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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 六自由度液壓運動平臺的自動控制 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923280 學(xué)生姓名： 賴坤楠 指導(dǎo)教師： 龔常洪 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 六自由度液壓運動平臺 的自動控制 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果。有關(guān) 觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻等的引用已在文中指出，并與參考文獻相對應(yīng)。 其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容外， 本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 96 學(xué) 號： 0923280 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 六自由度液壓運動平臺的自動控制 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，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(chǔ) 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，，，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛 應(yīng)用到各種訓(xùn)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(shè)備等領(lǐng)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(xué)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(lǐng)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(lǐng)域水平的標志性象征。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： 1查閱資料，了解國內(nèi)外多自由度運動平臺的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 I 2確定總體方案，設(shè)計六自由度運動平臺的本體結(jié)構(gòu)和液壓伺服系統(tǒng)并完成 相關(guān)工程圖的設(shè)計。 3建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,使用 PID 控制方式提高系統(tǒng)的運動性能。運用虛 擬樣機技術(shù)，在 ADMAS 環(huán)境下，對六自由度運動平臺進行運動學(xué)和動力學(xué)的仿 真。 4完善各個部分，撰寫設(shè)計說明書。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 96 班 姓名 賴坤楠 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所所長 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 II 摘 要 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，可以完成在空間六個自由度 （X，Y，Z ， ，，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種 訓(xùn)練模擬器上。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(xué)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(lǐng)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(lǐng)域水平的標志性象 征。 通過六自由度運動平臺的機構(gòu)特點及應(yīng)用，可以在平臺控制總體設(shè)計的基礎(chǔ)上完成液壓 伺服系統(tǒng)的建模工作,在 Matlab 軟件中對系統(tǒng)進行了仿真分析,將常規(guī) PID 控制和基于神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)算法的先進 PID 控制方法進行對比,仿真結(jié)果表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID 控制方法對伺服系 統(tǒng)具有良好的控制效果,同時也證明了電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性,將控制策略應(yīng)用于樣 機平臺,平臺運行穩(wěn)定,流暢。為平臺控制的進一步改進和完善奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：六自由度平臺；液壓；PID 控制 III Abstract Six degree of freedom motion platform, because there is a very broad application prospects, can be completed in the space of six degrees of freedom (X, Y, Z, alpha, beta, gamma) movement, which can simulate various spatial motion, can be widely applied to various training simulator. As the development of six degree of freedom motion platform, relates to the mechanical, hydraulic, electrical, control, computer, sensor, the spatial movement mathematical model, real-time signal transmission and processing, graphic display, dynamic simulation and so on a series of high-tech fields, so the development of six degree of freedom motion