（电力电子与电力传动专业论文）六自由度虚拟轴机床运动控制的研究.pdf

沈阳l 业大学硕十学位论文 一r 一 r e s e a r c ho nk i n e m a t i cc o n t r 0 1o f v i r t u a la x i sm a c h i n et o o lw i t h6d e g r e e s o ff r e e d o m a b s t r a e t v i m m la x i sm a c h i n et o o l ( v a m t ) i sc h a r a c t e r i z e db yt h es i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr i g i d i t y ， l a r g el o a dh a n d l i n gc a p a c i t y ，a n dn o n - a c c u m u l a t i o no fp o s i t i o ne r r o r a st h es u p p l e m e n to f s e r i e sm a c h i l l et o o lf s m t ) ，v a m th a sb e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c hi nm a c h i n et o o l ，a n d 1 ) l e n t i f i dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c q u i r e di nm e c h a n i c s ，k i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ，b u t l o wi nk i n e c n a t i cc o n t r 0 1 h o w e v e r ，d i f l c u l t y i nc o n ：t r o lo fv a m t ，b r o u g h t b y t h e s i n a p l i f i c a t i o no f i t sm e c h a n i c a ls t m c t u r e ，h a sb a l t l e di t sd e v e l o p m e n t ，a n dh a sb e e nam a t t e ro l g r e a tt l r g e n c y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h e6h e x a g l i d ea n ds t e w a r tp l a t f o r mv a m t ，t h e k i n e m a t i c sc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r er e s e a r c h e d ，i no r d e rt o f i n dt h ep r a c t i c a la n da c c e p t e d s o l u t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n ts u r v e y ，r e s e a r c ha c t u a l i t i e sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c to f v a m ta r ei n t r o d u c e da tf i r s t ，a n dt h em o d e l so fl d n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n dl i n e a rm o t o rs e r v o ：l l - em a a l y z e dt h e n c u r r e n t l yt h ed y n a m i c sm o d e li sc o m p l e x o re s t a b l i s h e dm e c h a n i c a l l y ，w h i c h r e s t r i c t st h es t u d yo fc o n t r o lt h e o r i e s t h u st h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n tas i m p l ea n de a s y r e a l i z e d c o n t r o li d e a ，n a m e l y ，t h ef o r ea n dt o r q u eo fe v e r yl e gd e t e r m i n e db yt h ei n v e r s e s o l u t i o no f m e c h a n i c sa r er e g a r d e da sc h a n g e a b l el o a df o r c