【文章內(nèi)容簡介】 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)、價格昂貴的特點越來越突出。一艘先進(jìn)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(dá)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(jì) 40 年代就研制出了第一臺飛行模擬器?？梢娏杂啥炔⒙?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(dāng)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 11 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(fēng)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 六自由度平臺國內(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(dá)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(dāng)代科技向游樂業(yè)滲透的產(chǎn)物。隨著 6DOF 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(jìn)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(jìn)，發(fā)明了 Tsai 氏三維移動機構(gòu)，機構(gòu)簡單了許多。 等人也在此方面進(jìn)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 6SPS 平臺式、6SPS 球臺式、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(jìn)給速度為，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(jìn)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(dá)177。50181。m, 重復(fù)定位精度達(dá)177。10181。m,這兩個指標(biāo)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(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 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 飛機飛行模擬器,1992 年引進(jìn) Beoing737 和 757 飛機飛行模擬器,近年來還引進(jìn)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 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 6DOF 并聯(lián)微動機器人,其重復(fù)精度可達(dá) 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 3DOF 并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)而成“串并聯(lián)”機構(gòu)以及 PPRS 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 6PSS 型 6DOF 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 6DOF 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(jìn)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(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。2022 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(jìn)國家并縮小與他們的距離。 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(jìn)行運動仿真，對其的可靠性等相關(guān)性能進(jìn)行分析比較，來證明其方法的可行性。六自由度液壓運動平臺的自動控制52 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。 平臺主要性能指標(biāo)承載能力（含上平臺及其附件） 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(biāo)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(jìn)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：下平臺外圓直徑： 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 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 為實驗室樣子實物圖。圖 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 實驗室平臺樣機 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(biāo)，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 14~24Kg 載荷的氣動或電氣系統(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(dāng)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(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)動平臺的有效載荷為 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(fù)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73 液壓缸設(shè)計 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 ：圖 液壓缸結(jié)構(gòu) 液壓缸的設(shè)計液壓缸系統(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)定速度的驗算，要保證液壓缸工