六自由度运动平台方案设计：原理样机组成与技术细节详解

编号、保密阶段标记、会签、校对、审批、六自由度运动平台方案设计内容概要：关键词变更栏目变更顺序编号变更日期变更人员变更方式2.1原理原型方案2.1.1组成原理原型采用工业计算机作为系统的控制单元。工控机配备研华和A/D、D/A模拟卡。驱动器采用AMC公司12A8型伺服驱动器，配备直流可调电源。其输出功率流量可达150A，采用（3）个电动缸作为运动平台的六个支腿。电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈装置。上平台采用球笼联轴器与电动缸连接，下平台与电动缸连接。采用虎克铰链方式。具体产品成分如表2.1所示。序列号 产品名称 型号 制造商 数量 备注 1 电动缸（3 个） 西安方源明 6 安装 345 工厂电机 2 电阻尺 LTS-V1-375 上海测试 63 驱动器/D 卡 研华 14D/A 卡 研华 15 工控机 610H 研华16 直流电源 1 2.1.2 结构方案：六自由度运动平台由六个电动缸通过胡克铰链和球笼万向节联轴器连接上下平台。下平台固定在基础上，依靠六个电动缸的伸缩运动。 ，完成上平台在三维空间中六个自由度（X、Y、Z、α、β、γ）的运动，从而可以模拟各种空间运动姿态。

图1 六自由度平台轮廓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、操作灵活、维修方便。初步球笼铰链模型BJB（JB/T6139-1992） 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。万向铰链传动效率高，允许两轴之间有较大的角位移。适用于角位移较大的两轴之间的连接。一般两轴之间的轴间角可达35o~45o。它噪音低，需要润滑。它不高，传递扭矩大，使用可靠，因此得到了广泛的应用。图3 虎克铰链下固定板连接（如图4） 图4 电动缸齿轮盖下固定板与电动缸用法兰连接。初步深沟球轴承型号61808（GB/T276-1994））上下结构（如图5所示） 上铰点分布圆半径：Ra 432mm 下铰点分布圆半径：Rb 625mm上铰链相邻铰链之间的距离：da 105mm 下铰链处相邻铰链之间的距离：db 120mm 执行机构零位长度：L2 ）电动缸 基于设备部件复用的考虑，YYPT采用某项目的3号电机作为运动平台的运动执行终端，并可使用库存的6台DC24V直流有刷减速电机进行支持。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）电动缸无自锁；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：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，减速机的输出转速不小于； 5）额定负载：减速电机额定负载扭矩为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：，电机出线与插座接线关系为“ ”接1号针， “-”接2号引脚。 2.1.3 控制方案 控制软件采用位置逆解算法，即通过平台的姿态反算6个电动缸的长度，并给出位置指令反馈的电阻尺通过PCI-1716接收，计算出的长度和反馈指令通过PCI-1716传递。 1723向驱动器发送模拟速度指令，控制电动缸移动到指定长度。 2.2 原理样机技术参数 序号 指标 实际工况 备注 1 负载 1T 无试验测试 2 平移速度 10mm/s~15mm/s 3 旋转速度 1.5°/s 4X，Y 轴平移范围 ± 轴平移范围 ±，Y -轴旋转范围±20°7Z轴旋转范围±30°2.3原理样机存在问题1.超调问题：电动缸就位。初步分析是电机特性不好造成的，但也不排除算法和PID参数的问题； 2、台面结构晃动：当电动缸停止运动后，对上台面进行人工晃动时，出现较大的晃动。初步分析，原因是上平台使用的球笼联轴器间隙过大。

3 优化方案针对原理样机出现的问题，我们在尽可能少地对原理样机结构进行修改的情况下对其进行优化，使其性能得到提升，能够完成六自由度的摆动和联动行动。 3.1 伺服系统优化 针对原电机超调现象严重的情况，选择带反馈的伺服电机与配套伺服驱动器形成小闭环，降低上位控制软件控制算法的难度。根据现有结构允许的安装空间，只能选用外径70mm以内的伺服电机和减速机。动力源初步选用松下400W交流伺服电机。根据电机输出扭矩要求，选择新星达PF60-4减速机，外径60mm*60mm，效率90%。则电机加速器输出扭矩为4.68Nm，转速为 ，丝杠导程为6mm，传动箱减速比为2，电动缸速度为37.5mm/s，推力为不小于600kg以满足设计和使用要求。 3.2 控制系统优化 根据原理样机中模拟信号干扰严重，结合本设计选用的伺服系统，采用脉冲 方向指令作为控制指令，因此需要选择运动控制卡。根据公司目前使用的运动卡，选择深圳中维星公司型号为ADT-856的运动控制卡作为主控卡。 3.3 结构部分优化 针对原理样机存在的问题，运动平台上平台与电动缸的连接部分也改为胡克铰链，以消除球笼联轴器造成的间隙。

