基于六自由度液壓平臺(tái)設(shè)計(jì)

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機(jī)電控制系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)題 目: 基于六自由度液壓平臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)械工程（04）班 學(xué)生姓名： 楊 斌 學(xué) 號(hào)： 20140220021 I目 錄第 1 章 六自由度平臺(tái)的簡(jiǎn)介和應(yīng)用 11.1 六自由度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 11.2 六自由度并聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用方向 2第 2 章 六自由度平臺(tái)工作原理及分析 52.1 六自由度平臺(tái)工作原理 52.2 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作空間 92.3 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式 10第 3 章 六自由度平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 123.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 123.2 動(dòng)力泵站 133.3 液壓系統(tǒng)的工作原理 13第 4 章 基于 SOLIDWORKS 虛擬樣機(jī)建模與仿真 164.1 液壓平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 164.2 虛擬樣機(jī)的建立與仿真 174.2.1 零件建模 .174.2.2 裝配設(shè)計(jì) .184.2.3 運(yùn)動(dòng)分析 .19第 5 章 基于 PID 的系統(tǒng)控制 .225. 1 液壓伺服并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)模型 225. 2 PID 控制原理 24第 6 章 總 結(jié) 271第1章 六自由度平臺(tái)的簡(jiǎn)介和應(yīng)用六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由 1965 年德國(guó)結(jié)構(gòu)工程師 Stewart 發(fā)明研制的，所以也叫 Stewart 平臺(tái)。它由一個(gè)上平臺(tái)（動(dòng)平臺(tái)） ，一個(gè)下平臺(tái)（靜平臺(tái)） ，六個(gè)可伸縮的桿件和 12 個(gè)運(yùn)動(dòng)鉸鏈將桿件和上、下平臺(tái)連接而構(gòu)成的一個(gè)并聯(lián)式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是用于飛行器、運(yùn)動(dòng)器（如飛機(jī)、車(chē)輛）模擬訓(xùn)練的動(dòng)感模擬裝置，是一種并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它通過(guò)改變六個(gè)可以伸縮的作動(dòng)筒來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的空間六自由度運(yùn)動(dòng)（垂直向、橫向、縱向、俯仰、滾轉(zhuǎn)、搖擺） ，即X、Y、Z 方向的平移和繞 X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及這些自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。1.1 六自由度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)六自由度平臺(tái)由下平臺(tái)(固定底座)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、虎克鉸（或球鉸）和六個(gè)作動(dòng)器組成，如圖 1.1 所示。伺服驅(qū)動(dòng)缸通過(guò)虎克鉸以并聯(lián)的形式將固定底座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接起來(lái)，因而六個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)缸均可獨(dú)立地伸縮。通過(guò)六個(gè)伺服缸的協(xié)調(diào)伸縮，相對(duì)于固定下平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)上平臺(tái)就可以靈活實(shí)現(xiàn)空間六個(gè)自由度方向上的位姿運(yùn)動(dòng)。六個(gè)自由度方向上的位姿運(yùn)動(dòng)包括沿三個(gè)坐標(biāo)軸的線性移動(dòng)和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圖 1.1 六自由度系統(tǒng)平臺(tái)簡(jiǎn)圖并聯(lián)機(jī)構(gòu)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(1)同串聯(lián)機(jī)構(gòu)的懸臂梁比較，六自由并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由 6 個(gè)作動(dòng)器同時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛度較大，且承載能力大;(2)串聯(lián)式機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大都固定在運(yùn)動(dòng)的大小臂上，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性增加，動(dòng)力性能惡化，而并聯(lián)式則可將驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于固定底座上，2減小了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，動(dòng)力性能較好;(3)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差是相關(guān)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因此誤差大而精度低。而并聯(lián)機(jī)構(gòu)則誤差趨向平均化，不存在如此的誤差積累和放大關(guān)系，因而誤差小、精度高;(4)并聯(lián)式機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)往往為對(duì)稱(chēng)式，其各向同性好;(5)在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，反解非常困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)則與之相反，正解困難，反解容易。多自由度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)反解運(yùn)算，并聯(lián)式容易實(shí)現(xiàn)，而串聯(lián)式卻十分不易。為了對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更加清晰地說(shuō)明，將并聯(lián)機(jī)器人和串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行比如表 1.1 所示表 1.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)比較表比較項(xiàng)目 串聯(lián)機(jī)構(gòu) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間剛度奇異性負(fù)載能力慣量結(jié)構(gòu)精度速度加速度正解反解動(dòng)力學(xué)控制設(shè)計(jì)復(fù)雜性成本大低有一些低大簡(jiǎn)單誤差積累較低較低容易困難復(fù)雜較簡(jiǎn)單低較高小高多高小復(fù)雜誤差平均化較高較高困難通常容易非常復(fù)雜復(fù)雜高較低1.2 六自由度并聯(lián)平臺(tái)的應(yīng)用方向目前六自由度并聯(lián)平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練模擬駕駛、運(yùn)動(dòng)仿真、工業(yè)生產(chǎn)空間、飛行器對(duì)接機(jī)構(gòu)及其地面試驗(yàn)設(shè)備、衛(wèi)星天線換向裝置、海軍艦船觀測(cè)臺(tái)以及天空望遠(yuǎn)鏡跟蹤定位系統(tǒng)等場(chǎng)合。