e ( d i s t u r b a n c e ) a p p l i e di nm o t o r ，t h ee l o n g a t i o n o ft h el e go rd i s p l a c e m e n to f s l i d i n gi sr e g a r d e da st h eo u t p u to f l i n e a rs e r v os y s t e m t h e nt h e p o s i t i o nc l o s e - l o o p i sc o n s t i t u t e da n d t r a j e c t o r y t , a c kc o n t r o li sr e a l i z e d 0 nt h eb a s eo fm o d e l ，c o n s i d e r i n gt h ed i s t u r b a n c ef r o mt h eo t h e r5l e g sa n dv a r i a t i n gl o a d ， w ed e s i g na r th i v _ fc o n t r o l l e ri n t e g r a t e dw i t hi pc o n t r o l l e r ，w h i c hm a k e st h es y s t e mw i t ht h e a d v a n t a g eo fb o t hh - i n fc o n l r o la n di pc o n t r o l ，a n dr e s t r a i n st h eb a de f f e c tf r o mv a r i a t i n g d i s t u r b a n c e n 】es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i ss t r a d g ye n h a n c e st h es y s t e mr o b u s t n e s s i na n o t h e rs o l u t i o n ，t h ec o u p l i n ga n dl o a dd i s t u r b a n c e sa r er e g a r d e da st h ep a r a m e t e r v a r i a t i o n so f m o t o rm o d e l ，a n dt h ev a r i a t i o ni so b s e r v e d ，t h u s ，t h ec o u p l e dd y n a m i c so f v a m t 沈| j l 业人学硕十学位论文 i s d e c o u p l e dt o 6s i n g l em o t o rs y s t e m sf o rs i n g l e l o o ps y s t e m ，t h ep o s i t i o n a n ds p e e d c o n t r o l l e r sa r er e a l i z e db yn e u r a ln e t w o r k t h eo u t p u to fn e t w o r ki sd e t e r m i n e db yt 1 1 ee l e c t r i c c u r r e n tr e l a t e dw i t ht h ed e s i r e da c c e l e r a t i o n ，m l dt h ea c c e l e r a t i o nt r a c k i n gc o n t r o li sr e a l i z e d i n d i r e c t l y ，w h i c hi m p r o v e st h et r a j e c t o r yt r a c k i n gp e r f o m m n c eo ft h em o b i l ep l a t f o m l t h e i n i t i a lw e i g h t so ft h en e u r a ln e t w o r kc a l lb eg i v e na c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lm e a n i n g ，w h i c h e x p e d i t e s t h en e t w o r k c o n v e r g e n c e p h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st b ec o n c e i v i n go fd s p - b a s e dv a m fc o n t r o ls y s t e m d e v e l o p i n g s o f t w a r ef o rb r u s h l e s sd i r e c tc u n e n te l e c t r i c a lm o t o rw i l lb e n e f i tt h ep r a c