platform into colleges and universities, research institutes to hydraulic and control field level symbol. Through the mechanism, characteristics and application of six degree of freedom motion platform, can complete the modeling of hydraulic servo system based on the general control platform design, in the Matlab software to simulate the system analysis, the conventional PID control and PID neural network algorithm based on advanced control methods were compared, the simulation results show that the PID neural network the control method has good control effect of the servo system based on, it also proved that the design of electro-hydraulic servo control system is reasonable, the control strategy is applied in the prototype platform, platform stable operation, smooth. As a platform to control the further improvement and laid the foundation for the perfection of. Key words：6-DOF platform；hydraulic；PID control IV 目 錄 摘要 ...............................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目錄 ................................................................................................................................................V 1 緒論..............................................................................................................................................1 1.1 課題背景及意義 ...................................................................................................................1 1.2 六自由度平臺發(fā)展及應(yīng)用 ...................................................................................................1 1.3 六自由度平臺國內(nèi)外研究狀況 ...........................................................................................3 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 ................................................................................................................3 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ................................................................................................................4 1.4 課題主要研究內(nèi)容 ...............................................................................................................4 2 六自由度運動平臺本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .............................................................................................5 2.1 平臺主要性能指標 ...............................................................................................................5 2.2 平臺結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................................5 2.3 平臺驅(qū)動方式 .......................................................................................................................6 3 液壓缸設(shè)計 .................................................................................................................................7 3.1 簡介 ........................................................................................................................................7 3.2 液壓缸的設(shè)計 .......................................................................................................................7 3.3 液壓缸的密封設(shè)計 .............................................................................................................10 3.4 支承導(dǎo)向的設(shè)計 .................................................................................................................10 3.5 防塵圈的設(shè)計 .....................................................................................................................11 3.6 液壓缸材料的選用 .............................................................................................................11 3.7 液壓泵的選擇 .....................................................................................................................12 3.8 電機的選擇 .........................................................................................................................14 4 液壓油路設(shè)計 ...........................................................................................................................15 4.1 液壓設(shè)備外接線路 .............................................................................................................15 4.2 操作板 .................................................................................................................................15 4.3 程序地址分配 .....................................................................................................................16 4.4 芯片接線圖 .........................................................................................................................17 4.5 PLC 程序指令 ......................................................................................................................20 5 液壓伺服系統(tǒng)的建模與仿真 ...................................................................................................25 5.1 六自由度運動平臺系統(tǒng)的總體設(shè)計 .................................................................................25 5.2 數(shù)學(xué)模型的建立 .................................................................................................................25 5.2.1 單個作動器的數(shù)學(xué)模型 ..............................................................................................26 5.3 系統(tǒng)的控制及仿真 .............................................................................................................26 5.3.1 基于常規(guī) PID 的控制系統(tǒng)仿真研究 ..........................................................................26 5.3.2 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法 ...................................................................................27 V 5.3.3 仿真實現(xiàn) ......................................................................................................................28 6 液壓運動平臺的運動仿真 .......................................................................................................30 6.1 液壓平臺的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................................................................30 6.2 虛擬樣機的建立與仿真 .....................................................................................................31 6.2.1 零件建模 ......................................................................................................................31 6.2.2 裝配設(shè)計 ......................................................................................................................32 