【正文】 為了實(shí)現(xiàn)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀出， AD574 的片選信號(hào) CS 由地址總線的 Q7提供，在讀寫時(shí)， Q7 設(shè)置為低電平； AD574 的 CE 信號(hào)由單片機(jī)的 RD和WR 經(jīng) 1級(jí)與非門提供， CR/ 信號(hào)由 Q0 產(chǎn)生，可見在讀寫時(shí)， Q0 為高電平。 amp。采用線選法擴(kuò)展。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的 NPO 高頻電容。晶體選擇 12MHZ，電容值選用 30PF。復(fù)位電路選用了種較為實(shí)用的建有上電復(fù)位與按鈕復(fù)位的電路。 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單片機(jī)最 小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8031 無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)必須在片外擴(kuò)展 EPROM，必須有復(fù)位及時(shí)鐘電路。 采樣保持器 采樣保持器主要由模擬開關(guān)、存儲(chǔ)電容及緩沖放大器組成。片上有二進(jìn)制譯碼器，可按輸入的 A、 B、 C 信號(hào)使 8個(gè)通路（ X0～ X7）的一個(gè)與 X接通。在此系統(tǒng)中選用目前廣泛使用的集成多路電子開關(guān)， CMOS 型單片多路開關(guān) CD4051。 150mm 或 0～ 300mm，線性度 %，輸出信號(hào)選擇為 0～ 10V，工作電源用 +5V，頻響 0～ 200HZ，靈敏度50mV/mm，溫度系數(shù) %/℃～ %/℃，工作溫度 10℃～ 70℃，非回彈式。 在此系統(tǒng)中選用北京京海泉傳感科技有限公司生產(chǎn)的 DA150型位移傳感器。 100mm，視結(jié)構(gòu)而定）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且不存在機(jī)械過在問題，對(duì)高溫、低溫和溫度變化也不敏感，并且能提供比較高的輸出，常用于沒 有中間放大的場(chǎng)合，但不適宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。轉(zhuǎn)換速度為 25μ s,轉(zhuǎn)換精度為 %，芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的 8位或 16 位的微處理器相連，無需附加邏輯接口電路，且能與 CMOS 及 TTL 兼容。 （ 5）線性 度 實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換函數(shù)與理想直線的最大偏移。在此系統(tǒng)中我們選擇了單極性輸出的傳感器， 所以選用 A/D 轉(zhuǎn)換器的單極性轉(zhuǎn)換方式。確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí)，應(yīng)該考慮系統(tǒng)的采樣速率，與系統(tǒng)的節(jié)拍相匹配。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 A/D 轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。因此，取 10位或 11 位是合適的。一般把 8位一下的 A/D 轉(zhuǎn)換器歸為低分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器， 9～ 12 位的成為中分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器， 13 位以上的成為高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器。從靜態(tài)精度方面來說，要考慮輸入信號(hào)的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤差，它是模擬信號(hào)數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生誤差的主要部分。如圖 所示。 單 片 機(jī) 8 0 3 1復(fù) 位 電 路晶 振 電 路271287 4 L S3 7 362128單 片 機(jī) 外 部 擴(kuò) 展 R O M 、R A M 電 路A / D 轉(zhuǎn) 換 器A D 5 4 7 A采 樣 保 持 器L F 3 9 8多 路 開 關(guān)C D 4 0 5 16 片 差 動(dòng) 變 壓 器式 位 移 傳 感 器D A 1 0 0 圖 此電氣系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能是將由傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成能與控制信號(hào)比較的數(shù)字信號(hào)，并能完成數(shù)據(jù)的外部存儲(chǔ)。