六自由度液压平台系统设计与有限元分析Word文档下载推荐.docx
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表1-1平台运用案例
飞行模拟训练器
六自由度运动
电动玩具
多自由度运动
铣床、钻床、立式或卧式三轴切削中心
平移运动
机械起重机
由于其二力杆的特性,可用来做需要高刚性的起重机
力与力矩测量仪
风动测试
快速成型机
由于其能够在高加速的情况下提供高精度,可降低开发的时间
轮胎测试
旋转及平移运动
坦克驾驶训练台
管道喷漆机器人
手术用微型机器人
利用其结构简单、刚性高的原理,可作出精巧的微型机器人
医用手术平台
可利用一个小的踏板来控制大的平台运动
1.2六自由度平台国内外研究状况
1.2.1国外研究现状
目前,世界上研制六自由度平台的国家较多,主要有加拿大、荷兰、美国、英国、法国、日本、俄罗斯、德国等,大多用于飞机(包括民航客机、战斗机和运输机)模拟飞行训练,在自行火炮、舰船、装甲车辆等方面也有一些应用。
早期研制的六自由度平台系统主要用于军事目的,例如美国五十年代开始研制的摇摆模拟台就用于装各海军。
用于空间对接机构研究的六自由度半实物仿真实验系统,以美国和俄罗斯的系统最具代表性,其大型液压六自由度运动系统的性能,尤其是定位精度和频率响应特性已达到这类系统的极高水平。
近几年来,六自由度平台系统也被应用到工业甚至娱乐场所,如美国Ingersoll机床公司生产的并联机床,美国Ford汽车公司研制的汽车行驶仿真器,德国Rexroth公司为德国奔驰汽车公司建造的大型汽车行驶模拟平台等等。
用于娱乐场所的六自由度游乐模拟平台则是一种模拟运动载体特征,给人视觉、听觉、触觉以全方位真实感受的现代化新潮游乐设施,美国、日本等国家的一些著名游乐场所有六自由度UFO体感模拟台、航空航海模拟台,这是当代科技向游乐业渗透的产物。
随着6-DOF并联机构研究的深入,对于自由度少于六的空间并联机构(称为少自由度机构),也引起许多学者的注意。
加拿大著名学者Gosselin和Angeles提出了平面和球面三自由度并联机器人的优化设计问题。
加拿大Laval大学用球面三自由度并联机器人研制出了灵巧眼。
Lee和Shah对空间三自由度并联机器人进行了运动学和动力学分析。
Clavel提出了并联式三维移动机构,即DELTA机器人,后来Tsai作了改进,发明了Tsai氏三维移动机构,机构简单了许多。
L.W.Lal等人也在此方面进行相应的研究。
1.2.2国内研究现状
我国并联机器人出现的较晚,起先出现在引进的6-DOF飞行模拟器上。
我国民航于1975年引进Beoing707,1988年引进MD-82飞机飞行模拟器,1992年引进Beoing737和757飞机飞行模拟器,近年来还引进了最新的Beoing777飞机飞行模拟器,都用于民航飞行员的培训。
1984年北京航空模拟器技术联合开发公司按照航空部“七五”预研课题计划,开始研制6-DOF并联式飞行模拟器,三年后研制成功。
现在该公司正进行国内生产机型的飞机飞行模拟器的研制与生产。
近几年来我国的一些高等院校和科研院所也相继投入人力物力。
在微动器或称作微动机构研究方面,杨宜民教授等研制出仿生型直线驱动器,哈尔滨工业大学研制成了压电陶瓷驱动的6-DOF并联微动机器人,其重复精度可达20纳米;
北京航空航天大学机器人所在自然科学基金资助下提出了用于微动操作的由两个3-DOF并联机构串联而成“串并联”机构以及PP-R-S型并联机构微动机器人等;
燕山大学1994年研制了基于并联机构的误差补偿器,将其安装于机器人手腕处可以补偿手臂的误差;
陈垦、李嘉等研究分析了6-PSS型6-DOF并联微操作手的运动学和工作空间。