6.2.3 運動分析 ......................................................................................................................33 6.3 結(jié)束語 .................................................................................................................................36 7 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................37 致謝 ...............................................................................................................................................38 參考文獻 .......................................................................................................................................39 六自由度液壓運動平臺的自動控制 1 1 緒論 1.1 課題背景及意義 六自由度平臺的研制對艦船運動規(guī)律的研究起著重要的作用平臺可以在實驗室中模擬艦 船在海上航行時搖擺的情況將艦船在海洋中搖擺的姿態(tài)和運動真實地再現(xiàn)出來并能檢測艦載 直升機系統(tǒng)和各分系統(tǒng)在各種搖擺和位置姿態(tài)下的動態(tài)和靜態(tài)技術(shù)性能。該專用設(shè)備主要由 機械運動系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、信號采集處理系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和 各種安全保護裝置等組成可按試驗要求實現(xiàn)六個自由度的旋轉(zhuǎn)運動以及這些自由度的復(fù)合運 動以達到模擬艦船在海上的垂蕩、縱蕩、橫蕩、縱搖、橫搖和艏搖各種搖擺狀況的目的。 六自由度平臺可以進行船舶運動和結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究同時也是駕駛員航海訓(xùn)練的一種良好 設(shè)備可以將艦載武器和設(shè)備儀器放在平臺上進行陸地實驗減少海上實驗次數(shù)這樣就降低了實 驗成本和研究周期。可見用平臺在實驗室作運動模擬試驗具有明顯的節(jié)能性、安全性、可控 性、無破壞性、經(jīng)濟性、可操作性和訓(xùn)練效率高等優(yōu)點對進行艦船運動模擬技術(shù)研究具有重 要意義。 目前運動模擬技術(shù)己成為多快好省達到研究艦船運動和訓(xùn)練飛行目的的最佳途徑六自由 度平臺是一種發(fā)展快、應(yīng)用廣的典型運動模擬器是一具有重大經(jīng)濟價值和國防戰(zhàn)略意義的高 精尖試驗設(shè)備而我國在這一領(lǐng)域的設(shè)計和制造水平與西方發(fā)達國家相比還有相當大的差距。 因此深入研究六自由度平臺運動系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論對其關(guān)鍵技術(shù)進行理論分析和實驗研制出性 能優(yōu)良能滿足各方面需求的平臺對提高我國的仿真技術(shù)水平增強國防實力具有重大的理論意 義和實際應(yīng)用價值。 1.2 六自由度平臺發(fā)展及應(yīng)用 上世紀年代末特別是年代以來并聯(lián)式機構(gòu)被廣為關(guān)注成為新的熱點由于六自由度平臺具 有結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力強、位置精度高、哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文響應(yīng)快的優(yōu)點而且 可以靈活地實現(xiàn)六個自由度的三維空間運動。 1965 年六自由度平臺是英國工程師 Stewart 于 1965 年在他的論文A Platform with 6 degrees freedom中作為一種六軸并聯(lián)式空間機構(gòu)的設(shè)計提出的 ,稱為 Stewart 機構(gòu) 1。在制 作飛行模擬器后,Stewart 機構(gòu)逐漸成為飛行摸擬器的標準機構(gòu)。到 70 年代初,美國 NASA 等 研究中心公布了 6-DOF 并聯(lián)式平臺的研究成果,相繼出現(xiàn)了 6-DOF 并聯(lián)機構(gòu)運動平臺的飛行 模擬器。1974 年美國制定了空勤人員訓(xùn)練模擬器 6-DOF 并聯(lián)式運動平臺系統(tǒng)軍用標準 MIL- STD-1588。此后 6-DOF 并聯(lián)式運動平臺己趨向標準化、系列化生產(chǎn)階段。1978 年澳大利亞 著名的機構(gòu)學(xué)專家 Hunt.KH 教授指出 Stewart 機構(gòu)更接近于人體的結(jié)構(gòu),提出可將 Stewart 平 臺機構(gòu)用作并聯(lián)機器人的主要機構(gòu),至此并聯(lián)機器人的研究受到許多學(xué)者的關(guān)注。MacCallion 和 Pham 在 1979 年首次利用這種機構(gòu)設(shè)計出了用于裝配的機器人 ,從此拉開了并聯(lián)機器人研 究的序幕,此后 Stewart 機構(gòu)又被稱為并聯(lián)機器人。 Stewart 機構(gòu)在大功率裝配機器人、步行機器人、機器人手腕等方面得到進步的發(fā)展。Stewart 機構(gòu)進 一步的應(yīng)用范圍逐漸擴展到機床方面,即所謂的并聯(lián)機床,但不論是并聯(lián)機器人還是并聯(lián)機床,要實現(xiàn)運動精 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 確伺服控制是非常困難的,主要難點在于 Stewart 機構(gòu)在運動學(xué)、動力學(xué)極其控制方面蘊涵的復(fù)雜性 和大量的計算。進入到上世紀 80 年代末以后,計算機工業(yè)的飛速發(fā)展為解決 Stewart 機構(gòu)諸 多難點提供了強有力的支持,對 Stewart 機構(gòu)的研究和研究進入了一個新的時期。 Hunt 應(yīng)用空間機構(gòu)自由度計算準則及螺旋理論對 Stewart 機構(gòu)的機器人進行了機構(gòu)綜合 研究,給出了多種 6-DOF 的并聯(lián)機構(gòu)的基本形式。 1988 年 Merlet 教授提出了 INRIA 并聯(lián)機 構(gòu)的樣機。