六自由度运动平台设计方案

第页 共 18 页 1 六自由度运动平台设计方案 1 概述 理样机用原库房留存的 345 厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用 件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致 理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 理样机方案 成 原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华 为 A/D 和 D/A 模拟量卡，驱动器采用 司的 型号为 12伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到 150A，采用 3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表 序号 产品名称 型号 厂家 数量 备注 1 电动缸 3） 西安方元明 6 安装 345 厂电机 2 电阻尺 海徳测 6 3 驱动器 50 3 A/D 卡 华 1 4 D/A 卡 华 1 5 工控机 610H 研华 1 第页 共 18 页 2 6 直流电源 1 构方案 六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（ X， Y， Z，）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。 图 1 六自由度平台外形图 a）球笼联轴器（如图 2 所示） 采用球笼铰链与上平面连接。球笼铰链结构简单、体积小、运转灵活、易于维护。 初选球笼铰链型号 6139，公称转矩 000N/m，工作角度40 度，外径 D=68孔选用圆柱孔 d=24长度 48动惯量为 重量 5 球笼联轴器 电动缸 虎克铰链 上动平台 下静平台 第页 共 18 页 3 图 2 球笼联轴器 b）虎克铰链（如图 3 所示） 采用虎克铰链与下平面连接。万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用于有大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达 3545，噪音小，对润滑要求不高 ，传递转矩大，而且使用可靠，因此获得广泛的应用。 图 3 虎克铰链 下固定板的连接（如图 4 所示） 第页 共 18 页 4 图 4 电动缸齿轮盖 下固定板与电动缸用法兰连接。 初选深沟球轴承型号 61808（ 276，额定载荷 径D=52承孔选用 d=40 B=7量 初选深沟球轴承型号 61802（ 276，额定载荷 径D=24承孔选用 d=15 B=5量 上下结构（如图 5 所示） 上铰点分布 圆的半径： 32铰点分布圆的半径： 25铰相邻铰之间的距离： 05铰相邻铰之间的距离： 20位时作动器的长度： 77mm c）电动缸 图 5 第页 共 18 页 5 基于器部件复用的考虑， 用某项目 3 号电动作为运动平台动作执行终端，并可利用库存的六台 流有刷减速电机为之配套。 电动缸主要技术指标： 1）最大推拉力不小于 6000N； 2）行走速度： 18mm/s； 3）最大行程： 370 4）电动缸不自锁； 直流有刷减速电机技术指标： 1）电压范围：允许在 208围内工作； 2）额定电压： 24 3）最大电流：在额定电压 24定负载 12件下，电流 40A。 4）最低转速：在额定电压 24定负载 12件下，减速器输出转速不小于 410 5）额定负载：减速电机额定负载转矩为 12 6）工作方式：连续工作时间 3隙时间 5 7）电气接口：接口方式采用航空插座，航空插座型号： 机出线与插座接线关系为“”接 1 号针脚，“ -”接 2 号针脚。 制 方案 控制软件采用位置反解算法，即通过平台的姿态反算六支电动缸的长度，通过 收电阻尺反馈的位置指令，根据计算出来的长度和反馈指令通过驱动器发送模拟量速度指令，控制电动缸运动到指定长度。 