根據(jù)末端執(zhí)行器功用的不同，可以把并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用方向分為如下幾類(lèi):(1)承載運(yùn)動(dòng)。如可應(yīng)用于食品、藥物以及化妝品的包裝和電子類(lèi)產(chǎn)品的裝3配;還可用于短距離重物搬運(yùn)與大扭矩螺栓緊固等工業(yè)領(lǐng)域。(2)運(yùn)動(dòng)模擬器。六自由度并聯(lián)機(jī)器人是模擬器的最重要載體，它能提供運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)沖擊及過(guò)載動(dòng)感等運(yùn)動(dòng)感覺(jué)，使運(yùn)動(dòng)模擬更加逼近真實(shí)感覺(jué)。運(yùn)動(dòng)模擬器現(xiàn)己廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，如飛行員三維空間駕駛模擬器，船舶搖擺模擬臺(tái)，汽車(chē)駕駛模擬器;娛樂(lè)運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)等。如圖 1.2 所示。圖 1.2 汽車(chē)模擬器(3)并聯(lián)機(jī)床。并聯(lián)機(jī)器人作為數(shù)控加工中心，被稱(chēng)為虛擬軸機(jī)床，是在工業(yè)上一個(gè)特別突出的重要應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)鏈極短、質(zhì)量輕、剛度大、切削效率高、成本低，并且能完成復(fù)雜三維曲面的加工。(4)微動(dòng)精密定位機(jī)構(gòu)。繼并聯(lián)機(jī)床之后，微動(dòng)精密定位機(jī)構(gòu)是又一個(gè)迅速發(fā)展并付諸產(chǎn)業(yè)的實(shí)用產(chǎn)品，主要應(yīng)用領(lǐng)域有精加工、航空航天和醫(yī)療手術(shù)等。基于六自由度并聯(lián)機(jī)器人的精密定位機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件慣量小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、動(dòng)態(tài)特性好及無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，從而其具有較高的可靠性和可重復(fù)性。同樣運(yùn)用并聯(lián)機(jī)器人位置精度高、力控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制出多種用于手術(shù)輔助治療的醫(yī)用設(shè)備。圖 1.3 所示為醫(yī)用機(jī)器人。圖 1.3 醫(yī)用機(jī)器人(5)操作器。在航空領(lǐng)域，并聯(lián)機(jī)器人可應(yīng)用于太空飛船的對(duì)接裝置。六自4由度并聯(lián)對(duì)接機(jī)構(gòu)能夠完成對(duì)正抓取、柔性連接及鎖緊等一系列對(duì)接動(dòng)作，能夠滿足飛船常用對(duì)接機(jī)構(gòu)的捕獲環(huán)在空間六自由度上的靈活運(yùn)動(dòng)的技術(shù)要求。在航海領(lǐng)域，遇難潛艇救援時(shí)也可以運(yùn)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)完成救援裝備與潛艇的對(duì)接。同樣在相對(duì)困難的地下工程領(lǐng)域，如煤礦開(kāi)采、土方等，也有并聯(lián)機(jī)器人廣闊的用武之地5第2章 六自由度平臺(tái)工作原理及分析2.1六自由度平臺(tái)工作原理典型的 Stewart 結(jié)構(gòu)形式的平臺(tái)的 6 個(gè)液壓缸在其軸向的驅(qū)動(dòng)下能使上平臺(tái)在空間里完成六個(gè)自由度方向(X 軸,Y 軸,Z 軸,繞 X 軸轉(zhuǎn)動(dòng) a 角,繞 Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)刀角,繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng) /角) 的運(yùn)動(dòng),從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。且平臺(tái)從機(jī)構(gòu)學(xué)上來(lái)講,理論分析計(jì)算方面己經(jīng)很詳實(shí),和并聯(lián)機(jī)床、并聯(lián)機(jī)器人、各種模擬仿真器等功能大致雷同的。因此,對(duì)其自由度、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及工作空間解析作下介紹。（1） 平臺(tái)自由度解析由圖 1.1 我們可以看出六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù) n=13，運(yùn)動(dòng)副數(shù) m=18，其中有 12 個(gè)萬(wàn)向節(jié)鉸鏈、6 個(gè)圓柱副（萬(wàn)向節(jié)限制的自由度數(shù)為 4，圓柱副限制的自由度為 4，所以該平臺(tái)的自由度數(shù)計(jì)算公式如下：（2-1）式子中：n 為活動(dòng)構(gòu)件總數(shù)， m 為運(yùn)動(dòng)副總數(shù)，pi 為第 i 個(gè)運(yùn)動(dòng)副的限制自由度數(shù)。將以上數(shù)據(jù)代入公式得： F=6 ×13?(4×12+4×6)=6所以可知 Stewart 平臺(tái)的自由度數(shù)為 6，也就是說(shuō) Stewart 平臺(tái)可以模擬空間的任意運(yùn)動(dòng)。（2） 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析第一：建立位置坐標(biāo)系。根據(jù)平臺(tái)的二維平面圖建立圖 2.1 所示上下平臺(tái)的坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn) O 視作為基座下平臺(tái)靜坐標(biāo)系 O-XYZ 的中心點(diǎn)，OZ 軸與下平臺(tái)垂直，OX 軸、OY 軸分別在下平臺(tái)的平面內(nèi)。在上動(dòng)平臺(tái)上標(biāo)記動(dòng)坐標(biāo)系 O'一 X'Y'Z'，中心點(diǎn)以就是上動(dòng)平臺(tái)的原點(diǎn)，上平臺(tái)被 O'Z'軸垂直，在上平臺(tái)平面內(nèi)有兩個(gè)軸分別為 O'X'軸和 O'Y’軸。在初始條件下，即六組驅(qū)動(dòng)桿的位移均為零時(shí)或者在平臺(tái)處于平衡位置時(shí)，動(dòng)坐標(biāo)系里的 O'X‘軸與 O'Y‘軸，分別與下平臺(tái)的 OX 軸、OY 軸兩兩平行6圖 2.1 六自由度平臺(tái)二維平面圖平臺(tái)的輸入構(gòu)件與輸出構(gòu)件之間存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系—平臺(tái)位置坐標(biāo)的分析,分別是位置正解、位置反解。理解這兩種位置求解算法是對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制的充分條件。眾多研究經(jīng)驗(yàn)表明分析串聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系時(shí),正解算法求解容易、反解算法復(fù)雜度很高,然而推導(dǎo)并聯(lián)式機(jī)構(gòu)存在的位置關(guān)系時(shí),反解算法相對(duì)正解算法來(lái)講要相對(duì)容易。因此,我們對(duì)并聯(lián)式平臺(tái)的位置反解算法作了詳細(xì)介紹,對(duì)正解算法進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)略的分析。第二：位置反解算法。根據(jù)輸出構(gòu)件各種已知的位置與姿態(tài),對(duì)輸入構(gòu)件的位置進(jìn)行反解過(guò)程—機(jī)構(gòu)的位置反解。在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中,六自由度平臺(tái)的 6 個(gè)空間位姿參數(shù) X,Y,Z,α,β,γ 往往是提供的,要控制平臺(tái)就需要求出六根液壓缸的位移長(zhǎng)度 L1、L2…L6 。, 這就是事先知道輸出量求解輸入量,屬于位置反解推導(dǎo)。換而言之,如果機(jī)構(gòu)的尺寸大小、上平臺(tái)的具體位姿參數(shù)告訴后,就能把位置反解方程推導(dǎo)出來(lái),最終實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)的空間姿態(tài)。