t i c a ld e v e l o p m e l to f d s p - b a s e dv a m tc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y ，w ef b r e c a s t t h ef u t u r ec o n t r o l s t r a t e g i e sa n dc o n l m ls y s t e mf r o m d i f i e r e n ta s p e c t s k e y 7 0 r d s ：v i r t u a la x i sm a c h i n et o o l 、h - i n fc o n t r o l ，a c c e l e r a t i o nt r a c k i n gc o n t r 0 1 t r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 3 一 独创性说。明 本人郑重声明：所呈交的沦文足我个人在导师指导下进行的研究j ： 作成取得的研究成果。尽我所知， t a q 特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳t 业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 1 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并投 示r 酬意。 签名：益墨墨i 彗i = ；j 期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈| j | _ 1i = 业大学有关保留、使用学位论文的规疋， 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校l t t 伽沦迎j 的全部或部分内容，叮以采用影印、缩印或其他复制 段 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：盘墨墨j 矗导y n 菇名日期：。p 9 ，) 力 沈f i lll , j k 人学硕士学位论文 1 引言 随着科学技术的迅速发展，机械制造业正经历着前所未有的变化：加工精度从微米 级向纳米级发展；经营策略从大规模生产到敏捷制造；竞争范围从国内市场扩展到全球 市场。在此大背景下，被称之为“2 l 世纪新一代数控加工设备”的虚拟轴机床问世 r ，它的出现不仅引起了世界各罔的广泛关注，而且被誉为“机床结构的重人革命”。 虚拟轴机床是采用空间并联的多个杆件联结动、静两个平台的并联机构，义称作并 联机床。虚拟轴机床机构与传统的串联机床相比具有鲜明特点 1 1 ：( 1 ) 并联机床动平 台有6 个分支支撑，与串联的悬臂梁相比刚度大、结构稳定；( 2 ) 并联机床较串联机 床在相同的自重和体积下有较高的承载能力；( 3 )串联机床末端误差是各关节误差的 积累和放大，而并联式对误差有平滑缩小的作用，因而误差小、精度高：( 4 ) 串联式 机床的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动 态性能，而并联式则很容易将电机置于基座上，减小了运动负荷；( 5 ) 位青求解上 串联机构正解容易、反解困难，并联机构l f 解困难、反解容易，然而机床加工需要在线 实时计算反解，这对串联式机构卜分不利，而并联机构却容易实现。 由于并联机构同串联机构性能特点上的“对偶”关系，并联机床与串联机床的应用 并非完全替代，而是具有互补关系的，且虚拟轴机床有其特殊应用领域，可以说虚拟轴 机床的出现扩大了机床的应用范围。虚拟轴机床不仅已在铣、镗、磨削等加工工艺方面 展示出良好的应用前景，而且易于实现多坐标测量、装配、焊接等多种功能，为柔性制 造系统提供了一种新的高柔性的设备。 尽管虚拟轴机床具有许多优势，将会对机床行业注入新的活力，然而，由于虚拟轴 机床并联机构内在的、本质的的复杂性决定了其动力学模型是一个多自由度、多变量、 高度非线性、多参数耦合的复杂系统，i n j - g g 寸n 拟轴机床实现精密控制已成为控制界公 认的难题，并且目前成为虚拟轴机床在高精度、高速加工领域实现产业化、实用化的最 人障碍之一。虚拟轴机床机械结构上的简化导致的控制困难，严重制约着其优势的发 挥，成为目前亟待解决的关键问题! 沈p i le 业大学硕士学位论文 1 1 虚拟轴机床的发展概况 虚拟轴机床作为并联机器人在i , l k 领域的一个重要应用，其构想来源于并联机构的 提出。对并联机构的研究最早可追溯到1 8 1 3 年，数学家a c a u c h y 对结构相联的八面 体运动的可能性很感兴趣，到十九世纪末，j m c l e r k 和am a n n h e i m 对空间机构理 论进行了研究口”。，1 9 3 8 年p o l l a r d 发明了一种利用并联机构的轿车喷气装置。1 9 4 9 年 g o u g h 采用并联机构制作了轮胎检测装置。 1 9 6 5 年，德困的ds t e w a r t 采用6 自由度并联机构发明了飞行模拟器用于解决飞行 员飞行训练模拟问题| 2 l 。