【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 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(mǎn)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)鉸 10 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 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。 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(mǎn)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。 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(mǎn)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。 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)能夠提供精確的直線(xiàn)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 11 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) 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)： 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)。 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?？梢岳糜?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 13 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。 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)。 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 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