六自由度运动平台设计方案.doc

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1概述

YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。

2原理样机技术状态

2.1原理样机方案

2.1.1组成

原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。

具体产品组成表见表2.1。

序号

产品名称

型号

厂家

数量

备注

1

电动缸

KH08XX（3）

西安方元明

6

安装345厂电机

2

电阻尺

LTS-V1-375

上海徳测

6

3

驱动器

50A8

AMC

6

3

A/D卡

PCI1716

研华

1

4

D/A卡

PCI1723

研华

1

5

工控机

610H

研华

1

6

直流电源

1

2.1.2结构方案

六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

下静平台

虎克铰链

电动缸

上动平台

球笼联轴器

图1六自由度平台外形图

a）球笼联轴器（如图2所示）

采用球笼铰链与上平面连接。

球笼铰链结构简单、体积小、运转灵活、易于维护。

初选球笼铰链型号BJB（JB/T6139-1992），公称转矩Tn=2000N/m，工作角度40度，外径D=68mm，轴孔选用圆柱孔d=24mm，总长度L1=148mm，转动惯量为0.00008kg.m²，重量5kg。

图2球笼联轴器

b）虎克铰链（如图3所示）

采用虎克铰链与下平面连接。

万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用于有大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35º~45º，噪音小，对润滑要求不高，传递转矩大，而且使用可靠，因此获得广泛的应用。

图3虎克铰链

下固定板的连接（如图4所示）

图4电动缸齿轮盖

下固定板与电动缸用法兰连接。

初选深沟球轴承型号61808（GB/T276-1994），额定载荷Cr=5.1kN，外径D=52mm，轴承孔选用d=40mm，宽B=7mm，重量0.26kg。

初选深沟球轴承型号61802（GB/T276-1994），额定载荷Cr=2.1kN，外径D=24mm，轴承孔选用d=15mm，宽B=5mm，重量0.005kg。

上下结构（如图5所示）

上铰点分布圆的半径：

Ra=432mm

下铰点分布圆的半径：

Rb=625mm

上铰相邻铰之间的距离：

da=105mm

图5

下铰相邻铰之间的距离：

db=120mm

零位时作动器的长度：

L2=777mm

c）电动缸

基于器部件复用的考虑，YYPT采用某项目3号电动作为运动平台动作执行终端，并可利用库存的六台DC24V直流有刷减速电机为之配套。

电动缸主要技术指标：

1）最大推拉力不小于6000N；

2）行走速度：

18mm/s；

3）最大行程：

370mm；

4）电动缸不自锁；

直流有刷减速电机技术指标：

1）电压范围：

允许在20VDC~28VDC范围内工作；

2）额定电压：

24VDC；

3）最大电流：

在额定电压24VDC，额定负载12Nm条件下，电流≤40A。

4）最低转速：

在额定电压24VDC，额定负载12Nm条件下，减速器输出转速不小于410rpm；

5）额定负载：

减速电机额定负载转矩为12Nm；

6）工作方式：

连续工作时间3min，间隙时间5min；

7）电气接口：

接口方式采用航空插座，航空插座型号：

XCE22F4K1D1，电机出线与插座接线关系为“﹢”接1号针脚，“-”接2号针脚。

2.1.3控制方案

控制软件采用位置反解算法，即通过平台的姿态反算六支电动缸的长度，通过PCI-1716接收电阻尺反馈的位置指令，根据计算出来的长度和反馈指令通过PCI-1723向驱动器发送模拟量速度指令，控制电动缸运动到指定长度。

