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1、扬 州 大 学 研究生学位论文答辩,五自由度模拟运动平台的构型及控制研究,李士佩,指导老师：周骥平 教授李鹭扬 副教授,2012年5月30日,一、课题的研究背景及意义 二、主要研究内容 三、研究工作 四、创新点与展望,论文主要内容,一、课题的研究背景及意义,本科研项目是以“五自由度风洞模拟试验平台”为背景，对五自由度串-并混联机构的构型及控制进行了分析和实验研究,五自由度风洞实验模拟运动平台,1.1 课题来源,五自由度混联机构是机构学研究的很少，相对其它机构而言，现有文献中很少找到对五自由度混联联机构的构型和控制问题的研究。但是该类型机构具有一定的应用价值，因此对这种机构的研究会进一步促使我们
2、理论知识的加深和实际应用的拓展。目前，混联机构的研究正处于向机床与机器人领域商品化的转换时期，这相对对我国来说，制造业在该领域既是挑战也是机遇。,1.2 研究意义,1.3 国内外现状,Tricept 600,Tricept 805,IRB940机器人,Tricenter 5坐标万能铣床,Exechon并联机床,1.3.1 国外研究现状,国外最具有代表性的混联机构是1985年由Neumann发明的Tricept混联机械手，在1988年该机构获得美国专利。Tricept混联机械手具有工作空间大、机座体积比大、较好的静态性能和动态性能等特点。,(c)EXE-M,五自由度混联机器人TriVariant
3、系列,1.3.2 国内研究现状,(b)Trivariant-B,a)Trivariant-A,DCB-510五轴联动串并联机床,大连机床厂自主研发的DCB-510机床的机床主轴头的绕两个轴转动由传统的串联结构实现完成，并联机构则负责分担X，Y和Z方向的运动。目前，作为一种新兴技术，串-并混联机床继并联机床之后，得到了广泛的研究,借鉴了Tricept系列机构的设计原理，天津大学的黄田教授发明了TriVariant机构，这种机构的运动学性能和Tricept系列的相似。,二、课题主要研究内容,本课题以五自由度串-并混联机构为主要研究对象，主要研究内容如下：,（1）混联机构的运动学研究 ； （2）混联
4、机构的静态分析； （3）混联机构固有频率分析 ； （4）基于混联机构模拟运动平台主要硬件的设计 ； （5）基于混联机构模拟运动平台的伺服系统调试。,3.1 混联机构的运动学研究,3.1.1 串-并混联机构运动学分析,风洞实验运动平台原理图 1基座 2、6转动关节 3电动缸 4尾支杆 5弯刀装置 7运动平台,建立基础坐标系B ； 3-RPP机构下平台连体坐标系 F； 3-RPP机构动平台连体坐标系M； 试验连体坐标系T ； 弯刀连体坐标系W。,三、研究工作,3.1.2 运动平台混联机构闭环反馈的正解 3.1.2.1运动学关系,动平台顶点Ai和底座的顶点Bi，P和R分别表示动平台原点在参考坐标系中
5、的位置矢量和姿态的变换矩阵。,电动缸支杆矢量,动平台各上顶点的速度,其中J为并联机构广义速度到电动缸伸缩杆伸缩速度的雅克比矩阵 。,3.1.2运动学正解,运动学正解的问题是分析和设计并联机构的关键，求解非线性方程组,将上式在初始位置q0附近进行泰勒级数展开，并取其线性部分得,令上式的,其系数矩阵用J1表示为,上平台上的点可以表示为,3.1.3机构动平台混联机构闭环反馈的反解,设动平台上的3个关节点为M1、M2、M3，下平台上3个关节点为F1、F2、F3，动平台俯仰角，3个电动缸的长度为l1、l2、l3,建立正解的数学模型F(x),定义初始参数，迭代次 数N，运算精度eps,求正解模型的雅克比
6、矩阵DF(x)，DF(x)=(F(x),进行迭代运算，令当前迭 代次数K=1、运算精度T=1,C1 =F(X0)，C2 =DF(X0),根据牛顿迭代法公式得,输出X0,K,KN,DF(X0)=0 选择新的X0,T,3.1.4算法设计,Keps,Teps,五自由度机构位置反解数字迭代实例,3.1.5解法实例,3.2 混联机构的静态分析,模拟运动平台并联部分,模拟运动平台分支的受力,3.2.1 机构的静力学方程,动平台的受力平衡方程如下：,3.2.2串联部分的重力及在风洞中的受力分析,模拟平台的串联部分,F=S(v*sin)2,空气柱的密度；S模型在风洞中的横截面；V风与作用面接触前的速度； 风速