另外天津大学与天津第一机床厂联合研制了九杆三自由度并联机床Linapod,沈阳自动化所研制了五自由度并联机床样机,哈尔滨工业大学和东北大学分别研制了以Stewart平台为原型的6-DOF并联机床的样机和带有平行机构的三自由度Stewart并联机床样机,燕山大学也在这方面作了一些基础性工作。
1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会,对并联机床的发展现状,未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨,对并联机床在我国的发展起到了一定的促进作用。
总之,与国外相比,我国运动模拟器的研制工作起步较晚,以后由于种种原因又未能得到迅速发展,与国外的运动模拟技术相比还存在较大距离。
因此目前面临的任务是如何迎头赶上技术先进国家并缩小与他们的距离。
1.3课题研究方案
(1)课题主要参数
表1-2平台技术参数
1、载荷:
0.5T
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--+300mm
5、Z轴平移范围:
-160mm--+160mm
6、X、Y轴旋转范围:
-20°
--+20°
7、Z轴旋转范围:
-30°
--+30°
(2)课题研究方案
1、对总系统进行初步设计,确定其工作原理与组成,再针对其子系统逐个设计。
2、工作平台的总设计,再进行相关零件的选型与非标零件的设计。
3、根据计算,确定所需液压缸的种类。
4、确定液压原理图,设计液压站,计算相关参数并对相关零件进行选型,以及非标零件的设计。
5、确定伺服系统,根据计算,对相关零件进行选型。
6、设计电气原理图,控制整个系统的开关、报警、紧急制动等。
7、对重要承重零件进行有限元分析并得出结论。
2总方案设计
所谓六自由度液压平台系统即由液压站提供液压油并控制液压油的流量,从而控制6个液压缸的线性运动,而6个液压缸采用并联的方式将上、下工作台连接起来,下平台为固定平台,上平台为工作平台,在6个液压缸的同时协作下,可以实现上平台的6个自由度的运动,即空间的三个线性运动与三个转向运动,再由电气控制系统控制整个系统的开关、报警、紧急制动等。
如图2-1为六自由度液压平台系统的三维模型。
图2-1六自由度液压平台系统的三维模型
2.1设计思路
设计思路:
总方案的初步确定→对工作台的结构与零件的相关参数的具体确定→液压原理图的确定→对液压站相关零件及液压缸的选型→根据选型后的零件参数计算确定需要设计的零件参数→电气原理图的确定→总方案的确定→检查并改进。
2.2液压站组成设计
液压站的组成有:
油箱体、油箱顶盖、油箱侧盖、放油阀、电机、钟罩、叶片泵、吸油过滤器、高压过滤器、回油过滤器、空气过滤器、阀块、单向阀、比例伺服阀、溢流阀、蓄能器、安全阀组、冷却器、液位计、温度表、压力表、单向阀、油管、双向接管、三向接管及相应组件等组成。
图2-2液压站的三维模型(油箱半剖)
下图为液压站的三视图,其对应的零件如下:
1冷却器、2压力表、3溢流阀、4比例伺服阀、5阀块、6蓄能器、7液位计、8安全阀组、9油箱体、10油箱侧盖、11吸油过滤器、12叶片泵、13钟罩、14油箱顶盖、15电机、16高压过滤器、17放油阀、18单向阀、19回油过滤器、20温度表、21空气过滤器。
图2-3液压站主视图
图2-4液压站左视图
图2-5液压站俯视图
2.3工作台组成设计
工作台是由上平台、下平台、虎克铰链、球铰链、伺服液压缸、传感器及相应组件等组成。
其对应的零件为:
1上平台、2球铰链、3液压缸、4传感器、5虎克铰链、6下平台
图2-6工作台的三维模型
2.4液压油走向设计
(1)A、B油口为工作油口,分别对应着液压缸的2个油口。