2.2原理样机技术参数

序号

指标

实际情况

备注

1

载荷

1T

未进行试验测试

2

平移速度

10mm/s~15mm/s

3

旋转速度

1.5°/s

4

X，Y轴平移范围

±300mm

5

Z轴平移范围

±160mm

6

X，Y轴转动范围

±20°

7

Z轴转动范围

±30°

2.3原理样机存在问题

1、超调问题：

电动缸运行到位后超调现象比较严重，初步分析为电机特性较差引起的，但不排除算法及PID参数存在问题；

2、台体结构晃动：

当电动缸处于停止运动后，上台面人为晃动存在时，存在较大晃动量，初步分析原因为上平台使用的球笼联轴器间隙过大造成的。

3优化方案

针对原理样机中出现的问题，在尽量少修改原理样机结构的基础上对其进行优化，使其性能得到提高，并能完成六自由度的摇摆及联动等动作。

3.1伺服系统优化

针对原电机超调现象严重的现状，选择带反馈的伺服电机，使其和配套伺服驱动器构成小闭环，以降低上位控制软件的控制算法的难度。

按照现有结构允许的安装空间只能选择外径在70mm以内的伺服电机及减速器，初选松下MHMD042G1V功率为400W的交流伺服电机作为动力源。

按照电机输出扭矩需要，选择纽士达特型号为PF60-4的减速器，其外径为60mm*60mm，效率为90%。

则电机加减速器的输出扭矩为4.68N.m，转速为750rpm，丝杠导程为6mm，传动箱减速比为2，则电动缸的速度为37.5mm/s，推力不小于600kg满足设计及使用要求。

3.2控制系统优化

根据原理样机中模拟量信号受干扰严重的现象，结合本次设计所选择伺服系统，采用脉冲+方向指令作为控制指令，故需要选择运动控制卡，根据公司现在使用的运动卡，选择深圳众为兴公司型号为ADT-856的运动控制卡作为主控卡。

3.3结构部分优化

根据原理样机存在的问题，现将运动平台上平台与电缸连接部分也更改为虎克铰链，用以消除球笼联轴器带来的间隙。

虎克铰链示意图如图3.1所示：

图3.1虎克铰链示意图

4系统组成

六自由度运动平台系统由测试软件部分系统、电气控制系统、动力电源系统、运动平台机械台体组成。

运动平台部分的组成结构示意图如图4.1所示。

图4.1系统组成框图

软件部分主要包括用户界面程序、伺服算法程序、PID参数设置程序等。

用户界面程序采用VB或VC编写，界面友好，使用方便，可以接收用户的鼠标和键盘输入，设置工作的模式，运动的曲线类型等（正弦、连续、圆弧等），可以接收外部的指令，使平台在跟随状态下运行。

电控部分的作用是接收控制系统输出的指令数据，并将其传输给伺服驱动器，驱动器将信号放大后控制电机运动，进而带动电动缸运动，并最终使台体实现各种姿态。

包括工控机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、电阻尺及相关电器元件等。

机械部分用于支撑负载，包括上平台、上连接铰、下连接铰、电动缸、支撑架、底座等。

平台由电动缸驱动，进行横滚、偏航、俯仰三个姿态和X、Y、Z平移共六个自由度的运动。

5方案设计

根据研究计划制定的研究目标及为下一个研究课题进行技术储备，本次设计出了满足原速度载荷要求的同时，在不增加外购件的前提下，进行了高速状态的设计，即传动箱内的齿轮可不带减速器直接连接伺服电机，使电动缸可以高速运动，但此时载荷降低，用以进行六自由度运动平台高速状态的研究。

5.1机械结构设计

本次结构设计在YYPT原理样机基础上进行设计，对原理样机中发现的问题进行优化，同时因为伺服系统更换导致相关结构部分进行更改。

主要更改部分有上平台与电动缸连接方式，电动缸传动箱，电动缸电机端传动齿轮。

5.1.1上平台与电动缸连接方式

原理样机上平台与电动缸连接采用球笼轴承，初样机采用虎克铰链方式进行连接，其更改后的外形图如图5.1所示：

图5.1上平台链接部分外形图

5.1.2电动缸传动箱

本次设计选用PF60-4减速器，其减速器输出接口与原减速器相比有更改部分，主要更改部分为连接螺钉分布圆由直径77mm变为直径70mm，止口由直径30mm变为40mm，其他部分没有变化。

5.1.3电机齿轮

本次设计选用PF60-4减速器，其输出轴直径为14mm小于原减速器输出轴直径18mm，同时考虑与减速器及伺服电机能够连接的共用性，所以需要对电机齿轮重新设计加工。

5.1.4减速器

根据选取电机设计需要，减速器选择山东纽士达特公司生产的PF60-4行星减速器，其主要性能参数如表5.1：

表5.1减速器性能参数

名称

参数

备注

额定输出扭矩

44N.m

最大径向力

265N

最大轴向力

220N

抗扭刚性

1.8N.m/arcmin

额定输入转速

4000rpm

最大输入转速

8000rpm

回程间隙

小于18arcmin

5.2电控系统设计

电控系统主要用于接收用户控制指令，并处理各种反馈信号，产生控制信号，控制伺服作动器做功，最终驱动运动平台完成各种自由度的运动。

本次设计仍采用位置反解算法，通过平台位置计算出各支电动缸的长度，采用运动控制卡作为运动平台的指令发送器件，根据计算出的结果发送6通道的脉冲+方向指令，用以控制6支电动缸进行运动；将伺服电机尾端的编码器数据通过伺服驱动器发送至上位机，通过解算编码器数据可知电动缸当前位置，电阻尺作为电动缸绝对位置检测，用以进行电动缸行程判读，作为电气限位保护使用。