他利用六个液压缸支撑和驱动模拟机舱，六个液压缸分别用球 铰和虎克铰连接到机舱( 动平台) 和基座( 静平台) ，通过六个液压缸伸缩运动使机舱 实现任意化胃与姿态的运动。这种平台被称作s t e w a x t 平台，机构示意图如图1 1 所 7 斤。 图1 1 s t e w a r t 平台机构示意图 1 9 7 8 年，澳火利亚著名机构学家k h h m a t 教授提出r 将s t e w a r t 并联机构用r 机 器人手臂i l “1 9 7 9 年hm a c c a l l i o n 和d t p h a m 首次将该种机构按操作器设 _ 1 2 6 j ， 并成功地将s t e w a r t 机构用于装配生产线，从而标志着并联机器人的诞生。从此托圹r 并联机器人的发展历史，直到2 0 世纪8 0 年代中期国际上关于并联机器人的研究还寥寥 无几，土i i r t a * 有m c d o w e l l 、e a r l 、r o o n e y 、f i c h e r 4 】、d u f 玲、s u g i m o t o 5 1 和黄真等圳。学 者从事并联机构的研究，研究成果也不多。国内燕山大学的黄真教授自1 9 8 2 年以柬z 二 美国参加了此项内容的研究，并于1 9 8 3 年取得了突破性进展m 1 。并联机器人从8 0 年代 末9 0 年代初并联机构成为新的研究热点。迄今为止，并联机构的样机各式各样，包括 2 一 沈f ； _ | i 业大学硕h 学位论文 平面酶、空间不同自由凄的m 、枧构不嗣布置方式的嘲，阱及超多自由度并串联机构 的 9 】。 并联机构在工业上的一个特剐突出的重要应用，就魑用于加工复杂曲面的6 自由度 陵擞辘橇瘩。 传统机床在结构方丽一殷是串接相连，悬臂结构，且层迭嵌套，致使传动链k ，传 动系统复杂，采用由床身、宠柱、” = 轴箱和工作台等部件串联而成的非对称c7 诬布 竭，它具有结构不对称、受力与受热变形不均匀、重量大、缝构复杂、传动系统复杂、 积累误差大而精度低和成本高等缺点。日自i 大多机床为4 轴联动而极少5 轴联动。l n 墟 拟轴机床结构特别简单，传动链极短，刚度大、质量轻，切潮效率高，成本低，特别是 很容易实现“6 辅联动”为此许多目象弧着手研制丌发以著联毒凡构为基础b j 煌拟轴机 床，它可以避免串联机构所固有的缺陷，更适合于加工特别复杂的三维曲面。 1 9 7 6 年，俄罗斯l a p i k 公司率先迸行了虚拟辅机床的研制。美国l n g e r s o l j 公司、 g i d d i n g & l e w i s 公霭以及英鬣g e o d e t i c 公司子，、卡年代拳开始邀 i 虚叛辘嚣t 霖0 蛩瞧乳 1 9 9 4 年9 月芝加哥i m t s 博览会上，美国g i d d i n g & l e w i s 公司首次推出费时6 年研发 成功的基于s t e w a r t 平台的v a r i a xd h ；r _ 中心( 如图1 2 所示) ，举世瞩目。此后，f = f 本、饿罗斯、悫大剥、德毽以及欧洲各大公司据继攥毫势联褪糕夫佟惫舅工j ，其的应翔 帆构。我国于2 0 0 1 年由清华大学和昆明机床厂联合开发了首台商用虚拟轴机床。 1 2 虚拟轴机床的研究现状 虚拟轴机床打破传统孛几床结构概念，采用6 可变长度扦或6 淆块支撑丰辅做6 j 度运动的并联闭链结梅，具有结构简单、传动键短、刚度大、质量轻、切女效率高、船 工精度搿、成本低的优点，被誉为“2 0 喊纪机床首次革命性改型”和“2 1 啦纪机 冻”，跌鞠邀纪9 0 年代后剃，寝拟麓视床以其弧特的伉点丽受弱各鬣学者和研笈企 的广泛关注与极大重视，在理论硪究与户：品开发上电取褥了丰蜜盼成累。垦融主l 要寄 两种最具代表性的的机床结构，一种是杆三可变的s t e w a r t 平台机构，另一种就足驱动 杼长度不变静瀚涣式梳构，主要以瑞士e t h z 磺究所礤翻的六港块结构为代裹( 胬1 3 所示) 。 、3 一 沈i 业大学硕k 学位论文 罔12v a r i a x 加工中心 图1 3六滑块式铣床 目前在虚拟轴机床控制领域中，关于虚拟轴机床的机构学、运动学和动力学方面的 研究颇多，也取得了丰富的成果，而对控制策略的研究相对较少，许多方面还i f 在丌 展。同溉在低速运行时，可以把杆问耦合忽略，将各杆的控制都视为独立的伺服系 统，采用p i d 控制策略。而在较高速运行时，采用在传统的p i d 控制基础上增加j 馈 控制或干扰补偿等方法【1 8 。2 1 ，4 6 。5 2 1 ，或采用自适应控制必2 4 ，5 m ”，对现有基于逆动力学模 型采取的控制策略难以实现在线快速控制，现有的控制策略难以有效消除或抑制杆问祸 台扰动对系统产生的不利影响，而且现在主要对单杆进行位嚣闭环控制，没有实现整体 闭环控制，这样对动平台的轨迹跟踪精度有一定影响。因此，目前由于技术封锁或专利 原因还没有见到相关文献提出比较理想的控制方式。 一、闭外研究状况 闩前，【羽际学术界和工程界对研究与肝发虚拟轴机床非常重视，并于9 0 年代中期 相继推出结构形式各异的样机。