六自由度運動平臺方案設計報告doc.doc

精品文檔編 號密 級內(nèi)部階段標記C會簽名 稱 校對審核批準六自由度運動平臺方案設計1歡迎下載。精品文檔內(nèi)容摘要：針對YYPT項目在原理樣機出現(xiàn)的問題，對YYPT原理樣機從結構設計、伺服系統(tǒng)等方面進行優(yōu)化設計，以滿足設計及使用要求。主 題 詞YYPT 優(yōu) 化更 改 欄更改單號更改日期更改人更改辦法21歡迎下載21歡迎下載21歡迎下載。1 概述YYPT原理樣機用原庫房留存的345廠的直流電機作為動力源，直流驅(qū)動器及工控機作為控制系統(tǒng)元件，采用VB軟件進行控制軟件的編制，因設計及器件選型的原因，導致YYPT原理樣機，在速度、精度、運動規(guī)律上等幾個技術指標無法滿足原規(guī)定的指標要求，現(xiàn)在此基礎上進行優(yōu)化方案的設計。2 原理樣機技術狀態(tài)2.1 原理樣機方案2.1.1 組成原理樣機采用工控機作為系統(tǒng)的控制單元，工控機內(nèi)配有研華PCI1716和 PCI1723作為A/D和D/A模擬量卡，驅(qū)動器采用AMC公司的型號為12A8的伺服驅(qū)動器，并配有直流可調(diào)電源其輸出電流可達到150A，采用KH08XX（3）電動缸作為運動平臺的六條支腿，電動缸上安裝有電阻尺作為位置反饋器件，上平臺與電動缸連接采用球籠聯(lián)軸器，下平臺與電動缸連接采用虎克鉸鏈方式。具體產(chǎn)品組成表見表2.1。序號產(chǎn)品名稱型號廠家數(shù)量備注1電動缸KH08XX（3）西安方元明6安裝345廠電機2電阻尺LTS-V1-375上海徳測63驅(qū)動器50A8AMC63A/D卡PCI1716研華14D/A卡PCI1723研華15工控機610H研華16直流電源1 2.1.2 結構方案六自由度運動平臺是由六條電動缸通過虎克鉸鏈和球籠萬向節(jié)聯(lián)軸器將上、下兩個平臺連接而成，下平臺固定在基礎上，借助六條電動缸的伸縮運動，完成上平臺在三維空間六個自由度（X，Y，Z，）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。下靜平臺虎克鉸鏈電動缸上動平臺球籠聯(lián)軸器圖1 六自由度平臺外形圖a）球籠聯(lián)軸器（如圖2所示）采用球籠鉸鏈與上平面連接。球籠鉸鏈結構簡單、體積小、運轉(zhuǎn)靈活、易于維護。 初選球籠鉸鏈型號BJB（JB/T6139-1992），公稱轉(zhuǎn)矩Tn=2000N/m，工作角度40度，外徑D=68mm，軸孔選用圓柱孔d=24mm，總長度L1=148mm，轉(zhuǎn)動慣量為0.00008kg.m，重量5kg。圖2 球籠聯(lián)軸器b）虎克鉸鏈（如圖3所示）采用虎克鉸鏈與下平面連接。萬向節(jié)鉸鏈傳動效率高，允許兩軸間的角位移大，適用于有大角位移的兩軸之間的連接，一般兩軸的軸間角最大可達3545，噪音小，對潤滑要求不高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，而且使用可靠，因此獲得廣泛的應用。圖3 虎克鉸鏈下固定板的連接（如圖4所示）圖4 電動缸齒輪蓋下固定板與電動缸用法蘭連接。初選深溝球軸承型號61808（GB/T276-1994），額定載荷Cr=5.1kN，外徑D=52mm，軸承孔選用d=40mm，寬B=7mm，重量0.26kg。初選深溝球軸承型號61802（GB/T276-1994），額定載荷Cr=2.1kN，外徑D=24mm，軸承孔選用d=15mm，寬B=5mm，重量0.005kg。