在圖 2.5 中建立一種歐拉角坐標(biāo)系,并且在上、下平臺(tái)里分別創(chuàng)建動(dòng)態(tài)與靜態(tài)坐標(biāo)系 O’-X’Y’Z’和 O-XYZ,所以上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可以看作兩部分組成,即 O’- X’Y’Z’坐標(biāo)的原點(diǎn) O’在 O-XYZ 三個(gè)坐標(biāo)軸(X、Y、Z) 方向上發(fā)生的平移,還有繞坐標(biāo)軸發(fā)生(α ,β,γ) 的旋轉(zhuǎn)。為了不發(fā)生角度之間的相互耦合,通常對(duì)剛體發(fā)生的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)由歐拉角來(lái)進(jìn)行描述,另外不同的旋轉(zhuǎn)次序也會(huì)產(chǎn)生不同的歐拉角規(guī)定。本研究中把歐拉角作如下規(guī)定：繞 Z’軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) γ 角,繞 Y’軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) β 角,繞 X’軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) α 角。下平臺(tái) 6 個(gè)鉸點(diǎn)的靜坐標(biāo)分別記錄為： 那么上平臺(tái) 6 個(gè)鉸點(diǎn) a1,a2 …a6 的動(dòng)坐標(biāo)分別記錄 且作為已知，容易求出相應(yīng)的姿態(tài)參7數(shù) X,Y,Z,α,β,γ 的上平臺(tái) 6 個(gè)鉸點(diǎn)的靜坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算空間坐標(biāo)系里兩點(diǎn)的距離便能得出 L1、L2…L6。圖 2.2 歐拉角坐標(biāo)系取 Al 與 al 作為例子分析求解與其相連接的液壓缸的位移長(zhǎng)度為 Ll。由上面所描述的分解運(yùn)動(dòng),則下面就是靜態(tài)坐標(biāo) 和動(dòng)態(tài)坐標(biāo) 之間的轉(zhuǎn)換公式:（2-2）上式中 i 可取 1~6 中任意一整數(shù)， [T]是 α,β,γ 三個(gè)參數(shù)的構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)矩陣，而且矩陣[T]并不是已知的，接下來(lái)求解出旋轉(zhuǎn)矩陣。依照本研究對(duì)歐拉角的定義,如圖 2.5 所示,分別建立 4 個(gè)子坐標(biāo)系。第一步繞著 Z 軸轉(zhuǎn)過(guò) γ 角度，則的關(guān)系變換如下：（2-3）上式用矩陣表示：（2-4）8繞 y’軸旋轉(zhuǎn) β 角度，其變換關(guān)系為：（2-5）繞 x’’軸旋轉(zhuǎn) α 角度，其變換關(guān)系為：（2-6）對(duì)上面的三個(gè)變換公式進(jìn)行合并,可得:（2-7）在沒(méi)有平移而只有旋轉(zhuǎn)的前提下,由上面旋轉(zhuǎn)變換的過(guò)程可以獲得, 可由 取代，兩者都是靜坐標(biāo)，同理 可由 取代，兩者都是動(dòng)作標(biāo)，因此旋轉(zhuǎn)變化矩陣（2-8）把矩陣[T]導(dǎo)入轉(zhuǎn)換公式，求解出 ai 在靜坐標(biāo)下的坐標(biāo) ，那么求解出六個(gè)缸的空間長(zhǎng)度 Li 為：（2-9）上式就是六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用的位置反解方程,當(dāng)機(jī)構(gòu)的尺寸、動(dòng)感平臺(tái)的位姿已知后，就能利用上式求出 6 個(gè)桿子的實(shí)際長(zhǎng)度。 第三：位置正解算法。正解是指根據(jù)每個(gè)液壓缸的長(zhǎng)度為 l*,求解上平臺(tái)的具體位姿 x*。下面介紹一種位姿的正解問(wèn)題有效數(shù)值法,該數(shù)值法是參照求解含多個(gè)未知數(shù)的非線性方程組稱(chēng)為 Newton 迭代法,它的特點(diǎn)是收斂速度快。依照機(jī)構(gòu)的具體位置反解的方程,求得變換關(guān)系式:（2-10）式中:J 稱(chēng)為雅克比矩陣：9T 為桿長(zhǎng)的一階導(dǎo)；為動(dòng)平臺(tái)位姿的一階導(dǎo)；把式(2 一 12)的兩邊一起乘上 dt,然后用△1 表示桿長(zhǎng)變化的增量,最后由△x 表示動(dòng)平臺(tái)位姿的增加量,關(guān)系式為（2-11）上式（2-13）也可以表達(dá)為：（2-12）其中 x*為近似值,將 x'用 代替,可得 Newton 迭代公式:（2-13）上式`是迭代的次數(shù)，當(dāng) 達(dá)到規(guī)定的精度就會(huì)停止迭代,如果迭代時(shí)發(fā)生收斂，那么 就會(huì)收斂向 x*。借助于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能,會(huì)發(fā)現(xiàn)利用此種迭代法可以對(duì)所要分析位姿無(wú)限小的逼近其精度。此外,為了改善 Stewart 類(lèi)型的平臺(tái)正解的實(shí)用性與工程性,工程項(xiàng)目中一般利用 Newton 迭代法外接傳感器法兩者結(jié)合六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型正解方法,并且在精度要求不是十分嚴(yán)格的情況下,此方法方便、使用。2.2 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作空間工作空間就是并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作區(qū)域，它是衡量并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。特別是當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床時(shí)，必須嚴(yán)格準(zhǔn)確地計(jì)算出其工作空間范圍，這樣才能避免事故的發(fā)生。根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作位置和姿態(tài)特點(diǎn)，我們可以把工作空間分為靈活工作空間和可達(dá)工作空間兩種：（1）靈活工作空間是指并聯(lián)機(jī)構(gòu)上的某一個(gè)參考點(diǎn)可以從沿任意方向到達(dá)該點(diǎn)的點(diǎn)的集合，靈活工作空間是完全工作空間的一個(gè)子集。對(duì)于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，由于受到機(jī)構(gòu)條件的約束，平臺(tái)一般不能繞某一個(gè)空間旋轉(zhuǎn) 360 度，所以說(shuō)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一般是沒(méi)有靈活工作空間的。（2）可達(dá)工作空間是指并聯(lián)機(jī)構(gòu)在滿足各種約束條件的情況下，可以到達(dá)的所有空間點(diǎn)的集合，它在沒(méi)有考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)的情況下取得的。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，為了保證運(yùn)動(dòng)桿件不發(fā)生干涉，我們?cè)谠O(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)就必須首先計(jì)算出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的完全可達(dá)空間，包括動(dòng)平臺(tái)可能到達(dá)的所有空間點(diǎn)，以此作為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。影響工作空間大小的主要因素有：并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)、靜平臺(tái)半徑大小，運(yùn)動(dòng)10鉸鏈的運(yùn)動(dòng)角度范圍、中位高度、運(yùn)動(dòng)桿件行程、運(yùn)動(dòng)桿件自身體積等。一般來(lái)說(shuō)，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作空間都比較小。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間范圍求解過(guò)程非常復(fù)雜的，其很大程度上取決于對(duì)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的位置解答的研究成果，到目前為止還沒(méi)有得出一個(gè)非常完善的求解方法，現(xiàn)在采用的并聯(lián)平臺(tái)工作空間的計(jì)算方法主要有解析法、數(shù)值法和幾何法。