1997 年意大利研制出具有六個自由度的 Turin 并聯(lián)機構(gòu)。 六自由度平臺的另一個重要的發(fā)展方向,是作為微動機構(gòu)或微型機構(gòu),在三維空間微小移 動,仍具有小的土作空間,這種微動機構(gòu)正好發(fā)揮了六自由度搖擺臺的特點,工作空間小大,但精 度和分辨率都非常高。一個例子是用在眼科手術(shù)中,治療視網(wǎng)膜靜脈閉,另有一種微動雙指并 聯(lián)機構(gòu),用于生物工程上的細微外科手術(shù)中的細胞操作。 由于六自由度并聯(lián)機構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛,其領(lǐng)域不斷擴展。按平臺的工作特性,可以分為 兩個方面的應(yīng)用操作器和運動仿真。 在國防軍事上,隨著高新技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)代化武器裝備技術(shù)先進、價格昂 貴的特點越來越突出。一艘先進戰(zhàn)艦造價昂貴,如果全部實裝訓(xùn)練不僅耗資巨大,同時也大大 縮短了戰(zhàn)艦的壽命。為解決這一難題,許多發(fā)達國家采取花巨資研制模擬器的對策,并規(guī)定凡： 裝備新武器,必須裝備相應(yīng)的模擬器。美國于 20 世紀 40 年代就研制出了第一臺飛行模擬器。 可見六自由度并聯(lián)機構(gòu)的應(yīng)用就船舶模擬器而言,其制造和應(yīng)用一方面是技術(shù)水平的反映,另 一方面也具有極高的軍事和經(jīng)濟意義。在民用領(lǐng)域方面的情況也是如此。 六自由度并聯(lián)機構(gòu)除了在上述領(lǐng)域得到極大的重視外,也在許多新興的領(lǐng)域引起廣泛的 注意,如在航天對接模擬器,娛樂(當前國內(nèi)外一些游樂場所已有六自由度體感模擬器、大航海 體驗館、太空穿梭機、動感電影等娛樂模擬器),海上鉆井平臺以及主動隔震等方面。由于六 自由度并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點,可以預(yù)料到未來六自由度并聯(lián)機構(gòu)會廣泛應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。 表 1-1 平臺運用案例 飛行模擬訓(xùn)練器 六自由度運動 電動玩具 多自由度運動 銑床、鉆床、立式或臥式三軸切削中心 平移運動 機械起重機 由于其二力桿的特性，可用來做需要高剛 性的起重機 力與力矩測量儀 風動測試 快速成型機 由于其能夠在高加速的情況下提供高精度， 可降低開發(fā)的時間 輪胎測試 旋轉(zhuǎn)及平移運動 坦克駕駛訓(xùn)練臺 旋轉(zhuǎn)及平移運動 管道噴漆機器人 旋轉(zhuǎn)及平移運動 手術(shù)用微型機器人 利用其結(jié)構(gòu)簡單、剛性高的原理，可作出 精巧的微型機器人 醫(yī)用手術(shù)平臺 可利用一個小的踏板來控制大的平臺運動 六自由度液壓運動平臺的自動控制 3 1.3 六自由度平臺國內(nèi)外研究狀況 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 目前世界上研制大型六自由度平臺的國家較多,主要有加拿大、美國、英國、法國、德 國、日本、俄羅斯、荷蘭等國，大多用于飛機（包括戰(zhàn)斗機、運輸機和民航客機）模擬飛行 訓(xùn)練，在艦船、裝甲車輛、自行火炮等方面也有一些應(yīng)用。早期研制的六自由度平臺系統(tǒng)主 要用于軍事目的，例如美國五十年代開始研制的搖擺模擬臺就用于裝各海軍。用于空間對接 機構(gòu)研究的六自由度半實物仿真實驗系統(tǒng)，以俄羅斯和美國的系統(tǒng)最具代表性，其大型液壓 六自由度運動系統(tǒng)的性能，尤其是定位精度和頻率響應(yīng)特性已達到這類系統(tǒng)的極高水平。近 幾年來，六自由度平臺系統(tǒng)也被應(yīng)用到工業(yè)甚至娛樂場所，如美國 Ford 汽車公司研制的汽 車行駛仿真器，美國 Ingersoll 機床公司生產(chǎn)的并聯(lián)機床，德國 Rexroth 公司為德國奔馳汽車 公司建造的大型汽車行駛模擬平臺等等。用于娛樂場所的六自由度游樂模擬平臺則是一種模 擬運動載體特征，給人視覺、聽覺、觸覺以全方位真實感受的現(xiàn)代化新潮游樂設(shè)施，美國、 日本等國家的一些著名游樂場所有六自由度 UFO 體感模擬臺、航空航海模擬臺，這是當代 科技向游樂業(yè)滲透的產(chǎn)物。 隨著 6-DOF 并聯(lián)機構(gòu)研究的深入,對于自由度少于六的空間并聯(lián)機構(gòu)( 稱為少自由度機構(gòu)), 也引起許多學(xué)者的注意。加拿大著名學(xué)者 Gosselin 和 Angeles 提出了平面和球面三自由度并 聯(lián)機器人的優(yōu)化設(shè)計問題。加拿大 Laval 大學(xué)用球面三自由度并聯(lián)機器人研制出了靈巧眼。 Lee 和 Shah 對空間三自由度并聯(lián)機器人進行了運動學(xué)和動力學(xué)分析。Clavel 提出了并聯(lián)式三 維移動機構(gòu)，即 DELTA 機器人,后來 Tsai 作了改進，發(fā)明了 Tsai 氏三維移動機構(gòu)，機構(gòu)簡 單了許多。L.W.Lal 等人也在此方面進行相應(yīng)的研究。 虛擬軸機床在國外己出現(xiàn)的型式就有數(shù)十種之多，如 6-SPS 平臺式、6-SPS 球臺式、6- PSS 立式、6-PSS 上置式等等,又有不同參數(shù)比例的變化。美國 Hexel 公司將 6 桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)作 成獨立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床。這可將低價的普通銑床升級為軸聯(lián)動銑床。其主要技術(shù)參數(shù)為 工作臺直徑 710mm、行程范圍為直徑 305mm 的圓，Z 軸 178mm，最大進給速度為 5.1m/min，重 91kg。瑞士技術(shù)院（ETH）、機床與制造技術(shù)院(IWF)和機器人院(IFR) 也聯(lián)合 研制出了名為 IWF 的 Hexaglide 虛擬軸機床。迄今為止 ,我們了解的虛擬軸并聯(lián)機床有二自 由度、三自由度、三自由度、純移動三自由度四自由度、對稱五自由度和六自由度等類型。 虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機床多用于虛擬軸六自由度數(shù)控機床,瑞典 Neos Robotics 公司則采用了 并聯(lián)加串聯(lián)的方案,從低層次應(yīng)用做起,逐步積累經(jīng)驗和財力,向高層次應(yīng)用發(fā)展,以及采用了三 桿中央的中心管等正確的措施,其并聯(lián)機床產(chǎn)品早已進入實用至今已創(chuàng) 200 余臺的驚世銷售 業(yè)績。