【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(jìn)、價(jià)格昂貴的特點(diǎn)越來越突出。一艘先進(jìn)戰(zhàn)艦造價(jià)昂貴,如果全部實(shí)裝訓(xùn)練不僅耗資巨大,同時(shí)也大大縮短了戰(zhàn)艦的壽命。為解決這一難題,許多發(fā)達(dá)國家采取花巨資研制模擬器的對(duì)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(jì) 40 年代就研制出了第一臺(tái)飛行模擬器?？梢娏杂啥炔⒙?lián)機(jī)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(jì)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(jī)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(duì)接模擬器,娛樂(當(dāng)前國內(nèi)外一些游樂場(chǎng)所已有六自由度體感模擬器、大航海體驗(yàn)館、太空穿梭機(jī)、動(dòng)感電影等娛樂模擬器),海上鉆井平臺(tái)以及主動(dòng)隔震等方面。由于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),可以預(yù)料到未來六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)會(huì)廣泛應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。表 11 平臺(tái)運(yùn)用案例飛行模擬訓(xùn)練器 六自由度運(yùn)動(dòng)電動(dòng)玩具 多自由度運(yùn)動(dòng)銑床、鉆床、立式或臥式三軸切削中心 平移運(yùn)動(dòng)機(jī)械起重機(jī) 由于其二力桿的特性，可用來做需要高剛 性的起重機(jī)力與力矩測(cè)量?jī)x 風(fēng)動(dòng)測(cè)試快速成型機(jī) 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(shí)間輪胎測(cè)試 旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng)坦克駕駛訓(xùn)練臺(tái) 旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng)管道噴漆機(jī)器人 旋轉(zhuǎn)及平移運(yùn)動(dòng)手術(shù)用微型機(jī)器人 利用其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性高的原理，可作出 精巧的微型機(jī)器人醫(yī)用手術(shù)平臺(tái) 可利用一個(gè)小的踏板來控制大的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制3 六自由度平臺(tái)國內(nèi)外研究狀況 國外研究現(xiàn)狀目前世界上研制大型六自由度平臺(tái)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(jī)（包括戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和民航客機(jī)）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(tái)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(tái)就用于裝各海軍。用于空間對(duì)接機(jī)構(gòu)研究的六自由度半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能，尤其是定位精度和頻率響應(yīng)特性已達(dá)到這類系統(tǒng)的極高水平。近幾年來，六自由度平臺(tái)系統(tǒng)也被應(yīng)用到工業(yè)甚至娛樂場(chǎng)所，如美國 Ford 汽車公司研制的汽車行駛仿真器，美國 Ingersoll 機(jī)床公司生產(chǎn)的并聯(lián)機(jī)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(tái)等等。用于娛樂場(chǎng)所的六自由度游樂模擬平臺(tái)則是一種模擬運(yùn)動(dòng)載體特征，給人視覺、聽覺、觸覺以全方位真實(shí)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(chǎng)所有六自由度 UFO 體感模擬臺(tái)、航空航海模擬臺(tái)，這是當(dāng)代科技向游樂業(yè)滲透的產(chǎn)物。隨著 6DOF 并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的深入,對(duì)于自由度少于六的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)( 稱為少自由度機(jī)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(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。加拿大 Laval 大學(xué)用球面三自由度并聯(lián)機(jī)器人研制出了靈巧眼。Lee 和 Shah 對(duì)空間三自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。Clavel 提出了并聯(lián)式三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，即 DELTA 機(jī)器人,后來 Tsai 作了改進(jìn)，發(fā)明了 Tsai 氏三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單了許多。 等人也在此方面進(jìn)行相應(yīng)的研究。虛擬軸機(jī)床在國外己出現(xiàn)的型式就有數(shù)十種之多，如 6SPS 平臺(tái)式、6SPS 球臺(tái)式、6PSS 立式、6PSS 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(dú)立部件應(yīng)用于轉(zhuǎn)塔銑床。這可將低價(jià)的普通銑床升級(jí)為軸聯(lián)動(dòng)銑床。其主要技術(shù)參數(shù)為工作臺(tái)直徑 710mm、行程范圍為直徑 305mm 的圓，Z 軸 178mm，最大進(jìn)給速度為，重 91kg。瑞士技術(shù)院（ETH）、機(jī)床與制造技術(shù)院(IWF)和機(jī)器人院(IFR) 也聯(lián)合研制出了名為 IWF 的 Hexaglide 虛擬軸機(jī)床。迄今為止 ,我們了解的虛擬軸并聯(lián)機(jī)床有二自由度、三自由度、三自由度、純移動(dòng)三自由度四自由度、對(duì)稱五自由度和六自由度等類型。虛擬軸數(shù)控并聯(lián)機(jī)床多用于虛擬軸六自由度數(shù)控機(jī)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(yàn)和財(cái)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(jī)床產(chǎn)品早已進(jìn)入實(shí)用至今已創(chuàng) 200 余臺(tái)的驚世銷售業(yè)績(jī)。該公司展出的 Tricept845 加工中心,其體積定位精度達(dá)177。50181。m, 重復(fù)定位精度達(dá)177。10181。m,這兩個(gè)指標(biāo)距離傳統(tǒng)機(jī)床雖還有較大的差距,但對(duì)并聯(lián)機(jī)床已屬重大的突破,具有實(shí)用價(jià)值。其進(jìn)給速度已達(dá) 90m/min,加速度已達(dá) 2g,主軸功率為 30~45KW,24,000~30,000r/min,采用瑞士IBAG 公司電主軸、Siemens840D 數(shù)控系統(tǒng)和 Heidenhain 的測(cè)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 0186。