当A油口为进油口时,B油口则为出油口,反之,B油口为进油口时,A油口则为出油口。
二个油口的流量由伺服阀精确控制。
液压站上的A(1、2、3、4、5、6)、B(1、2、3、4、5、6)油口分别对应工作平台上A(1、2、3、4、5、6)、B(1、2、3、4、5、6)油口。
图2-7为液压缸油口分布示意图,图2-8和图2-9分别为工作平台上的A、B油口分布示意图和液压站的A、B油口分布示意图。
图2-7液压缸油口分布示意图
图2-8工作台A、B油口分布示意图
图2-9液压站A、B油口分布示意图
(2)下图为液压站的液压油走向示意图。
图2-10液压站的液压油走向示意图
2.5控制系统设计
(1)工作控制系统设计
液压缸运动,则位置传感器将位移信号转换为电信号传输给比例伺服阀,则其将所得电信号转换为动作,精确控制阀门大小,从而控制液压油的进给量,进而控制液压缸的运动,其过程不断循环,不断调整,最终达到控制工作台的运动要求。
(2)预警控制系统设计
当吸油过滤器、高压过滤器或回油过滤器发生堵塞时,其中传感器便传出信号,系统便会进行报警,直至“故障复位”信号的发生,报警停止。
当液压油的液位降至控制器的设定值的高位时,系统开始报警,直至“故障复位”信号的发生,报警停止。
当液压油的液位降至控制器的设定值的低位时,系统开始报警并停止电机的工作,直至“故障复位”信号的发生,报警停止,但需重新启动电机。
当熔断器被烧毁时,系统停止工作并发生警报。
3六自由度工作台结构设计
3.1工作台的总体设计
工作台是由上平台、下平台、6个虎克铰链、6个球铰链、6个伺服液压缸、软管及相应组件等组成。
其中,下平台是固定在地面上的,上平台为工作台面,其中液压缸通过铰链以并联的方式将上平台和下平台连接起来,成为一体,如图3-1和3-2所示。
这样的机构在并联式多自由度机械装置研究中又常常被称为Stewart平台。
三位四通伺服比例阀控制液压油流量的大小、方向,驱动六个液压缸沿缸长方向伸缩作线性移动[2]。
通过六个液压缸的协调动作,上运动台面能够灵活地实现六个自由度的运动,三个线性移动及三个转动,即一个刚体在空间的全自由度运动。
因此,六自由度平台也可以看作是一种并联式的机器人,图3-3为实物图。
图3-1工作台结构示意图
图3-2工作台的三维模型
图3-3工作台的实物图
3.2六自由度平台的合理性分析
此处省略计算内容
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式子中:
n为活动构件总数,m为运动副总数,pi为第i个运动副的限制自由度数。
将以上数据代入公式得:
F=6×
13−(4×
12+4×
6)=6
由此可见,该工作台的结构是合理的。
3.3上平台与下平台的设计
3.3.1上平台的设计
根据设计参数要求以及减少上平台的重量与材料,采用如下图的方案。
图3-4上平台的工程图
图3-5上平台的静态线框示意图
图中的36个小孔深度为30mm,直径为10mm,为螺纹孔,用于固定6个万向联轴器;
6个三角形的通孔是为了减少材料的使用,减轻工作平台的重量。
3.3.2下平台的设计
根据设计参数要求、固定方式以及减少下平台的重量与材料,采用如下图的方案。
图3-6下平台的工程图
图3-7下平台的静态线框示意图
图中12个小孔深度为30mm,直径为10mm,为螺纹孔,用于固定铰链;
17个大孔直径为40mm,为通孔,用于底座的固定;
6个三角形的通孔是为了减少材料的使用,减轻固定底座的重量。
4液压缸的选型
液压缸是液压系统中活塞杆作往复运动的工作机构。
根据设计要求选择ATOS品牌的油缸系列。
并根据要求选用CK系列油缸(拉杆式方头缸)。
如下图为液压缸装配示意图:
图4-1液压缸装配示意图
表4-1液压缸装配图明细表
序号
名称
