基于六自由度液压平台设计

基于六自由度液压平台设计内容摘要：

代法可以对所要分析位姿无限小的逼近其精度。 此外 ,为了改善 Stewart 类型的平台正解的实用性与工程性 ,工程项目中一 般利用 Newton 迭代法外接传感器法两者结合六自由度并联结构的混合型正解方法 ,并且在精度要求不是十分严格的情况下 ,此方法方便、使用。 六自由度运动平台的工作空间 工作空间就是并联运动机构的工作区域，它是衡量并联机构性能的一个重要指标。 特别是当并联机构应用于并联机床时，必须严格准确地计算出其工作空间范围，这样才能避免事故的发生。 根据并联机构工作位置和姿态特点，我们可以把工作空间分为灵活工作空间和可达工作空间两种 ： （ 1）灵活工作空间是指并联机构上的某一个参考点可以从沿任意方向到达该点的点的集合，灵活工 作空间是完全工作空间的一个子集。 对于并联运动平台来说，由于受到机构条件的约束，平台一般不能绕某一个空间旋转 360 度，所以说并联运动平台一般是没有灵活工作空间的。 （ 2）可达工作空间是指并联机构在满足各种约束条件的情况下，可以到达的所有空间点的集合，它在没有考虑并联机构的姿态的情况下取得的。 运动平台在运动的过程中，为了保证运动杆件不发生干涉，我们在设计平台时就必须首先计算出运动平台的完全可达空间，包括动平台可能到达的所有空间点，以此作为机构设计的依据。 影响工作空间大小的主要因素有：并联机构的动、静平台 半径大小，运动铰 10 链的运动角度范围、中位高度、运动杆件行程、运动杆件自身体积等。 一般来说，并联运动平台的工作空间都比较小。 并联机构的工作空间范围求解过程非常复杂的，其很大程度上取决于对平台机构的位置解答的研究成果，到目前为止还没有得出一个非常完善的求解方法，现在采用的并联平台工作空间的计算方法主要有解析法、数值法和几何法。 当运动铰链转角超过极限范围或运动杆件间发生干涉，机构就会产生破坏性损坏，发生事故，但运动杆件位移到达极限前，一般都会设有缓冲装置的保护 ,损伤较小 ,所以一般把运动杆件的位移极限位置看成 是平台的运动极限位置。 通常用的计算方法是根据杆件的位移范围搜索出工作空间边界 ,然后再进行铰链关节转角和杆件间干涉的校验。 可达空间边界的判断依据包括：运动杆件位移的上下限制、铰链关节转角的极限和运动杆件间的干涉三个方面。 对于六自由度并联运动平台，它的任何运动都是由六个单自由度运动 (三个平动和三个转动 )组合形成的 ,也就是由六个杆件的不同位移组合而成的 ,两者存在一一对应关系 ,也可以根据这个关系就可以找出运动平台的运动极限范围 六自由度 并联机构驱动方式 机器人的驱动可分为电机驱动、 气动驱动和液压驱动，每种驱动方式都有各自的优缺点和应用范围。 气动驱动 气动驱动是最简单的一种方式，工作介质是高压空气，由于空气的可压缩性，实现精确控制较困难，但在能够满足精度要求的场合下，气动驱动的方式是质量最轻、成本最低的。 电机驱动 电机系统起动容易，可以设计成转动惯量小，加、减速性能好的机器人系统，因而在轻载的情况下，电机传动在高速、精度、小型化、节能等方面更能满足工业机器人的需要。 但是要得到大功率的输出，电动机的重量和体积会很庞大。 液压驱动 液压驱动能够提供精确的直线运动，并且液压传动系统的输出功率大，有较高的精度和响应速度，调速范围宽，在低速范围内，性能要优于电机。 液压系统以液压油为工作介质，油液对运动部件可以起到润滑作用，并通过油液的流动将一部分热量带走，实现系统的自冷却，可延长元件和系统的寿命。 另外液压系统的刚度比较大，有利于闭环系统的精确定位。 同时，由于液压系统的功率体积比大，采用液压系统的集成回路可以将系统设计得较为紧凑，以减少系统所占用的 11 空间。 从上述分析可知，并联机构响应快速，精度高，通常应用于负载大的场合，与液压驱动的条件 符合。 本文所研究的六自由度并联机构也正是基于液压驱动的模式。 12 第 3章 六自由度平台控制系统设计 运动平台的液压系统简介 对六自由度运动平台的液压伺服系统进行建模是本文研究的重点，六自由度并联运动平台液压系统是由液压缸驱动的，通过六个液压缸的来回协调伸缩运动，实现动动平台的六个自由度运动，整个液压系统由液压泵站、油路、电液伺服阀、电液伺服控制器和液压缸和位移传感器等组成。 