继1 9 9 4 年美国i n g e r s o l l 铣床公司、g i d d i n g s & l e w i s 公 司利h e x a l 公司首次展出“六足虫”( h e x a p o d ) * 口“变异型”( v a r i a x ) 的数控机床与加 工中心之后，英国g e o d e t i c 公司，俄罗斯l a p i k 公司，挪威m u l t i c r a l r 公司，日本丰 叭日市、三菱等公司，瑞士e t z h 和i f w 研究所，瑞典n e o sr o b o d c s 公司，丹麦 b r a u n s c h w e i g 公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不 同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机； 1 1 j g l i , ： a 心【1 1 , 1 7 1 。与之相 呼应，出美国s m a d i a 国家实验室和国家标准局侣议，已于1 9 9 6 年专门成立了h e x a p o d 用户仂、会。近年来，与并联机床和并联机器人操作机有关的学术会议层出不穷，例如第 一d 沈阳r 业大学硕士学位论文 4 7 4 9 届c i r p 年会、1 9 9 8 1 9 9 9 年c i r a 大会、a s m e 第2 5 届机构学双年会、第1 0 届f m m | ；! = 界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议，1 9 9 8 年在 意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，第二届研讨会于2 0 0 0 年在 美田密执安大学举行。1 9 9 4 2 0 0 1 年期1 刨，在历次大型国际机床博览会上均有这类新 型机床参展，加工速度可达1 m s 以上，可望成为2 1 世纪高速轻型数控加工的主力装 备。 二、罔内研究状况 目前，我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九血攻关”计划和8 6 3 高技术发 展计划，相关基础理论研究连续得到国家白然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高 校还将虚拟轴机床的研发纳入教育部2 11t 程重点建设项目，并得到地方政府部门的支 持且吸引了机床骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，主要研究单位 有清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交通大学、东北人学、 中科院沈阳自动化所等高校院所，并研制生产r 样机。l9 9 9 年6 月在清华大学召丌了 我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现 状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。 燕山大学于1 9 9 0 年研制出我囤第一台并联操作机样机，清华大学和天津大学于9 7 年底合作研制出我国第一台虚拟轴机床v a m t l y ( 圈1 4 所示) ，东北大学研制了三 轴三自由度虚拟轴机床( 图1 5 所示) ，哈尔滨工业大学研制生产了六杆六自由度虚拟 图1 4 清华大学和天津大学研制 的虚拟轴机床v a m t ly 图1 5 东北大学研制的三轴 三自由度虚拟轴机床 沈阳王监大学硕l 二学位论文 轴机床，2 0 0 1 年4 月在北京举行的中国国际机床展览会上国内有三台虚拟轴机床首次展 出，分剐楚哈尔滨量具厂展出六轴并联撬床、江东橇床厂，袋鑫x n z 2 0 1 0 龙门式虚季鼗辘 秽婊，大连机床集团展出的d c b 一5 1 0 五轴并联机床。2 0 0 t 年6 月昆明机床有限公司和 清华大学共同研制成功了我国首台商品化虐拟轴机床) 烈z 6 3 型虚拟轴机床。 国 勺现有的实验样税都怒孢每个秆当佟完全独立静系统，忽略秆溺耩合俸糟，采糟 传统l y , jp i d 控制，拧铡效果不够理想，对于加工速度在0 。3 m s 以下时还j 叮以满足要求， 当人j 二0 。3 m s 时，由j ：轴间耦合的影响控制精度就难以保证。国外虽然加t 1 速度可达到 1 m s 以上，但尚未冕多u 有关文献。 l 。3 虚拟轴瓿痰的发膜羲繁 虚拟轴机床之所以能在s t e w a r t 平台熬础上形成各种样机，受到社会广泛关注并吸 引了众多学旨从备个角度进行研究，一个羹要的原因就是虚拟轴机床以其独特的结构和 先遽豹控制技拳成为枧霖发袋史土一个具有耋要意义款突破。当捌造效霞| 聪全球市场竞 争，必须以- 陕速响应求生存、求发展的时候，虚拟轴机床的一些优点具有明娩的市场潜 力和良好的发展前景，其未来发展趋势突出表现在以下三个方面吲： 一、结构设计标； | ；诧 虚拟轴机床结构简化的最大特点就是便于模块化和标准化，为柔性制造系统的设备 重组提供了良好的基础，为敏捷制谶提供了提供了硬件条件。 二、控裁软件模块纯 计算机技术以及控制、检测技术的迅遮发展，为虚拟轴机床的发展丌辟了广闭黝道 路，这也是虚拟轴机床应运而生的前提和保证。