理样机技术参数 序号 指标 实际情况 备注 1 载荷 1T 未进行试验测试 2 平移速度 10mm/s15mm/s 3 旋转速度 ， Y 轴平移范围 3005 Z 轴平移范围 160 第页 共 18 页 6 6 X， Y 轴转动范围 20 7 Z 轴转动范围 30 理样机存在问题 1、超调问题：电动缸运行到位后超调现象比较严重，初步分析为电机特性较差引起的，但不排除算法及 数存在问题； 2、台体结构晃动：当电动缸处于停止运动后，上台面人为晃动存在时，存在较大晃动量，初步分析原因为上平台使用的球笼联轴器间隙过大造成的。 3 优化方案 针对原理样机中出现的问题，在尽量少修改原理样机结构的基础上对其进行优化，使其性能得到提高，并能完成六自由度的摇摆及联动等动作。 服系统优化 针对原电机超调现象严重的现状，选择带反馈的伺服 电机，使其和配套伺服驱动器构成小闭环，以降低上位控制软件的控制算法的难度。按照现有结构允许的安装空间只能选择外径在 70内的伺服电机及减速器，初选松下率为 400W 的交流伺服电机作为动力源。 按照电机输出扭矩需要，选择纽士达特型号为 减速器，其外径为600率为 90%。则电机加减速器的输出扭矩为 速为 750杠导程为 6动箱减速比为 2，则电动缸的速度为 s，推力不小于600足设计及使用要求。 制系统优 化 根据原理样机中模拟量信号受干扰严重的现象，结合本次设计所选择伺服系统，采用脉冲 +方向指令作为控制指令，故需要选择运动控制卡，根据公司现在使用的运动卡，选择深圳众为兴公司型号为 运动控制卡作为主控卡。 构部分优化 根据原理样机存在的问题，现将运动平台上平台与电缸连接部分也更改为虎克铰链，用以消除球笼联轴器带来的间隙。虎克铰链示意图如图 示： 第页 共 18 页 7 图 克铰链示意图 4 系统组成 六自由度运动平台系统由测试软件部分系统、电气控制系统、动力电源系统、运动平台机械台体组成。运动 平台部分的组成结构示意图如图 示。 用 户 界 面伺 服 算 法 模 块 伺 服 驱 动电 动 缸 6负 载 运 动软 件 部 分 电 控 部 分 机 械 部 分图 统组成框图 软件部分主要包括用户界面程序、伺服算法程序、 数设置程序等。用户界面程序采用 写，界面友好，使用方便，可以接收用户的鼠标和键盘输入，设置工作的模式，运动的曲线类型等（正弦、连续、圆弧等），可以接收外部的指令，使平台在跟随状态下运行。 电控部分的作用是接收控制系统输出的指令数据，并将其传输给伺服驱动器，驱动器将信号放大后控制电机运动，进而带动电动缸运动，并最终使台体实现 各种姿态。包括工控机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、电阻尺及相关电器元件等。 机械部分用于支撑负载，包括上平台、上连接铰、下连接铰、电动缸、支撑架、 第页 共 18 页 8 底座等。平台由电动缸驱动，进行横滚、偏航、俯仰三个姿态和 X、 Y、 Z 平移共六个自由度的运动。 5 方案设计 根据研究计划制定的研究目标及为下一个研究课题进行技术储备，本次设计出了满足原速度载荷要求的同时，在不增加外购件的前提下，进行了高速状态的设计，即传动箱内的齿轮可不带减速器直接连接伺服电机，使电动缸可以高速运动，但此时载荷降低，用以进行六自由度运动平 台高速状态的研究。 械结构设计 本次结构设计在 理样机基础上进行设计，对原理样机中发现的问题进行优化，同时因为伺服系统更换导致相关结构部分进行更改。主要更改部分有上平台与电动缸连接方式，电动缸传动箱，电动缸电机端传动齿轮。 平台与电动缸连接方式 原理样机上平台与电动缸连接采用球笼轴承，初样机采用虎克铰链方式进行连接，其更改后的外形图如图 示： 图 平台链接部分外形图 动缸传动箱 本次设计选用 速器，其减速器 输出接口与原减速器相比有更改部分，主要更改部分为连接螺钉分布圆由直径 77为直径 70口由直径 300他部分没有变化。 机齿轮 第页 共 18 页 9 本次设计选用 速器，其输出轴直径为 14于原减速器输出轴直径 18时考虑与减速器及伺服电机能够连接的共用性，所以需要对电机齿轮重新设计加工。 