一种空间6-DOF对接平台的设计及分析

第卷 年月 第期 一页 世界科技研究与发展 一 一种空间一对接平台的设计及分析 谢志江 高健 ,刘小波倪卫, 重庆大学机械传动国家重点实验室 ,重庆重庆电子工程职业学院 ,重庆 , 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 ,绵阳 摘要 针对激光装置 中与洁净厢的对接 问题 ,提 出了“水平调 整平面调整 ”的对接方式 ,设计 了一种 具有三个旋 转 自 由度和三个移动 自由度 的空间六 自由度 对接 平台 ,详 细阐述 了平台水平调整机构和平 面调整机构的工作原理 , 并求 出二者运动 学 逆解。 用有限元软件对平台进行了静刚度计算 ,得出在极限工况下平台关键部件的应力分布和变形量 ,证明了 机构设计的合理性 。 实践 中 ,该对接 平台已成 功应用于,满足 了工程应用需要 。 关键词一对接平台 并联机构 运动学逆解 有限元 中图分类号文献标识码 一 砚 ,刊 ,仃, 正 , , “”一 一 一 叮 , , 盯 珊一拓一 引言 在现代工业 、国防及航空航天技术中 ,空间对接技术得 到了越来越广泛的应用 , 例如加工 中心 中刀具与工件的对 接 ,机器手与目标物的对接 , 航天器间的对接等等 。 而在我 国的惯性约束装置儿 中, 将 光学元件 , 即安装到洁净厢前 , 也 要先调整姿态 , 方可与洁净厢进行对接。 在美国国 家点火 装置中 , 专 门有一套系 统来解 决此 问 题一 , 但是中应用的系统结构复杂 ,成本极高。 本文针对中姿态调节需要 ,研究了一种新型空 间六 自由度对接平台 ,详细阐述了其工作原理 , 并依据经典 机器人学运动理论进行运动学分析 ,计算出各运动支链的调 整量 。 另外用有限元的方法对平台结构进行了静刚度分析 , 确保平台在承受重载的情况下 ,关键部件的变形在许可范围 内。 这种空间对接平台可推广应用于工业机器人 、 微动机器 人 、 航空器对接和并联机床等领域 。 平台机械结构的基本组成 空间对接平台主要由平面调整机构和水平调整机构组 成 , 见图。平面调整机构有三个 自由度 , 可 以实现沿轴 和轴的移动以及绕轴的转动 。水平调整机构可以实现 平台整体绕轴和轴的转动以及沿轴的提升。 当平面 调整机构和水平调整机构组合到一起时 ,共有三个旋转 自由 一 度和三个移动自由度 ,整个平台可实现空间六自由度的姿态 调整 。 图空 间六 自由度对接平 台三维模型 一 系统工作模型见 图, 图中洁净保持箱顶部 的开 口与 洁净厢底部开口对应 。现场作业时 ,放在洁净保持 箱中, 洁净保持箱置于平面调整机构的盖板之上 , 并通过限 位块固定 。通过对接平台的位姿调节 , 实现洁净箱体及其内 的姿态调整 , 完成与洁净厢的对接 , 对接完毕 , 由洁净保 持箱内垂直提升机构将送人洁净厢中。 平面调 整机构 平面调整机构的主要功能是实现沿轴轴的移动和 绕轴的旋转。 如图所示 , 平面调整机构由三个伺服电 机 , 四个十字交叉导轨等组成 , 其中有一个十字交叉导轨无 电机驱动 ,始终处于随动状态 。 十字交叉导轨的一根导轨固 定于对接平台底座上 , 另一根通过连接杆与盖板连接 。连接 第页 叨勿 2012 年月诊 界科杖研 究与发展 机械 工程 安装位置 洁净保持箱 对接平 台 酬酬酬酬酬酬酬酬酬酬酬酬酬爵爵爵爵爵爵爵爵爵爵爵爵 翠翠翠翠翠翠翼翼翼翼一一 一一 ,黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔 广广广广广广广广广广广广广 尸尸尸尸尸户 一一一一 酬酬酬酬 叠叠叠 翻翻翻翻翻翻翻翻翻翻翻翻翻 鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦鹦黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔黔凳凳凳凳凳凳凳凳凳凳凳凳凳凳凳 勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺 图对接平台安装设备示意图 叩一】 杆与盖板之间有交叉滚柱轴环 可承受轴向载荷也可承受径 向载荷机构,保证盖板旋转的灵活性 。