胡克铰链示意图如图 3.1 所示： 图 3.1 胡克铰链示意图 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、供电系统、运动平台机械本体。运动平台部分结构示意图如图4.1所示。图4.1 系统框图 软件部分主要包括用户界面程序、伺服算法程序、PID参数设定程序等。用户界面程序用VB或VC编写。它具有友好的界面并且易于使用。它可以接收用户的鼠标和键盘输入，设置工作模式、运动曲线类型等（正弦、连续、圆弧等），并可以接收外部指令。使平台运行在如下状态。电控部分的作用是接收控制系统输出的指令数据并传输给伺服驱动器。驱动器放大信号并控制电机运动，进而驱动电动缸运动，最终使工作台实现各种姿态。包括工控机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、电阻秤及相关电气元件等。机械部分用于支撑负载，包括上平台、上连接铰链、下连接铰链、电动缸、支架平台由电动缸驱动，可实现横滚、偏航、俯仰三种姿态以及X、Y、Z平移六个自由度。 5 方案设计 根据研究计划中设定的研究目标以及对下一步研究课题的技术储备，本设计在不增加外购件的情况下满足原速度负载要求，并在高速状态下进行设计。即传动箱内的齿轮可以直接与伺服电机相连，无需减速机，使电动缸可以高速运动，但此时负载减小，用于研究高速六自由度运动平台的状态。

5.1 机械结构设计 本结构设计基于YYPT原理样机，针对原理样机中发现的问题进行了优化。同时，由于伺服系统的更换，相关结构件也发生变化。主要变化包括上平台与电动缸的连接、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法原理。样机的上平台和电动缸通过球保持架轴承连接。最初的原型是通过胡克铰链连接的。改变后的外观如图5.1所示： 图5.1连接上平台部分外观图5.1.2本设计电动缸传动箱采用PF60-4减速器。该减速机的输出接口与原减速机相比有一些变化。主要变化是连接螺丝分布圈直径由77mm改为70mm，挡块直径由30mm改为。改为40mm，其他部分没有变化。 5.1.3 电机齿轮 本设计采用PF60-4减速机。其输出轴直径为14mm，比原减速机输出轴直径18mm要小。同时考虑到减速机和伺服电机连接的通用性，因此电机齿轮需要重新设计。设计加工。 5.1.4 减速机根据所选电机设计需要，减速机选用山东新星公司生产的PF60-4行星减速机。其主要性能参数如表5.1所示： 表5.1减速机性能参数 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 扭转刚度 1.8Nm/额定输入转速 最大输入转速回程间隙 小于.2电控系统设计电控系统主要用于接收用户控制指令，处理各种反馈信号，产生控制信号，控制伺服执行机构工作，最终驱动运动平台完成各种自由度的运动。

本设计仍然采用位置反解算法，通过平台的位置计算每个电动缸的长度。运动控制卡作为运动平台的命令发送装置。根据计算结果，发送6路脉冲 方向指令。控制6个电动缸移动；将伺服电机末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，即可获知电动缸的当前位置。电阻尺用于检测电动缸的绝对位置，用于检测电动缸的位置。行程判读，用作电气限位保护。控制框图如图 5.2 所示： 图 5.2 控制框图主要控制部件详细介绍： 5.2.1 伺服电机 根据（3）气缸设计技术书，丝杠要求扭矩为 5.732Nm当推力为600kg时，气缸部分和齿轮传动部分的总效率按70%计算，齿轮传动部分的减速比为2，输出减速器扭矩为4.1Nm。初步选用减速比为4、效率为90%的减速机，然后电机端需要扭矩，选择松下伺服电机型号，其主要参数如表5.2所示： 表5.2电机性能参数 名称 参数 备注 电压额定速度 最大速度额定扭矩 1.3Nm 瞬时最大扭矩 3.8Nm 制动扭矩不小于 1.27Nm 20 位增量编码器的扭矩特性图如图 5.3 所示： 图 5.3 伺服电机扭矩特性 图 5.2.2 伺服驱动器 根据所选电机，伺服驱动器型号为： 其主要性能参数如表 5.3 所示： 表 5.3 伺服驱动器性能参数 名称 参数备注 电压 ±10% 50/60Hz 控制模式 位置控制模式 速度控制模式 扭矩控制模式 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（使用光电耦合器输入时） 4M（使用光电耦合器输入时）采用长线驱动器输入) ) 电子齿轮比1/1000~1000 通讯功能 RS232、RS485、USB5.2.3 运动控制卡选用深圳市中微星公司生产的六轴运动控制卡。其主要功能是输出六通道脉冲指令和接收六通道编码器反馈数据。其主要参数如表 5.4 所示： 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 8O/每轴 8I 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 位置求解算法 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，需要通过伸缩杆的精确控制来实现，这就需要引入实时位置六自由度平台正向和逆向求解算法。

