一種高精度六軸運(yùn)動平臺設(shè)計(jì)*

潘紹飛，肖世德

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610000)

0 引言

多軸運(yùn)動平臺可以按照需求在給定運(yùn)動范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動，達(dá)到預(yù)計(jì)位姿，在工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛，尤其在汽車、飛機(jī)、船舶和娛樂設(shè)施等運(yùn)動模擬方面，多軸運(yùn)動平臺已經(jīng)成為必不可少的動態(tài)仿真設(shè)備。運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式的種類繁多，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可對運(yùn)動平臺進(jìn)行不同的分類。按運(yùn)動平臺具有的自由度個(gè)數(shù)，可分為單自由度、二自由度、三自由度、四自由度、五自由度、六白由度運(yùn)動平臺;按運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)形式，可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種[1]。

以X單位的高精度六軸運(yùn)動平臺為研究對象，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方案和控制策略方面進(jìn)行初步研究。所述運(yùn)動平臺為六自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)。

1 多軸運(yùn)動平臺總體方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)X單位的Y產(chǎn)品的運(yùn)動控制需求，該多軸運(yùn)動平臺要求可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動，X、Y、Z方向的直線運(yùn)動，α、β、γ方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;X、Y軸方向直線運(yùn)動行程500 mm，Z軸方向直線運(yùn)動行程300 mm，α、β、γ 方向能夠?qū)崿F(xiàn)0 °到360 °的轉(zhuǎn)動;Z、α、β、γ方向需要機(jī)械自鎖;X、Y向重復(fù)定位精度小于5 μm，絕對定位精度小于 8 μm，最大速度 50 mm/s，Z向重復(fù)定位精度小于5 μm;絕對定位精度小于8 μm;最大速度 10 mm/s;α、β、γ 角重復(fù)定位精度 0.01°;絕對定位精度 0.02°;最大速度 10 °/s;各軸都需要加工運(yùn)動反饋系統(tǒng)，X、Y、Z方向安裝直線光柵尺，α、β、γ方向安裝圓光柵尺;有效載荷大于30 kg。

1.2 結(jié)構(gòu)布局

經(jīng)過綜合權(quán)衡和設(shè)計(jì)比選，六軸運(yùn)動平臺總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 六軸運(yùn)動平臺整體結(jié)構(gòu)圖

該平臺主要分為:X、Y、Z三個(gè)方向的直線運(yùn)動部分和上方α、β、γ三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動部分。直線運(yùn)動部分是由直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、滑塊、基座等構(gòu)成，從下到上，依次為X軸橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、Y軸縱向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、Z軸豎向運(yùn)動機(jī)構(gòu);Y軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在X軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)的滑塊上，Z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在Y軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)的滑塊上。轉(zhuǎn)動部分α軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在Z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)的滑動頂板上，β軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在α軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)輸出旋轉(zhuǎn)框上。γ軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)固定在α軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)輸出旋轉(zhuǎn)桿上。最后執(zhí)行靶標(biāo)板安裝在γ軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)輸出軸上。因此平臺具備六軸運(yùn)動能力。

1.3 驅(qū)動系統(tǒng)

考慮到驅(qū)動能力和控制精度等各個(gè)方面要求，最終選用日本松下400 W高慣量、小容量伺服電機(jī)，具體型號MHMD042G1V，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩1.3 N·m，有制動器，20位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，每一轉(zhuǎn)的分辨率1048576。該電機(jī)具有響應(yīng)速度快，定位穩(wěn)定性高，輸出扭矩恒定的特點(diǎn)。由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較高，所以必須要減速機(jī)和電機(jī)配套使用。根據(jù)伺服電機(jī)的型號，選擇伺服驅(qū)動器為MBDHT2510。運(yùn)動平臺共需要六臺電機(jī)和六個(gè)驅(qū)動器。

1.4 傳動系統(tǒng)

