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六自由度液压伺服并联机械手设计【9张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: 六自由度液压伺服并联机械手设计 cad图纸毕业论文并联机械手六自由度并联机械手

资源描述：

六自由度液压伺服并联机械手设计

61页 20000字数+说明书+9张CAD图纸【详情如下】

六自由度液压伺服并联机械手设计说明书.doc

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液压缸总装图A1.dwg

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中文摘要

并联运动机构是新发展起来的一种机构，与传统串联机构相比，并联机构有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重构等优点，在运动模拟器、并联机器人、并联机床、微动器等领域有广泛的应用。

本六自由度液压伺服并联机械手是由动平台、固定平台、电液伺服控制子系统等组成，以液压缸为执行元件、以电液伺服阀为控制元件，来控制实现平台的各种动作。本文参照已有结构并结合ADAMS仿真软件对六自由度并联机械手进行了概念设计并讨论了对其运用牛顿迭代法进行运动学正解的过程。对于结构部分，本文主要对并联机械手的六自由度运动平台进行了设计，并建立了该系统的CATIA模型。六自由度并联机械手电液伺服子系统包括非对阵直线液压缸、电液伺服阀、位置传感器、D/A转换器、A/D转换器、控制电路及主控计算机等，本文主要对液压缸的结构，电液伺服阀及位置传感器的选择、安装，位置检测电路进行了设计。

关键词并联机构运动学正解液压缸电液伺服位置检测

外文摘要

Title New design for a 6-dof Hydraulic servo parallel Manipulator

stract

Parallel kinematics mechanism is a new developed mechanism ,compared with the traditional series mechanism ,it has simpler structure ,higher stiffness ,better dynamic performance and be faster ,and has a wide range of applications in the fields of motion simulator ,parallel robot ,parallel machines ,micro-actuators ,and so on.

This 6-DOF hydraulic servo parallel manipulator is composed of a mobile platform ,a base platform and electro-hydraulic servo control subsystem ,and takes hydraulic cylinders for the implementation of components ,electro-hydraulic servo valve for the control components to control the platform to achieve the various movements .This article has been reference to the existent structure and use the simulation software ADAMS to make a conceptual design of 6-DOF parallel manipulator, and discussed the process of it's kinematics positive solutions use the Newton's method .To the structure part ,this article mostly designed the 6-DOF movement platform of the parallel manipulator ,and established the CATIA model of this system .The electro-hydraulic servo subsystem of the 6-DOF parallel manipulator including non-symmetry linear hydraulic cylinder ,electro-hydraulic servo valve ,position sensor ,D/A transformer ,A/D transformer ,control circuit and control computer and so on .This paper mostly designed the structure of the hydraulic cylinders ,the choice and installation of the servo valve and the location sensors and the location detection circuit.

Keywords Parallel mechanism Kinematics positive solutions Cylinder Electro-hydraulic servo Position detecti

第一章绪论1

1.1 并联机构的提出1

1.2 并联机构的应用现状2

1.3 并联机构的研究展望6

第二章并联机构概述及设计任务8

2.1 并联机构的特点8

2.2 并联机构的分类8

2.3 设计任务9

2.4 工作内容10

第三章并联机构的概念设计及分析方法11

3.1 结构形式的选择11

3.2 驱动机构的选择12

3.3 自由度计算12

3.4 并联机构的位置分析方法13

3.5 并联机构的运动分析方法20

3.6 并联机构动力学分析方法20

3.7 平台结构参数的确定21

第四章液压缸设计计算28

4.1 液压缸类型的选择28

4.2 液压缸安装方式的选择28

4.3 液压缸主要尺寸的确定28

4.4 液压缸的结构设计33

第五章电液伺服系统总体方案设计36

5.1 系统组成36

5.2 电液伺服系统的构成36

5.3 六自由度运动模拟器位置伺服控制系统工作过程37

第六章电气原理设计（液压缸位移检测电路）39

6.1 电气系统的基本组成39

6.2 电气系统主要元件的选择40

6.3 电气系统的设计42

第七章液压伺服系统设计47

7.1 液压控制回路方案确定47

7.2 六自由度并联机械手液压控制回路的构成47

7.3 液压回路主要元件的选择48

毕业设计总结53

参考文献54

致谢56

毕业设计总结

1965年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。经过几十年的发展，并联机构以其与串联机构相比结构稳定，承载能力大，微动精度高，运动负荷小等特点，在运动模拟器、并联机器人、并联机床、微动器方面有长足的发展和广阔的应用前景。

在本设计中，主要针对六自由度新型液压伺服并联机械手的运动平台部分进行了结构设计，并对并联结构运动学正解的解法进行了介绍。作为机构驱动部分的液压伺服系统也是该设计的重要组成部分，在本设计中，针对并联机械手的工作情况，选择设计了满足其工作要求的液压站及液压伺服元件，组成系统的液压伺服子系统。作为对位置要求比较高的机械手，位置检测电路是必不可少的，在本设计中，针对液压缸运动特点，选用了北京京海泉传感器公司生产的差动变压器式位移传感器，并针对传感器输出信号的特点，设计了相应的位移检测电路。

通过本次毕业设计，对一般课题的设计过程有了基本的了解，了解到如何针对设计要求，选择设计方案，及如何针对所选用的方案进行具体结构设计和元件选择的过程。这次毕业设计是对我本科四年所学知识的一个很好的复习和检阅，通过这次毕业设计，我加深了对本学科所学知识的理解和应用，并从老师那学到了很多课本上不曾教过的知识。这次设计过程一定会对我以后的工作学习过程产生良好的影响。第七章液压伺服系统设计

7.1 液压控制回路方案确定

一般液压伺服系统的能源装置有3种基本形式：定量泵—溢流阀恒压能源，定量泵—蓄能器—卸荷阀能源和恒压变量泵能源。运动模拟器的运行需要比较大的动力。为了节约能源，我们采用恒压变量泵能源。这种能源的优点是效率高，适用于高压和较大功率的系统，适用于流量变化很大的系统和间歇工作的系统。但当系统需要的流量变化较大时，可能会由于泵来不及进行调节而引起压力变化，因此，这种能源必须配备蓄能器，可消除压力波动。液压能源的压力由恒压变量泵调节，蓄能器具有应急动力源和消除压力脉动的作用，与恒压变量泵一起为伺服系统提供稳定的供油压力，给高性能的液压控制系统提供了有效的保证。液压泵的入口过滤器和出口单向阀能够防止污物进入液压泵和阻止系统的压力回冲，对液压泵进行保护，延长恒压变量泵的使用寿命。

7.2 六自由度并联机械手液压控制回路的构成

6-DOF比联机械手运动平台液压控制回路由液压站、变量泵、蓄能器、滤油器、油路、电液伺服阀、电液伺服阀控制电路和非对称直线液压缸等组成，如图7.1所示为6-DOF运动模拟器液压传动系统的原理图。