材料
1
活塞杆
镀铬钢
2
活塞杆轴承
铸铁
3
活塞杆密封圈
丁腈橡胶+聚四氟乙烯
4
法兰
钢
5
螺钉
6
O型密封圈
丁腈橡胶/氟橡胶
7
前缸头
8
前缓冲器活塞
9
挡圈
聚四氟乙烯
10
缸筒
11
活塞
12
螺纹止动销
13
14
15
后缓冲器套
青铜
16
17
后缸头
18
防尘圈
丁腈橡胶/氟橡胶+聚四氟乙烯
19
20
21
缓冲器调节螺钉
22
缓冲器调节塞
23
对接法兰
24
25
活塞导向圈
26
活塞密封圈
27
后缓冲活塞
淬火钢
28
止动圈
29
O型圈和密封挡圈
30
组合密封
4.1确定油缸的最大推力
选型油缸时首先要确定油缸的最大推力F,F是根据工作时的载荷、摩擦力、惯性力等确定的[3]。
克服载荷所需的推力
单个液压缸载荷m=0.5T/6=83.3kg,加上上平台及相关组件的重量,初步确定单个液压缸的载荷M=100kg。
易知当六自由度平台在水平面上达到工作的最大范围时,此时油缸所需的压力最大:
(4-1)
预估计为30°
,所以:
克服导轨摩擦力所需的推力
当上平台处于垂直工作状态时,导轨摩擦力最大:
(4-2)
所以:
克服惯性力所需的推力
根据设计要求:
平移速度为10mm/s--15mm/s,取v=12mm/s,公式:
(4-3)
其中液压缸的启动和制动时间为T=0.01--0.5秒,轻载低速取小值,反之取大值,这里取T=0.1秒,所以:
由公式:
(4-4)
确定油缸的最大推力F
4.2确定油缸的基本尺寸
选型所需尺寸为液压缸的缸体内径和活塞杆径,根据要求初步确定为:
液压缸的缸体内径为80mm,则对应的活塞杆径为56mm。
4.3确定油缸的工作压力
由“4.2确定油缸的基本选型尺寸”可知,液压缸的缸体内径为80mm,则对应的活塞杆径为56mm。
所以实际受力面积为:
(4-5)
根据公式:
(4-6)
考虑到效率问题,目前取
。
在CK系列油缸的额定压力范围内,所以可以选择此系列油缸。
4.4确定所用位移传感器的类型
根据ATOS油缸的选型中,位移传感器有F=磁致式,M=磁致式、数字式,P=电阻式,V=感应式,共4种形式。
确定采用F=磁致式的位移传感器,选择理由为:
磁致伸缩位移传感器是通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值;
该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。
由于确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触,因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中,不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。
此外,传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术,因而它能应用在高温、高压和高震荡的环境中。
传感器输出信号为绝对位移值,即使电源中断、重接。
数据也不会丢失,更无需重新归零。
由于敏感元件是非接触的,就算不断重复检测,也不会对传感器造成任何磨损,可以大大的提高检测的可靠性和使用寿命[4]。
4.5确定安装方式
根据ATOS油缸的选型,其安装方式共有以下几种:
表4-2液压缸安装方式选型表
C=双耳环
P=后法兰
D=单耳环
S=带孔关节轴承
E=底脚
T=前螺孔+后伸拉杆
G=前耳轴
V=后伸拉杆
H=后耳轴
W=前后伸拉杆
K=带销底脚
X=基本型
L=中耳轴
Y=前伸拉杆
N=前法兰
Z=前螺纹孔
根据情况,选择C型,双耳环。
