六自由度运动平台驱动系统驱动系统设计计算报告.docx
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六自由度运动平台驱动系统驱动系统设计计算报告
六自由度运动平台驱动系统
设计计算报告
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校对
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批准
2019年11月
1.六自由度运动平台电机选型计算
1.1空间几何参数
依据运动指标估算了运动平台以上的总载荷(4.5t)和转动惯量,经过运动学、动力学仿真分析,根据平台的三个线位移和三个角位移确定了电动缸的几何尺寸、电动缸的行程以及并联机构的空间几何参数:
●运动机构上三个铰支座的中心线均以120°的圆心角均布分布在直径为2.4m的圆周上;
●下平台上三个铰支座的中心线均以120°的圆心角均匀分布在直径为3.4m的圆周上;
●平台停机高度2.216m;
●平台处于最低位置时,电动缸与地面夹角47.9°;
●运动平台厚度0.4m;
●电动缸行程0.94m。
1.2六自由度运动坐标系与数学模型
在六缸支撑的运动系统中,可定义运动坐标系和固定坐标系,如图11所示。
图11六自由度运动平台坐标定义
运动坐标系固联在运动平台上,其X-Y平面位于六台电动缸上耳轴中心所在平面内,Z轴垂直向下,(右手系)坐标系原点位于上三点所在圆的圆心。
固定坐标系固联在固定平台上,其X-Y平面位于六台电动缸下耳轴中心所在平面内,Z轴垂直向下(右手系)坐标原点位于下三点所在圆的圆心。
动坐标系与定坐标系的原点位于同一铅垂线上,故两个坐标系是平行的。
六自由度运动是指运动平台分别沿动坐标系的X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。
将绕X轴的转动定义为俯仰φ,将绕Y轴的转动定义为侧倾θ,将绕Z轴的转动定义为航向ψ,如上图所示。
1.3七自由度平台最大线位移和最大角位移仿真分析
根据电动缸的结构尺寸和平台六缸并联机构的空间几何尺寸,建立运动坐标系内的运动学模型,编制了相应的仿真软件,计算出本七自由度运动系统能实现的最大线位移和最大角位移:
●纵向:
-0.83m,0.73m
●横向:
±6.71m
●垂向:
-0.52m,0.565m
●俯仰:
-26.074°,27.118°
●侧倾:
±26.958°
●横摆:
±35.9°
根据以往坦克驾驶模拟器、装甲车驾驶模拟器、汽车驾驶模拟器和大型特种车驾驶模拟器等运动系统的设计经验,对于路面行驶的各类车辆模拟器,垂向位移达到±0.35m就足以满足垂向动感模拟的需要。
道路行驶的车辆,垂向运动绝大部分是颠簸、抖振等高频率、小位移动感。
所以从动感需求和设备紧凑两个方面考虑,-0.52m、+0.565m的垂向运动位移足以满足提供动感的要求,并且还有很大裕量。
1.4电动缸推(拉)力、缸速的计算机仿真分析
根据平台最大速度、最大加速度以及平台以上总载荷、转动惯量进行了运动学和动力学仿真分析,仿真结果为:
●电动缸峰值缸速为0.797m/s
●电动缸峰值推(拉)力为40357.6N
上述关于平台线位移、角位移的仿真和电动缸推拉力、缸速的仿真结果作为台体结构细化设计、电机选型和电动缸结构设计的依据。
根据二百多台各类运动平台的生产经验,按照该仿真结果选型,能够满足系统的指标要求。
1.5交流伺服系统
电动运动平台的关键部件是交流伺服电机、伺服驱动器和电动缸。
选择先进的永磁同步无刷伺服电机以及与之配套的全数字式伺服驱动器,构成交流伺服系统。
采用特殊结构设计的电动缸,来构成机电式伺服作动筒。
该作动筒具有运行平稳、快速响应、大加速度、宽频带、长寿命等优点,为整机性能提供了有力的保障。