當(dāng)運(yùn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)角超過(guò)極限范圍或運(yùn)動(dòng)桿件間發(fā)生干涉，機(jī)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生破壞性損壞，發(fā)生事故，但運(yùn)動(dòng)桿件位移到達(dá)極限前，一般都會(huì)設(shè)有緩沖裝置的保護(hù) ,損傷較小,所以一般把運(yùn)動(dòng)桿件的位移極限位置看成是平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)極限位置。通常用的計(jì)算方法是根據(jù)桿件的位移范圍搜索出工作空間邊界 ,然后再進(jìn)行鉸鏈關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和桿件間干涉的校驗(yàn)?？蛇_(dá)空間邊界的判斷依據(jù)包括：運(yùn)動(dòng)桿件位移的上下限制、鉸鏈關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的極限和運(yùn)動(dòng)桿件間的干涉三個(gè)方面。對(duì)于六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，它的任何運(yùn)動(dòng)都是由六個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng) (三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))組合形成的 ,也就是由六個(gè)桿件的不同位移組合而成的,兩者存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,也可以根據(jù)這個(gè)關(guān)系就可以找出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)極限范圍2.3 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，每種驅(qū)動(dòng)方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。1、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的一種方式，工作介質(zhì)是高壓空氣，由于空氣的可壓縮性，實(shí)現(xiàn)精確控制較困難，但在能夠滿足精度要求的場(chǎng)合下，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式是質(zhì)量最輕、成本最低的。2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)容易，可以設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，加、減速性能好的機(jī)器人系統(tǒng)，因而在輕載的情況下，電機(jī)傳動(dòng)在高速、精度、小型化、節(jié)能等方面更能滿足工業(yè)機(jī)器人的需要。但是要得到大功率的輸出，電動(dòng)機(jī)的重量和體積會(huì)很龐大。3、液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)能夠提供精確的直線運(yùn)動(dòng)，并且液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率大，有較高的精度和響應(yīng)速度，調(diào)速范圍寬，在低速范圍內(nèi)，性能要優(yōu)于電機(jī)。液壓系統(tǒng)以液壓油為工作介質(zhì)，油液對(duì)運(yùn)動(dòng)部件可以起到潤(rùn)滑作用，并通過(guò)油液的流動(dòng)將一部分熱量帶走，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自冷卻，可延長(zhǎng)元件和系統(tǒng)的壽命。另外11液壓系統(tǒng)的剛度比較大，有利于閉環(huán)系統(tǒng)的精確定位。同時(shí)，由于液壓系統(tǒng)的功率體積比大，采用液壓系統(tǒng)的集成回路可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)得較為緊湊，以減少系統(tǒng)所占用的空間。從上述分析可知，并聯(lián)機(jī)構(gòu)響應(yīng)快速，精度高，通常應(yīng)用于負(fù)載大的場(chǎng)合，與液壓驅(qū)動(dòng)的條件符合。本文所研究的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)也正是基于液壓驅(qū)動(dòng)的模式。12第3章 六自由度平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模是本文研究的重點(diǎn)，六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)液壓系統(tǒng)是由液壓缸驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)六個(gè)液壓缸的來(lái)回協(xié)調(diào)伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，整個(gè)液壓系統(tǒng)由液壓泵站、油路、電液伺服閥、電液伺服控制器和液壓缸和位移傳感器等組成。液壓伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要有以下三種方式：定量泵－溢流閥恒壓能源、定量泵－蓄能器－卸荷閥能源和恒壓變量泵能源。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)所需的功率比較大，并從節(jié)能角度考慮，在本文中選用的是恒壓式變量泵作為液壓系統(tǒng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是效率高，適用于高壓、大功率、大流量、間歇工作的系統(tǒng)。它的缺點(diǎn)是恒壓式變量泵的調(diào)節(jié)速度較慢，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量變化較大時(shí)，可能會(huì)因?yàn)楸脕?lái)不及調(diào)節(jié)而引起壓力的突變，因此，這種能源機(jī)構(gòu)常常與蓄能器同時(shí)使用，蓄能器一方面可以消除壓力波動(dòng)，另一方面可以適應(yīng)短期的流量峰值。液壓控制系統(tǒng)的控制方式主要分為兩大類(lèi)：1、閥控系統(tǒng)，也稱(chēng)節(jié)流控制系統(tǒng)。用控制閥來(lái)控制液壓油流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量，從而改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，通常為恒壓油源供油。這種控制方式有閥控液壓缸和閥控液壓馬達(dá)。 2、泵控系統(tǒng)，也稱(chēng)容積控制系統(tǒng)。用伺服變量泵給執(zhí)行元件供油，通過(guò)改變泵的排量來(lái)控制流入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量，從而改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度。在泵控系統(tǒng)中，壓力取決于負(fù)載。這類(lèi)控制方式有泵控液壓缸和泵控液壓馬達(dá)，本文研究的平臺(tái)液壓系統(tǒng)采用閥控液壓缸的控制方式。而液壓控制系統(tǒng)主要可以分為：液壓開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)、電液伺服控制系統(tǒng)和電液比例控制系統(tǒng)三大類(lèi)，三個(gè)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其控制精度水平上。液壓開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)中的控制元件只有兩種工作狀態(tài)，也就是開(kāi)啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的高質(zhì)量的控制，則必須要求有足夠多的控制元件，把各個(gè)控制元件調(diào)整成某一特定的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)受控對(duì)象的預(yù)定順序和要求動(dòng)作的控制。