蔽然目前对虚拟轴机床控制软件的研究 主要集中在祝凑本鸯的控利，餐疆蕊簪 究鑫譬不凝涕入，哥以颈冕：更大范围的信息集成 研究将会受到重视与虚拟轴机床应用相关的c a d 软件、数模软件、有限元分析软件、 c a m 软件、n c 软件、虚拟环境软件等更加完善的模块化软件将会进一步促进虚拟轴 辊床在：泣，童产中的瘦溺。 三、直线驱动技术实用化 目前，虽然旋转1 l t 4 j t 在机械产品中占有主导地位，但直线电机以其独特的优势开始 崭露头臻，它特涮适臻予高遽、毫精凄、离可靠性酌辍械产品。1 9 9 7 年存援谗藏国际祝 6 沈阳工业大! 学硕士学位论文 床博览会上展出的一些高性能机床均采用了直线电机口”。伴随着虚拟轴机床的发展，直 线电机的应用必将以更快的速度实用化、产业化，这是值得制造行业引起足够重视的发 展趋势。 由于传统数控机床各自由度是串接相连，悬臂结构，且层跌嵌套，致使传动链长，传动 系统复杂，积累误差大而精度低，虚拟轴机床与实现等同功能的传统数控机床相比，具 有川度重量比人、响应速度快、环境适应性强、技术附加值高等优点【i l j ，虚拟轴机床 以其独特的优点而成为近l 年来学术界研究的热点，并在虚拟轴机床机构学、运动学、 动力学方面取得了丰富的研究成果，为实现虚拟轴机床高精度、高速度加工莫定了理论 基础。 虚拟轴机床结构二的特点使其有望成为本世纪新型高速轻型加工设备，可以弥补传 统机床的不足之处，但针对虚拟轴机床机械结构简单而控制系统复杂的显著特点，目前 列控制方法、控制精度阮3 6 1 、数控编程口可等方面分别进行了研究萁关键技术是通过对虚 拟轴机床实轴( 各个驱动杆) 的控制，实现虚拟轴( 传统概念的x 轴、y 轴和z 轴1 的联动控 制，从而得到所要求的刀具运动轨迹。误差分析研究虚拟轴机床虽然比串联结构机床大 大减少了传动误差的积累，但仍然存在着许多其它影响加工精度的因素，如机床的制造 和安装误差，驱动杆上下球铰的间隙，驱动杆杆长偏差对动平台位嚣楷度的影响等等。 要使虚拟轴机床得到推广，仍需要控制界和机构学界人士一f i 夫攻克这些难关1 1 4 研究课题的意义及内容 一、课题意义 本f 果题研究的目的和意义在于：就是从寻求实用、便于实现的控制策略角度出发， 解决诸如6 杆虚拟轴数控机床一类的加工设备，在改变动平台位姿的备秆高进给速率和 i l * 加速度下，如何消除或减小杆问耦合影响，实现高精度跟踪及精确定位的理论和实现 方法问题。山于虚拟轴机床6 杆受力不对称，并且运行中存在各种不确定性扰动，所以 尽管驱动连杆e 采用相同的传动机构，但最终还是不能保证动平台移动中定位精度。在 较低速度、精度要求不高的情况下，忽略轴间耦合，采用单杆p i d 控制可以满足要求， 而在高速、高精度场合就难以满足加工精度的要求。虚拟轴机床机械上的强耦合将导致 运动部件间的相互影响，各杆间互为扰动，最终将破坏工件的加工精度。凼此，解决6 7 沈刚工业大学硕士学位论文 杆虚拟轴机床高精度控制问题对促进虚拟轴机床的产业化进程将具有巨大的意义。 本课题的研究不但可以完善和提高解耦及精密控制理论和技术，为未来的技术攻关 奠定理论基础，提出将专门面向工业运动控制的d s p 控制器吲应用于虚拟轴机床控制 系统中的设想，尤其采用高速运算单元t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 可以同时控制两台电机，其高 速运算的特点可以解决高级控制方法由于运算量大而难以实时控制的问题，这对虚拟轴 机床的发展更具有现实意义，其潜在社会效益和经济效益将是巨大的。 这项研究在理论上和实现方法上都是创新的，必将达到或超过【訇际先进水平。 ( 1 ) 就立论而言。，国内外的专家公认这是一个匾待解决的热点问题，但还未找到 理想的解决办法。本课题针对虚拟轴机床动力学模型过于复杂的特点，提出了简单、易 于实现的控制思想，即将虚拟轴机床的动力：学方程反解所确定的各支撑杆承受力( 矩) 视为电机的可变负载力，以杆的伸缩最( 摹_ 丁_ s t e w a r t 平台) 或滑块位移( 滑块式) 为 伺服系统输出，从此构成位置闭环，实现轨迹跟踪控制，因而将虚拟轴机床十分复杂的 摔制问题解耦并简化为6 个独立杆( 滑块) 虚移量的位置闭环控制问题。这有利于系统 的实现。 ( 2 ) 针对虚拟轴机床的特殊结构，单渭块控制系统要受到来自其它滑块和负载扰 动等多因素的影响，所以要求设计的系统具有良好的抑制扰动性能，文中采用日。控制 方法设计的h 控制器与传统i p 位置控制器结合，使得系统具有伊位置控制器和，控 制的双重优势，大大提高了系统对扰动变化的鲁棒性； ( 3 ) 为提高机床的轨迹跟踪性能，文中提出了一种加速度跟踪控制策略，提乱消 除或抑制了速度、轨迹即将产生的误差。采用神经网络实时i p 位置控制器，与所设引 的扰动观测器前馈技术相结合，实现了加速度的控制以及对其扰动的消除、能够快速地 消除各轴间耦合的影响，系统获得很好的鲁棒性。 ( 4 ) 本文提出了利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器设计基于d s p 的虚拟轴机床控制系统 的构想，可以降低系统成本和提高系统的快速运算能力，为系统初步实现提供了较为先 进的方案。 