在 A/D、 D/A 接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)是根據(jù)用戶對(duì) A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換通道的技術(shù)要求，合理地選擇通道的結(jié)構(gòu)以及按一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則，恰當(dāng)?shù)剡x擇所需的各種集成電路，在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)還必須考慮通道驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，較好的驅(qū)動(dòng)程序可以使同樣規(guī)模的硬件設(shè)備發(fā)揮更高的效率。 第六章 電氣原理設(shè)計(jì)（液壓缸位移 檢測(cè)電路） 電氣系統(tǒng)的基本組成 使用 A/D（數(shù)模轉(zhuǎn)換）芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是單片機(jī)的一個(gè)主要應(yīng)用。以此達(dá)到控制運(yùn)動(dòng)模擬器的位置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)的目的。 六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器位置伺服控制系統(tǒng)工作過程 主 控 計(jì) 算 機(jī)D / A伺 服 閥 控 制器 及 伺 服 閥液 壓 缸A / D位 移 傳 感 器計(jì) 算 機(jī) 控 制 子 系 統(tǒng) 電 液 控 制 子 系 統(tǒng)位 置 輸 入位 置 輸 出 圖 以一個(gè)液壓缸的唯一為例說明其工作原理。 （ 6）控制對(duì)象：運(yùn)動(dòng)模擬器的動(dòng)平臺(tái)及其它負(fù)載裝置。 （ 4）放大、轉(zhuǎn)換控制元件：把偏差信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)（流量、壓力），并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如放大器、伺服閥等。 （ 2）檢測(cè)元件：檢測(cè)被控量，給出系統(tǒng)的反饋信號(hào)，如位置傳感器電流差動(dòng)變壓器式位移傳感器。運(yùn)動(dòng)模擬器電液伺服子系統(tǒng)包括非對(duì)稱直線液壓缸、電液伺服閥、位置傳感器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器、控制電路及主控計(jì)算機(jī)等 ，其中電液伺服閥及其 PID控制器是電液伺服子系統(tǒng)的核心元件，通過它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電液伺服子系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)。并聯(lián)式的運(yùn)動(dòng)模擬器具有承載能力強(qiáng)，剛性好，無累積誤差，精度高等特點(diǎn)。 第五章 電液伺服系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系 統(tǒng)組成 本六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器手是液壓伺服驅(qū)動(dòng)、并聯(lián)式的運(yùn)動(dòng)模擬器，由動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)、電液伺服控制子系統(tǒng)等組成。 液壓缸的排氣裝置 對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定性要求較高的機(jī)床液壓缸和大型液壓缸，則需設(shè)置排氣裝置，如排氣閥等。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在行程末 端一般設(shè)置緩沖裝置。 活塞與缸體及活塞與活塞桿處的密封選用 O形密封圈加擋圈的形式，此密封裝置的壓力范圍是≤ 35MPa，溫度范圍是 30～ +130，速度范圍是≤ 5m/s，符合我們的要求。 在此設(shè)計(jì)中，考慮結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，采用了端蓋整體式直接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向套與缸體之間采用了 O形密封圈，導(dǎo)向套與活塞桿之間采用了 Y形密封圈，在端蓋外側(cè)設(shè)置了防塵圈以清潔活塞桿處外露部分沾附的灰塵。 活塞桿 處 的密封形式有 O 形、 V 形、 Y 形和 YX形密封圈。導(dǎo)向套的位置可安裝 在密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝在外側(cè)。導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可做成與端蓋分開的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。在此系統(tǒng)中振動(dòng)較小，但考慮到安全的因素采用了雙螺母防松的辦法。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。缺點(diǎn)是缸筒開槽，削弱了強(qiáng)度，端部進(jìn)入缸體內(nèi)較長(zhǎng)，安裝時(shí)密封圈易被槽口擦傷。 上缸蓋與缸體的連接形式選用內(nèi)半環(huán)連接 。 缸體與缸蓋的連接形式 缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。