上下結構（如圖5所示）上鉸點分布圓的半徑：Ra=432mm下鉸點分布圓的半徑： Rb=625mm上鉸相鄰鉸之間的距離：da=105mm圖5下鉸相鄰鉸之間的距離：db=120mm零位時作動器的長度：L2=777mmc）電動缸 基于器部件復用的考慮，YYPT采用某項目3號電動作為運動平臺動作執(zhí)行終端，并可利用庫存的六臺DC24V直流有刷減速電機為之配套。電動缸主要技術指標：1）最大推拉力不小于6000N；2）行走速度：18mm/s；3）最大行程：370mm；4）電動缸不自鎖；直流有刷減速電機技術指標：1）電壓范圍：允許在20VDC28VDC范圍內(nèi)工作；2）額定電壓：24VDC；3）最大電流：在額定電壓24VDC，額定負載12Nm條件下，電流40A。4）最低轉(zhuǎn)速：在額定電壓24VDC，額定負載12Nm條件下，減速器輸出轉(zhuǎn)速不小于410rpm；5）額定負載：減速電機額定負載轉(zhuǎn)矩為12Nm；6）工作方式：連續(xù)工作時間3min，間隙時間5min；7）電氣接口：接口方式采用航空插座，航空插座型號：XCE22F4K1D1，電機出線與插座接線關系為“”接1號針腳，“-”接2號針腳。2.1.3控制方案控制軟件采用位置反解算法，即通過平臺的姿態(tài)反算六支電動缸的長度，通過PCI-1716接收電阻尺反饋的位置指令，根據(jù)計算出來的長度和反饋指令通過PCI-1723向驅(qū)動器發(fā)送模擬量速度指令，控制電動缸運動到指定長度。2.2 原理樣機技術參數(shù) 序號指標實際情況備注1載荷1T未進行試驗測試2平移速度10mm/s15mm/s3旋轉(zhuǎn)速度1.5/s4X，Y軸平移范圍300mm5Z軸平移范圍160mm6X，Y軸轉(zhuǎn)動范圍207Z軸轉(zhuǎn)動范圍302.3 原理樣機存在問題1、超調(diào)問題：電動缸運行到位后超調(diào)現(xiàn)象比較嚴重，初步分析為電機特性較差引起的，但不排除算法及PID參數(shù)存在問題；2、臺體結構晃動：當電動缸處于停止運動后，上臺面人為晃動存在時，存在較大晃動量，初步分析原因為上平臺使用的球籠聯(lián)軸器間隙過大造成的。3 優(yōu)化方案針對原理樣機中出現(xiàn)的問題，在盡量少修改原理樣機結構的基礎上對其進行優(yōu)化，使其性能得到提高，并能完成六自由度的搖擺及聯(lián)動等動作。3.1 伺服系統(tǒng)優(yōu)化針對原電機超調(diào)現(xiàn)象嚴重的現(xiàn)狀，選擇帶反饋的伺服電機，使其和配套伺服驅(qū)動器構成小閉環(huán)，以降低上位控制軟件的控制算法的難度。按照現(xiàn)有結構允許的安裝空間只能選擇外徑在70mm以內(nèi)的伺服電機及減速器，初選松下MHMD042G1V功率為400W的交流伺服電機作為動力源。按照電機輸出扭矩需要，選擇紐士達特型號為PF60-4的減速器，其外徑為60mm*60mm，效率為90%。則電機加減速器的輸出扭矩為4.68N.m，轉(zhuǎn)速為750rpm，絲杠導程為6mm，傳動箱減速比為2，則電動缸的速度為37.5mm/s，推力不小于600kg滿足設計及使用要求。3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化根據(jù)原理樣機中模擬量信號受干擾嚴重的現(xiàn)象，結合本次設計所選擇伺服系統(tǒng)，采用脈沖+方向指令作為控制指令，故需要選擇運動控制卡，根據(jù)公司現(xiàn)在使用的運動卡，選擇深圳眾為興公司型號為ADT-856的運動控制卡作為主控卡。