1)电动缸
●缸筒外径:
约180mm
●电动缸杆径:
约85mm
●行程:
950mm
●丝杠导程:
16mm
●能承受的最大推力:
60000N
●传动效率:
90%
2)滚珠丝杠
选用经过定制的高速、静音、重载滚珠丝杠,采用球保持架的结构形式,该形式可消除钢球之间的碰撞和相互摩擦并提高润滑脂的保持性,因而实现了低噪音、低扭矩变动以及长期运行而免维护。
3)交流伺服电机
选用经过定制的永磁同步无刷伺服电机,它的主要技术参数如下所示:
●额定扭矩:
135.94Nm
●峰值扭矩:
210Nm
●额定转速:
3000rpm
●最高转速:
3600rpm
●额定功率:
42kW
●转自惯量:
0.009kgm2
●旋转编码器精度:
1024线/转
●绝缘等级:
F级
●防护等级:
IP-54
该电机采用高性能钕磁体,具备无槽定子设计,消除了电机中的所有止动力矩,能提供极平稳的运动,这种无槽设计使其具有较高的转子惯量,非常适合六自由度仿真平台仿真试验,适合具有高惯性负载和大加速的应用场合。
电机的连接器和轴密封都具有IP54防护等级,符合CE(LVD)标准,具有断电抱闸、过压、过载、过热、短路等安全保护功能。
4)伺服驱动器
与伺服电机配套的伺服驱动器是一款智能化的伺服驱动器,它以全数字化的方式控制着电机运行的功率、速度和位置。
只要将系统的相关参数,如电机类型、供电电压、电机电流、负载运动惯量、输出级温度、通信速率等输入驱动器,则数字信号处理器DSP将自动计算控制器的最佳参数,并以快速、稳定的方式建立所有的控制环。
高性能的CPU保证了快速的闭环控制和系统中元件参数的精确调节,使伺服驱动器具有很高的动态特性和运动稳定性,并具有大峰值的力矩输出。
主要技术指标为:
●输出电流70A
●控制方式:
正弦波PWM控制具有速度环、力矩环闭环控制
●供电方式:
三相380V供电
●保护方式:
具有过载、过热、速度、加速度超限保护
●PWM输出级开关频率达到10kHz,缩短了采样时间,消除了数字系统典型的动态限制。
●功率和电流驱动能力可以使其在连续大电流高功率下运行。
●电流环可以适配电机的特性,带有补偿和相移纠正程序。
●速度环带宽达200Hz,三个数字滤波器可以使系统然闭环增益达较高值,从而达到最小过冲量、更强的刚性、更高的动态响应和优秀的伺服控制性能。
●功率自动优化算法可以在电机转速增加时自动增加转矩,直到最高额定速度,使电机的转矩常数可以达到更高的数值。
●交流伺服系统的在线监测与故障诊断。
通过伺服驱动器上的COM口可以在线监测系统运行参数,如电机电流曲线与数值,电机转速曲线与数值,电机功率与利用率曲线与数值,以及电动缸位移曲线与数值,通过COM口还可以诊断电机运行的各种故障状态。
伺服驱动器与伺服电机、实时控制计算机以及电源滤波器等的逻辑关系如图12所示。
图12伺服驱动器与伺服电机、实时控制计算机以及电源滤波器等的
逻辑关系
1.6电动缸的缸速、推拉力和控制精度
交流伺服系统输出的转速、扭矩与丝杠导程、编码器精度等技术参数,决定了电动缸的推拉力,缸速和控制精度。
●电动缸额定缸速(由电机转速和丝杠导程所决定)
3000/60×0.016=0.8(m/s)
●电动缸额定推拉力(由电机扭矩和丝杠导程所决定)
根据串联式电动缸推拉力扭矩计算公式:
F=5529.2M/P
其中:
F—电动缸推拉力(N)
M—电机扭矩(N·m)
P—丝杠导程mm
F=5529.2×135.94/16=46977.5(N)
●电动缸峰值推拉力(电机扭矩按额定扭矩的1.3倍计)
F=46977.5×1.3=61070.7N
●电动缸控制精度
电动缸控制精度由旋转编码器和丝杠导程所决定。
16/1024=0.015625(mm)
由以上计算可见,电动缸的缸速、推拉(力)均满足平台速度、加速度指标对电动缸缸速和推(拉)力的要求。