参考文献

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致谢

经过了三个多月的时间，我的毕业设计在自己的努力与坚持中完成了。很欣慰自己通过查阅国内外的大量资料与文献，深入的认识了机械这个学科所涉及到得知识。不仅增加自己的认知能力，同时也增强了自己的综合运用能力，自己受益良多。

在此我要衷心感谢我的导师张广杰老师。在整个大学学习期间，张老师的谆谆教诲和无微不至的关怀使我获益终身。张老师渊博的知识，严谨的治学态度，真诚宽厚的待人品德，专业的业务能力都给我留下了深刻的印象，也将是我今后人生道路上学习的榜样。在此，向张老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。

在整个完成论文期间，也得到了其他许多老师的热情指导和帮助，尤其是李秀峰老师，在此向他们表示衷心的感谢，感谢吴翠红老师给予的各种帮助和指导。

最后，我要向我的父母表示感谢。

由于本人知识水平有限，对一些专业的知识会有一些考虑的不周全，在写作的过程中难免有疏漏之处，敬请各位老师给予批评指正，谢谢。

内容简介：: 中文摘要并联运动机构是新发展起来的一种机构，与传统串联机构相比，并联机构有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重构等优点，在运动模拟器、并联机器人、并联机床、微动器等领域有广泛的应用。本六自由度液压伺服并联机械手是由动平台、固定平台、电液伺服控制子系统等组成，以液压缸为执行元件、以电液伺服阀为控制元件，来控制实现平台的各种动作。本文参照已有结构并结合ADAMS仿真软件对六自由度并联机械手进行了概念设计并讨论了对其运用牛顿迭代法进行运动学正解的过程。对于结构部分，本文主要对并联机械手的六自由度运动平台进行了设计，并建立了该系统的CATIA模型。六自由度并联机械手电液伺服子系统包括非对阵直线液压缸、电液伺服阀、位置传感器、D/A转换器、A/D转换器、控制电路及主控计算机等，本文主要对液压缸的结构，电液伺服阀及位置传感器的选择、安装，位置检测电路进行了设计。关键词并联机构运动学正解液压缸电液伺服位置检测外文摘要Title New design for a 6-dof Hydraulic servo parallel Manipulator AbstractParallel kinematics mechanism is a new developed mechanism ,compared with the traditional series mechanism ,it has simpler structure ,higher stiffness ,better dynamic performance and be faster ,and has a wide range of applications in the fields of motion simulator ,parallel robot ,parallel machines ,micro-actuators ,and so on.This 6-DOF hydraulic servo parallel manipulator is composed of a mobile platform ,a base platform and electro-hydraulic servo control subsystem ,and takes hydraulic cylinders for the implementation of components ,electro-hydraulic servo valve for the control components to control the platform to achieve the various movements .This article has been reference to the existent structure and use the simulation software ADAMS to make a conceptual design of 6-DOF parallel manipulator, and discussed the process of its kinematics positive solutions use the Newtons method .To the structure part ,this article mostly designed the 6-DOF movement platform of the parallel manipulator ,and established the CATIA model of this system .The electro-hydraulic servo subsystem of the 6-DOF parallel manipulator including non-symmetry linear hydraulic cylinder ,electro-hydraulic servo valve ,position sensor ,D/A transformer ,A/D transformer ,control circuit and control computer and so on .This paper mostly designed the structure of the hydraulic cylinders ,the choice and installation of the servo valve and the location sensors and the location detection circuit.Keywords Parallel mechanism Kinematics positive solutions Cylinder Electro-hydraulic servo Position detecti目录第一章绪论11.1 并联机构的提出11.2 并联机构的应用现状21.3 并联机构的研究展望6第二章并联机构概述及设计任务82.1 并联机构的特点82.2 并联机构的分类82.3 设计任务92.4 工作内容10第三章并联机构的概念设计及分析方法113.1 结构形式的选择113.2 驱动机构的选择123.3 自由度计算123.4 并联机构的位置分析方法133.5 并联机构的运动分析方法203.6 并联机构动力学分析方法203.7 平台结构参数的确定21第四章液压缸设计计算284.1 液压缸类型的选择284.2 液压缸安装方式的选择284.3 液压缸主要尺寸的确定284.4 液压缸的结构设计33第五章电液伺服系统总体方案设计365.1 系统组成365.2 电液伺服系统的构成365.3 六自由度运动模拟器位置伺服控制系统工作过程37第六章电气原理设计（液压缸位移检测电路）396.1 电气系统的基本组成396.2 电气系统主要元件的选择406.3 电气系统的设计42第七章液压伺服系统设计477.1 液压控制回路方案确定477.2 六自由度并联机械手液压控制回路的构成477.3 液压回路主要元件的选择48毕业设计总结53参考文献54致谢56第一章绪论1.1 并联机构的提出1965年，德国D.Stewart发表了一篇名为“一个具有六自由度的平台”的论文，引起国际工程界的轰动，而空间并联机构也由此受到了广泛的重视，相应的平台被称为Stewart平台（如图1.1所示）。随着研究的深入，现在所称的Stewart平台稍微有点差别，其结构件图1.2。