二、课题内容 本课题的主要研究内容： 8 沈f t1 3 z 业大学硕士学位论文 ( 1 ) 了解虚拟轴机床机构学、运动学、动力学模型、控制策略及当前所存在的不 足之处； ( 2 ) 分析研究虚拟轴机床轴问耦合关系，提出新观点、新方法避免复杂的动f 7 ；f r 汁算，并能提高机床的运动控制精度： ( 3 ) 寻求有效的控制策略消除或抑制杆间耦合扰动对系统产生的不利影响； ( 4 ) 研究在虚拟轴机床的快速运动中如何消除或减小耦合作用，实现加速度跟踪 控制，已提前消除或抑制即将形成的速度、位置误差： ( 5 ) 运用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器为设计基于d s p 的单杆控制系统做准备。 本课题所解决的关键问题： ( 1 ) 如何避开复杂的动力学计算来达到较好的控制效果； ( 2 ) 研究耦合扰动的规律，估计它的大d , * h t 确定性，并能动态地观测并消除； ( 3 ) 寻求快速精确的算法或采用快速运算器件完成设计的控制规律，保证运动控 制的快速和精度； 洗睢1 2 、t k 犬学硕一扣学位论文 2 蠹撅轴辊床并联机构的数学模型 本章殴壹线饲骚电视驱动的并联税稳为磺究对象，羽+ 纛按鞫撬庆运动学摸鳖、动力 学模型、直线电机饲股系统数学模型的建立，轨迹规划和生成的一般方法等进行了简要 叙述，为以后运动学控制做准备。 2 ，】虚拟轴机床的并联机构分析 6 向洲复虚拟轴机床从结构上看，是j ；| ：j6 根支杆将e 、下两平台联接而形成的。这 6 秘秆都可以独立遣自由彳牵缭，它们分别稻球铰或虎克饺与上下平台联接，这样上平台 对于下、乎台就可以进行6 个独立运动，即育6 个自出度。上平台藏是通过这6 根驱动抒 的踟i _ | j 动作柬实现三个线性平移和三个转动共6 个自由度的运动，即二一个刚体在空间的 全国由f 霞运动。 m 用 二趱拟辘规庶始并联机构形式主要有辑莉：s t e w m t 机梅影式和六漏块形 式。圳割2 1 所示的s t e w a r t 机构形式，慰通过6 杆长度的变化带动动平台到达理想的 空问信餮和姿态。如图2 2 新示为六滑块机构形式，该梳构的6 个连绥枰的长度是溺定 的，是通过在3 蘩壹线导孰上运动的6 台电枧分别拉动6 个抒i ! | 勺一端面带动动平台运 动，通道控制6 台电机在导轨上的位移即可达到控制动平台位姿的目的。 寓二 图2 1 越j 二s t e w a r t 平台的六足虫机床模裂 1 【：俸台2 。刃蹙3 。主辘4 。框絮 5 ，柑6 。关节7 ，电机 蓐 冽 、。 。l o 一 圈2 2 六滑块式机床模型 ，滑块2 桴3 ：耋! = 辜鑫4 刃具 5 ，1 ：件 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 虚拟轴机床运动学模型 虚拟轴机床并联机构的运动学分析是求解并联机构输入与输出构件的位置、速度以 及期1 速度p _ r 日j 的关系，主要包括两方面的内容：当己知虚拟轴机床各杆件的位置求解动 平台的位置和姿态，称为虚拟轴机床的运动学正解问题：反之，若己知虚拟轴机床动平 台的位嚣和姿态，求解各杆件的位置称为运动学逆解问题。逆解是对机构的速度、加速 度以及动力学分析的基训，且具有显解( 或称为封闭解) 。并联机构的i f 解有利于虚拟 轴机床的误差分析、工作窄问分析、受力分析以及机构综合等，但i f 解相肖复杂，一般 采用数值法( 迭代法) 水觯一组非线性方程得到某实用解，运算量大、计算时f i jk 。从 虚拟轴机床的控制角度来说，一般已知末端件的轨迹，通过逆解米求得各杆 f - t 二关 相应 的轨迹。因此下而仪列嘘拟轴机床位置、速度和加速度的运动学逆解方程进, 7 7 j ；) - h7 ，为 后面的运动控制研究作铺挚。 2 2 1 齐次变换 动平台在空问具有两种运动方式：平移和旋转。动平台的姿态( 旋转运纠j ) 用横滚 角“、俯仰角卢、偏航角y 来表示，其旋转顺序为先绕动平台的x 轴旋转口角，再绕y 轴旋转角，最后在两次旋转的基础上绕动平台的z 轴旋转y 角。动平台的位置( 平移 运动) 可用动平台原点任静坐标系下的坐标 ，y ，z ，) 表示。 因此，动平台的旋转变换可用3 3 为矩阵表示，平移变换可用3 1 维矢黾表示。为 了更好地表示空矧某点所作的平移变换和旋转变换，把位置和姿态合存一起利用齐次变 换矩阵 4 0 1 来表示。 假定动平台原点p 在静坐标系下的笛卡尔坐标为( x ，y ，z ，) ，可以用一个四维例 i ；i j ；茜i x ，y ，z ， ij 表示p 点的齐次坐标。这种表示方法不仅可阱舰定动平台的化 置，还规定了矢量的方向，即当第四个元素非0 时，代表动平台的位置；筇四个元素为 0 时，代表动平台的方向。 假设动坐标系原点与静坐标系原点重合，则动平台沿x ，y ，z 轴平移书帕，动时的 变换矩阵、绕动平台的x 轴旋转口角的齐次变换矩阵、绕y 轴旋转角的齐次变换矩阵 沈刖r 业大学硕士学位论文 和绕z 轴旋转y 角的齐次变换矩阵分别为 r ( y ，p ) 10 0 x ， 010 y ， 001 5 p 0 0 01 c o s 口 o s i n 口 o 0s i n 口0 100 c o sf 0 001 r ( x ，口) = g ( y ，) 1o oo 0c o s 口一s i n 口0 0s i n 口c o s 口0 o001 c o s y s i n ，0 0 s i n yc o s ，0 0 00lo 0001 这样，如果先绕着动平台坐标系的x 轴旋转口角，再绕轴旋转角，再绕：轴威 转，角，最后沿静止坐标系的x ，y ，z 轴平移却，场动得到的齐次变换矩阵为 t = t ( x ，：y pz p ) r ( z ，r ) r ( y ，p ) r ( x 口) c , a c r c j ：s r s p o s 俄s e c v c c z s y s c 德8 s y + c f x c 7 s ，z c 口 o = 嚣纠 其中 c o = c o s 0 ，c o = s i n 口； ，m v y + c ( z s f l c yx 。 