速器 根据选取电机设计需要，减速器选择山东纽士达特公司生产的 星减速器，其主要性能参数如表 表 速器性能参数 名 称 参数 备注 额定输出扭矩 最大径向力 265N 最大轴向力 220N 抗扭刚性 m/额定输入转速 4000最大输入转速 8000回程间隙 小于 18控系统设计 电控系统主要用于接收用户控制指令，并处理各种反馈信号，产生控制信号，控制伺服作动器做功，最终驱动运动平台完成各种自由度的运动。 本次设计仍采用位置反解算法，通过平台位置计算出各支电动缸的长度，采用运动控制卡作为运动平台的指令发送器件，根据计算出的结果发 送 6 通道的脉冲+方向指令，用以控制 6 支电动缸进行运动；将伺服电机尾端的编码器数据通过伺服驱动器发送至上位机，通过解算编码器数据可知电动缸当前位置，电阻尺作为电动缸绝对位置检测，用以进行电动缸行程判读，作为电气限位保护使用。其控制框图如图 示： 第页 共 18 页 10 工控机输 出I / 输 入运 动控 制卡A / 驱 动伺 服电 机电 动 缸编 码 器通 道 二通 道 三通 道 四显 示 器键 盘通 道 五通 道 六上 台 面负载电 阻 尺图 制框图 主要控制元器件进行详细介绍： 服电机 根据 3）缸设计技术书可知， 600m，缸体部份及齿轮传动部分总效率按照 70%计算时 ，齿轮传动部分减速比为 2，减速器输出扭矩为 步选配减速比为 4，效率为 90%的减速器，则电机端需要转矩 4 . 1= = 1 . 1 4 0 . 9 m 减电，选择松下型号为 伺服电机，其主要参数见表 表 机性能参数 名称 参数 备注 电压 220额定转速 3000最大转速 5000 第页 共 18 页 11 额定扭矩 瞬时最大扭矩 制动力矩 不小于 编码器 20 位增量式 其转矩特性图如图 示： 图 服电机转矩特性图 服驱动器 根据所选电机，配伺服驱动器型号为 主要性能参数见表 表 服驱动器性能参数 名称 参数 备注 电压 22010% 50/60控制方式 位置控制模式 速度控制模式 转矩控制模式 全闭环控制模式 指令输入 差分输入（脉冲 +方向、脉冲 +脉冲） 输入频率 500k（光电耦合器输入使用时） 4M（长线驱动器输入使用时） 电子齿轮比 1/10001000 以内 第页 共 18 页 12 通讯功能 动控制卡 选择深圳众为兴公司生产的六轴运动控制卡 主要功能为输出六通道脉冲指令，接收六通道编码器反馈数据，其主要参数见表 表 动控制卡性能参数 名称 参数 备注 轴数 6 轴 最大脉冲输出频率 4脉冲输出频率误差 小于 位置反馈输入 32 位计数 I/O 每轴 8O/8I 其电气连接关系如图 示： 第页 共 18 页 13 图 气连接关系图 制软件及算法 置解算算法 对于并联机构的六自由度平台 在运动过程中，要保证运动的实时性和正确性，就需要通过对伸缩杠的精确控制来实现，这就需要引入六自由度平台的实时位置正反解算法。所谓六自由度平台的位置反解，是指由运动平台的空间姿态求六个伸缩杠的伸缩量。而六自由度的位置正解，是指有六个伸缩杠的伸缩量来求运动平台的空间姿态。 本次设计仍然采用位置反解的算法作为六自由度平台的位置算法。经过推算后动平台的各点坐标相对于静平台的各点坐标的方向转换矩阵表示如下： 第页 共 18 页 14 , . 10000 .a， b， c 对应为动平台在 X 轴， Y 轴， Z 轴三个方向上的位移； ， ， 对应为动平台绕 X 轴， Y 轴， Z 轴三个轴旋转的角度。 续运动规划 本设计将依次完成对 移、旋转以及 周运动三种运行曲线。 1、平移运动：动平台不对 X、 Y、 Z 任一轴做旋转，以平台中心为控制点，在X、 Y、 Z 任一轴向做往复轴向运动。 2、旋转运动：以平台中心位于 面的原点，并在 Z 轴行程中心，在 X、Y、 Z 绕任一轴做角度旋转的往复运动。 3、 面圆周运动： 台在 Z 向行程为一半的 面上，以平台中心为原点沿所规划的圆形轨迹运动。其公式为 2 2 2X Y r，其中 X、 Y 分别为圆形在 X、 Y 上的距离， r 为所画圆的半径，按照此公式计算上平台的运动轨迹。 