这种平台最初用做飞行员的飞行模拟器，利用六个液压缸支撑和驱动模拟机舱，六个液压缸的两端分别用球铰和虎克铰接于机舱（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位置与姿态的运动。随后Stewart平台用做天文望远镜的基架，实现了天文望远镜三维空间任意位姿的精确定位。并联机构由最初的Stewart平台不断发展，到今天已经成了一个庞大的体系。随着应用的深入和研究手段的加强，并联机构的理论分析和工程应用已经成为一个热门课题。图1.1 Stewart平台原型图1.2 Stewart平台变型六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。六自由度运动平台是由六支油缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只油缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。国外某大型液压公司的总部大厅里，向客人展示水平的第一个标志就是六自由度运动平台，笔者认为，六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在液压和控制领域基本上就没有了难题。1.2 并联机构的应用现状目前关于并联机构的研究开发和应用正日益广泛，应用的领域也在不断地扩大，其应用主要集中在以下领域(1) 运动模拟器并联机构广泛应用于运动仿真领域，主要用于训练、研究、开发和娱乐等方面。(2) 并联机器人机构由于并联机构结构稳定、位姿精度高、承载能力大，适用做并联式机器人或执行机构，用于搬运重物，安装重型设备、工件及挖掘、开采等条件比较差的工况下。同时在医用机器人、天文望远镜、可视化触觉装置、空气动力学实验车、绳索机器人吊车等领域有广泛的应用。(3) 并联机床并联机床实质上是并联机器人技术与机床结构技术结合的产物，它由固定和活动两个平台以及连接两个平台的可变长度多支路构成，适用于磨、膛和铣等多项特种加工，具有很大的开发潜力和广泛的应用前景。(4) 微动器利用并联机构作为微动机构充分发挥了并联机构的特点，工作空间不大，但运动精细，在三维空间的微小移动精度可达亚微米甚至纳米的分辨率，主要用于精密机械工程、医学工程等要求精细操作与加工领域。下面主要针对并联机构在运动模拟器的应用进行阐述。主要包括飞行模拟器、汽车模拟器、体感娱乐模拟器。飞行模拟器并联机构早期就应用于飞行模拟装置，利用飞行模拟器来训练飞行员，具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件的限制，训练周期短、训练效率高等突出优点，在模拟器上可以进行各种复杂飞行技巧、飞行失效状态及军事上导弹闪避技术等的训练。飞行模拟器可在地面实验条件下复现模拟空中飞行的各种状态，是相关专业人员（如飞行员、飞机机务人员）训练不可缺少的航空地面设备。由六自由度并联驱动平台提供模拟训练的速度、加速度产生运动感觉，也能产生诸如撞击、失重、振动等特殊动感，当这些运动与视景系统同步配合时，可产生具有相当真实感的模拟效果。迄今而止，国外生产六自由度运动平台的大公司，有美国的 Singer 公司Link 分部、加拿大的 CAE 公司、英国的 REDIFUSFON 公司、法国的THOMSONCSF 公司、德国的 Rexroth 公司及日本东京精密测器株式会社等，都具有先进的技术水平。据有关资料统计，世界各国用于训练模拟器的经费达到近百亿美元。我国也建立了利用飞行模拟器进行飞行员训练的培训中心。基于并联机构的飞行模拟器也是飞机设计研制的工具，通过它可以早期发现问题，减少风险；综合系统验证，解决各系统之间的动态匹配连接关系；加速系统试验过程，缩短研制周期；分析解决试飞后的技术问题，使飞行员参与飞机的设计试制工作。汽车模拟器当今日新月异的汽车开发技术需要创造出一种可控的模拟闭环系统，使驾驶员在模拟闭环系统中，考核车辆在各种工况下的功能，优化汽车各总成或各项参数之间的最佳匹配。传统的实车试验不能满足主动安全性闭环设计的要求，其试验设计方法只能在样车试制后采用，并受到自然条件、人体生理条件等限制等缺陷，而驾驶模拟器试验则可以任意设定试验条件，无危险地对人车辆环境闭环系统进行全工况仿真。它解决了对有思维驾驶员的行为特性难以实现较为精确的数学描述这一困难，试验重复性好，结果置信度高，可比性强，具有场地试验无法比拟的优越性。因此各汽车大国纷纷研制了各种驾驶模拟器，以满足产品的开发和各种条件下的试验要求。最早研制驾驶模拟器的要算是美国的通用汽车公司了，早在六十年代就进行了这方面的研究。七十年代初，德国大众汽车公司研制了可绕三轴转动的驾驶模拟器。进入八十年代以来，电子技术和计算机技术的飞速发展，廉价、高速的微处理器和计算机图形处理器及灵敏传感器的出现，使得汽车工业和相关领域中的开发型车辆驾驶模拟器数量剧增。1985年DaimlerBenz汽车公司建立了世界上规模最大的模拟器，并成功地用于系列化高速轿车的产品开发中。与此同时，瑞典VDI也投资建成了规模较小的驾驶模拟器，用于瑞典车辆和交通系统的研究与开发；1989年，DaimlerBenz汽车公司则投资重新改建了其原有的驾驶模拟器，更新了计算机运算能力和视景生成系统，并用于新产品的研制中。1991年日本马自达汽车公司投资兴建了跑车型开发型驾驶模拟器。1993年初，美国福特汽车公司也投资研制开发驾驶模拟器，现正在建设中。1995年日本汽车研究所(JARI)也建成了带有体感模拟系统的驾驶模拟器。吉林大学南岭校区(原吉林工业大学)动态模拟国家重点实验室及其驾驶模拟器(简称为ADSL驾驶模拟器)经过几年的筹建，于一九九六年正式通过国家有关部门验收，标志着我国汽车计算机动态仿真技术已经达到了国际先进水平。ADSL驾驶模拟器（图1.3所示）是进行“驾驶员一汽车一道路”闭环系统研究的重要工具，是在先进的计算机、电子、液压、自动控制等技术的支持下开发的大型设备。它主要有以下几个模块组成：驾驶模拟舱、运动模拟系统、实时控制与运算系统、视景模拟系统、声响模拟系统、触感模拟系统和中央控制台等。图1.3 ADSL驾驶模拟器结构目前汽车模拟器一般由三自由度、四自由度和六自由度的并联机构构成。体感娱乐模拟器体感娱乐模拟器是一种模仿运动载体特征，给人以目视图像、耳闻声响，同时又特别地给人的身体以相应速度和加速度的运动感觉的一种现代新潮游乐设备，它是当代高科技向游乐业渗透的产物。多自由度并联平台是构成娱乐机的机构运动主体。目前在世界各地的一些著名游乐场所，已有飞行体感模拟机、航海航空旅行模拟机等出现，其载人量最多可达 240 人。此外，利用多自由度并联平台技术的动感电影也应运而生。运动模拟器的技术发展潜力和商业价值都是巨大的。就其技术而言，有以下发展途径：动感模拟更加细腻逼真。动感模拟平台在控制动态特性上更加反映真实的运动特点。与视景系统及三维声音处理系统无缝连接。控制系统增加模拟更加逼真的手感和力感，甚至气味的感觉。开发的硬软件技术将便于共享、升级和移植。1.3 并联机构的研究展望近些年来并联机器人研究取得了一些进展,但仍有几个方面需要进一步研究。(1)结合并联机构动力学、预报误差分布的形态、机构构型,探求一种机构尺寸全参数综合优化的设计方法,以获得机构最佳性能的科学结构尺寸。(2) 加强位置正解的研究,寻求一种通用的解析算法,它是解决很多并联机构问题的关键,具有重要的理论与现实意义。(3) 加强奇异位形的研究,尤其在避开奇异位形的方法上应着重通用性、实用性。奇异位形的判断对并联机器人无奇异路径存在性判断准则的建立、运动的可控性等方面具有十分重要的意义。