c ( 2 s 蕊y s “c yy ) c 龇8 z n 0 l r 。为动平台姿态的方向余弦矩阵，简记为r 。 卦 ( 21 ) 则动坐标系下任意一点p 经过上述平移和旋转变换之后在静坐标系下的齐次坐标p 为 p 2 rp t r 21 1 2 2 2 虚拟轴机床位置逆解 为求解六自由度平台的空间位置关系，首先在并联机构的上、下平台分别建立。巩、 静坐标系，如图2 3 所示，静坐标系o - x y z 固定于f 平台上，原点0 位于基础表面分 布中心。动坐标系p x y z 建立在上平台上，其原点p 位于上平台中心，其在静坐标系 f 的位置为( x ，y ”。，) 。当上平台处于原始位置时，动静坐标系轴方向一致，且静坐标 一1 2 一鎏豳三兰! 盔茎堡圭鲎篁堡塞：一 一一 一 系z 轴穿过p 点。 鋈2 + 3 著联楗稳坐标系承悫图 在动坐标系中的仟一向藏q r 可以通过坐标交换方法变换至滴定坐标系中的o q = z 疑i - r ”彗4 + 尹 ( 2 1 d ) 式中p ：扭，匕，z ， 为动坐标系原点在静坐标系下的坐标。 1 当给定机构的各结构尺寸后，利用几何关系，可以很容易写出上下平台备铰链。- 氧 ( 尹。净l ，2 + 、6 ) 在蠢自坐标系中静坐标穗，霉出式( 2 3 ) 帮霹求凼；平f 铰谜煮在 黝定坐标系( o - x y z ) 的坐标值，这时6 个驱动器枵矢量为t ( 卢1 ，2 6 ) ，可表示为 j ，x 硒 ：一o p + 两一面 ( 24 ) 或 ld 西撬+ d 1 2 6 妒+ x p 一届扭i f ，= l 矗2 f 矗，。+ 如2 矗矿+ y p 一露 ( 2 * 5 ) id 孔b “+ d 3 2 b 玲+ z pl 从而得到机构的位莆逆解计算方程，即求得各驱动杆原长为 f 。= l 甄置l = 臻g + 磋i = 1 , 2 ，。6 ( 2 - 6 ) 当动平台由平衡状态开始对应于静坐标系产生某个对应于齐次变换为丁的运动后， 。1 3 沈| j j _ jl h l 大学硕士学位论文 则动平台各铰点对应予静坐标系的坐标变为 = f i 比时各驱动枵长度变为 f ，= 旧只l f 2 。7 ( 2 8 ) 相应的备杆的伸长量为 三，= ，f 一i 一1 2 ，6f 2 ，9 1 至此，六爨由度虚拟辘掇床的位甓及位霞逆缌方程建立起来了，郄当上平台捐对t 下平台给出位姿变化参数 ，y ，z ，0 5 声，) 后，便可求褥相应驱动杆伸长量。 2 。2 ；3 虚拟霉壅枧霖速痊冀趣速艘遂惩 从2 。2 2 节分析可知，各驱动杆的伸氏量，是上平台相对于下平台位姿变化参数 ( x ，。，删，) 的函数，为方便起见，假i 5 乏： 霉在静坐标系下韵坐标为，”，z ，) 7 毽在羚坐掭轰下懿黛撂为( x 弼，y 。：。) 只在静坐标系下的坐标为( x ，y ，f ，) 7 ，卢1 ，2 。，6 则式( 2 8 ) 改写为 卜 f 滓 式( 2 ，6 ) 与式( 2 8 ) 分别改写为式( 2 1 1 ) 与式f 2 1 2 ) = ( ( x ，一x ) ? + ( y ，一，。) 2 + ( z ，一川) 2 j l f ，= ( x i - - x ，0 ) 2 + ( y i - - y 。) 2 + ( ，一z 。) 2i 2 由予岛是扛，y ，。，g 罗y ) 躲躅数，霹此 ，1 4 f 2 1 f 21 】1 r 21 2 、 沈刚： 业大学硕七学位论文 堕：丝生+ 丝生+ 里生+ 丝塑+ 堕塑+ 丝生 d t 瓠p d t 却p d t8 z p d t a a 斑a 8d 。a y d t 一8 l ? a l ? a l ? o l ? a l ? a l j l 出，砂，瑟pa 口a p 砂 f 2 1 3 1 如果动平台按某矛t 速度进行位姿变换，那么相应地可以利用式( 2 1 3 ) 求斛f _ h 符：抛讪 杆的伸缩速度。从理沦上讲，各驱动杆的速度包括沿杆方向的线速度和在空蚓旋转的确 速度，但是各杆件的角速度存实际中是比较小的，视为零，因此可将沿杆件力向的线速 值得注意的是，表示平台姿态的欧拉角k ，r 对时间的阶、一阶导数 b 。哆y 和 。s ，。卜并不是平台的角速度h 吼 ，和角加速度 l ， s ，s ：卜但它们之间存在如下关系m 1 阱蚓 陟卧h 鸬k 阴 c 。s y c 。s 一s i n y 如卜茹 苫y 1 5 咋西户 ril“iiiilll 鲨 ! ! i ! 三些点鲎堡主鲎堕丝塞 精 闭 s i n f l c o s y l 拄声s i n 7 ； l c o s f l j f - s i n y c o s f l - 一 c o s c o s ，j1 一 l 。 i 出式( 2 13 ) i g 得6