制策略 采用了位置环加驱动器内部的速度环、电流环相结合的三环反馈的控制方法。在控制算法中采用了前馈的算法，使控制效果更平稳、更精确。 制软件 软件设计中采用了模块化、面向对象的设计方法，将程序分为以下模块： 1）六通道 伺服控制 模块 ：在 1服周期内，采集每个通道的反馈信号，将算的信号对应通道输出，并做必要的限位判断。 2）六通道 算 模块 ：在 1伺服周期内，将反馈的信号和设置的信号进行 算，得出输出信号量。 3）运动曲线规划模块：设置平台按照规划好的曲线方程进行运动。 第页 共 18 页 15 4）六通道 数设置模块：设置六支电动缸的 数。 5）数据采集及输出模块：采集编码器的反馈数据并根据 算出的结果输出相应的脉冲量。 件流程框图 开 始选 择 运 动 模 式点 对 点 模 式 平 移 运 动 旋 转 运 动 X - Y 平 面 圆 周 运 动输 入 平 台 姿 态输 入 运 动 轴 号 及 运动 范 围输 入 旋 转 轴 号 及 旋转 范 围输 入 旋 转 半 径输 入 平 台 姿 态输 入 运 动 轴 号 、 运动 范 围 及 时 间输 入 旋 转 轴 号 、 旋转 范 围 及 时 间输 入 旋 转 半 径 及 时间计 算 各 缸 行 程计 算 各 缸 行 程 ， 并按 照 曲 线 方 程 及 时间 对 电 动 缸 行 程 赋值计 算 各 缸 行 程 ， 并按 照 曲 线 方 程 及 时间 对 电 动 缸 行 程 赋值计 算 各 缸 行 程 ， 并按 照 曲 线 方 程 及 时间 对 电 动 缸 行 程 赋值输 出 脉 冲 指 令 输 出 脉 冲 指 令 输 出 脉 冲 指 令 输 出 脉 冲 指 令到 位 自 动 停 止输 入 停 止 后 指 令 停止输 入 停 止 后 指 令 停止输 入 停 止 后 指 令 停止图 件流程框图 第页 共 18 页 16 6 主要技术指标计算 荷 本次设计在不更改原电动缸结构的基础上进行优化设计，对电机进行重新选型，根据 3）缸设计技术书可知， 600力时丝杠需要扭矩为 体部份及齿轮传动部分总效率按照 70%计算时，齿轮传动部分减速比为 2，减速器输出扭矩为 步选配减速比为 4，效率为 90%的减速器，则电机端需要转矩 4 . 1= = 1 . 1 4 0 . 9 m 减电。所选电机额定转矩为 电动缸在额定速度下的额定推力约为 684 大推力为 2000 根据图 示，伺服电机的最大转速为 5000时伺服电机输出的额定转矩约为 电动缸在最大速度下的额定推力约为 368 根据本次设计的设计思路，电动缸存在不安装减速器，由伺服电机直接连接齿轮的工况，缸体部份及齿轮传动部分总效率按照 70%计算时，丝杠端部的有效转矩为 此时电动缸的额定推力约为 130平台的载荷下降为 216 度 根据 3）缸设计技术书可知，丝杠导程为 6轮减速比为 2，本次设计选取的减速器速比为 4，伺服电机的额定转速为 3000电动缸的额定速度为 3000= p = 6 = 2 2 5 0 m m / m i n = 3 7 . 5 m m / si i 4 2电额减 齿。 根据图 示，伺服电机的最大转速为 5000电动缸的最大速度为m a p = 6 = 3 7 5 0 m m / m i n = 6 2 . 5 m m / si i 4 2电减 齿。 根据本次设计的设计思路，电动缸存在不安装减速器，由伺服电机直接连接齿轮 的 工 况 ， 则 此 时 电 动 缸 的 额 定 速 度 为3000= p = 6 = 9 0 0 0 m m / m i n = 1 5 0 m m / 电电齿。 置分辨率 本次选用伺服电机末端编码器为 20 位增量编码器，根据电动缸减速比及丝杠 第页 共 18 页 17 导程计算，电动缸 的位置分辨率为2 0 2 0= 0 . 0 0 0 7 mi i 2 4 2 2 减 齿。 不安装减速器时，电动缸的位置分辨率为2 0 2 0= 0 . 0 0 3 mi i 2 2 2 减 齿。 折算到平台上的位置分辨率为 m，角度分辨率为 位精度 1）行星减速器 所选行星减速