液压伺服控制系统的动力机构主要有以下三种方式：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。 由于并联机构所需的功率比较大，并从节能角度考虑，在本文中选用的是恒压式变量泵作为液压系统动力机构，它的优点是效率高，适用于高压、大功率、大流量、间歇工作的系统。 它的缺点是恒压式变量泵的调节速度较慢，当系统需要的流量变化较大时，可能会因为泵来不及调节而引起压力的突变，因此，这种能源机构常常与蓄能器同时使用，蓄能器一方面可以消除压力波动，另一方面可以适应短期的流量峰值。 液压控制系统的控制方式主要分为两大类： 阀控系统，也称节 流控制系统。 用控制阀来控制液压油流入执行机构的流量，从而改变执行机构的运动速度，通常为恒压油源供油。 这种控制方式有阀控液压缸和阀控液压马达。 泵控系统，也称容积控制系统。 用伺服变量泵给执行元件供油，通过改变泵的排量来控制流入执行机构的流量，从而改变执行机构的运动速度。 在泵控系统中，压力取决于负载。 这类控制方式有泵控液压缸和泵控液压马达，本文研究的平台液压系统采用阀控液压缸的控制方式。 而液压控制系统主要可以分为：液压开关控制系统、电液伺服控制系统和电液比例控制系统三大类，三个控制系统的主要区别在于其控 制精度水平上。 液压开关控制系统中的控制元件只有两种工作状态，也就是开启和关闭两种状态。 若要实现对复杂系统的高质量的控制，则必须要求有足够多的控制元件，把各个控制元件调整成某一特定的状态，从而实现对受控对象的预定顺序和要求动作的控制。 开关元件简单、工作可靠，不存在系统不稳定的现象。 可以利用计算机放大输出数字信号来驱动开关元件动作，避免使用价格昂贵的数模转换元件，从而使控制系统变得更加简单。 此外，开关控制可以实现手动控制，也可以实现程序的自动控制，所以开关控制系统一般主要应用在一些控制质量要求不高、控制动作比 较简单的场合。 电液比例控制系统是指在液压传动控制过程中，通过接受模拟信号或数字信号，使输出的流量和压力能连续成正比地进行控制。 电液比例控制系统中的主控 13 元件可以有无限种状态，分别对应于被控对象的无限种运动状态。 系统可以将几个比例元件代替复杂的开关控制系统，可以大大的简化了液压控制系统。 电液伺服控制系统是使伺服阀的输出量正比于输入的控制电流或电压。 由于伺服阀的快速响应速度快，并且具有很高的控制精度，所以伺服控制系统在航空、航天、轧钢设备以及试验设备中得到了广泛的使用，但是伺服控制的伺服元件制造成本非 常昂贵，对油液的清洁度要求很高，系统的能耗也很大。 液压系统的能源是来自于液压泵站的恒压式变量泵，该泵驱动支撑动平台的六个液压缸运动，并通过电液伺服阀控制运动平台的速度和位置，以实现六个自由度的运动。 液压泵输出的压力油分成六路，经过电液伺服阀后进入液压缸。 液压能源的压力是由变量泵调定，蓄能器的作用是作应急动力源和消除压力脉动的作用，并可以和恒压变量泵一起给伺服系统提供稳定的供油压力，保证了液压控制系统的高性能。 液压泵的进口过滤器可以防止油污进入液压泵，对液压泵起到保护作用，延长变量泵的使用寿命。 动 力泵站 动力系统为模拟平台的运动提供能源，由于液压伺服系统具有结构简洁、空间占用面积小、驱动力大、控制精度高、反应速度快等优点，因此平台的运动通过液压控制来实现。 液压泵站是动力系统的主要部件，主要作用是给系统提供压力油，是整个系统的主要动力源，同时兼具控制调解功能，它主要由各种控制阀、恒压变量泵、电机、蓄能器、冷却装置和油箱等组成，结构方面采用块式集成布置方式，将油路直接做在辅助连接件上或液压阀的阀体上，借助连接件及其油路孔道实现液压控制阀及其它元件和管路的集成连接和油路连接，具有管件少、结构紧凑、组装方便 、外观整齐美观、油路通路短，不易泄漏、维修方便等优点。 液压系统的工作原理 液压系统工作原理和组成示意图如图 所示。 工作原理 :控制及监控系统分别向六组模拟驱动系统的伺服阀对应的发出横摇、纵摇和纵荡等六组信号，与各自的传感器反馈回来的信号比较后，其差值经伺服放大器放大，驱动相应的伺服阀产生与之对应的压力流量 (液压放大 )，使伺服缸的输出与输人信号成比例。 同时伺服缸的传感器将输出反馈到输人端，构成闭环控制， 6 组液压伺服系统同时推动模拟平台做各种摇。