主要包括：缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導(dǎo)向部分結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。 可計(jì)算出 F≤ 30294N，此系統(tǒng)中 F=750N,故滿足穩(wěn)定性要求。 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界負(fù)荷 FK，可按下式計(jì)算 2262 10BK LKEJF ?? ? （ N） 在彎曲失穩(wěn)臨界負(fù)荷 FK時(shí)，活塞桿將縱向彎曲。 所以可計(jì)算出 d≥ ，滿足要求。液壓缸的支撐長(zhǎng)度 LB=400mm， d=36mm，需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。 活塞桿 強(qiáng)度及 穩(wěn)定性的驗(yàn)算 當(dāng)液壓缸支承長(zhǎng)度 LB≥（ 10～ 15） d 時(shí)，須考慮活塞桿彎曲穩(wěn)定性并進(jìn)行驗(yàn)算。一般液壓缸缸 體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的 20～ 30倍。 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。 對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 H應(yīng)滿足以下要求： 220 DLH ?? 式中 L—— 液壓缸的最大行程； D—— 液壓缸的內(nèi)徑。 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 當(dāng)活塞桿 全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn) 到缸蓋滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離 H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 無孔時(shí) ][ 2 ?ypDt ? 有孔時(shí) )]([ 02 22 dD DpDt y ?? ? 式中 t—— 端蓋有效厚度（ m）； D2—— 端蓋止口內(nèi)徑（ m）； d0—— 端蓋孔的直徑（ m）。根據(jù)第三章概念設(shè)計(jì)中的行程要求為 275mm，查閱液壓缸行程系列，選擇行程為 300mm。故我們按缸體厚度系列選擇缸體外徑為 76mm，此時(shí)壁厚為 滿足強(qiáng)度要求。 計(jì)算得δ≥ ，在低中壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得的液壓缸的壁厚往往很小，使缸體的剛度往往很不夠，如在切削過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或漏油。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算 ][2?? Dpy? 式中 δ —— 液壓缸壁厚（ m）； D—— 液壓缸內(nèi)徑（ m）； Py—— 試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（ ～ ）倍（ MPa）； [δ ]—— 缸筒材料的許用應(yīng)力。一般計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的壁厚一般是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。 cmfcFFF ??? 式中η cm—— 液壓缸的機(jī)械效率，一般η cm=～ 將η cm代入直徑計(jì)算式，可求得 D 為 ]})(1[1{42121 DdpppFDcm ?????可計(jì)算出直徑，并參考內(nèi)徑系列選用 63mm 系列。 液壓缸主要尺寸的確定 液壓缸工作壓力的確定 根據(jù)工作情況，工作壓力定為 10MPa。 液壓缸安裝方式的選擇 液壓缸的安裝方式是指缸體與機(jī)架的固定或連接方式，可分為軸線固定和軸線擺動(dòng)兩大類。 第四章 液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓缸類型的選擇 液壓缸按工作特點(diǎn)分可分為單作用缸和雙作用缸兩大類；根據(jù)結(jié)構(gòu)還可以 分為多種形式。 動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量為 m=*108cm*96cm*=121kg 加上上支撐座和萬向鉸的重量，總重量記為 400kg。 液壓缸受力計(jì)算。符合平臺(tái)穩(wěn)定性要求。 經(jīng)以上尺寸確定的平臺(tái)處于最低點(diǎn)時(shí)，液壓缸與地面的夾角為63176。時(shí)找到一個(gè)好的換位。 時(shí)液壓缸在所有三個(gè)移動(dòng)自由度內(nèi)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性最高。在α =70176。（平臺(tái)豎直運(yùn)動(dòng)）時(shí)產(chǎn)生的扭矩最小。時(shí)虎克鉸的轉(zhuǎn)角最小。 而與平臺(tái)處于中間位置時(shí)與地面的夾角α有關(guān)。 而并聯(lián)機(jī)械手對(duì)機(jī)床剛度的要求比較高，對(duì)工作空間的要求相對(duì)較低，故動(dòng)平臺(tái)半徑也選擇為 500mm。