、45186。、90186。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(jī)床和成型技術(shù)研究所開發(fā)的 6x 型機(jī)床適于模具的高速加工,其主要技術(shù)參數(shù)為：工作臺(tái)：630X630,X,Y,Z 行程均為 630mm,兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度范圍為 30186。,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(jìn)給速度為 30m/min,加速度為 10m/s。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國并聯(lián)機(jī)器人出現(xiàn)的較晚,起先出現(xiàn)在引進(jìn)的 6DOF 飛行模擬器上。我國民航于 1975年引進(jìn) Beoing707,1988 年引進(jìn) MD82 飛機(jī)飛行模擬器,1992 年引進(jìn) Beoing737 和 757 飛機(jī)飛行模擬器,近年來還引進(jìn)了最新的 Beoing777 飛機(jī)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(jì)劃,開始研制 6DOF 并聯(lián)式飛行模擬器,三年后研制成功?，F(xiàn)在該公司正進(jìn)行國內(nèi)生產(chǎn)機(jī)型的飛機(jī)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(dòng)器或稱作微動(dòng)機(jī)構(gòu)研究方面,楊宜民教授等研制出仿生型直線驅(qū)動(dòng)器,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的 6DOF 并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人,其重復(fù)精度可達(dá) 20 納米；北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所在自然科學(xué)基金資助下提出了用于微動(dòng)操作的由兩個(gè) 3DOF 并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成“串并聯(lián)”機(jī)構(gòu)以及 PPRS 型并聯(lián)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)器人等；燕山大學(xué) 1994 年研制了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償器,將其安裝于機(jī)器人手腕處可以補(bǔ)償手臂的誤差；陳墾、李嘉等研究分析了 6PSS 型 6DOF 并聯(lián)微操作手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和工作空間。另外天津大學(xué)與天津第一機(jī)床廠聯(lián)合研制了九桿三自由度并聯(lián)機(jī)床 Linapod，沈陽自動(dòng)化所研制了五自由度并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東北大學(xué)分別研制了以 Stewart 平臺(tái)為原型的 6DOF 并聯(lián)機(jī)床的樣機(jī)和帶有平行機(jī)構(gòu)的三自由度Stewart 并聯(lián)機(jī)床樣機(jī),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(jī)器人與并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會(huì)，對(duì)并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀,未來趨勢(shì)以及亟待解決的問題進(jìn)行了研討,對(duì)并聯(lián)機(jī)床在我國的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)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 2022 虛擬軸機(jī)床是一種并聯(lián)式六自由度機(jī)床，是由傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)床發(fā)展而來的,在保持原并聯(lián)機(jī)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn),如高剛度,高精度和高的運(yùn)動(dòng)速度外,用變異機(jī)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)范圍。2022 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)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(cè)各種儀表的性能,?？傊?與國外相比,我國運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)國家并縮小與他們的距離。 課題主要研究?jī)?nèi)容通過查閱資料，了解國內(nèi)外多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)計(jì)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與其配套的液壓缸等零件。通過三維軟件畫出三維實(shí)體圖，并通過建立模型，使用 PID 控制方式提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能，利用虛擬樣機(jī)等技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)其的可靠性等相關(guān)性能進(jìn)行分析比較，來證明其方法的可行性。六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制52 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)六自由度平臺(tái)作為一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在地面物理仿真過程中起著重要作用。平臺(tái)有機(jī)械臺(tái)體、液壓系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制四個(gè)主要組成部分，其中機(jī)械臺(tái)體主要由上臺(tái)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供液壓油源和驅(qū)動(dòng)力。 平臺(tái)主要性能指標(biāo)承載能力（含上平臺(tái)及其附件） 噸平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍有機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、液壓油缸的長度、鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)角度等因素決定。合理的平臺(tái)結(jié)構(gòu)是六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是保證實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證平臺(tái)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(jī)械部件不得出現(xiàn)機(jī)械干涉現(xiàn)象。為了使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠獲得較大的位置變化，液壓缸長度較大，這進(jìn)一步降低了活塞桿的穩(wěn)定性。