足平台速度、加速度指标对电动缸缸速和推(拉)力的要求。
2.第七自由度电机的选型计算
2.1设计初始条件
驱动方式:
伺服电机+减速机+齿轮-齿条
伺服电机型号U318070F203
电机额定功率165kw
电机额定转速2000rpm
电机最高转速2000rpm
电机额定扭矩790Nm
电机堵转扭矩1000Nm
电机峰值扭矩2500Nm
电机转子惯量
=0.534kgm²
负载质量
=14168kg
减速器速比
=4
减速机转动惯量
=0.0098kgm²
齿轮转动惯量
=0.0945kgm²
摩擦系数
=0.05
传动效率
=0.9
六自由度y向加速度
=0.5g,参与运动的质量5500kg,作用力
=5500*0.5g=26977.5(N)
齿轮节圆直径:
D=212.21mm,半径r=106.1mm
运动范围:
直线轨道有效行程12m(±6m),
摩擦系数K=0.05
运动指标:
最高线速度5m/s,最大线加速度0.8g
2.2运动规律
一般都采用正弦运动作为选型时的运动规律
正弦运动表达式:
式中:
S为直线运动物体位置,中点为零位的直线
运动坐标如图21所示。
S(m)
-606
图21横向运动范围示意图
A为正弦运动幅值(m)
ω=2πf
f为正弦运动频率,
为运动周期(秒)
做正弦运动物体的速度曲线与最大速度
做正弦运动物体的加速度曲线与最大加速度
2.3伺服电机的运动规律
根据齿轮—齿条、减速机、电机传动链的动力转换,并依据电机拖动动力学方程,将运动物体的直线正弦运动换算为电机的同频率旋转正弦运动,若电机转速为
(rpm),扭矩为
(Nm),则被拖动物体的正弦直线运动换算为电机输出的转速、扭矩表达式为:
电机输出的最大转速为:
电机输出的最大扭矩为:
其中:
A为直线运动物体幅值,f为直线运动物体频率,i为速比,r为齿轮节圆半径,J为电机拖动的总的转动惯量(为被拖动物体质量经过传动链转换到电机轴上的转动惯量与电机转动惯量之和。
前者除以后者为电机的惯量比)。
TL为转换到电机轴上的总的运动阻力矩(Nm)。
2.4电机数量计算
由仿真计算可知,当第七自由度以0.8g、0.5g两种工况做y方向直线运动进,所需电机峰值扭矩是确定电机数量的关键。
当0.8g时:
4台电机方案,单台电机峰值扭矩为1100.35Nm
5台电机方案,单台电机峰值扭矩为914.2Nm
6台电机方案,单台电机峰值扭矩为790.1Nm
当0.5g时:
4台电机方案,单台电机峰值扭矩为786.46Nm
5台电机方案,单台电机峰值扭矩为650.79Nm
6台电机方案,单台电机峰值扭矩为560.3Nm
考虑到电机的堵转扭矩为1000Nm,峰值扭矩为2500Nm,将来,在实际使用过程中,第七自由度最大加速度在0.5g左右,所以,确定电机数量为4台。
2.5横向运动单元校核计算
2.5.1倾覆力矩与滚轮安全系数
当六自由度运动平台沿x方向做a_x=9.8m/s²的直线加速运动时,纵向驱动力为F_x=53900N,F_x对支撑轨取力矩,由于六自由度运动平台上铰支座至轨道的垂直距离为2.91m,故力矩:
T_x=53900N*2.91m=156849Nm
设力矩转换为抗倒倾轮上的径向载荷为10251.5N。
抗倒倾轮选用德国INA公司的NUTR50110,其主要技术指标为:
内径50,外径110,宽32,有效额定动载荷C_rw=76000N,转速1300rpm。
故安全系数为76000N/10251.5N=7.41
同理算得,当六自由度运动平台沿y方向做a_y=9.8m/s²的直线加速运动时,抗侧倾轮的安全系数为7.56。
2.5.2偏转力矩与滚轮安全系数
当运动平台在轨道上以0.5g加速度做y方向直线运动时,由于载荷不平衡产生的偏转力矩为:
T_xy=24920.5Nm
设力矩转换到导向轮上的径向载荷为2396.2N,导向轮选用德国INA公司的NUTR40,其主要技术指标为:
内径40,外径80,宽32,有效动载荷C_rw=56000N,转速1600rpm。
故安全系数:
56000N/2396.2N=23.37
2.5.3垂向载荷与滚轮安全系数
当六自由度运动平台与平台载荷以a_z=9.8m/s²的加速度做垂向直线运动时,每个承载轮承受的径向载荷为16062.2N。
承载轮选用德国INA公司的NUTR60*150*75-2zl,其主要技术指标为:
内径60,外径150,宽75,有效额定动载荷C_rw=255000N,转速800rpm。
安全系数:
255000N/16062.2N=15.88
2.6几种典型工况对应的电机输出最大转速最大扭矩
根据上述算法,可算得几种典型工况对应的电机输出,如表21所示。
表21典型工况电机输出
直线运动最大速度
(m/s)
直线运动最大加速度
(g)
直线运动频率f(Hz)
直线运动周期T(秒)
直线运动幅值A
(m)
电机最大输出转速
(rpm)
电机最大输出扭矩
(Nm)
电机转速利用率
%
电机扭矩利用率
%
5
0.425
0.13263
7.5398
6.0
1800.0
445.5
90.0
56.4
0.624
0.8
2.0
0.5
0.04965
224.0
751.0
11.2
95.0
5
0.772
0.2411
4.148
3.3
1799.7
728.8
90.0
92.25
工况一、
图22工况一电机输出结果
(直线运动最大线速度5m/s最大线加速度0.425g)
图23工况二电机输出结果
(直线运动最大线加速度0.8g最大线速度0.624m)
图24工况三电机输出结果
(直线运动最大线速度5m/s最大线加速度0.772g)
2.7基本结论
根据以上计算可见,当拖动质量为14.168吨时,所选电机参数与数量均满足运动物体5m/s最大线速度和0.8g最大线加速度的要求。
转速利用率和扭矩利用率均在90%以上,速度、加速度低于这几种工况的运动,电机能力自然也都能满足要求。
3.系统的安全保护措施
整机具有机械、电器、控制等多重安全保护措施包括:
●电动缸机械缓冲保护
●电动缸限位开关保护
●第七自由度四套机械缓冲器保护
●供电系统断电保护
●供电电压超限保护
●伺服电机过载保护
●伺服电机超速保护
●伺服电机过热保护
●伺服电机电流超限保护
●六自由度位移、速度、加速度超限保护
●第七自由度位移、速度、加速度超限保护
●六自由度电动缸的数字缓冲保护
●第七自由度行程的数字缓冲保护
●第七自由度电机运行的同步性检测与保护
●紧急停机键、紧急停机按钮(舱内、控制室均设)
●伺服电机的启、停使能和断电抱闸保护
●舱门开、关与平台运动的安全连锁保护
控制软件中配置了安全保护功能模块,它实时检测整机运行故障,一旦发现异常,立即切换到安全保护模式。
在该模式下,根据运动系统当前位置的安危程度实时调节七个自由度返回停机位置的速度,最终缓慢地停在停机位置上,确保人员和设备的安全。
4.运动指标测试
七自由度运动系统配置了两套运动指标测试方案。
通过反解算测六自由度运动指标
测试计算机实时采集六自由度伺服电机的角位移信号,换算成电动缸线位移信号,再通过反解算软件算出运动平台六个自由度的角(线)位移信号,这些位移信号对时间求导可得速度信号,速度信号对时间求导可得加速度信号。
第七自由度的运动指标测试
测试计算机实时采集第七自由度电机的角位移信号,换算为第七自由度的线位移信号,该信号对时间求导可得线速度,该线速度对时间求导可得线加速度。
用传感器实测运动指标
测试计算机实时采集安装在运动平台上的三向速率陀螺和三向线加速度计的输出电信号,可以直接转换为运动系统的三个角速度和三个线加速度。
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