直線運(yùn)動部分:X、Y軸動力裝置由伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)和聯(lián)軸器組成。X、Y方向均采用伺服電機(jī)和行星減速機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動滾珠絲杠機(jī)構(gòu)控制滑塊的往復(fù)行程，實(shí)現(xiàn)精確直線位移，兩側(cè)直線導(dǎo)軌起支撐和輔助運(yùn)動，通過分別安裝在X軸和Y軸方向的兩個(gè)位移傳感器實(shí)時(shí)反饋位置信息。Z向動力裝置由伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)和聯(lián)軸器組成。Z方向采用伺服電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動滾珠絲杠機(jī)構(gòu)控制滑塊的往復(fù)行程，實(shí)現(xiàn)精確直線位移，兩側(cè)導(dǎo)桿起輔助運(yùn)動作用，通過安裝在Z軸方向的位移傳感器實(shí)時(shí)反饋位置信息。

減速機(jī)在原動機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的一種相對精密機(jī)械，本設(shè)計(jì)中選用了蝸輪蝸桿減速機(jī)和行星減速機(jī)。蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要特點(diǎn)是具有反向自鎖功能，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，但是一般體積較大，傳動效率不高，間隙不易消除，精度不高。行星減速機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較緊湊，回程間隙小、精度較高，但價(jià)格略貴。考慮到X、Y、Z方向都需要做高精度的直線運(yùn)動，同時(shí)X、Y方向在運(yùn)動過程中受到的軸向力方向是要改變的而Z方向受到的軸向力始終豎直向下。X、Y方向選擇行星減速機(jī)，Z方向選擇蝸輪蝸桿減速機(jī)。滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌作為六軸運(yùn)動平臺所需的承載及運(yùn)動部件，經(jīng)過選型計(jì)算選擇臺灣上銀FSI－C0級超高精密滾珠絲杠和臺灣上銀EGH－SP級超精密線性滑軌。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部分:α、β、γ三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動力裝置由伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)和聯(lián)軸器組成。三個(gè)方向均采用伺服電機(jī)和行星減速機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶工作部件轉(zhuǎn)動，通過分別安裝在α、β、γ三個(gè)方向上的位移傳感器反饋位置信息。

1.5 反饋系統(tǒng)

六軸運(yùn)動平臺采用英國雷尼紹帶細(xì)分的開放式光柵尺，測量X、Y、Z三個(gè)方向的位移，讀數(shù)頭型號為RGH41，分辨率 0.1 μm，鋼質(zhì)直線光柵尺型號為RGS40－S。

RGH41讀數(shù)頭具有反射帶狀光柵尺、專利光學(xué)濾波系統(tǒng)、LED安裝指示燈、優(yōu)異的抗污能力、較高的工作速度、結(jié)構(gòu)緊湊、配有內(nèi)置細(xì)分盒、能夠提供一系列分辨率、工作速度高等優(yōu)點(diǎn)。RGS40－S系列光柵尺表面具有一層可增強(qiáng)反射率的鍍金薄層，光柵尺安裝簡單快捷，光柵尺截面尺寸非常小，光柵尺與基體的微差移動幾乎為零。選用英國雷尼紹圓光柵尺，測量α、β、γ軸的旋轉(zhuǎn)位移，讀數(shù)頭型號為RGH40，分辨率 0.1 μm，鋼質(zhì)圓光柵尺型號為 RESR40 系列[2]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求運(yùn)動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)自由度運(yùn)動的單獨(dú)控制和組合聯(lián)動控制，具備到位鎖定功能，具備軟、硬限位，具有狀態(tài)指示、報(bào)警顯示、保護(hù)功能;控制系統(tǒng)軟件要能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制和組合聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、保護(hù)等功能，能自動生成標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)。

基于上訴要求，控制系統(tǒng)選用研華原廠工控機(jī)IPC－610L，配合兩張MPC08控制卡實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。X、Y、Z軸直線運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，α、β、γ軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 X、Y、Z軸直線運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 α、β、γ軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