開(kāi)關(guān)元件簡(jiǎn)單、工作可靠，不存在系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。可以利用計(jì)算機(jī)放大輸出數(shù)字信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作，避免使用價(jià)格昂貴的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件，從而使控制系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。此外，開(kāi)關(guān)控制可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，也可以實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)控制，所以開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)一般主要應(yīng)用在一些控制質(zhì)量要求不高、控制動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。電液比例控制系統(tǒng)是指在液壓傳動(dòng)控制過(guò)程中，通過(guò)接受模擬信號(hào)或數(shù)字13信號(hào)，使輸出的流量和壓力能連續(xù)成正比地進(jìn)行控制。電液比例控制系統(tǒng)中的主控元件可以有無(wú)限種狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象的無(wú)限種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)可以將幾個(gè)比例元件代替復(fù)雜的開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，可以大大的簡(jiǎn)化了液壓控制系統(tǒng)。電液伺服控制系統(tǒng)是使伺服閥的輸出量正比于輸入的控制電流或電壓。由于伺服閥的快速響應(yīng)速度快，并且具有很高的控制精度，所以伺服控制系統(tǒng)在航空、航天、軋鋼設(shè)備以及試驗(yàn)設(shè)備中得到了廣泛的使用，但是伺服控制的伺服元件制造成本非常昂貴，對(duì)油液的清潔度要求很高，系統(tǒng)的能耗也很大。液壓系統(tǒng)的能源是來(lái)自于液壓泵站的恒壓式變量泵，該泵驅(qū)動(dòng)支撐動(dòng)平臺(tái)的六個(gè)液壓缸運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)電液伺服閥控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度和位置，以實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。液壓泵輸出的壓力油分成六路，經(jīng)過(guò)電液伺服閥后進(jìn)入液壓缸。液壓能源的壓力是由變量泵調(diào)定，蓄能器的作用是作應(yīng)急動(dòng)力源和消除壓力脈動(dòng)的作用，并可以和恒壓變量泵一起給伺服系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供油壓力，保證了液壓控制系統(tǒng)的高性能。液壓泵的進(jìn)口過(guò)濾器可以防止油污進(jìn)入液壓泵，對(duì)液壓泵起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)變量泵的使用壽命。3.2 動(dòng)力泵站動(dòng)力系統(tǒng)為模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)提供能源，由于液壓伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、空間占用面積小、驅(qū)動(dòng)力大、控制精度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。液壓泵站是動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件，主要作用是給系統(tǒng)提供壓力油，是整個(gè)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?，同時(shí)兼具控制調(diào)解功能，它主要由各種控制閥、恒壓變量泵、電機(jī)、蓄能器、冷卻裝置和油箱等組成，結(jié)構(gòu)方面采用塊式集成布置方式，將油路直接做在輔助連接件上或液壓閥的閥體上，借助連接件及其油路孔道實(shí)現(xiàn)液壓控制閥及其它元件和管路的集成連接和油路連接，具有管件少、結(jié)構(gòu)緊湊、組裝方便、外觀整齊美觀、油路通路短，不易泄漏、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。3.3 液壓系統(tǒng)的工作原理液壓系統(tǒng)工作原理和組成示意圖如圖 3.1 所示。工作原理:控制及監(jiān)控系統(tǒng)分別向六組模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的伺服閥對(duì)應(yīng)的發(fā)出橫搖、縱搖和縱蕩等六組信號(hào)，與各自的傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)比較后，其差值經(jīng)伺服放大器放大，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服閥產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的壓力流量(液壓放大)，使伺服缸的輸出與輸人信號(hào)成比例; 同時(shí)伺服缸的傳感器將輸出反饋到輸人端，構(gòu)成閉環(huán)控制， 6 組液壓伺服系統(tǒng)同時(shí)推動(dòng)模擬平臺(tái)做各種搖擺，模擬實(shí)際環(huán)境。該系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)控制，用單出桿的電液伺服閥控缸作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)由軟件進(jìn)行解藕14運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)臺(tái)體 6 個(gè)自由度的獨(dú)立和聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。圖 3.1 液壓系統(tǒng)原理圖1) 液壓缸活塞缸內(nèi)徑 D 設(shè)計(jì)液壓輸出力 F=(π*D^2)*p/4依據(jù)上述計(jì)算得出:液壓缸直徑 D 為 80 mm，考慮到經(jīng)濟(jì)及維護(hù)保養(yǎng)性，選用標(biāo)準(zhǔn)系列的液壓缸活塞缸，活塞桿直徑 d 為 56 mm，可滿足使用性能要求。最大推力：F=π/4*64*200=100.5KN最大拉力：2)液壓泵的流量計(jì)算及液壓泵的選型設(shè)計(jì)條件:按系統(tǒng)六缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)，其平均速度 v 按 200 mm / s 進(jìn)行計(jì)算，故所需泵的流量為:q=6*A*v=6*π/4*64*2*60=360L/min以此為依據(jù)，選用兩臺(tái)某公司生產(chǎn)的斜盤(pán)式柱塞泵，型號(hào)泵，型號(hào)SYDFEE}X/AlOVSOl00P 液壓泵的排量分別為 140 mL/r,100 mL/r，驅(qū)動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n-1470 r/min，則總流量為 352 L/min 能滿足使用要求。3)壓力控制閥的選型根據(jù)變量泵的流量，系統(tǒng)的工作壓力按 P 為 21 MPa , 流量、l=150 L/min和 200 L/min 選取。選擇電磁溢流閥型號(hào) :DBW16A} 30/315UG24,閥的最大流量200 L/min，調(diào)節(jié)壓力 21 MPa，最高壓力 32 MPa 能滿足伸用要求。4)計(jì)算液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率，選擇電動(dòng)機(jī)根據(jù)恒壓變量泵的驅(qū)動(dòng)功率:15選用電子比例控制的壓力流量復(fù)合控制泵，系統(tǒng)的壓力和流量與負(fù)載適應(yīng)，考慮到在使用過(guò)程中壓力和速度不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值，選取電機(jī)的功率為分別為 55 kW 和 45 kW。