(4) 探求一种实用、简单的误差补偿及自动零位标定方法,找出所有单项误差与机构末端误差关系的解析表达式,有效破解机构误差的耦合性。(5) 加强并联机器人动力学、弹性动力学的理论和试验研究,这些问题的解决将有利于并联机器人动力学性能的提高。(6) 利用并联机器人并联特性,研究新的控制算法,降低运算时间,便于实时、在线控制。(7) 加强并联机构构型的理论研究,对于并联机构应用的普及具有深远影响。综上所述,并联机器人有着广泛的应用前景,是一种新兴的高技术,加强并联机构的理论研究与工程实践对于将这种高技术转化为生产力具有重要的意义。第二章并联机构概述及设计任务2.1 并联机构的特点(1)与串联机构相比刚度大，结构稳定；(2)承载能力大；(3)微动精度高；(4)运动负荷小；(5)在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。2.2 并联机构的分类从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构，另可按并联机构的自由度数分类：（1）2自由度并联机构。2自由度并联机构，如5-R, 3-R-2-P (R表示转动副，P表示移动副)平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2个移动运动。（2）3由度并联机构。3自由度并联机构种类较多，形式较复杂，一般有以下形式:平面3自由度并联机构，如3-RRR机构、3-RPR机构，它们具有2个移动和一个转动;球面3自由度并联机构，如3-RRR球面机构、3-UPS-1-S球面机构，3-RRR球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动;3维纯移动机构，如Star Like并联机构、Tsai并联机构和DELTA机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构;空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用，还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS1-PU球坐标式3自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1个移动和2个转动的运动(也可以说是3个移动运动)。（3） 4自由度并联机构。4自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR机构，运动平台通过3个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有I个虎克铰U, 1个移动副P，其中P和1个R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。（4）5自由度并联机构。现有的5自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构(2个并联机构的结合)。（5）6自由度并联机构。6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3个运动链的6自由度并联机构，如3-PRPS和3-URS等机构，还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。2.3 设计任务1.设计六自由度新型液压伺服并联机械手，能够实现六个自由度运动。XY方向评议200，Z方向平移150，最大回转角度XYZ轴15度；2.设计六自由度并联机械手的液压伺服控制系统，并针对所设计系统运用运动正解结算确定机械手位置；3.在一定的空间和运动范围考虑传感器布置，并设计并联机械手的执行元件；4.设计控制系统伺服放大控制单元。2.4 工作内容1.设计六自由度新型液压并联机械手的结构、驱动原理、位移控制方法；2.设计电液伺服的结构和控制原理及液压执行元件；3.选择电气部分元件，设计驱动电路及位移检测电路；第三章并联机构的概念设计及分析方法3.1 结构形式的选择并联机构有多种结构形式，常见的6自由度并联机构有如图3.1所示的几种型式：（a）6SPS机构（b）6SPS三角机构（c）6SPS双三角机构（d）6PSS机构（e）6RSS机构（f）6RSS机构图3.1自由度并联机构的几种型式根据并联机械手的特点，我们选用6-SPS结构，其三种结构的运动学及动力学分析通用，本文选择的是第一种结构。3.2 驱动机构的选择6-DOF并联机构驱动方式通常有电气、气动和液压3种基本方式，每种装置都有其优缺点，因此使用范围也各有不同。气压驱动最简单，它的工作介质是高压空气，由于空气的可压缩性，实现精确控制很困难，但是在能够满足精度要求的场合下，气压驱动在所有6-DOF并联机构中是质量最轻、成本最低的。电气系统启动容易，可设计成转动惯量小，加、减速性能好的系统，因而在轻载情况下，电气传动在高速、高精度、小型化、节能灯方面更能满足6-DOF并联机构的需要。但要得到大功率输出，电动机的重量和体积都较大。液压传动系统的输出功率大，系统刚度大，输出位移受外负载的影响小，定位准确，位置误差小，精度高，这一点是电动和气动控制所不能比拟的。又因为液体的体积弹性模数很大，因此充满液压油的液压执行元件，其液压弹簧刚度也是很大的，液压弹簧与负载形成的液压谐振频率高，所以系统的响应速度快。从结构上看，液压缸是直线位移式驱动机构。液压系统以液压油为工作介质，油液对运动部件能起润滑作用，并通过油液的流动将热量带走，实现系统的自冷却，延长元件和系统的使用寿命。此外，利用液压系统的集成回路可以将系统设计得非常紧凑，以减少系统所占空间。3.3 自由度计算根据选择的结构形式，对其进行自由度计算，看是否满足设计要求由图可知，该机构由动、静平台、6根由两个构件组成的伸缩杆组成，总的构件数为：动静平台上各有6个万向铰。6个连杆之间有6个运动副。因此机构总运动副数为： g=12+6=18机构中共12个万向铰，每个万向铰自由度数为2；液压缸有共6个移动副，每个自由度数为1，允许活塞之间与缸体间存在相对转动，即有6个转动副，每个自由度数为1；所有运动副相对自由度之和为：空间机构自由度计算公式如下：其中：为空间机构总的自由度数为机构总的构件数为机构总的运动副数为第i个运动副的相对自由度数由此可得机构的自由度数为：故满足设计要求。3.4 并联机构的位置分析方法机构的位置分析走求解机构的输入与输出构件之间的位置关系，这是机构运动分析的最基本的任务，也是机构速度、加速度、受力分析、误差分析、工作空间分析、动力分析和机构综合等的基础。由于并联机构结构复杂，对并联机构进行位置分析要比单环空间机构的位置分析复杂得多。当已知机构主动件的位置，求解机构的输出件的位置和姿态称为机构的位置正解，若已知输出件的位置和姿态，求解机构输入件的位置称为机构位置的反解。在串联机器人机构的位置分析中，正解比较容易，反解比较困难，相反在并联机构的位置分析中，反解比较简单而正解却十分复杂，这正是并联机构分析的特点。下面给出6SPS并联机构位置正反解方法，为以后进行并联机构运动的控制打下基础。1.坐标系的建立根据6SPS平台的结构建立图3.2所示坐标系。静坐标系原点位于静平台中心点，轴垂直于静平台，、轴位于静平台平面内。动坐标系固定于动平台上，原点为动平台中心点，轴垂直于动平台，、轴位于动平台平面内。在初始状态下，动坐标系轴与静坐标系轴重合，俯视图如图3.3图3.2 6SPS并联机构结构图图3.3 坐标系俯视图其中为静平台铰点，为动平台铰点，各铰点在各自坐标系下的坐标分别为： 2.