六軸運(yùn)動平臺是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，整個(gè)運(yùn)動控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、編碼器、減速機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、直線光柵尺、三相隔離變壓器和驅(qū)動電源24VDC等組成。工控機(jī)通過PCI總線與運(yùn)動控制卡相聯(lián)系，運(yùn)動控制卡獲取光柵尺的檢測位移信息，通過插補(bǔ)運(yùn)算，控制六個(gè)伺服電機(jī)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。伺服電機(jī)自帶的增量式編碼器對電機(jī)輸出軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度位置檢測和反饋，實(shí)現(xiàn)初步的位移和速度半閉環(huán)控制。MPC08運(yùn)動控制卡接收到直線光柵尺和圓光柵尺的位移反饋信號，實(shí)現(xiàn)六個(gè)方向位移的全閉環(huán)精確控制。數(shù)字I/O卡選用帶隔離的16路數(shù)字輸入、16路繼電器輸出，用以實(shí)現(xiàn)直線機(jī)構(gòu)速度、位置、超限和溫度等信號監(jiān)控，進(jìn)行報(bào)警和制動。為了對控制機(jī)構(gòu)的行程做出控制，在直線導(dǎo)軌上安裝了行程開關(guān)以及限位開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)硬限位，避免超出運(yùn)動極限范圍。硬限位復(fù)位解鎖功能通過控制系統(tǒng)軟件編程實(shí)現(xiàn)。

3 控制策略與軟件實(shí)現(xiàn)[4]

六軸運(yùn)動平臺對于各個(gè)方向的運(yùn)動位移控制精度和安全可靠性都提出了很高的要求。在硬件設(shè)計(jì)上，為了滿足機(jī)械自鎖要求，六個(gè)伺服電機(jī)均需要附帶機(jī)械剎車抱閘;為了滿足絕對定位精度要求和重復(fù)定位精度要求，六軸均選擇雷尼紹光柵，分辨率0.1 μm，同時(shí)直線光柵尺和圓光柵尺必須安裝在各機(jī)構(gòu)適當(dāng)位置以實(shí)現(xiàn)六軸全閉環(huán)控制;行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)要求具備高傳動精度，間歇要小。在軟件設(shè)計(jì)上，控制軟件設(shè)計(jì)時(shí)增加運(yùn)動間隙(背隙)人機(jī)交互軟件補(bǔ)償調(diào)整功能，以便在六軸運(yùn)動平臺整機(jī)現(xiàn)場調(diào)試時(shí)候，可以根據(jù)光柵尺現(xiàn)場實(shí)時(shí)測量和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用連續(xù)位移閉環(huán)控制策略和間歇補(bǔ)償調(diào)整控制策略，通過控制系統(tǒng)軟件處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償;加軟限位開關(guān)控制，加光柵尺實(shí)時(shí)檢測補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)六個(gè)方向運(yùn)動的單獨(dú)控制和組合聯(lián)動，每個(gè)軸具備到位鎖定功能，具備軟、硬限位，具有狀態(tài)指示、報(bào)警顯示、保護(hù)功能;具備位移曲線顯示和當(dāng)前位置標(biāo)示功能。具備回原點(diǎn)、保護(hù)和限位復(fù)位解鎖功能，具備自動生成標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)等要求。

經(jīng)過對控制系統(tǒng)和控制策略分析，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程[5]如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程

4 結(jié)語

對高精度六軸運(yùn)動平臺的總體方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，該多軸運(yùn)動平臺能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)被控對象多自由度運(yùn)動要求，同時(shí)能夠很好地保證控制精度。在今后的工作中將進(jìn)一步對平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行細(xì)致研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期完滿實(shí)現(xiàn)X單位的多軸運(yùn)動平臺研制目標(biāo)任務(wù)。

[1]鄧瑞君，秦現(xiàn)生，張順琦，等.運(yùn)動平臺應(yīng)用研究新進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2010(2):51－53.

[2]楊國哲，王立平，郁鼎文，等.三坐標(biāo)精密運(yùn)動平臺的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2006(6):1－3.

[3]吳 君.多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].上海:上海交通大學(xué)，2011.

[4]施昕昕，常思勤.一種新型6自由度運(yùn)動平臺的控制研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014(3):56－63.

[5]雷雙江.煙流排管架單軸直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都:西南交通大學(xué)，2013.