3.3結構部分優(yōu)化根據(jù)原理樣機存在的問題，現(xiàn)將運動平臺上平臺與電缸連接部分也更改為虎克鉸鏈，用以消除球籠聯(lián)軸器帶來的間隙?；⒖算q鏈示意圖如圖3.1所示：圖3.1 虎克鉸鏈示意圖4 系統(tǒng)組成六自由度運動平臺系統(tǒng)由測試軟件部分系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、動力電源系統(tǒng)、運動平臺機械臺體組成。運動平臺部分的組成結構示意圖如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)組成框圖軟件部分主要包括用戶界面程序、伺服算法程序、PID參數(shù)設置程序等。用戶界面程序采用VB或VC編寫，界面友好，使用方便，可以接收用戶的鼠標和鍵盤輸入，設置工作的模式，運動的曲線類型等（正弦、連續(xù)、圓弧等），可以接收外部的指令，使平臺在跟隨狀態(tài)下運行。電控部分的作用是接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù)，并將其傳輸給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器將信號放大后控制電機運動，進而帶動電動缸運動，并最終使臺體實現(xiàn)各種姿態(tài)。包括工控機、運動控制卡、伺服驅(qū)動器、伺服電機、電阻尺及相關電器元件等。機械部分用于支撐負載，包括上平臺、上連接鉸、下連接鉸、電動缸、支撐架、底座等。平臺由電動缸驅(qū)動，進行橫滾、偏航、俯仰三個姿態(tài)和X、Y、Z平移共六個自由度的運動。5方案設計 根據(jù)研究計劃制定的研究目標及為下一個研究課題進行技術儲備，本次設計出了滿足原速度載荷要求的同時，在不增加外購件的前提下，進行了高速狀態(tài)的設計，即傳動箱內(nèi)的齒輪可不帶減速器直接連接伺服電機，使電動缸可以高速運動，但此時載荷降低，用以進行六自由度運動平臺高速狀態(tài)的研究。5.1 機械結構設計 本次結構設計在YYPT原理樣機基礎上進行設計，對原理樣機中發(fā)現(xiàn)的問題進行優(yōu)化，同時因為伺服系統(tǒng)更換導致相關結構部分進行更改。主要更改部分有上平臺與電動缸連接方式，電動缸傳動箱，電動缸電機端傳動齒輪。5.1.1 上平臺與電動缸連接方式 原理樣機上平臺與電動缸連接采用球籠軸承，初樣機采用虎克鉸鏈方式進行連接，其更改后的外形圖如圖5.1所示：圖5.1 上平臺鏈接部分外形圖5.1.2 電動缸傳動箱 本次設計選用PF60-4減速器，其減速器輸出接口與原減速器相比有更改部分，主要更改部分為連接螺釘分布圓由直徑77mm變?yōu)橹睆?0mm，止口由直徑30mm變?yōu)?0mm，其他部分沒有變化。5.1.3電機齒輪 本次設計選用PF60-4減速器，其輸出軸直徑為14mm小于原減速器輸出軸直徑18mm，同時考慮與減速器及伺服電機能夠連接的共用性，所以需要對電機齒輪重新設計加工。5.1.4 減速器 根據(jù)選取電機設計需要，減速器選擇山東紐士達特公司生產(chǎn)的PF60-4行星減速器，其主要性能參數(shù)如表5.1：表5.1 減速器性能參數(shù)名 稱參數(shù)備注額定輸出扭矩44N.m最大徑向力265N最大軸向力220N抗扭剛性1.8N.m/arcmin額定輸入轉(zhuǎn)速4000rpm最大輸入轉(zhuǎn)速8000rpm回程間隙小于18arcmin5.2 電控系統(tǒng)設計電控系統(tǒng)主要用于接收用戶控制指令，并處理各種反饋信號，產(chǎn)生控制信號，控制伺服作動器做功，最終驅(qū)動運動平臺完成各種自由度的運動。