并根据“4.2确定油缸的基本尺寸”进行查表,可得选用“活塞杆用双耳环”,型号为:
C-14122。
4.6行程的确定
根据课题参数的要求,初步确定液压缸的行程为:
400mm。
4.7缓冲器的选择
缓冲器建议用在:
活塞满行程的速度大于0.05m/s;
要求降低噪音和机械震动;
重负载的垂直应用场合。
虽然本设计的速度要求为:
10mm/s--15mm/s,小于0.05m/s,但为了降低噪音和机械震动,这里依然采用缓冲器。
行程末端的缓冲器是液压制动器,是为了消除与活塞杆质量相关的能量,通过渐进的增加缓冲腔的压力,在活塞杆到达机械行程末端之前减低活塞杆的速度[5]。
根据活塞杆的速度V有二种缓冲方式:
慢速:
快速:
表4-3
值查寻表
当快慢可调方式选择后,油缸提供了针阀来优化在不同的应用下的缓冲性能。
调节螺钉可以完全旋入(最大缓冲效果)。
在大质量和非常高的操作速度下,我们建议往后调节以优化缓冲效果。
调节螺钉有一个特殊设定的来防止脱落和松开。
即使在油液粘度变化的情况下也能保证很高的缓冲效果。
由“4.2确定油缸的基本尺寸”以及选择“Lf前”的缓冲长度,由表4-3查的最大速度为1m/s,
,因此选择慢速缓冲方式。
根据ATOS缓冲器的选型种类,共有以下几种:
表4-4ATOS缓冲器的选型种类
0=无缓冲器
快速可调
慢速可调
快速固定
1=仅后部
4=仅后部
7=仅后部
2=仅前部
5=仅前部
8=仅前部
3=前、后部
6=前、后部
9=前、后部
因此,选择4。
4.8支撑环的选择
支撑环的作用是增加活塞杆和缸内表面的导向,防止过载和过快磨损。
而一般针对行程超过1000mm的油缸选用支撑环,本设计油缸的行程为400mm,因此不需要支撑环。
ATOS支撑环共有以下几个选项:
表4-5支撑环的长度
0=无
2=50mm
4=100mm
6=150mm
8=200mm
由此可知,选0。
4.9密封形式的选择
根据系统的工作情况选择密封体系:
速度、工作频率、油液种类和温度。
当选择单作用密封,油缸不受压,腔必须与油箱相连。
用于低温、高频率(最高可达10Hz),长工作寿命,重负荷等特殊密封形式可根据要求提供。
所有的密封件,无论是静密封还是动密封,必须定期更换。
ATOS密封选择形式如下表:
表4-6ATOS密封形式一览表
密封形式
6-7
NBR+
POLYURETHANE
FKM+PTFE
NBR+PTFE
PTFE+NBR+POLYURETHANE
性能
高静态和动态密封
低摩擦和高温度
低摩擦单作用+推/拉
低摩擦
最大速度(m/s)
0.5
油液温度范围
-20℃to85℃
-20℃to120℃
油液兼容性
矿物油HH,HL,HLP,HLP-D,HM,HV
防火油HFA,HFB,HFD-U,HFD-R
矿物油HH,HL,HLP,HLP-D,HM,HV,MIL-H-5606
防火油HFA,HFC(最大含水45%),HFD-U
IOS密封标准
ISO7425/1
ISO5597/1
ISO7425/2
因为液压缸属于推缸,因此密封形式选择6。
4.10油口和缓冲调节器的组合位置
前端盖:
B*=油口位置,E*=缓冲调节器位置;
后端盖:
X*=油口位置,Z*=缓冲调节器位置。
(*=位置选项,即1,2,3或4)
下表为所有的油口和缓冲调节器的位置,加黑字体为标准位置。
每一种前端盖都可以和任何一种后端盖不同的组合在一起。
只有选择了可调缓冲调节情况下,缓冲调节器位置选项X*、Z*才能加到代码上。
表4-7油口和缓冲调节器的组合位置一览表
安装方式
C,D,S,L
E,K
G,H
N,P
T,V,W,X,Y,Z
前端盖
油口端B
缓冲调节器端E
后端盖
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