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果及泵的額定轉(zhuǎn)速 1470 r/min，選擇兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為 Y200L} ,n =1470 r/min，功率分別為 55 kW ,45 kW，總裝機(jī)功率 100 kW .5)伺服閥流量確定和選型如果設(shè)定每個(gè)缸的最大速度為 0.3 m/s 則通過(guò)閥的流量為 q =50 x 30 x60 = 90 L/min，所以選伺服閥、壓力繼電器)產(chǎn)生誤動(dòng)作，干擾液壓系統(tǒng)的正常下，影響液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性;同時(shí)液壓沖閥作的額定流量為 80 L/min，壓差為 0. 5 MPa，選用型號(hào) SFL223,額定壓力 21 MPa ,閥芯直徑 9. 4 mm，可滿足使用要求。該六自由平臺(tái)采用上述設(shè)計(jì)的液壓伺服控制系統(tǒng)，六套液壓缸并聯(lián)的多支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)橫搖、縱搖、舶搖、垂蕩、橫蕩、縱蕩動(dòng)作獨(dú)立和組合運(yùn)行，使整個(gè)平臺(tái)抗外負(fù)載干擾的能力明顯增強(qiáng)，剛度好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，承載能力大，可達(dá) 10T 以上，給平臺(tái)總體誤差的影響不會(huì)是一般串聯(lián)式機(jī)構(gòu)難以避免的疊加累積式的，誤差積累小，精度較高，姿態(tài)變化幅度可設(shè)定。16第4章 基于Solidworks 虛擬樣機(jī)建模與仿真虛擬樣機(jī)技術(shù)是建造物理樣機(jī)前對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象在計(jì)算機(jī)上建立的虛擬模型機(jī),利用其完成設(shè)計(jì)對(duì)象功能的可行性及其工作性能的分析,更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性,比較設(shè)計(jì)方案,優(yōu)化設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)械設(shè)計(jì)效率等。仿真模型的建立和模擬現(xiàn)實(shí)條件是虛擬樣機(jī)的重要基礎(chǔ)。筆者設(shè)計(jì)的六自由度液壓平臺(tái)因其自由度較多,正過(guò)程的運(yùn)動(dòng)仿真比較困難,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)逆過(guò)程的仿真,即給定末部執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡或運(yùn)動(dòng)參數(shù),來(lái)研究各驅(qū)動(dòng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和特性,包括平臺(tái)的建模、仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程、極限位置、最大運(yùn)動(dòng)量、干涉等。4.1 液壓平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)包括上、下平臺(tái),變長(zhǎng)桿系統(tǒng),鏈接上、下平臺(tái)和變長(zhǎng)桿的鉸接元件,力傳感元件,位移傳感元件等,如圖 3.1 所示。4.1 六自由度液壓平臺(tái)裝配模型下平臺(tái)為固定平臺(tái)，上平臺(tái)為可動(dòng)平臺(tái)臺(tái),采用 6 根變長(zhǎng)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。6 根變長(zhǎng)支桿采用鉸接在上、下平臺(tái)之間的液壓缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。從模仿人肌肉的角度出發(fā),為體現(xiàn)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)一體化的思想,將力傳感器分別集成在液壓平臺(tái)的 2個(gè)平臺(tái)間的 6 個(gè)液壓缸的缸桿上,用 6 個(gè)一維拉、壓傳感器檢測(cè) 1 個(gè)六維力。位移檢測(cè)元件位移傳感器選用ＦＸ-11 型直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器。它把振蕩器、相敏解調(diào)器與差動(dòng)變壓器封裝在一起,只需提供穩(wěn)定的直流電源,就能獲得與位移量成線性關(guān)系的直流電壓輸出。鉸接元件,采用萬(wàn)向節(jié)鉸接設(shè)計(jì)。這樣,在支路上,上、下萬(wàn)向節(jié)各有 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度,液壓缸伸縮有 1 個(gè)移動(dòng)自由度,缺少的 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度由液壓缸和液壓活塞桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。按照上面的設(shè)計(jì)原則,采用的結(jié)構(gòu)尺寸：上、下鉸接元件的分布圓半徑分別為上平臺(tái)半徑ｒａ=300ｍｍ,下平臺(tái)半徑ｒｂ=600ｍｍ,液壓缸行程為 60ｍｍ,上、下平臺(tái)的初始位置高度為 h= ，上、下鉸接17點(diǎn)之間的距離和上平臺(tái)端鉸接元件的分布圓之間的關(guān)系滿足: 另外,為了保證鉸接元件運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)空間的充分利用,采用支座設(shè)計(jì)使鉸接元件在液壓缸的中間工作位置時(shí)處在原始狀態(tài)(即鉸接元件的軸線重合狀態(tài))。4.2 虛擬樣機(jī)的建立與仿真ＳＷ是美國(guó) Solidworks 公司生產(chǎn)的完全基于ＮＴ/ Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺(tái)的集三維機(jī)械設(shè)計(jì)(ＣＡＤ) 、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析和結(jié)構(gòu)有限元分析(ＣＡＥ)、計(jì)算機(jī)輔助制造(ＣＡＭ) 、大型企業(yè)管理(ＰＤＭ) 等各種功能為一體的軟件。利用ＳＷ對(duì)六自由度液壓平臺(tái)進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)分析,必須以三維實(shí)體為基礎(chǔ),合理選擇運(yùn)動(dòng)副和定義連桿的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)六自由度液壓平臺(tái)的正確運(yùn)動(dòng)仿真。同其它方法相比,該方法可以很容易解決看起來(lái)很復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真問(wèn)題。依托ＳＷ強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)分析功能,能精確地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算,并可以得出漂亮的虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)畫(huà)演示,能夠很好地解決復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問(wèn)題。通過(guò)建立虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究,可以降低實(shí)驗(yàn)成本,提高實(shí)驗(yàn)效率。并且能夠?qū)\(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真,檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等,對(duì)實(shí)際樣機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要的參考和指導(dǎo)價(jià)值。4.2.1 零件建模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是和造型設(shè)計(jì)合為一體的,所以必須在零件模式下繪出零件的立體模型。Solidworks 是非常有效的三維設(shè)計(jì)軟件,利用軟件進(jìn)行實(shí)體建模十分方便。根據(jù)部件的形狀和尺寸,在 Solidworks 軟件的零件模塊中利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征創(chuàng)建方式建立各個(gè)零件的模型。