其控制框图如图5.2所示：

图5.2控制框图

主要控制元器件进行详细介绍：

5.2.1伺服电机

根据KH08XX（3）缸设计技术书可知，600kg推力时丝杠需要扭矩为5.732N.m，缸体部份及齿轮传动部分总效率按照70%计算时，齿轮传动部分减速比为2，减速器输出扭矩为4.1N.m。

初步选配减速比为4，效率为90%的减速器，则电机端需要转矩，选择松下型号为MHMD042G1V的伺服电机，其主要参数见表5.2：

表5.2电机性能参数

名称

参数

备注

电压

220VAC

额定转速

3000rpm

最大转速

5000rpm

额定扭矩

1.3N.m

瞬时最大扭矩

3.8N.m

制动力矩

不小于1.27N.m

编码器

20位增量式

其转矩特性图如图5.3所示：

图5.3伺服电机转矩特性图

5.2.2伺服驱动器

根据所选电机，配伺服驱动器型号为MBDHT2510，其主要性能参数见表5.3：

表5.3伺服驱动器性能参数

名称

参数

备注

电压

220VAC±10%50/60Hz

控制方式

位置控制模式

速度控制模式

转矩控制模式

全闭环控制模式

指令输入

差分输入（脉冲+方向、脉冲+脉冲）

输入频率

500k（光电耦合器输入使用时）

4M（长线驱动器输入使用时）

电子齿轮比

1/1000~1000以内

通讯功能

RS232、RS485、USB

5.2.3运动控制卡

选择深圳众为兴公司生产的六轴运动控制卡ADT856，其主要功能为输出六通道脉冲指令，接收六通道编码器反馈数据，其主要参数见表5.4：

表5.4运动控制卡性能参数

名称

参数

备注

轴数

6轴

最大脉冲输出频率

4MHz

脉冲输出频率误差

小于0.1%

位置反馈输入

32位计数

I/O

每轴8O/8I

其电气连接关系如图5.4所示：

图5.4电气连接关系图

5.3控制软件及算法

5.3.1位置解算算法

对于并联机构的六自由度平台在运动过程中，要保证运动的实时性和正确性，就需要通过对伸缩杠的精确控制来实现，这就需要引入六自由度平台的实时位置正反解算法。

所谓六自由度平台的位置反解，是指由运动平台的空间姿态求六个伸缩杠的伸缩量。

而六自由度的位置正解，是指有六个伸缩杠的伸缩量来求运动平台的空间姿态。

本次设计仍然采用位置反解的算法作为六自由度平台的位置算法。

经过推算后动平台的各点坐标相对于静平台的各点坐标的方向转换矩阵表示如下：

其中a，b，c对应为动平台在X轴，Y轴，Z轴三个方向上的位移；，，对应为动平台绕X轴，Y轴，Z轴三个轴旋转的角度。

5.3.2连续运动规划

本设计将依次完成对YYPT平移、旋转以及X-Y圆周运动三种运行曲线。

1、平移运动：

动平台不对X、Y、Z任一轴做旋转，以平台中心为控制点，在X、Y、Z任一轴向做往复轴向运动。

2、旋转运动：

以平台中心位于X-Y平面的原点，并在Z轴行程中心，在X、Y、Z绕任一轴做角度旋转的往复运动。

3、X-Y平面圆周运动：

YYPT平台在Z向行程为一半的X-Y平面上，以平台中心为原点沿所规划的圆形轨迹运动。

其公式为，其中X、Y分别为圆形在X、Y上的距离，r为所画圆的半径，按照此公式计算上平台的运动轨迹。

5.3.3控制策略

采用了位置环加驱动器内部的速度环、电流环相结合的三环反馈的控制方法。

在控制算法中采用了前馈的算法，使控制效果更平稳、更精确。

5.3.4控制软件

软件设计中采用了模块化、面向对象的设计方法，将程序分为以下模块：

1）六通道伺服控制模块：

在1ms伺服周期内，采集每个通道的反馈信号，将PID计算的信号对应通道输出，并做必要的限位判断。

2）六通道PID运算模块：

在1ms的伺服周期内，将反馈的信号和设置的信号进行PID运算，得出输出信号量。

3）运动曲线规划模块：

设置平台按照规划好的曲线方程进行运动。

4）六通道PID参数设置模块：

设置六支电动缸的PID参数。

5）数据采集及输出模块：