位置反解设动坐标系沿静坐标系的、和轴分别平移x、y和z后，先绕轴转角，再绕轴转角，最后绕轴转角，以上转动相当于先绕轴转角，再绕轴转角，最后绕轴转角，其旋转变换矩阵为：其中，。则齐次坐标变换矩阵为：设静平台各铰点在静坐标系中的坐标为，动平台各铰点在动坐标系中的坐标为，动平台各铰点在静坐标系中的坐标为，有则：由上式可得驱动杆杆长为：（1）式（1）即为此并联机构的位置反解方程，当已知机构的基本尺寸和动平台的位置和姿态后，就可以利用上式求出6个驱动杆的长度。3.位置正解位置正解是已知各驱动杆杆长求动平台的位姿。位置正解主要有数值解法和解析法。解析法主要是通过消元法消去机构约束方程中的未知数，从而使得机构的输入输出方程成为只含一个未知数的高次方程。这种方法的优点是可以求解机构的所有可能的解，但消元过程一般非常繁琐,求解一元高次方程时对计算精度要求非常高。数值方法的优点是可以应用于任何形式的并联机构,但一般的数值方法采用优化搜索原理,需要大量的计算时间,且只能达到有限的精度。本文采用Newton迭代法，利用杆长逐次逼近的思想进行位置正解，选取合适的初值，便可以得到合理的位置正解，计算速度快、方法简便。（1）构造Newton迭代格式。根据杆长和动平台位姿的关系，可以得到杆长的一阶导数和动平台位姿的一阶导数有如下的关系：（2）写成向量形式有：（3）式中为各驱动杆速度，为动平台位姿的一阶导数，称为雅可比矩阵。式两边同时乘以，并且用表示驱动杆杆长的增量，动平台位姿增量用表示，有，则：（4）（2）迭代过程首先给定一个初始位姿（迭代初值），根据位置反解，可求得此位姿下各个驱动杆的杆长。已知驱动杆的杆长为，两杆长的差值为：（5）将式（5）所得差值带入迭代方程（4）可求得位姿增量，这样可以得到新的位姿为：（6）由迭代后的位姿根据反解方程可得到新的杆长，若雅可比矩阵收敛则相对于来说，更接近于已知杆长。同时，也可以求得新的杆长差值，将此差值代入迭代方程（4）便可求得新的位姿增量以及新的位姿，由反解方程可求得在此位姿下的杆长。同理，比更接近于已知杆长。重复以上过程，得到的杆长逐次逼近于已知杆长，当各个杆长偏差值之和满足时，迭代结束，此时的位姿可认为是已知驱动杆杆长下的动平台位姿。3.5 并联机构的运动分析方法为了并联机构运动分析过程方便起见，引入运动影响系数。机构的影响来数是机构学中一个十分重要的概念，它深刻地反映了机构的本质，很多机构分析问题用影响系数表达就格外清楚和简单。如速度分析、加速度分析、误差分析和受力分析等。都能以机简单的显式表达，另一方面，它本身与运动分离，它只与并联机构的运动学尺寸以及所选原动件的位置有关。运动影响系数反应了并联机构的位姿状态，当位姿改变时，一阶和二阶运动影响系数随之改变。因此，对于机构的性能的一些深入的分析都可以从分析影响系数矩阵入手，如机构的特殊形位、机器人驱动空间与工作空间的映射、机器人臂的灵活性、各向同性及可操作度等。若已知运动影响系数，可以方便地以显函数的形式表示出该机构构件的速度和加速度。而影响系数本身计算又十分方便，实际上一般并不需要求导。许多文献中，运动影响系数称为雅可比矩阵。3.6 并联机构动力学分析方法己知各连杆驱动力求动平台的运动属于并联机构的动力学正问题；已知动平台的运动求各连杆需要的驱动力属于动力学逆问题。其中并联机械手的设计中最具有实际意义的是动力学逆问题，因为它是控制系统和机构设计的基本依据。对并联机构进行受力分析时，可以作适当的简化，以方便计算。我们忽略各个驱动杆及运动副的质量，这样各个驱动杆可以看作是二力杆，杆件的驱动力方向即为杆件的主矢方向。并联机械手的载荷有给定载荷及平台的重力，方向垂直向下，受力如图3.4：图3.4 6SPS并联机械手受力图根据质点系达朗伯原理，可以把动力学问题视为静力学中力系平衡的问题，即可以利用静力学的平衡条件建立系统的运动和受力的关系。3.7 平台结构参数的确定平台的结构参数包括静平台与动平台的半径；静平台与动平台短边中心角；两平台间距离；各驱动杆长度。并联机构结构参数的选取对平台的工作空间和机构的运动灵活性都会产生影响，所以结构参数的选取是一个很重要的问题。选取结构参数应综合考虑所希望达到的工作空间、刚度、固有频率、受力及尺寸等方面的要求。文献（新型并联机床的固有特性研究机械设计1999年9月）通过对并联机构固有频率的研究，得出以下结论：活动平台半径越小越好，固定平台半径则尽可能大；由于固定平台半径相对较大，铰链位置角对其固有频率影响也较大，因此要尽可能减小固定平台铰链位置角，而活动平台的球铰位置角可适当放大以便于制造；尽可能减小最大支路长度，或尽可能使机床工作在较小的支路长度范围内以避免机床动力学性能出现恶化；保证加工工件位于工作台的中心位置。文献（并联机床参数设计机械设计与研究2000.12）通过对并联机构刚度的研究，得出以下结论：机床参数设计时应尽量使两平台间距离在0.51.5倍的定平台半径范围内；动平台球铰分布圆半径一般比动平台分布圆半径小，其越大，机床刚度就越大，但工作空间空间越小。参照现有并联机构的尺寸，我们定静平台半径为500mm，并以此确定其它结构参数。3.7.1 确定中性面的高度取机构的初始状态，当动平台的高度以H=700+200sin(t)变化时，杆长及其受力的变化趋势如图3.5：图3.5 动平台高度变化时杆长及受力变化趋势从图中可知，动平台的高度越大，受力越小，但是杆长增大，相应的驱动杆行程也会增大。因此，权衡受力及杆长的变化，同时考虑电动缸的长度，选择中性面高度H=900mm。3.7.2 确定动平台短边中心角取初始状态（各杆长及受力相同），当动平台的位置角以变化时，杆长及其受力变化如图3.6：图3.6 动平台位置角变化时各杆杆长及受力变化图从图7中可知，当位置角取0度时的受力及杆长都最大，60度时的受力及杆长都最小。为考虑杆的水平传力性能，取动平台做圆周运动时的一个状态，当位置角以变化时，杆长及其受力变化如图3.7：图3.7 平台做圆周运动，位置角变化时杆长及受力的变化从图8可知，当位置角等于0度的时候杆受力最小，传力性能最好，但杆的行程最大。上图是以球铰做的仿真分析，而我们选用的是万向铰连，故综合考虑分析结果及球铰与万向铰连的不同，取动平台的短边中心角为0度。当静平台的短边中心角变化时和动平台类似，同理取静平台短边中心角为0度。即选择一般的66SPS结构。3.7.3 确定动平台的半径初始状态时，当动平台半径以rb=400+100sint变化时，杆受力如图3.8：图3.8动平台半径变化时杆的受力变化从图中可知，动平台半径变化时，驱动杆的受力只有几牛的变化，变化很小。而并联机械手对机床刚度的要求比较高，对工作空间的要求相对较低，故动平台半径也选择为500mm。3.7.4 校验平台处于中间位置时液压缸与地面的夹角由于虎克铰是系统稳定性中最薄弱的环节，因此虎克铰的转角、产生的力和转矩需要越小越好。而与平台处于中间位置时与地面的夹角有关。经I. Hostens*, J. Anthonis, H. Ramon在New design for a 6 dof vibration simulator with improved reliability and performance一文中指出=50时虎克铰的转角最小。=70（平台竖直运动）时产生的扭矩最小。平台运动的位置误差和液压缸运动中相对于液压缸的中间位置的上部转动和下部转动之间的对称性是不能够被忽视的方面，并且对于系统的辨别和控制是非常重要的。在=70时获得了平台在竖直自由度内运动的最高分辨率，并且在=65时液压缸在所有三个移动自由度内运动的稳定性最高。=55时找到一个好的换位。这也是相邻的连接到平台且能提高平台的稳定性的液压缸附属装置间最小距离出现时的角度。经以上尺寸确定的平台处于最低点时，液压缸与地面的夹角为63，可计算得出，平台处于中间位置时，液压缸与地面的夹角为66.5，符合平台稳定性要求。