本次設計仍采用位置反解算法，通過平臺位置計算出各支電動缸的長度，采用運動控制卡作為運動平臺的指令發(fā)送器件，根據(jù)計算出的結果發(fā)送6通道的脈沖+方向指令，用以控制6支電動缸進行運動；將伺服電機尾端的編碼器數(shù)據(jù)通過伺服驅(qū)動器發(fā)送至上位機，通過解算編碼器數(shù)據(jù)可知電動缸當前位置，電阻尺作為電動缸絕對位置檢測，用以進行電動缸行程判讀，作為電氣限位保護使用。其控制框圖如圖5.2所示：圖5.2 控制框圖主要控制元器件進行詳細介紹：5.2.1 伺服電機根據(jù)KH08XX（3）缸設計技術書可知，600kg推力時絲杠需要扭矩為5.732N.m，缸體部份及齒輪傳動部分總效率按照70%計算時，齒輪傳動部分減速比為2，減速器輸出扭矩為4.1N.m。初步選配減速比為4，效率為90%的減速器，則電機端需要轉(zhuǎn)矩，選擇松下型號為MHMD042G1V的伺服電機，其主要參數(shù)見表5.2：表5.2 電機性能參數(shù)名稱參數(shù)備注電壓220VAC額定轉(zhuǎn)速3000rpm最大轉(zhuǎn)速5000rpm額定扭矩1.3N.m瞬時最大扭矩3.8N.m制動力矩不小于1.27N.m編碼器20位增量式其轉(zhuǎn)矩特性圖如圖5.3所示：圖5.3 伺服電機轉(zhuǎn)矩特性圖5.2.2 伺服驅(qū)動器根據(jù)所選電機，配伺服驅(qū)動器型號為MBDHT2510，其主要性能參數(shù)見表5.3：表5.3 伺服驅(qū)動器性能參數(shù)名稱參數(shù)備注電壓220VAC10% 50/60Hz控制方式位置控制模式速度控制模式轉(zhuǎn)矩控制模式全閉環(huán)控制模式指令輸入差分輸入（脈沖+方向、脈沖+脈沖）輸入頻率500k（光電耦合器輸入使用時）4M（長線驅(qū)動器輸入使用時）電子齒輪比1/10001000以內(nèi)通訊功能RS232、RS485、USB5.2.3 運動控制卡選擇深圳眾為興公司生產(chǎn)的六軸運動控制卡ADT856，其主要功能為輸出六通道脈沖指令，接收六通道編碼器反饋數(shù)據(jù)，其主要參數(shù)見表5.4：表5.4 運動控制卡性能參數(shù)名稱參數(shù)備注軸數(shù)6軸最大脈沖輸出頻率4MHz脈沖輸出頻率誤差小于0.1%位置反饋輸入32位計數(shù)I/O每軸8O/8I其電氣連接關系如圖5.4所示：圖5.4 電氣連接關系圖5.3 控制軟件及算法5.3.1 位置解算算法 對于并聯(lián)機構的六自由度平臺在運動過程中，要保證運動的實時性和正確性，就需要通過對伸縮杠的精確控制來實現(xiàn)，這就需要引入六自由度平臺的實時位置正反解算法。所謂六自由度平臺的位置反解，是指由運動平臺的空間姿態(tài)求六個伸縮杠的伸縮量。而六自由度的位置正解，是指有六個伸縮杠的伸縮量來求運動平臺的空間姿態(tài)。本次設計仍然采用位置反解的算法作為六自由度平臺的位置算法。經(jīng)過推算后動平臺的各點坐標相對于靜平臺的各點坐標的方向轉(zhuǎn)換矩陣表示如下： 其中a，b，c對應為動平臺在X軸，Y軸，Z軸三個方向上的位移；，對應為動平臺繞X軸，Y軸，Z軸三個軸旋轉(zhuǎn)的角度。5.3.2 連續(xù)運動規(guī)劃本設計將依次完成對YYPT平移、旋轉(zhuǎn)以及X-Y圓周運動三種運行曲線。