在建模過(guò)程中,一定要充分利用各零部件之間的位置關(guān)系和連接關(guān)系,選擇合適的草繪平面、參照平面及特征的生成方式,即通過(guò)合理地設(shè)定各零件之間的父子關(guān)系,以盡量減少部件上的定位尺寸,提高設(shè)計(jì)效率。這里不做具體分析,主要零部件的建模結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。圖 4.2 部分零件的建模利用ＳＷ軟件的零件建模模塊(Ｐａｒｔｓ)生成六自由度液壓平臺(tái)各零件18的三維模型,其中平臺(tái)的基座、上平臺(tái)與液壓缸聯(lián)接用萬(wàn)向節(jié)的聯(lián)接座,設(shè)計(jì)比較復(fù)雜和困難,因其接觸配合面為一空間面,與坐標(biāo)平面無(wú)任何位置關(guān)系,又要保證下動(dòng)板處于中間位置時(shí),液壓缸和兩側(cè)的萬(wàn)向節(jié)的 4 個(gè)叉形接頭軸線重合,并要保證與基座相接的萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑 600ｍｍ的圓上,與下動(dòng)板相接的萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心分布在直徑 300ｍｍ的圓上,萬(wàn)向節(jié)兩兩成對(duì),共 3 對(duì),每對(duì)回轉(zhuǎn)中心間距 80ｍｍ,圓周分布。所以要經(jīng)過(guò)精確空間位置計(jì)算,利用構(gòu)建輔助線、輔助面、拉伸等方法完成建模。4.2.2 裝配設(shè)計(jì)六自由度液壓平臺(tái)的裝配設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,包含萬(wàn)向節(jié)的裝配、液壓缸的裝配、力傳感器的裝配、位移傳感器的裝配等,因零件較多,為方便裝配,采用自底而上的裝配方法。在具體操作中,應(yīng)該根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選擇合適的連接形式,并對(duì)運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。正確地選擇并使用約束類(lèi)型和連接形式,對(duì)能否成功地實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真至關(guān)重要。圖 4.3 部分零件分組裝配圖 4.4 自下而上裝配過(guò)程為了便于運(yùn)動(dòng)分析,按照運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行部件裝配,即按照部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行19分組,如液壓缸體和位移傳感器裝配為一體,而力傳感器和液壓缸的活塞桿、位移傳感器的拉桿裝配為一體,萬(wàn)向節(jié)和鎖緊螺母裝配為一體等。4.2.3 運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)仿真是在成功建立了其裝配模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)定義靜止部件、運(yùn)動(dòng)部件,并為在各起始運(yùn)動(dòng)件上定義驅(qū)動(dòng)電機(jī)、選擇連接軸和運(yùn)動(dòng)方向、設(shè)定運(yùn)動(dòng)初始條件或參數(shù)等一系列操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。打開(kāi)設(shè)計(jì)樹(shù)右側(cè)的齒輪標(biāo)文件夾即為運(yùn)動(dòng)分析模塊( ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ),它內(nèi)置于ＳＷ,使用ＡＤＡＭＳ/ＳＯＬＶＥＲ求解器,能對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ,包括運(yùn)動(dòng)極限位置分析、干涉分析、軌跡跟蹤、測(cè)量、圖表、動(dòng)畫(huà)生成,以及為ＡＤＡＭＳ及其它大型分析軟件輸出三維設(shè)計(jì)文件等。裝配體直接應(yīng)用于分析模塊,分析模塊會(huì)根據(jù)零件間的裝配關(guān)系而賦予零件間以恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)副,表征運(yùn)動(dòng)關(guān)系。如液壓缸連接的螺紋,根據(jù)裝配關(guān)系會(huì)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)副,實(shí)際機(jī)構(gòu)中是不運(yùn)動(dòng)的,即轉(zhuǎn)化的運(yùn)動(dòng)副多數(shù)不符合要求,因而仿真前不必改變裝配關(guān)系,直接在分析模塊中將轉(zhuǎn)化的運(yùn)動(dòng)副去掉,再根據(jù)需要重新定義。圖 4.5 液壓缸運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的定義(1)運(yùn)動(dòng)副的定義裝配體設(shè)計(jì)中系統(tǒng)自動(dòng)將最先導(dǎo)入的構(gòu)件作為固定構(gòu)件(先導(dǎo)入的基座為機(jī)架), 其后導(dǎo)入的構(gòu)件均為可動(dòng)構(gòu)件,也可以手動(dòng)進(jìn)行修改,運(yùn)動(dòng)分析模塊遵循這樣的原則。這樣根據(jù)需要將各零件間賦予不同的運(yùn)動(dòng)副,如缸體螺紋連接處及螺紋固定處賦予固定副(Ｆｉｘｅｄ),萬(wàn)向節(jié)叉形接頭與基座、下動(dòng)板支座、缸體、力傳感器間的連接為轉(zhuǎn)動(dòng)副(Ｒｅｖｏｌｕｔｅ),活塞桿與缸體、位移傳感器測(cè)桿與主體間為圓柱副(Ｃｙ-ｌｉｎｄｒｉｃａｌ)等定義整個(gè)平臺(tái)。(2)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的定義仿真模塊提供了位移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式,每種方式提供無(wú)驅(qū)動(dòng)、位移( 角度 )驅(qū)動(dòng)、速度 (角速度) 驅(qū)動(dòng)、加速度(角加速度 )驅(qū)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)類(lèi)型,根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型,可定義為連續(xù)、步進(jìn)函數(shù)、諧波函數(shù)、齒條和表達(dá)式等方式。而六自由度液壓平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)包括滾動(dòng)、仰俯、轉(zhuǎn)動(dòng)和 3 個(gè)平移運(yùn)動(dòng),可根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式的不同給出不同的驅(qū)動(dòng)方式。(3)運(yùn)動(dòng)分析為保持上動(dòng)板與基座平行的前提下,分別定義 1#和 2#液壓缸或 2#和 3#液壓20缸的運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)±25ｍｍ(因初始位置為中間位置,液壓缸行程為 50ｍｍ),共分四種情況仿真,得出其最大位移量,并繪制曲線。如圖 4.6 所示,分別是以中間位置為基礎(chǔ)的最大翻轉(zhuǎn)角度、最大平移距離和最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度仿真結(jié)果曲線。圖 4.6 中間位置最大翻轉(zhuǎn)曲線圖 4.7 中間位置最大平移曲線圖 4.8 中間位置最大轉(zhuǎn)動(dòng)曲線21第5章 基于PID 的系統(tǒng) 控制5. 1 液壓伺服并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)模型平臺(tái)選用液壓驅(qū)動(dòng)方式，主要是因?yàn)橐簤焊啄軌蛱峁┚_的直線運(yùn)動(dòng)，而且液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率大，有相當(dāng)高的精度和響應(yīng)速度，且調(diào)速范圍大。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的六個(gè)液壓伺服通道是相同的，故只對(duì)其中一個(gè)通道進(jìn)行傳遞函數(shù)推導(dǎo)，以便為控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)現(xiàn)將功率放大器、伺服比例閥、液壓缸及其負(fù)載作為廣義的被控對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖 5. 