工作时 ,伺服电机驱 动滚珠丝杠旋转 , 螺母带动十字交叉导轨的保持架移动 ,进 而带动盖板移动或旋转 。 动 们中动 作动 作 初始位置, 、, 、一,仁 , 一 ,一一 图平面调整机构几种工况 平台底座 伺服 电机 , 限位块盖板交叉滚柱轴环连接杆轴承及轴承座 压力传感器滚珠丝杠及螺母轴承及轴承座行星齿轮减 速器伺服 电机十字交叉导轨 图平面 调整机构 平面调整机构工作方式有如下几种情形与方向 平行的两个伺服电机同时工作 ,且螺母移动速度大小方向一 致 ,盖板沿方向移动方向电机单独工作 , 盖板沿方 向移动三个电机同时工作 ,与方向平行的两螺母移动 速度大小方向一致 ,平面调整机构的合运动为朝某一方向的 直线运动三个电机同时工作 , 且三个螺母呈顺 逆时针移 动时 ,平面调整机构将作旋转运动。 几种运动工况见图 正负号表示螺母的移动方向 , 由文中空间坐标系定义。 水平调整机构 在的洁净保持箱 内部安装有两轴式倾角传感器 , 水平调整机构依据传感器反馈的角度值 ,来进行水平调整 , 确保倾角传感器的读数始终处于水平状态 。 水平调整机构 如图所示 , 主要由四个支撑腿和四个伺服电机组成 。伺服 电机通过蜗轮蜗杆减速器驱动支撑腿升降 ,实现绕轴和 轴的旋转及沿轴的提升 。蜗轮蜗杆减速器具有 自锁功能 , 在平台失电时 , 可保持当前位置 。若平台绕轴旋转 , 可以 通过腿或是腿升来实现 绕轴旋转可以通过或 是升来实现 四个支撑腿同时升时, 整个平台会沿 轴提升 。 涡轮蜗杆减速器 图 支撑脚 支撑腿 水平调整机构 代 机构运动学分析 所谓运动学逆解 ,就是已知机构的位姿 , 反求该机构驱 动组件的输人量。 本文根据并联机器人位置与姿态 的描述 和空间坐标变换理论困 ,对平面调整机构和水平调整机构进 行逆解 ,推导出各运动支链的调整量公式 。 平面调整机构的运动学逆解 平面调整机构简图叫如图所示 ,每条运动支链是由两 个移动副和一个旋转副构成 。 由机械结构可知 , 十字交叉导 轨保持架、 只能沿轴移动 ,保持架只能沿轴移动 。 平面调整机构各驱动组件的调整量等效于求解三个驱动组 件处十字交叉导轨保持架位移的变化量 。 在平台底座上建立固定坐标系口一,坐标系原点 为底座几何中心。 在平面调整机构盖板上建立动坐标系 一矛矛,坐标原点 。为平面调整机构当前旋转中心 , 此旋转中心为几何中心在平面调整机构盖板上的投 影 。 运动参数 动坐标系绕固定坐标系轴旋转角度为 。, 沿固定坐标系轴 、 轴 、 轴分别平移、 、 。 尸 产、 第页 机械 工程 世界科教研 究与发展年月 石 图 平面调整机构简 图 , 二 一二二 一舀 一 一一 州州 犷 , 八一一 呢 、尹飞、 、 产 、 曰一 一 住口孟 口 一 日 厂 工一 将尸 , 鲁 ,万卫 一 , 凡二 六二 竺 ,万 图 。 ,一 一 ,一一 二一一 验证示意 图 一二 一一 一一 凡一 晋 一, 一 ,代人式中可得变换之后的坐标 。 一一 戈 万 一口 一又 , 、 万 一。“ , 一乙 一。, 水平调整机构 的运动学逆解 该空间对接平台底座和四条支撑腿组成 了一个四杆并 联机构,结构简图见图。参考坐标系的建立在四个支撑 脚球铰中心所确定的平面的几何中心。 动坐标系建立在 底座的几何中心 。 一 “、 几厂 一“ 口 一 几 犷 一” , 、万一口 二卫一 , 、一了 一“, 李 一 , 一 晋一 合一 “ 。, 矛, 尸尸尸 之 由机械结构可知 , 十字交叉导轨保持架。 在移动后有如 式。 , , 尸 认 图水平 调整机 构简图 乌几几、 , 某类型为例 , 其几何中心在平面调整机构上的投 影为,绕其几何中心逆时针 旋转“ ,可得 ,二一 “ 一 “一 犯 “ 少 一 一 “ 二 一 “ 二一 一 ” “ , 、一 一一一 一 一 运动参数 动坐标系绕 固定坐标系轴轴旋转的角 度分别为 。,月,沿固定坐标系轴移动。 初始情况下 ,各运动支链 与动平台铰点在动坐标系 中的坐标值分别为盯 , 一,一盯 , 一, 盯 ,盯 ,。 与静平台铰点固定坐标系中 的坐标值分别为盯, 一,一盯, 一,一盯 ,。 、 二, , 。 氏, , 。了,月, 屿衅叫 验证以上数值 , 如图所示 。 三个驱动组件调整量为 明 一 明 一 仪 第页 二 叨 劝 2012 年月世 界科杖研 究与喊展机械 工程 明明 、 、尹、飞 夕 矛吸 曰、 且 侣了了、 刁 之 明 明 仪 明 明。 明 仪 明。 明 一 明 明。 一 明 尸 一一 , 变换后的坐标为 明 一 明 明明 一 明明 均移动至极限位 , 在负载为时 , 底座及导轨的变形量 和应力分布。进行有限元分析的目的有二 一是检验系统机 构的刚度 , 重载下机构的变形对精密件十字交叉导轨的运行 有无影响 二是将分析结果作为对接平台结构进一步优化的 依据 。 在中建立系统模型 ,并转化为格式导人 ,建立系统模型时 , 选用材料为结构钢 , 弹 性模量, 泊松比林二, 密度二群耐 , 采 用自由网格自由划分 ,共有个节点 ,个单元 。 平台处于极限工作位置下分析变形量和应力分布见图 】 一一 一一 氏 明一明 一 一,妇一乙 明留 一 几 油 尸 同理可求出其他三个铰点处变换后的坐标 。 一明一明 一 归 一明留 一明 明明 琴 洲明 一调明 图对 接平 台极 限工况变形量 代 、 声 吸 勺 勺 , 犷、 了 、 , 一 门 、 名 百、 , 叫川 尸几 月 一一一一一一 加, , 峥 门滩 尸尸尸 设各运动支链的初始长度为, ,实际应用中,、可以根 据驱动支撑腿的伺服电机绝对式编码器反馈的数值得到。 各运动支链的调整量尔、为 配厕 衬 一 图对接平台极限工况应力分布 月 内内 、 , 七 几乙子沙万邵 乙注 罕一明一一 乙 十 一咧一明留 , 一 仁 一明一明。一。一乙 。 左 十碉 卜。 明留、 告一 一洲一明一一丫 。 十 。 。尹。 沼“十 奇一 丫 洲明一一乙 留 树十 一洲。 明留十 合一 图对接平 台极 限工况变形量 去掉盖板 代、。, 一 平台有限元分析 用对此空间六 自由度对接平台的极 限工况进行静刚度计算叫 , 极限工况是指平面调整机构沿 , 瑙二 几分门 图对接平 台极 限工况应 力分布 去掉盖板 理,二 切切叨占 第页 机械 工程 舌界科杖研究与成展年月 大径向间隙 。一 “。 平台底座各导轨安装面的最大 变形约为一各个连接杆的最大变形约为 ,所有导轨安装面变形差值均小于一, 满足十 字交叉导轨正常运动的技术指标 。 二 盔 图底座极 限工况变形量 结论 本文提出的空间六 自由度对接平台具有以下特性 具有三个转动 自由度 , 三个移动 自由度刚度好 , 结构紧 凑 ,适应作业环境可承受重载 ,工作时 ,平台上的载荷约 为左右可实现 自动调平 ,适应不平地面 ,保证位姿调 节精度机械结构紧凑 ,驱动部件少 , 运动学分析简单 ,易 于实现 自动化控制 。 此新型空间六 自由度对接平台, 已经成功应用于激 光装置 ,且在相关领域具有 良好的应用前景。 图底座极限工况应力分布 图十字交叉导轨变形量 即 图十字交叉导轨应力分布 朗 的分析结果如下最大应力发生于 连接杆上 ,应力值为, 远低于连接杆材料的 许用应力最大变形发生于平面调整机构的盖板边缘处 , 变形量为。一十字交叉导轨正常运动允许最 参考文献 陈刚 “神光”装置靶场结构设计 绵阳 中国工程物理研 究院科技年报 , 刘小波 ,谢志江 ,刘楠 ,等一 种光机洁净精密装校设备设计与研 究仁了机械工程 ,一 一, ,罗 ,一 一 叮 , , ,一 仁 工月刁叮, ,几, 一,丑 , 机器人学导论 孙富春 ,朱纪洪 ,刘国栋 ,