm，滿足要求。 活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗算： 活塞桿通常是細長桿體，因此活塞桿的彎曲計算一般可按“歐拉公式”進行。 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界負荷FK，可按下式計算 （N） 在彎曲失穩(wěn)臨界負荷FK時，活塞桿將縱向彎曲。因此，活塞桿最大工作負荷F應按下式驗證 式中 E——活塞桿材料的彈性模數(shù)（MPa），鋼材：E=210*103（MPa）； J——活塞桿橫截面慣性矩（m4）圓截面：J==0.049d4（m4） K——安裝及導向系數(shù)，K=1； nK——安全系數(shù)，一般取 nK=3.5； LB——安裝距，0.75m。 可計算出F≤30294N，此系統(tǒng)中F=750N,故滿足穩(wěn)定性要求。 4.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)設計 液壓缸主要尺寸確定以后，就進行各部分的結(jié)構(gòu)設計。主要包括：缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導向部分結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。 4.4.1 缸體與缸蓋的連接形式 缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關。 下缸蓋與缸筒選用焊接連接式，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小。 上缸蓋與缸體的連接形式選用內(nèi)半環(huán)連接。這種連接的優(yōu)點是外形結(jié)構(gòu)尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕。缺點是缸筒開槽，削弱了強度，端部進入缸體內(nèi)較長，安裝時密封圈易被槽口擦傷。 4.4.2 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)分整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。 這本設計中采用螺紋連接，這種結(jié)構(gòu)簡單，但是在振動的工作條件下容易松動，必須用鎖緊裝置。在此系統(tǒng)中振動較小，但考慮到安全的因素采用了雙螺母防松的辦法。 4.4.3 活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導向套的機構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導向，也可做成與端蓋分開的導向套結(jié)構(gòu)。后者導向套磨損后便于更換，所以應用較普遍。導向套的位置可安裝在密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝在外側(cè)。機床和工程機械中一般采用裝置內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導向套的潤滑；而油壓機常采用裝在外側(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時，使密封圈有足夠的油壓將唇邊張開，以提高密封性能。 活塞桿處的密封形式有O形、V形、Y形和YX形密封圈。為了清除活塞桿處外露部分沾附的灰塵，保證油液清潔及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。 在此設計中，考慮結(jié)構(gòu)的簡單，采用了端蓋整體式直接導向結(jié)構(gòu)，導向套與缸體之間采用了O形密封圈，導向套與活塞桿之間采用了Y形密封圈，在端蓋外側(cè)設置了防塵圈以清潔活塞桿處外露部分沾附的灰塵。 4.4.4 活塞及活塞桿出密封圈的選用 活塞及活塞桿處的密封圈的選用，應根據(jù)密封的部位、使用的壓力、溫度、運動速度的范圍不同而選擇不同類型的密封圈。 活塞與缸體及活塞與活塞桿處的密封選用O形密封圈加擋圈的形式，此密封裝置的壓力范圍是≤35MPa，溫度范圍是-30～+130，速度范圍是≤5m/s，符合我們的要求。 4.4.5 液壓缸的緩沖裝置 液壓缸帶動工作部件運動時，因運動件的質(zhì)量較大，運動速度較高，則在到達行程終點時，會產(chǎn)生液壓沖擊，甚至使活塞與缸筒端蓋之間產(chǎn)生機械碰撞。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在行程末端一般設置緩沖裝置。 查閱設計手冊得知，缸徑小于Φ80的液壓缸不帶緩沖裝置，但出于安全性考慮，可以在編制控制軟件時，在行程兩端預留一段距離，可以控制活塞在運動過程中不會與缸筒端蓋之間發(fā)生機械碰撞。 4.4.6 液壓缸的排氣裝置 對于運動速度穩(wěn)定性要求較高的機床液壓缸和大型液壓缸，則需設置排氣裝置，如排氣閥等。 排氣閥一般安裝在液壓缸兩端的最高處，當液壓缸需要排氣時，打來相應的排氣閥，空氣連同油液經(jīng)過錐部縫隙和小孔排除缸外，直至連續(xù)排油時，就將排氣閥關死。 第五章 電液伺服系統(tǒng)總體方案設計 5.1 系統(tǒng)組成 本六自由度運動模擬器手是液壓伺服驅(qū)動、并聯(lián)式的運動模擬器，由動平臺、固定平臺、電液伺服控制子系統(tǒng)等組成。運動模擬器以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)運動平臺的各種運動。并聯(lián)式的運動模擬器具有承載能力強，剛性好，無累積誤差，精度高等特點。 5.2 電液伺服系統(tǒng)的構(gòu)成 6-DOF運動模擬器由計算機控制子系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)構(gòu)成6-DOF運動模擬器的位置伺服控制系統(tǒng)。運動模擬器電液伺服子系統(tǒng)包括非對稱直線液壓缸、電液伺服閥、位置傳感器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制電路及主控計算機等，其中電液伺服閥及其PID控制器是電液伺服子系統(tǒng)的核心元件，通過它可以實現(xiàn)對電液伺服子系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)。 構(gòu)成運動模擬器的電液伺服控制系統(tǒng)的基本元件如圖2.1所示： 圖5.1.電液伺服控制系統(tǒng)控制原理框圖及其基本元件 （1）指令元件：給出與反饋信號同樣形式的控制信號，如PC計算機等。 （2）檢測元件：檢測被控量，給出系統(tǒng)的反饋信號，如位置傳感器電流差動變壓器式位移傳感器。 （3）比較元件：把控制信號和比較信號加以比較，給出偏差信號，其由比較電路組成。 （4）放大、轉(zhuǎn)換控制元件：把偏差信號放大，轉(zhuǎn)換成液壓信號（流量、壓力），并控制執(zhí)行機構(gòu)運動，如放大器、伺服閥等。 （5）執(zhí)行元件：液壓缸。 （6）控制對象：運動模擬器的動平臺及其它負載裝置。 此外，還有各種校正裝置，以及不包含在控制回路內(nèi)的能源設備和其它輔助裝置等。 5.3 六自由度運動模擬器位置伺服控制系統(tǒng)工作過程 圖5.2.位置伺服控制系統(tǒng)工作過程框圖 以一個液壓缸的唯一為例說明其工作原理。首先由控制計算機送出位置指令信號，同時位移傳感器測量液壓缸的位移并以模擬信號的形式提供給計算機，計算機通過A/D轉(zhuǎn)換得到當前液壓缸的位移量，得到這兩個量后經(jīng)PID控制算法得到數(shù)字控制量，這個數(shù)字控制量再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成模擬電信號，輸入電液控制子系統(tǒng)從而控制液壓缸位移。以此達到控制運動模擬器的位置，實現(xiàn)運動再現(xiàn)的目的。位置PID控制器參數(shù)經(jīng)實驗整定，獲得良好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。 第六章 電氣原理設計（液壓缸位移檢測電路） 6.1 電氣系統(tǒng)的基本組成 使用A/D（數(shù)模轉(zhuǎn)換）芯片進行數(shù)據(jù)采集是單片機的一個主要應用。微型計算機的廣泛應用，促進了測量儀表和測量系統(tǒng)的自動化、智能化。在A/D、D/A接口系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)設計者的主要任務是根據(jù)用戶對A/D、D/A轉(zhuǎn)換通道的技術(shù)要求，合理地選擇通道的結(jié)構(gòu)以及按一定的技術(shù)、經(jīng)濟準則，恰當?shù)剡x擇所需的各種集成電路，在硬件設計的同時還必須考慮通道驅(qū)動程序的設計，較好的驅(qū)動程序可以使同樣規(guī)模的硬件設備發(fā)揮更高的效率。 利用A/D方法進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計時，需要考慮三個方面的內(nèi)容，一是針對系統(tǒng)的需求選擇合適的A/D器件，二是根據(jù)所選擇的A/D器件設計外圍電路與單片機的接口電路，三十編寫控制A/D器件進行數(shù)據(jù)采集的單片機程序。 圖6.1A/D轉(zhuǎn)換單片機系統(tǒng)的組成 此電氣系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是將由傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成能與控制信號比較的數(shù)字信號，并能完成數(shù)據(jù)的外部存儲。為實現(xiàn)這個要求，此電氣系統(tǒng)應包括傳感器、多路開關、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機最小系統(tǒng)（包括單片機、復位電路、晶振電路、外部擴展ROM、RAM電路）。如圖6.1所示。 6.2 電氣系統(tǒng)主要元件的選擇 6.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器 選擇A/D轉(zhuǎn)換器主要應考慮以下幾個指標 （1）A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定，應該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)平滑性這兩方面進行考慮。從靜態(tài)精度方面來說，要考慮輸入信號的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤差，它是模擬信號數(shù)字化時產(chǎn)生誤差的主要部分。量化誤差與A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關。一般把8位一下的A/D轉(zhuǎn)換器歸為低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，9～12位的成為中分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，13位以上的成為高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器。10位A/D芯片以下誤差較大，11位以上對減小誤差并無太大貢獻，但對A/D轉(zhuǎn)換器的要求卻提得過高。因此，取10位或11位是合適的。所以在此系統(tǒng)中加上符號位，我們選擇12位的A/D轉(zhuǎn)換器。 （2）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)就是每秒鐘完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時，應該考慮系統(tǒng)的采樣速率，與系統(tǒng)的節(jié)拍相匹配。 （3）A/D轉(zhuǎn)換器兩成 A/D轉(zhuǎn)換器分單極性和雙極性，有著不同的接線方式，由所輸入信號的形式?jīng)Q定。在此系統(tǒng)中我們選擇了單極性輸出的傳感器，所以選用A/D轉(zhuǎn)換器的單極性轉(zhuǎn)換方式。 （4）滿刻度誤差 滿刻度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。 （5）線性度 實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換函數(shù)與理想直線的最大偏移。 綜上指標，在此系統(tǒng)中選用型號為AD547A的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度為25μs,轉(zhuǎn)換精度為0.05%，芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，無需附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL兼容。 6.2.2 傳感器 差動變壓器具有精度高達0.1μm量級、線圈變化范圍大（可擴大到±100mm，視結(jié)構(gòu)而定）、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，且不存在機械過在問題，對高溫、低溫和溫度變化也不敏感，并且能提供比較高的輸出，常用于沒有中間放大的場合，但不適宜于高頻動態(tài)測量。差動變壓器式LVDT位移傳感器具有良好的環(huán)境適應性，使用壽命長，靈敏度和分辨率高。 在此系統(tǒng)中選用北京京海泉傳感科技有限公司生產(chǎn)的DA-150型位移傳感器。測量范圍：±150mm或0～300mm，線性度<0.2%，輸出信號選擇為0～10V，工作電源用+5V，頻響0～200HZ，靈敏度50mV/mm，溫度系數(shù)0.01%/℃～0.03%/℃，