即選擇一般的 6— 6SPS結(jié)構(gòu) 。 上圖是以球鉸做的仿真分析，而我們選用的是萬向鉸連，故綜合考慮分析結(jié)果及球鉸與萬向鉸連的不 同， 取動(dòng)平臺(tái)的短邊中心角為 0 度。 確定動(dòng)平臺(tái)短邊中心角 取初始狀態(tài)（各桿長(zhǎng)及受力相同），當(dāng)動(dòng)平臺(tái)的位置角以tb sin66 ??? ?? 變化時(shí)，桿長(zhǎng)及其受力變化如圖 ： 圖 動(dòng)平臺(tái)位置角變化時(shí)各桿桿長(zhǎng)及受力變化圖 從圖 7 中可知，當(dāng)位置角取 0 度時(shí)的受力及桿長(zhǎng)都最大， 60 度時(shí)的受力及桿長(zhǎng)都最小。 確定中 性面的高度 取機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)的高度以 H=700+200sin(t)變化時(shí)，桿長(zhǎng)及其受力的變化趨勢(shì)如圖 ： 圖 動(dòng)平臺(tái)高度變化時(shí)桿長(zhǎng)及受力變化趨勢(shì) 從圖中可知，動(dòng)平臺(tái)的高度越大，受力越小，但是桿長(zhǎng)增大，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)桿行程也會(huì)增大。 文獻(xiàn)（《并聯(lián)機(jī)床參數(shù)設(shè)計(jì)》《機(jī)械設(shè)計(jì)與研究》 ）通過對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度的研究，得出以下結(jié)論：機(jī)床參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使兩平臺(tái)間距離在 ～ 倍的定平臺(tái)半徑 范圍內(nèi)；動(dòng)平臺(tái)球鉸分布圓半徑 一般比動(dòng)平臺(tái)分布圓半徑小，其越大， 機(jī)床剛度就越大，但工作空間空間越小。選取結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)綜合考慮所希 望達(dá)到的工作空間、剛度、固有頻率、受力及尺寸等方面的要求。 平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的半徑；靜平臺(tái)與動(dòng)平 臺(tái)短邊中心角；兩平臺(tái)間距離；各驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度。我們忽略各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿及運(yùn)動(dòng)副的質(zhì)量，這樣各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿可以看作是二力桿，桿件的驅(qū)動(dòng)力方向即為桿件的主矢方向。其中 并聯(lián)機(jī)械手 的設(shè)計(jì)中最具有實(shí)際意義的是動(dòng)力學(xué)逆問題， 因?yàn)?它是控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。 許多文獻(xiàn)中，運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)稱為雅可比矩陣。 若已知運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)，可以方便地以顯函數(shù)的形式表示出該機(jī)構(gòu)構(gòu)件的速度和加速度。運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)反應(yīng)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿狀態(tài)，當(dāng)位姿改變時(shí)，一階和二階運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)隨之改變。如速度分析、加速度分析、誤差分析和受力分析等。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 方法 為了并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析過程方便起見，引入運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)。同理， 3l 比 2l 更接近于已知桿長(zhǎng) l 。已知驅(qū)動(dòng)桿的桿長(zhǎng)為 l ，兩桿長(zhǎng)的差值為： 11?Δl ll （ 5） 將式（ 5）所得差值帶入迭代方程（ 4）可求得位姿增量 1Δx ，這樣可以得到新的位姿為： 1 0 1??xxΔx （ 6） 由迭代后的位姿 1x 根據(jù)反解方程可得到新的桿長(zhǎng) 2l ，若雅可比矩陣收斂則相對(duì)于 1l 來說， 2l 更接近于已知桿長(zhǎng) l 。 根據(jù)桿長(zhǎng)和動(dòng)平臺(tái)位姿的關(guān)系，可以得到桿長(zhǎng)的一階導(dǎo)數(shù)和動(dòng)平臺(tái)位姿的一階導(dǎo)數(shù)有如下的關(guān)系： 1 1 1 1 1 1122 2 2 2 2 23456 6 6 6 6 66l l l l l lxlx y zyll l l l l lzlx y z