該公司展出的 Tricept845 加工中心,其體積定位精度達50m, 重復(fù)定位精度達10m,這 兩個指標距離傳統(tǒng)機床雖還有較大的差距,但對并聯(lián)機床已屬重大的突破,具有實用價值。其 進給速度已達 90m/min,加速度已達 2g,主軸功率為 3045KW,24,00030,000r/min,采用瑞士 IBAG 公司電主軸、Siemens840D 數(shù)控系統(tǒng)和 Heidenhain 的測量系統(tǒng)。該加工中心采用模塊 化結(jié)構(gòu)。三桿結(jié)構(gòu)組件有 0、45、90。三種布局可任選(即分別組成臥式、傾斜和立式加 工中心) 。德國 Fraunhofer 機床和成型技術(shù)研究所開發(fā)的 6x 型機床適于模具的高速加工,其主 要技術(shù)參數(shù)為：工作臺：630X630,X,Y,Z 行程均為 630mm,兩個轉(zhuǎn)動自由度范圍為 30,主軸 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 最高速度為 3000r/min,功率為 16KW,腿的最大進給速度為 30m/min,加速度為 10m/s。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國并聯(lián)機器人出現(xiàn)的較晚,起先出現(xiàn)在引進的 6-DOF 飛行模擬器上。我國民航于 1975 年引進 Beoing707,1988 年引進 MD-82 飛機飛行模擬器,1992 年引進 Beoing737 和 757 飛機飛 行模擬器,近年來還引進了最新的 Beoing777 飛機飛行模擬器,都用于民航飛行員的培訓(xùn)。 1984 年北京航空模擬器技術(shù)聯(lián)合開發(fā)公司按照航空部“七五”預(yù)研課題計劃,開始研制 6- DOF 并聯(lián)式飛行模擬器,三年后研制成功。現(xiàn)在該公司正進行國內(nèi)生產(chǎn)機型的飛機飛行模擬 器的研制與生產(chǎn)。 近幾年來我國的一些高等院校和科研院所也相繼投入人力物力。在微動器或稱作微動機 構(gòu)研究方面,楊宜民教授等研制出仿生型直線驅(qū)動器,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成了壓電陶瓷驅(qū)動 的 6-DOF 并聯(lián)微動機器人,其重復(fù)精度可達 20 納米；北京航空航天大學(xué)機器人所在自然科學(xué) 基金資助下提出了用于微動操作的由兩個 3-DOF 并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)而成“串并聯(lián)”機構(gòu)以及 PP- R-S 型并聯(lián)機構(gòu)微動機器人等；燕山大學(xué) 1994 年研制了基于并聯(lián)機構(gòu)的誤差補償器,將其安 裝于機器人手腕處可以補償手臂的誤差；陳墾、李嘉等研究分析了 6-PSS 型 6-DOF 并聯(lián)微 操作手的運動學(xué)和工作空間。另外天津大學(xué)與天津第一機床廠聯(lián)合研制了九桿三自由度并聯(lián) 機床 Linapod，沈陽自動化所研制了五自由度并聯(lián)機床樣機，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東北大學(xué)分 別研制了以 Stewart 平臺為原型的 6-DOF 并聯(lián)機床的樣機和帶有平行機構(gòu)的三自由度 Stewart 并聯(lián)機床樣機,燕山大學(xué)也在這方面作了一些基礎(chǔ)性工作。1999 年 6 月在清華大學(xué)召 開了我國第一屆并聯(lián)機器人與并聯(lián)機床設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會，對并聯(lián)機床的發(fā)展現(xiàn)狀,未 來趨勢以及亟待解決的問題進行了研討,對并聯(lián)機床在我國的發(fā)展起到了一定的促進作用。 由國防科技大學(xué)和香港科技大學(xué)聯(lián)合研制的銀河一 2000 虛擬軸機床是一種并聯(lián)式六自 由度機床，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機床發(fā)展而來的,在保持原并聯(lián)機構(gòu)的諸多優(yōu)點,如高剛度,高精度和 高的運動速度外,用變異機構(gòu)擴大了機床的運動范圍。2005 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體傳動于控 制研究所與武漢 719 研究所研制了一種六自由度航海模擬器，用于訓(xùn)練潛艇駕乘人員和檢測 各種儀表的性能,。 總之,與國外相比,我國運動模擬器的研制工作起步較晚,以后由于種種原因又未能得到迅 速發(fā)展,與國外的運動模擬技術(shù)相比還存在較大距離。因此目前面臨的任務(wù)是如何迎頭趕上 技術(shù)先進國家并縮小與他們的距離。 1.4 課題主要研究內(nèi)容 通過查閱資料，了解國內(nèi)外多自由度運動平臺的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)計六 自由度運動平臺的結(jié)構(gòu)，設(shè)計與其配套的液壓缸等零件。通過三維軟件畫出三維實體圖，并 通過建立模型，使用 PID 控制方式提高系統(tǒng)的運動性能，利用虛擬樣機等技術(shù)對模型進行運 動仿真，對其的可靠性等相關(guān)性能進行分析比較，來證明其方法的可行性。 六自由度液壓運動平臺的自動控制 5 2 六自由度運動平臺本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 六自由度平臺作為一種實驗設(shè)備，在地面物理仿真過程中起著重要作用。平臺有機械臺 體、液壓系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和計算機控制四個主要組成部分，其中機械臺體主要由上臺面、下 基座、關(guān)節(jié)鉸鏈和伺服液壓缸組成。液壓系統(tǒng)主要由液壓油源和液壓伺服控制系統(tǒng)組成，主 要用于為運動系統(tǒng)提供液壓油源和驅(qū)動力。 2.1 平臺主要性能指標 承載能力（含上平臺及其附件）0.5 噸 平臺的運動范圍有機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、液壓油缸的長度、鉸鏈轉(zhuǎn)動角度等因素決定。合理 的平臺結(jié)構(gòu)是六自由度運動平臺設(shè)計的基礎(chǔ)，是保證實現(xiàn)性能指標的關(guān)鍵。運動機構(gòu)的設(shè)計， 應(yīng)保證平臺工作過程中，出現(xiàn)人為的誤操作和系統(tǒng)發(fā)生故障是，所有機械部件不得出現(xiàn)機械 干涉現(xiàn)象。為了使運動平臺能夠獲得較大的位置變化，液壓缸長度較大，這進一步降低了活 塞桿的穩(wěn)定性。