3.7.5 液压缸行程、受力的确定通过以上尺寸，我们可计算出液压缸的伸长长度为275mm，查阅设计手册，选用液压缸的行程为300mm。液压缸受力计算。额定负载250kg。动平台的质量为m=7.8g/cm3*108cm*96cm*1.5cm=121kg加上上支撑座和万向铰的重量，总重量记为400kg。每个液压缸的受力F=4000N/（6*sin63）=748.2N。第四章液压缸设计计算4.1 液压缸类型的选择液压缸按工作特点分可分为单作用缸和双作用缸两大类；根据结构还可以分为多种形式。根据六自由度并联机械手的运动特点，选用双作用单活塞杆无缓冲式液压缸。4.2 液压缸安装方式的选择液压缸的安装方式是指缸体与机架的固定或连接方式，可分为轴线固定和轴线摆动两大类。根据并联机构的特点，采用矩形后端盖式固定方式。4.3 液压缸主要尺寸的确定4.3.1 液压缸工作压力的确定根据工作情况，工作压力定为10MPa。表4.1 液压设备常用的工作压力设备类型机床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械、起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力P（MPa）0.82.03528810101620324.3.2 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定图4.1 单活塞杆液压缸计算示意图由图可知式中 p1液压缸工作压力，p1=10MPa； p2液压缸回油腔背压力，估计值为1.5MPa； d/D活塞杆直径与液压缸内径之比，选为0.7； F工作循环中最大的外负载，F按800N进行计算； Ffc液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率cm进行估算。式中cm液压缸的机械效率，一般cm=0.90.97将cm代入直径计算式，可求得D为可计算出直径，并参考内径系列选用63mm系列。4.3.3 液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算式中液压缸壁厚（m）； D液压缸内径（m）； Py试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）；缸筒材料的许用应力。其值为：无缝钢管：=100110MPa。计算得4.725mm，在低中压液压系统中，按上式计算所得的液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此只用此公式做校核。故我们按缸体厚度系列选择缸体外径为76mm，此时壁厚为6.5mm满足强度要求。4.3.4 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照行程系列进行选择。根据第三章概念设计中的行程要求为275mm，查阅液压缸行程系列，选择行程为300mm。4.3.5 缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时有孔时式中 t端盖有效厚度（m）； D2端盖止口内径（m）； d0端盖孔的直径（m）。因为所设计的缸盖上有进油孔，所以按第二式进行计算，得t9.3mm，故我们选用端盖厚度为10mm。4.3.6 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：式中 L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。可求得H46.5，而所设计的液压缸结构中H=60mm，满足要求。4.3.7 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。此液压缸的内部长度为363mm，液压缸内径为63mm，满足要求。4.3.8 活塞杆强度及稳定性的验算当液压缸支承长度LB（1015）d时，须考虑活塞杆弯曲稳定性并进行验算。液压缸的支承长度是指活塞杆全部外伸时，液压缸支承点与活塞杆前端连接处之间的距离；d为活塞杆直径。液压缸的支撑长度LB=400mm，d=36mm，需进行稳定性计算。活塞杆的压缩强度计算：（m）式中 F液压缸的最大推力，F=800N； S材料的屈服强度，S=100MPa； nS安全系数，一般nS取24，取nS=3； d活塞杆直径（m）。所以可计算出d5.5mm，满足要求。活塞杆弯曲稳定性验算：活塞杆通常是细长杆体，因此活塞杆的弯曲计算一般可按“欧拉公式”进行。活塞杆弯曲失稳临界负荷FK，可按下式计算（N）在弯曲失稳临界负荷FK时，活塞杆将纵向弯曲。因此，活塞杆最大工作负荷F应按下式验证式中 E活塞杆材料的弹性模数（MPa），钢材：E=210*103（MPa）；J活塞杆横截面惯性矩（m4）圆截面：J=0.049d4（m4）K安装及导向系数，K=1； nK安全系数，一般取 nK=3.5； LB安装距，0.75m。可计算出F30294N，此系统中F=750N,故满足稳定性要求。4.4 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。4.4.1 缸体与缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。下缸盖与缸筒选用焊接连接式，结构简单，尺寸小。上缸盖与缸体的连接形式选用内半环连接。这种连接的优点是外形结构尺寸小，结构紧凑，重量较轻。缺点是缸筒开槽，削弱了强度，端部进入缸体内较长，安装时密封圈易被槽口擦伤。4.4.2 活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的连接结构分整体式结构和组合式结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。这本设计中采用螺纹连接，这种结构简单，但是在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。在此系统中振动较小，但考虑到安全的因素采用了双螺母防松的办法。4.4.3 活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的机构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以安装在外侧。机床和工程机械中一般采用装置内侧的结构，有利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。活塞杆处的密封形式有O形、V形、Y形和YX形密封圈。为了清除活塞杆处外露部分沾附的灰尘，保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。在此设计中，考虑结构的简单，采用了端盖整体式直接导向结构，导向套与缸体之间采用了O形密封圈，导向套与活塞杆之间采用了Y形密封圈，在端盖外侧设置了防尘圈以清洁活塞杆处外露部分沾附的灰尘。4.4.4 活塞及活塞杆出密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。活塞与缸体及活塞与活塞杆处的密封选用O形密封圈加挡圈的形式，此密封装置的压力范围是35MPa，温度范围是-30+130，速度范围是5m/s，符合我们的要求。4.4.5 液压缸的缓冲装置液压缸带动工作部件运动时，因运动件的质量较大，运动速度较高，则在到达行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞。为防止这种现象的发生，在行程末端一般设置缓冲装置。查阅设计手册得知，缸径小于80的液压缸不带缓冲装置，但出于安全性考虑，可以在编制控制软件时，在行程两端预留一段距离，可以控制活塞在运动过程中不会与缸筒端盖之间发生机械碰撞。4.4.6 液压缸的排气装置对于运动速度稳定性要求较高的机床液压缸和大型液压缸，则需设置排气装置，如排气阀等。排气阀一般安装在液压缸两端的最高处，当液压缸需要排气时，打来相应的排气阀，空气连同油液经过锥部缝隙和小孔排除缸外，直至连续排油时，就将排气阀关死。第五章电液伺服系统总体方案设计5.1 系统组成本六自由度运动模拟器手是液压伺服驱动、并联式的运动模拟器，由动平台、固定平台、电液伺服控制子系统等组成。运动模拟器以液压缸为执行元件、以电液伺服阀为控制元件，来控制实现运动平台的各种运动。并联式的运动模拟器具有承载能力强，刚性好，无累积误差，精度高等特点。5.2 电液伺服系统的构成6-DOF运动模拟器由计算机控制子系统和电液控制系统构成6-DOF运动模拟器的位置伺服控制系统。运动模拟器电液伺服子系统包括非对称直线液压缸、电液伺服阀、位置传感器、D/A转换器、A/D转换器、控制电路及主控计算机等，其中电液伺服阀及其PID控制器是电液伺服子系统的核心元件，通过它可以实现对电液伺服子系统的控制调节。构成运动模拟器的电液伺服控制系统的基本元件如图2.1所示：图5.1.电液伺服控制系统控制原理框图及其基本元件（1）指令元件：给出与反馈信号同样形式的控制信号，如PC计算机等。（2）检测元件：检测被控量，给出系统的反馈信号，如位置传感器电流差动变压器式位移传感器。（3）比较元件：把控制信号和比较信号加以比较，给出偏差信号，其由比较电路组成。（4）放大、转换控制元件：把偏差信号放大，转换成液压信号（流量、压力），并控制执行机构运动，如放大器、伺服阀等。（5）执行元件：液压缸。（6）控制对象：运动模拟器的动平台及其它负载装置。此外，还有各种校正装置，以及不包含在控制回路内的能源设备和其它辅助装置等。5.3 六自由度运动模拟器位置伺服控制系统工作过程图5.2.位置伺服控制系统工作过程框图以一个液压缸的唯一为例说明其工作原理。首先由控制计算机送出位置指令信号，同时位移传感器测量液压缸的位移并以模拟信号的形式提供给计算机，计算机通过A/D转换得到当前液压缸的位移量，得到这两个量后经PID控制算法得到数字控制量，这个数字控制量再经D/A转换转换成模拟电信号，输入电液控制子系统从而控制液压缸位移。以此达到控制运动模拟器的位置，实现运动再现的目的。位置PID控制器参数经实验整定，获得良好的动态特性和稳定性。第六章电气原理设计（液压缸位移检测电路）6.1 电气系统的基本组成使用A/D（数模转换）芯片进行数据采集是单片机的一个主要应用。微型计算机的广泛应用，促进了测量仪表和测量系统的自动化、智能化。在A/D、D/A接口系统设计中，系统设计者的主要任务是根据用户对A/D、D/A转换通道的技术要求，合理地选择通道的结构以及按一定的技术、经济准则，恰当地选择所需的各种集成电路，在硬件设计的同时还必须考虑通道驱动程序的设计，较好的驱动程序可以使同样规模的硬件设备发挥更高的效率。利用A/D方法进行数据采集系统设计时，需要考虑三个方面的内容，一是针对系统的需求选择合适的A/D器件，二是根据所选择的A/D器件设计外围电路与单片机的接口电路，三十编写控制A/D器件进行数据采集的单片机程序。图6.1A/D转换单片机系统的组成此电气系统所要实现的功能是将由传感器采集到的模拟信号转换成能与控制信号比较的数字信号，并能完成数据的外部存储。为实现这个要求，此电气系统应包括传感器、多路开关、采样保持器、A/D转换器、单片机最小系统（包括单片机、复位电路、晶振电路、外部扩展ROM、RAM电路）。如图6.1所示。6.2 电气系统主要元件的选择6.2.1 A/D转换器选择A/D转换器主要应考虑以下几个指标（1）A/D转换器位数A/D转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两方面进行考虑。从静态精度方面来说，要考虑输入信号的原始误差传递到输出所产生的误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差与A/D转换器位数有关。一般把8位一下的A/D转换器归为低分辨率A/D转换器，912位的成为中分辨率A/D转换器，13位以上的成为高分辨率A/D转换器。10位A/D芯片以下误差较大，11位以上对减小误差并无太大贡献，但对A/D转换器的要求却提得过高。因此，取10位或11位是合适的。所以在此系统中加上符号位，我们选择12位的A/D转换器。（2）A/D转换器的转换速率A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每秒钟完成的转换次数，称为转换速率。确定A/D转换器的转换速率时，应该考虑系统的采样速率，与系统的节拍相匹配。（3）A/D转换器两成A/D转换器分单极性和双极性，有着不同的接线方式，由所输入信号的形式决定。在此系统中我们选择了单极性输出的传感器，所以选用A/D转换器的单极性转换方式。（4）满刻度误差满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。（5）线性度实际转换器的转换函数与理想直线的最大偏移。综上指标，在此系统中选用型号为AD547A的12位逐次逼近式A/D转换器。转换速度为25s,转换精度为0.05%，芯片内有三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。6.2.2 传感器差动变压器具有精度高达0.1m量级、线圈变化范围大（可扩大到100mm，视结构而定）、结构简单、稳定性好等优点，且不存在机械过在问题，对高温、低温和温度变化也不敏感，并且能提供比较高的输出，常用于没有中间放大的场合，但不适宜于高频动态测量。差动变压器式LVDT位移传感器具有良好的环境适应性，使用寿命长，灵敏度和分辨率高。在此系统中选用北京京海泉传感科技有限公司生产的DA-150型位移传感器。测量范围：150mm或0300mm，线性度0.2%，输出信号选择为010V，工作电源用+5V，频响0200HZ，灵敏度50mV/mm，温度系数0.01%/0.03%/，工作温度-1070，非回弹式。6.2.3 多路开关多路开关又名多路转换器，利用它可将各个输入信号依次或随机地接到公用放大器或模数转换器上。在此系统中选用目前广泛使用的集成多路电子开关，CMOS型单片多路开关CD4051。CD4051是单端八掷开关，有三根控制输入端A、B、C和一根禁止输入端（高电子禁止）。片上有二进制译码器，可按输入的A、B、C信号使8个通路（X0X7）的一个与X接通。当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通道均不同。6.2.4 采样保持器采样保持器主要由模拟开关、存储电容及缓冲放大器组成。而在此系统中我们选用集成采样保持器LF398。6.3 电气系统的设计6.3.1 单片机最小系统的设计8031无片内程序存储器，因此，其最小应用系统必须在片外扩展EPROM，必须有复位及时钟电路。接线如图6.2所示。复位电路选用了种较为实用的建有上电复位与按钮复位的电路。时钟电路选用了内部时钟方式的电路，外接晶体以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。晶体选择12MHZ，电容值选用30PF。在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。