1、平移運動：動平臺不對X、Y、Z任一軸做旋轉(zhuǎn)，以平臺中心為控制點，在X、Y、Z任一軸向做往復軸向運動。2、旋轉(zhuǎn)運動：以平臺中心位于X-Y平面的原點，并在Z軸行程中心，在X、Y、Z繞任一軸做角度旋轉(zhuǎn)的往復運動。3、X-Y平面圓周運動：YYPT平臺在Z向行程為一半的X-Y平面上，以平臺中心為原點沿所規(guī)劃的圓形軌跡運動。其公式為，其中X、Y分別為圓形在X、Y上的距離，r為所畫圓的半徑，按照此公式計算上平臺的運動軌跡。5.3.3 控制策略 采用了位置環(huán)加驅(qū)動器內(nèi)部的速度環(huán)、電流環(huán)相結合的三環(huán)反饋的控制方法。在控制算法中采用了前饋的算法，使控制效果更平穩(wěn)、更精確。5.3.4 控制軟件 軟件設計中采用了模塊化、面向?qū)ο蟮脑O計方法，將程序分為以下模塊：1）六通道伺服控制模塊：在1ms伺服周期內(nèi)，采集每個通道的反饋信號，將PID計算的信號對應通道輸出，并做必要的限位判斷。2）六通道PID運算模塊：在1ms的伺服周期內(nèi)，將反饋的信號和設置的信號進行PID運算，得出輸出信號量。3）運動曲線規(guī)劃模塊：設置平臺按照規(guī)劃好的曲線方程進行運動。4）六通道PID參數(shù)設置模塊：設置六支電動缸的PID參數(shù)。5）數(shù)據(jù)采集及輸出模塊：采集編碼器的反饋數(shù)據(jù)并根據(jù)PID計算出的結果輸出相應的脈沖量。5.3.5 軟件流程框圖圖5.5 軟件流程框圖6 主要技術指標計算6.1載荷 本次設計在不更改原電動缸結構的基礎上進行優(yōu)化設計，對電機進行重新選型，根據(jù)KH08XX（3）缸設計技術書可知，600kg推力時絲杠需要扭矩為5.732N.m，缸體部份及齒輪傳動部分總效率按照70%計算時，齒輪傳動部分減速比為2，減速器輸出扭矩為4.1N.m。初步選配減速比為4，效率為90%的減速器，則電機端需要轉(zhuǎn)矩。所選電機額定轉(zhuǎn)矩為1.3N.m，則電動缸在額定速度下的額定推力約為684kg，最大推力為2000kg。根據(jù)圖5.3所示，伺服電機的最大轉(zhuǎn)速為5000rpm，此時伺服電機輸出的額定轉(zhuǎn)矩約為0.7N.m，則電動缸在最大速度下的額定推力約為368kg。根據(jù)本次設計的設計思路，電動缸存在不安裝減速器，由伺服電機直接連接齒輪的工況，缸體部份及齒輪傳動部分總效率按照70%計算時，絲杠端部的有效轉(zhuǎn)矩為0.91N.m，則此時電動缸的額定推力約為130kg，則平臺的載荷下降為216kg。6.2速度根據(jù)KH08XX（3）缸設計技術書可知，絲杠導程為6mm，齒輪減速比為2，本次設計選取的減速器速比為4，伺服電機的額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，則電動缸的額定速度為。根據(jù)圖5.3所示，伺服電機的最大轉(zhuǎn)速為5000rpm，則電動缸的最大速度為。根據(jù)本次設計的設計思路，電動缸存在不安裝減速器，由伺服電機直接連接齒輪的工況，則此時電動缸的額定速度為。6.3位置分辨率本次選用伺服電機末端編碼器為20位增量編碼器，根據(jù)電動缸減速比及絲杠導程計算，電動缸的位置分辨率為。不安裝減速器時，電動缸的位置分辨率為。折算到平臺上的位置分辨率為0.0028m，角度分辨率為0.0002。6.4定位精度1）行星減速器所選行星減速器的精度為14，傳動箱速比為2，傳遞到絲杠上的轉(zhuǎn)角誤差為7