因此設(shè)計時應(yīng)優(yōu)化布置運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，使得液壓缸的正常工作位置盡 可能的短，提高平臺安全性。 因此，優(yōu)化各個參數(shù)，確定平臺系統(tǒng)的幾何尺寸參數(shù)如下： 上平臺外圓直徑：0.3m 下平臺外圓直徑：0.6m 2.2 平臺結(jié)構(gòu) 平臺主要由下臺基、上運動臺面、12 個鉸（球鉸或萬向鉸）及 6 個液壓缸組成，其中 液壓缸通關(guān)鉸以并聯(lián)的方式將上運動臺面和下臺基連接起來，成為一體，如圖 2.1 所示。這 樣的機構(gòu)在并聯(lián)式多自由度機械裝置研究中又常常被稱為 Stewart 平臺。電液比例方向閥控 制液壓油流量的大小、方向，驅(qū)動六個液壓缸沿缸長方向伸縮作線性移動。通過六個液壓缸 的協(xié)調(diào)動作，上運動臺面能夠靈活地實現(xiàn)六個自由度的運動，三個線性移動及三個轉(zhuǎn)動，即 一個剛體在空間的全自由度運動。因此，六自由度平臺也可以看作是一種并聯(lián)式的機器人。 圖 2.2 為實驗室樣子實物圖。 圖 2.1 平臺結(jié)構(gòu)示意圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 2.2 實驗室平臺樣機 2.3 平臺驅(qū)動方式 六自由度運動平臺的驅(qū)動方式在很大程度上決定了運動系統(tǒng)的承載能力、運動精度、快 速性等性能指標，也是運動系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。 通常并聯(lián)式機構(gòu)的驅(qū)動方式主要有電動、氣動和液壓三種基本方式，從理論上講，用電 氣、氣動和液壓這三種動力系統(tǒng)都可以，但每種系統(tǒng)都有其各自的優(yōu)缺點，因而各有其最為 適合的承載范圍。 對于電動系統(tǒng)來說，電動機啟動容易且可設(shè)計成低轉(zhuǎn)動慣量，加減速特性都很好，但要 獲得大的功率輸出，電動機的質(zhì)量和體積都較大。由于電氣傳動和其他形式相比，在高速、 高精度、小型節(jié)能方面更能滿足并聯(lián)式機構(gòu)驅(qū)動的要求，因而在輕載情況下，國外的并聯(lián)式 機構(gòu)多采用電氣傳動。 氣動系統(tǒng)以空氣作為介質(zhì)，響應(yīng)速度較快，且空氣可直接從大氣中獲得，又可排放到大 氣中去，不需要回流系統(tǒng)，與液壓系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)構(gòu)成簡單、價格便宜，但其工作壓力低， 因而承載能力低，定位剛度低。工作載荷在幾百牛頓是，氣動系統(tǒng)最為有效。 液壓傳動從動力性能方面看占有很大優(yōu)勢，一個體積與能搬送 1424Kg 載荷的氣動或 電氣系統(tǒng)相當?shù)囊簤合到y(tǒng)，就可搬送 120140Kg 的載荷，而且還有氣動和電氣系統(tǒng)相當?shù)?精度和響應(yīng)速度。另一方面，液壓系統(tǒng)的油液能起到對運動部件潤滑的作用，并通過油液的 流動把熱量帶走，實現(xiàn)系統(tǒng)的自冷卻，以延長元件和系統(tǒng)的使用壽命。采用液壓驅(qū)動機構(gòu)還 可得到很大的速度范圍，其低速特性比電動機要好，當液壓執(zhí)行器泄漏較小時，液壓彈簧剛 度大，因而閉環(huán)系統(tǒng)的定位剛度較大，位置誤差較小。另外，利用液壓系統(tǒng)的繼承回路可以 把液壓系統(tǒng)設(shè)計的相當緊湊，減少系統(tǒng)所占空間。 綜上所述，由于此次研究的六自由度并聯(lián)驅(qū)動平臺的有效載荷為 0.5 噸左右，所以在其 驅(qū)動方式上采用動力性能好的液壓驅(qū)動方式，不僅可以滿足功率和控制精度的要求，而且從 結(jié)構(gòu)上看，平臺的六個液壓缸的伸縮控制由六個液壓閥來實現(xiàn)，液壓閥是直線位移式驅(qū)動機 構(gòu)，它們的運動與桿件所要求的運動相吻合，結(jié)構(gòu)非常簡單。此次平臺采用了直接驅(qū)動方式， 避免了間接驅(qū)動給機構(gòu)的控制所帶來的麻煩，易獲得較好的控制性能。若采用直流電動機驅(qū) 動，不僅由于負載大使電動機本身結(jié)構(gòu)加大，而且還需要減速裝置和一套旋轉(zhuǎn)直線位移轉(zhuǎn)換 裝置，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，且難以控制。因此，選用液壓驅(qū)動方式。 六自由度液壓運動平臺的自動控制 7 3 液壓缸設(shè)計 3.1 簡介 液壓缸是液壓系統(tǒng)中活塞桿作往復(fù)運動的工作機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式均為單活塞桿雙作用耳 環(huán)安裝式。主要用于工程機械、運輸機械、礦山機械及車輛等的液壓傳動。液壓缸結(jié)構(gòu)如下 圖 3.1： 圖 3.1 液壓缸結(jié)構(gòu) 3.2 液壓缸的設(shè)計 液壓缸系統(tǒng)供油 P=6.3Mpa； 液壓缸最大推力 Fmax=5KN； 缸的最大行程 L=250mm； （1）液壓缸工作壓力的確定 液壓缸的工作壓力主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型來確定，對于不通用途的液壓設(shè)備，由于工 作條件不同，通常采用的壓力范圍也不同。根據(jù)負載 F=5KN,查附表可知液壓缸的工作壓力 為 1.52Mpa,由附表確定液壓缸的工作壓力 P=1.6Mpa。 （2）、液壓缸缸筒內(nèi)徑 D 的計算 根據(jù)已知條件，工作最大負載 F=1500N，工作壓力 P=1.6MPa 可得液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞 桿直徑 d 的確定： 已知： F=1500N, =1.6MPa， = =39.5mmPFD4610.5 md29.5375.0 查表得：D=40mm，d=32mm 則 2 22164.A 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 故必須進行最小穩(wěn)定速度的驗算，要保證液壓缸工作面積 A 必須大于保證最小穩(wěn)定速度的 最小有效面積 Amin 又： 23 6in/ini 50min/108.2.0LVq 式中： 流量閥的最小穩(wěn)定流量，由設(shè)計要求給出。mi 液壓缸的最小速度，由設(shè)計要求給出。in 故查表取 D=63mm 當 D=63mm 時 ，保證了 2 227.31546.mDAAmin （3）、液壓缸活塞桿直徑 d 的確定 由已知條件查表取 d=45mm。 查表知，45 鋼的屈服強度 MPas35 按強度條件校核： mm3331 10210404 Fd 所以符合要求。 （4）、液壓缸壁厚的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。液壓缸的壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚 度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布材料規(guī)律因壁厚的不同而各異。一 般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 按照薄壁圓筒設(shè)計，其壁厚按薄壁圓筒公式計算為： (該設(shè)計采用無縫鋼管)2DPypypyp5.15.1.， 取MPa46 =100110 （無縫鋼管），取 =100MPam.0123. 由計算的公式所得的液壓缸的壁厚厚度很小，使缸體的剛度不夠，如在切削加工過程中 的變形，安裝變形等引起液壓缸工作過程中卡死或漏油。所以用經(jīng)驗法選取壁厚：=8mm （5）、缸體外徑尺寸的計算 六自由度液壓運動平臺的自動控制 9 缸體外徑 mD0.6321 查機械手冊表：外徑 取 76mm1 （6）、液壓缸工作行程的確定 由于在液壓缸工作時要完成如下動作 快 進 150 工 進 50 工 進 50 快 退 即可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)實際工作的最大長度確定。由上述動作可知工作行程為 250mm。 （7）、缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度 按強度要求可用下式進行近似計算： mPDt 78.52.634.043.0105.47 式中： D缸蓋止口內(nèi)徑(mm) T缸蓋有效厚度(mm) T4.74mm （8）、最小導(dǎo)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支承面中點距離為 H，稱為最小導(dǎo) 向長度。如果導(dǎo)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，因此在設(shè) 計時必須保證有一定的最小導(dǎo)向長度。 對一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度 H 應(yīng)滿足：mDLH4263052 式中：L液壓缸的最大行程(mm) D液壓缸內(nèi)徑(mm) 取 H=65mm （9）、活塞寬度 B 的確定 活塞的寬度 B 一般取 B=（0.6-1.0）D 即 B=（0.6-1.0）63= （37.8-63）mm 取 B=60mm （10）、缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部的長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞寬度的和。缸體外部尺寸還要考慮到兩 端端蓋的厚度，一般液壓缸缸體的長度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑 D 的 20-30 倍。 即：缸體內(nèi)部長度 250+55=305mm 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 缸體長度（20-30）D= （1260-1890）mm 即取缸體長度為 460mm （11）、液壓缸進、出油口尺寸的確定 液壓缸的進、出油口可布置在端蓋或缸筒上，進、出油口處的流速不大于 5m/s，油口 的連接形式為螺紋連接或法蘭連接。 根據(jù)液壓缸螺紋連接的油口尺寸系列 8及 16MPa 小型系列單桿液壓缸油口安裝尺寸確 定。 進出油口的尺寸為 M16x1.5。連接方式為螺紋連接。 3.3 液壓缸的密封設(shè)計 液壓缸要求低摩擦，無外漏，無爬行，無滯澀，高響應(yīng)，長壽命，要滿足伺服系統(tǒng)靜態(tài) 精度，動態(tài)品質(zhì)的要求，所以它的密封與支承導(dǎo)向的設(shè)計極為重要，不能簡單的延用普通液 壓缸的密封和支承導(dǎo)向。因此設(shè)計密封時應(yīng)考慮的因素： 1）用于微速運動（3-5mm/s）的場合時，不得有爬行，粘著滯澀現(xiàn)象。 2）工作在高頻振動的場合的，密封摩擦力應(yīng)該很小且為恒值。要低摩擦，長壽命。 3）工作在食品加工、制藥及易燃環(huán)境的伺服液壓缸，對密封要求尤為突出，不得有任 何的外滲漏，否則會直接威脅人體健康和安全。 4）工作在諸如冶金、電力等工業(yè)部門的，更換密封要停產(chǎn)，會造成重大經(jīng)濟損失，所 以要求密封長壽命，伺服液壓缸要耐磨。 5）對于高速輸出的伺服液壓缸，要確保局部過熱不會引起密封失效，密封件要耐高溫， 要有良好的耐磨性。 6）工作在高溫、熱輻射場合的伺服液壓缸，其密封件的材料要有長期耐高溫的特性。 7）工作介質(zhì)為磷酸酯或抗燃油的，不能用礦物油的密封風材料，要考慮他們的相容性。 8）伺服液壓缸的密封設(shè)計不能單獨進行，要和支承導(dǎo)向設(shè)計統(tǒng)一進行統(tǒng)籌安排。 （1）靜密封的設(shè)計 靜密封的設(shè)計要確保固定密封處在正常工作壓力的 1.5 倍工作壓力下均無外泄露。 靜密封通常選用 O 形橡膠密封圈。 根據(jù)標準查通用 O 形密封圈系列（代號 G）的內(nèi)徑、截面及公差。 由液壓缸裝配草圖確定： 選用 633.55 G GB3452.1 一個 362.65 G GB3452.1 一個 （2）動密封的設(shè)計 動密封的設(shè)計直接關(guān)系著伺服液壓缸性能的優(yōu)劣，其設(shè)計必須結(jié)合支承導(dǎo)向的設(shè)計統(tǒng)籌 進行。 活塞與缸筒之間用 O 型密封圈。 六自由度液壓運動平臺的自動控制 11 根據(jù)液壓傳動與控制手冊 7查得用 226 編號的 O 型密封圈,其尺寸為 50.393.53. 活塞桿與端蓋之間用 O 型密封圈,它使雙作用元件具有良好的性能 ,抗擠壓性好,尺寸穩(wěn)定,摩 擦力小,耐磨、耐腐蝕性強。 3.4 支承導(dǎo)向的設(shè)計 伺服液壓缸的支承導(dǎo)向裝置就是為了防止活塞與缸筒、活塞活塞桿與端蓋之間的直接接 觸,相互摩擦,產(chǎn)生磨損,從而達到降低摩擦,減少磨損,延長壽命,起到導(dǎo)向和支承側(cè)向力的作用。 導(dǎo)向環(huán)的特點： 1）避免了金屬之間的接觸； 2）具有高的徑向交荷承觸力； 3）能補償邊界力； 4）具有強耐磨性和高壽命； 5）摩擦力??； 6）能抑制機械振動； 7）有良好的防塵效果,不允許外界異物嵌入； 8）保護密封件不受過分擠壓； 9）導(dǎo)向時即使無潤滑也沒有液動力方面的問題； 10）結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便； 11）維修費用小。 導(dǎo)向環(huán)的作用：導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞外圈的溝槽內(nèi)或活塞桿導(dǎo)向套內(nèi)圓的溝槽內(nèi),