1 所示。圖 5.1 被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖1 功率放大器功率放大器采用深度電流反饋方式，其傳遞函數(shù)為:（5-1）式中:Ka 為放大器增益，單位 AN;叱為力矩馬達(dá)線圈轉(zhuǎn)折頻率，單位 rad/s o由于 Wa 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于伺服比例閥的固有頻率，可以忽略，以上慣性環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)成一個(gè)比例環(huán)節(jié):（5-2）2.伺服比例閥其傳遞函數(shù)為:（5-3）式中: 為閥的阻尼比; 為閥的流量增益，單位 m3/A*s; 為閥的固有頻率，單位 rad/s。此傳遞函數(shù)是一個(gè)震蕩環(huán)節(jié)，當(dāng) 大于液壓缸與負(fù)載的固有頻率 時(shí)它可簡(jiǎn)化成慣性環(huán)節(jié) ( 為閥的時(shí)間常數(shù))，當(dāng) 時(shí)它可進(jìn)22一步簡(jiǎn)化成比例環(huán)節(jié)3.液壓缸與負(fù)載其傳遞函數(shù)為:（5-4）式中: 為缸與負(fù)載的阻尼比; 為缸的固有頻率，單位 rad/s ; Kv。為液壓缸的增益。干擾的傳遞函數(shù)為:（5-5）式中: 為總流量一壓力系數(shù)，單位 m5/N*s; Y 為液壓缸左右兩腔及其與伺服閥連接管路的容積之和，單位 m3 ; 為液壓油的體積彈性模量，單位Pa;A 為油缸有效工作面積，單位 m2; 為集中考慮作用在液壓主動(dòng)關(guān)節(jié)上的等效干擾力。綜合上式，可得并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)單通道伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖 5. 2 所示?？梢缘玫较到y(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（5-6）23圖 5. 2 單通道伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方塊圖首先給主控機(jī)一個(gè)輸入信號(hào)，對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行位置反解，求得各個(gè)液壓桿的長(zhǎng)度，將每個(gè)液壓桿長(zhǎng)度信號(hào)傳輸給對(duì)應(yīng)的電液伺服控制單元，并按照設(shè)計(jì)的控制規(guī)律來(lái)控制進(jìn)入液壓缸的液壓油流量和方向，從而控制該液壓桿的長(zhǎng)度以及位移變化的速度，在液壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，反饋單元進(jìn)行位移信號(hào)的采集，將液壓機(jī)構(gòu)的位置信息反饋給主控機(jī)，構(gòu)成位置閉環(huán)，以此來(lái)達(dá)到位置的精確控制。5. 2 PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中常用的控制規(guī)律是 PID 控制‘似一叫系統(tǒng)原理框圖如圖 5. 3 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。圖 5. 3 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 rin(t)與實(shí)際輸出值 yout(t)構(gòu)成控制偏差:e(t)=rin(t)一 yout(t) （5-7）PID 的控制規(guī)律為:（5-8）24或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式:（5-9）式中:kp,為比例系數(shù);T1 為積分時(shí)間常數(shù);TD 為微分時(shí)間常數(shù)。PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié) :成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。C2)積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) T,，T,越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。(3)微分環(huán)節(jié): 反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率) ，并能在偏差信號(hào)變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。計(jì)算機(jī)控制是一種采集控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù) PID 控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計(jì)算機(jī) PIC控制中，使用的是數(shù)字 PID 控制器。1 位置式 PID 控制算法按模擬 PID 控制算法，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即:（5-10）可得離散 PID 表達(dá)式:（5-11）式中: ；T 為采樣周期;k 為采樣序號(hào)，k=1.2.3….e(k-1)和 e(k)分別為第((k-1)和第 k 時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。25這種算法有以下缺點(diǎn)，由于是全量輸出使得每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大;而且因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是在實(shí)際場(chǎng)合中所不允許的，因而出現(xiàn)了增量式 PID 算法。2.增量式 PID 控制算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，采用增量式 P 工 D 控制。根據(jù)增量推理原理可得:（5-12）在采樣周期 T 己知的情況下，確定 kp , ki, kd,后，只需利用前后三次測(cè)量值的偏差，既可由式求出控制增量。采用增量式算法，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置增量，獲得 u(k)需要對(duì)增量行積累。增量式控制算法的優(yōu)點(diǎn)在于:由于計(jì)算機(jī)輸出的是增量，所以誤動(dòng)作影響小。手動(dòng)/ 自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道和執(zhí)行裝置具有信號(hào)鎖存作用，故仍能保持原值。算式中不需要累加，確定增量△u(k) 僅與最近幾次采樣值有關(guān)，但同時(shí)采用這種算法積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出影響大。結(jié)合 MATLAB 做相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)。26第6章 總 結(jié)六自由度并聯(lián)平臺(tái)是一個(gè)空間并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)改變六個(gè)可伸縮的支撐桿的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的六種基本運(yùn)動(dòng)及其組合將船舶在海洋中搖擺的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)真實(shí)的仿真出來(lái)。但是六自由度并聯(lián)平臺(tái)是一個(gè)高度復(fù)雜的、強(qiáng)耦合的、存在嚴(yán)重非線性的系統(tǒng)，主要是針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析，包括位置正解和反解，并對(duì)六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了建模，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，給出了液壓伺服并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)模型，并使用 PID 控制方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。