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化布置運(yùn)動(dòng)機(jī)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(tái)安全性。因此，優(yōu)化各個(gè)參數(shù)，確定平臺(tái)系統(tǒng)的幾何尺寸參數(shù)如下：上平臺(tái)外圓直徑：下平臺(tái)外圓直徑： 平臺(tái)結(jié)構(gòu)平臺(tái)主要由下臺(tái)基、上運(yùn)動(dòng)臺(tái)面、12 個(gè)鉸（球鉸或萬向鉸）及 6 個(gè)液壓缸組成，其中液壓缸通關(guān)鉸以并聯(lián)的方式將上運(yùn)動(dòng)臺(tái)面和下臺(tái)基連接起來，成為一體，如圖 所示。這樣的機(jī)構(gòu)在并聯(lián)式多自由度機(jī)械裝置研究中又常常被稱為 Stewart 平臺(tái)。電液比例方向閥控制液壓油流量的大小、方向，驅(qū)動(dòng)六個(gè)液壓缸沿缸長方向伸縮作線性移動(dòng)。通過六個(gè)液壓缸的協(xié)調(diào)動(dòng)作，上運(yùn)動(dòng)臺(tái)面能夠靈活地實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)線性移動(dòng)及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，即一個(gè)剛體在空間的全自由度運(yùn)動(dòng)。因此，六自由度平臺(tái)也可以看作是一種并聯(lián)式的機(jī)器人。圖 為實(shí)驗(yàn)室樣子實(shí)物圖。圖 平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文6圖 實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)樣機(jī) 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)方式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式在很大程度上決定了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的承載能力、運(yùn)動(dòng)精度、快速性等性能指標(biāo)，也是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。通常并聯(lián)式機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓三種基本方式，從理論上講，用電氣、氣動(dòng)和液壓這三種動(dòng)力系統(tǒng)都可以，但每種系統(tǒng)都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因而各有其最為適合的承載范圍。對(duì)于電動(dòng)系統(tǒng)來說，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容易且可設(shè)計(jì)成低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加減速特性都很好，但要獲得大的功率輸出，電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和體積都較大。由于電氣傳動(dòng)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(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的要求，因而在輕載情況下，國外的并聯(lián)式機(jī)構(gòu)多采用電氣傳動(dòng)。氣動(dòng)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(jiǎn)單、價(jià)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(dòng)系統(tǒng)最為有效。液壓傳動(dòng)從動(dòng)力性能方面看占有很大優(yōu)勢(shì)，一個(gè)體積與能搬送 14~24Kg 載荷的氣動(dòng)或電氣系統(tǒng)相當(dāng)?shù)囊簤合到y(tǒng)，就可搬送 120~140Kg 的載荷，而且還有氣動(dòng)和電氣系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木群晚憫?yīng)速度。另一方面，液壓系統(tǒng)的油液能起到對(duì)運(yùn)動(dòng)部件潤滑的作用，并通過油液的流動(dòng)把熱量帶走，實(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)還可得到很大的速度范圍，其低速特性比電動(dòng)機(jī)要好，當(dāng)液壓執(zhí)行器泄漏較小時(shí)，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(jì)的相當(dāng)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(dòng)平臺(tái)的有效載荷為 噸左右，所以在其驅(qū)動(dòng)方式上采用動(dòng)力性能好的液壓驅(qū)動(dòng)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(tái)的六個(gè)液壓缸的伸縮控制由六個(gè)液壓閥來實(shí)現(xiàn)，液壓閥是直線位移式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們的運(yùn)動(dòng)與桿件所要求的運(yùn)動(dòng)相吻合，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。此次平臺(tái)采用了直接驅(qū)動(dòng)方式，避免了間接驅(qū)動(dòng)給機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不僅由于負(fù)載大使電動(dòng)機(jī)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(dòng)方式。六自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自動(dòng)控制73 液壓缸設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)介液壓缸是液壓系統(tǒng)中活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作機(jī)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(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械及車輛等的液壓傳動(dòng)。液壓缸結(jié)構(gòu)如下圖 ：圖 液壓缸結(jié)構(gòu) 液壓缸的設(shè)計(jì)液壓缸系統(tǒng)供油 P=；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(duì)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(fù)載 F=5KN,查附表可知液壓缸的工作壓力為 ~2Mpa,由附表確定液壓缸的工作壓力 P=。（2）、液壓缸缸筒內(nèi)徑 D 的計(jì)算根據(jù)已知條件，工作最大負(fù)載 F=1500N，工作壓力 P= 可得液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定：已知： F=1500N, =，= =?4? ??查表得：D=40mm，d=32mm 則 2?無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文8故必須進(jìn)行最小穩(wěn)定速度的驗(yàn)算，要保證液壓缸工