片外ROM和RAM扩展，分别选用了16KB的27128和16K的62128。采用线选法扩展。图6.2单片机最小系统6.3.2 单片机与A/D转换器的接口电路具体接线如图所示，AD547A采用单极性输入方式。图6.3 单片机与A/D547A接口电路转换结果的高8位从DB4DB11输出，低4位从DB0DB3输出，并直接和单片机的数据总线相连，如果遵循左对齐原则，D3D0应接单片机数据总线的高半字节。为了实现启动A/D转换和转换结果的读出，AD574的片选信号由地址总线的Q7提供，在读写时，Q7设置为低电平；AD574的CE信号由单片机的经1级与非门提供，信号由Q0产生，可见在读写时，Q0为高电平。输出状态信号STS接P1.0端供单片机查询，以判断A/D转换是否结束。端接地，AD574的A0由Q1控制，以实现A/D转换的全12位转换，并将12数据分2次送入数据总线上。6.3.3 单片机控制多路开关图6.4 单片机控制多路开关片上有二进制译码器，可以按照输入的A、B、C信号使8个通路（X0X7）的一个与X接通。当INH为高电平时，不论A、B、C为何值，8个通路均不同。6.3.4 单片机控制采样保持器如图3.5所示，保持电容C的选择取决于保持时间的长短。逻辑控制输入端用于控制采样或保持。逻辑电平基准输入端LR能使控制信号与各种逻辑电平兼容，LR接地时，控制电平与TTL兼容。OFFSET端用于零位调整。当选用CH=0.01F时，信号达0.01%精度的捕获时间为25s，电压下降率为3mV/s。可见保持精度比较高。图6.5 单片机控制采样保持器6.4 单片机控制A/D转换器的程序设计单片机用查询方式控制AD547A完成一次A/D转换，并将数字量存入30H和31H单元程序段的流程图如下：图6.6 单片机控制A/D转换流程图程序清单：ORG 0000H ；程序入口地址AJMP STARTSTART : CLR P3.6 CLR P3.7 ；经与非门后使CE=1MOV R0,30H ；MOV DPTR,#FF7CH ；A0=0，=0，MOVX DPTR,A ；启动A/DHD: JB P1.0,HD ；STS=1，未完成，继续转换MOV DPTR,#FF7DH ；使=1，A0=0MOVX A,DPTR ；读高8位MOV R0,A ；存高8位MOV DPTR,#FF7FH ；使=1，A0=1MOVX A,DPTR ；读低4位ANL A,#0FH ；屏蔽掉高4位随机数INC R0 ；指向下个单元地址MOV R0,A ；存低4位数字END:SJMP END ；停止第七章液压伺服系统设计7.1 液压控制回路方案确定一般液压伺服系统的能源装置有3种基本形式：定量泵溢流阀恒压能源，定量泵蓄能器卸荷阀能源和恒压变量泵能源。运动模拟器的运行需要比较大的动力。为了节约能源，我们采用恒压变量泵能源。这种能源的优点是效率高，适用于高压和较大功率的系统，适用于流量变化很大的系统和间歇工作的系统。但当系统需要的流量变化较大时，可能会由于泵来不及进行调节而引起压力变化，因此，这种能源必须配备蓄能器，可消除压力波动。液压能源的压力由恒压变量泵调节，蓄能器具有应急动力源和消除压力脉动的作用，与恒压变量泵一起为伺服系统提供稳定的供油压力，给高性能的液压控制系统提供了有效的保证。液压泵的入口过滤器和出口单向阀能够防止污物进入液压泵和阻止系统的压力回冲，对液压泵进行保护，延长恒压变量泵的使用寿命。7.2 六自由度并联机械手液压控制回路的构成 6-DOF比联机械手运动平台液压控制回路由液压站、变量泵、蓄能器、滤油器、油路、电液伺服阀、电液伺服阀控制电路和非对称直线液压缸等组成，如图7.1所示为6-DOF运动模拟器液压传动系统的原理图。图7.1 6DOF并联机械手运动平台液压控制系统的原理图1邮箱 2、15粗滤油器 3变量泵 4电动机 5电控溢流阀 6单向阀 7、9、13表用管接头 8、14压力表 10压力开关 11细滤油器 12蓄能器 1621电液伺服阀 2227液压缸7.3 液压回路主要元件的选择7.3.1 滤油器滤油器在液压系统中，滤除外部混入或者系统运转中内部产生的液压油中的固体杂质，是液压油保持清洁，延长液压元件使用寿命，保证液压系统的工作可靠性。滤油器的过滤精度用从液压油中过滤掉的杂质颗粒大小表示，一般可分粗滤油器、普通滤油器、精滤油器和特精滤油器四种。它们分别能滤掉的颗粒公称尺寸为：100m为粗滤油器、10100m为普通滤油器，510m为精滤油器，15m为特精滤油器。液压系统压力越高，要求液压元件的滑动间隙越小，因此系统压力越高，要求的过滤精度也越高。表 7.1 过滤精度与液压系统压力的关系系统类别一般液压系统伺服系统压力 MPa73521颗粒大小m255025105本系统为位置伺服系统，压力高，所以要求滤油器的精度也高。股选择纸质滤油器。纸质滤油器，主要用于过滤质量高的液压系统中，网孔3072m，过滤精度530m，压力差50120Pa，特性：过滤效果好，精度高，但易堵塞，无法清晰，需常换纸芯。适用于此系统。滤油器因在液压系统中的安装位置不同而有不同的要求。滤油器2安装在液压泵的吸油路上，要求滤油器有较大的通油能力和较小的阻力，一般采用粗滤油器，选用ZUA10020S，通径32mm，流量100L/min，压力1.6MPa ，原始压力损失0.07，过滤精度20m。滤油器15在回油路上，由于回油压力低，可用强度较低的滤油器，故也选用同2一样的型号ZUA10020S。滤油器11安装在液压泵的压油路上，这种方式可以保护液压泵以外的其他液压元件。滤油器在高压状态下工作，因此能承受高压，阻力一般要求在3.5*105Pa以下。故选用型号为ZUH10010S的滤油器，其通径为25mm，流量100L/min，压力31.5MPa，原始压力损失0.1MPa，过滤精度10m。7.3.2 蓄能器蓄能器是在液压系统中储存和释放能量的装置。其主要用途为，一是短期大量供油，作为辅助油源来使用；二十吸收冲击压力或脉动压力，是液压系统压力稳定；三是维持液压系统压力，其保压作用。在间歇、短时操作的液压系统中，采用蓄能器可以减少液压泵的功率，节约动力。在本系统中因使用的是恒压变量泵，故需用到蓄能器保压和缓冲压力脉动的功用。选用气囊式蓄能器，型号为NXQ10，容积10L，压力10MPa，通径M60*2。7.3.3 恒压变量泵恒压变量泵我们选用轴向柱塞泵，型号SCY141B，排量63mL/r，额定压力32MPa，额定转速1500r/min，驱动功率59.2KW。电动机我们选择三相异步电动机，Y180-4型，功率为18.5KW，额定转速1470r/min，额定电压380V，额定电流36A，接法。7.3.4 电控溢流阀电磁溢流阀由先导式溢流阀和电磁阀组成，用于系统的卸荷和多级压力控制。电磁溢流阀的性能要求是：1.升压时间短；2.具有通电卸荷或断电卸荷的功用；3.卸荷时无明显冲击；4.具有内控加载和外控多级加载功能。选用的电控溢流阀型号：YFB20C，通径20mm，额定流量100L/min，调压范围3.514MPa。满足液压伺服系统要求。7.3.5 电液伺服阀电液伺服阀的功能是将微弱的电信号（电压，电流）转换成相应的机械位移量，再将此位移量转换并放大为与原电信号成比例的液压功率输出（压力、流量），依此驱动执行元件（液压缸）。伺服阀既起到电气信号与液压信号间的转换作用，又起到信号的放大作用，因此其性能对系统的特性影响很大，是系统中的核心元件。电液伺服阀主要由以下几个部分组成：（1）电力转换部分为力马达或力矩马达。（2）力位移转换部分通常为扭簧、弹簧管或弹簧。（3）液压放大器前置级为喷嘴挡板式液压放大器，而功率级均为滑阀式液压放大器

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