所谓六自由度平台位置反解，是指从动平台的空间姿态求出六个伸缩杆的伸缩量。六自由度正位置解是指通过六个伸缩杆的伸缩来求出运动平台的空间姿态。本设计仍然采用位置反解算法作为六自由度平台的位置算法。经过计算，动平台各点坐标相对于静平台各点坐标的方向变换矩阵表示为： 其中a、b、c分别对应动平台在X轴、Y轴、Z轴三个方向； ，对应动平台绕X轴、Y轴、Z轴的旋转角度。 5.3.2 连续运动规划 本设计将依次完成YYPT 平移、旋转、XY 圆周运动三个运行曲线。 1.平移运动：移动平台不在X、Y、Z轴任何一个轴上旋转。它以平台中心为控制点，在X、Y、Z任意轴上进行往复轴向运动。 2、旋转运动：平台中心位于XY平面原点、Z轴行程中心，绕X、Y、Z轴任意一个进行角旋转往复运动。 3、XY平面圆周运动：YYPT平台在Z方向行程为一半的XY平面上，以平台中心为原点，沿规划的圆周轨迹运动。公式为，其中X、Y分别为圆在X、Y上的距离，r为所画圆的半径，根据该公式计算上平台的运动轨迹。 5.3.3 控制策略采用驱动器内部位置环加上速度环和电流环相结合的三环反馈控制方法。控制算法采用前馈算法，使控制效果更加平滑、更加精确。

5.3.4 控制软件 软件设计采用模块化、面向对象的设计方法，程序分为以下模块： 1）六通道伺服控制模块模块图 5.5 软件流程图 6 主要技术指标计算6.1 负载本次设计在不改变原电动缸结构的情况下进行优化，并重新选型电机。根据(3)气缸设计技术文件，推力为600kg时螺杆所需扭矩为5.732Nm。 ，当气缸部分和齿轮传动部分的总效率按70%计算时，齿轮传动部分的减速比为2，减速器的输出扭矩为4.1Nm。如果最初选择减速比为4且效率为90%的减速机，则电机将需要扭矩。所选电机的额定扭矩为1.3Nm，则电动缸在额定转速下的额定推力约为684kg，最大推力为。根据图5.3，伺服电机的最高转速为。此时伺服电机输出的额定扭矩约为0.7Nm，电动缸最高速度时的额定推力约为368kg。根据本设计的设计思路，存在电动缸不带减速机、伺服电机直接与齿轮连接的工况。当气缸部分和齿轮传动部分的总效率按70%计算时，螺杆末端的有效扭矩为0.91Nm，那么此时电动缸的额定推力约为130kg，负载平台重量减少至216公斤。 6.2 速度根据气缸设计技术书（3），丝杆导程为6mm，齿轮减速比为2，本设计选用的减速机速比为4，伺服电机的额定转速为，则电动缸的额定速度为。

根据图5.3，伺服电机的最大速度为 ，则电动缸的最大速度为 。根据本设计的设计思路，存在电动缸不安装减速机、伺服电机直接与齿轮连接的工况。此时，电动缸的额定速度为。 6.3 位置分辨率 本次伺服电机末端编码器选择20位增量编码器。根据电动缸的减速比和丝杠导程计算，电动缸的位置分辨率为。不安装减速机时，电动缸的位置分辨率为。转换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）所选行星减速机精度为14′，齿轮箱速比为2，传递到螺杆的角度误差为7′，折算成行程误差； 2）齿轮副方案（3）电动缸采用7级正齿轮，最大齿隙0.344mm，齿轮分度圆直径104mm，折算成行程误差。 3）丝杠副方案采用（3）电动缸采用7级滚珠丝杠，其导程误差为0.05mm/300mm，丝杠的行程误差。则总体误差为 0.002 0.006 0.0625 0.. 7 技术指标满足情况 根据技术要求主要参数，方案设计满足技术指标如表 7.1 所示： 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 平台载荷不小于满足技术要求