采集编码器的反馈数据并根据PID计算出的结果输出相应的脉冲量。

5.3.5软件流程框图

图5.5软件流程框图

6主要技术指标计算

6.1载荷

本次设计在不更改原电动缸结构的基础上进行优化设计，对电机进行重新选型，根据KH08XX（3）缸设计技术书可知，600kg推力时丝杠需要扭矩为5.732N.m，缸体部份及齿轮传动部分总效率按照70%计算时，齿轮传动部分减速比为2，减速器输出扭矩为4.1N.m。

初步选配减速比为4，效率为90%的减速器，则电机端需要转矩。

所选电机额定转矩为1.3N.m，则电动缸在额定速度下的额定推力约为684kg，最大推力为2000kg。

根据图5.3所示，伺服电机的最大转速为5000rpm，此时伺服电机输出的额定转矩约为0.7N.m，则电动缸在最大速度下的额定推力约为368kg。

根据本次设计的设计思路，电动缸存在不安装减速器，由伺服电机直接连接齿轮的工况，缸体部份及齿轮传动部分总效率按照70%计算时，丝杠端部的有效转矩为0.91N.m，则此时电动缸的额定推力约为130kg，则平台的载荷下降为216kg。

6.2速度

根据KH08XX（3）缸设计技术书可知，丝杠导程为6mm，齿轮减速比为2，本次设计选取的减速器速比为4，伺服电机的额定转速为3000rpm，则电动缸的额定速度为。

根据图5.3所示，伺服电机的最大转速为5000rpm，则电动缸的最大速度为。

根据本次设计的设计思路，电动缸存在不安装减速器，由伺服电机直接连接齿轮的工况，则此时电动缸的额定速度为。

6.3位置分辨率

本次选用伺服电机末端编码器为20位增量编码器，根据电动缸减速比及丝杠导程计算，电动缸的位置分辨率为。

不安装减速器时，电动缸的位置分辨率为。

折算到平台上的位置分辨率为0.0028μm，角度分辨率为0.0002°。

6.4定位精度

1）行星减速器

所选行星减速器的精度为14′，传动箱速比为2，传递到丝杠上的转角误差为7′，则折算到行程上误差；

2）齿轮副

方案中采用KH08XX（3）电动缸采用7级直齿齿轮，其最大侧隙为0.344mm，齿轮分度圆直径为104mm，则折算到行程上的误差，

3）丝杠副

方案中采用KH08XX（3）电动缸采用7级滚珠丝杠，其导程误差为0.05mm/300mm，则丝杠的行程误差。

则总体误差为0.002+0.006+0.0625=0.0725mm。

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7技术指标满足情况

根据技术要求的主要参数，方案设计满足技术指标情况如表7.1：

表7.1技术指标满足情况

序号

技术指标

要求值

设计值

结论

备注

1

平台载荷

不小于10000N

10000N

满足技术要求

2

X轴平移

±100mm

±100mm

满足技术要求

3

Y轴平移

±100mm

±100mm

满足技术要求

4

Z轴平移

±150mm

±150mm

满足技术要求

5

X轴/Y轴/Z轴转动

±10°

±15°

满足技术要求

6

X轴/Y轴/Z轴平移速度

不小于15mm/s

37.5mm/s

满足技术要求

7

X轴/Y轴/Z轴转动角速度

不小于1°/s

2°/s

满足技术要求

8

X轴/Y轴/Z轴平移加速度

不小于15mm/s2

37.5mm/s2

满足技术要求

9

X轴/Y轴/Z轴转动角加速度

不小于1°/s2

2°/s2

满足技术要求

10

电动缸位置分辨率

0.0007μm

11

电动缸定位精度

0.0725mm

12

平台位置分辨率

0.0028μm

13

平台位置精度

0.29mm

14

平台角度分辨率

0.0002°

15

平台角度精度

0.02°

8结论

通过以上分析、设计及计算，六自由度运动平台方案合理可行，主要技术性能指标满足技术要求，YYPT中出现的问题已有相应的解决措施，可以进入下阶段工作。