7、与作用面的夹角。,由风速产生的力可分为Fx1=F*sin() Fy1=F*cos() MZ1=F*lc 由动平台产生的力和力矩为： Fy2=mg MZ2=Fy2*Lgax,运动平台总的受力可以表示为Fx=Fx1Fy=Fy1+Fy2MZ=Mz1+Mz2,将模拟平台的参数及运动的特性等数值依照上述的算法代人到matlab软件中，用绘图的功能描绘出动平台的三个电动缸支链在风洞试验中的受力与风速的关系，如下图所示：,根据所得到的数据可以合理设计风动试验模拟平台的构型。从计算所得的数值中可以看出第三个电动缸支杆的受力最大，因此在选择电机及电动缸的时候这些数据是一个重要的参考。,3.3 混联机构固有频率分
8、析,3.3.1 混联机构的广义刚度矩阵,ETB100系列电动缸简图,电动缸的等效刚 度Ki可表示如下：,其中 Kai支撑轴承的刚度（N/m） Ksi丝杠的刚度（N/m） Kni螺母组件的刚度（N/m）,动平台力和力矩平衡的方程可表示为：,电动缸伸缩杆的微小形变和轴向作用力的关系如下,3.3.2凯恩方法求广义质量矩阵,每个电动缸伸缩杆的基本运动方程为：,速度对系统伪坐标(V， )线形的表示形式，可以得到相应的线形系数，即对应的偏速度矩阵。可以根据系统各个零部件的质量、惯量、与对应的偏速度和偏角速度进行叠加运算得到系统的广义质量矩阵。,3.3.3固有频率方程,根据广义刚度矩阵和广义质量矩阵，模拟平
9、台并联部分的无阻尼自由振动微分方程表示为:,是关于 的3次代数方程, 第n阶主频率,用matlab软件中的函数V,D=eig(K,M) 解运算,得到 固有频率为： 1=25.5595,2=35.9358,3=41.3356。 固有振型为： 1=-0.0354 0.1057 0.0062 1.0000 -0.0446 0.5002T； 2=0.2069 -0.4167 -0.0044 -0.4498 -1.0000 -0.6247T； 3=0.1427 0.0316 -0.0004 -0.1735 0.4600 1.0000T。,在AWE中对试验平台的固有频率分析如下图所示：,模拟平台的一阶固有
10、频率,模拟平台的二阶固有频率,模拟平台的三阶固有频率,两种方法得到的固有频率的值相差小于3%。因此可以看出本节的推导固有频率的方法是足够准确的。,3.4基于混联机构模拟运动平台主要硬件的设计,模拟运动平台采用易于控制的交流伺服电机来实现运动的输入，硬件控制采用总线控制的方式，用一台工控机，通过网络分别输出控制信号给交流伺服电机的驱动器，实现对交流伺服电机的运动控制。,五自由度模拟运动平台的控制原理,3.4.1电源控制原理,电源是提供给整个机构使能的关键，因此，电源连接的优化也是对系统来说的重要部分。对六个驱动器的电源的控制，驱动器的电源控制如图所示：,驱动器的电源控制,PCI-1784U数据采
11、集卡连接原理图,PCI-1710（1716）数据采集卡连接原理,风洞实验运动平台的电器柜,3.5 基于混联机构模拟运动平台的伺服系统调试,模拟实验运动平台是机电一体化系统，主要包括机械模块、硬件模块和软件模块。电机的工作效率是体统的工作重要部分，所以在实验时电机的调调试将决定系统的工作效率。软件模块主要讲述的是控制程序的操作过程及注意事项。,3.5.1俯仰电机的调试,电机的调试主要从考虑下列元素： 1. PGAIN：调整伺服响应 2. DGAIN：调整稳定时间 3. IGAIN：调整稳态误差,俯仰电机响应和稳定性的初始状态,俯仰电机响应和稳定性的最终状态,3.5.1偏航电机的调试,偏航电机使用
12、的是Kollmorgen AKD系列电机，Kollmorgen AKD系列的伺服驱动器，初始时电机处于无负载状态。打开驱动器Kollmorgen WorkBench的调整界面，对伺服电机的响应和稳定性进行自动调整。,偏航电机响应和稳定性的自诊断,偏航电机的位置和速度的响应,3.5.2 模拟运动平台的运动控制,模拟平台的静态试验,四、创新点与展望,1、设计了五自由度模拟运动的新型串-并混联机构，该混联 机构具工作空间大、承载能力强、刚度大等特点。2、固有频率是影响模拟运动平台动态性能的重要因素，本 文 基于多刚体动力学理论及凯恩方法得出了混联机构的广义 刚度矩阵、广义质量矩阵和固有频率方程。3、根据风洞实验运动平台的运动原理，设计了其控制系统 的 硬件，控制柜线路搭接。,创新点,1、根据影响模拟运动平台工作空间大小的因素，优化 模拟运动平台的机构参数，扩大试验模型的运动范围。2、结合对模拟运动平台的静力学及固有频率分析，选 择合适的机构构型提高模拟平台的刚度并减少其震动。3、进一步研究并模拟运动平台的动力学模型，推导出 高精度实时控制的简化模型，为混联机构的动力学分析 提供理论基础。,工作展望,谢谢！ 欢迎各位老师提出宝贵意见,
