， ， 　， (.南京工程學院 自動化學院， 江蘇 南京　67； .南京工程學院 機械工程學院， 江蘇 南京　67)

引言

并聯(lián)機構(gòu)由最初的stewart平臺不斷發(fā)展，到今天已形成一個龐大的體系，并聯(lián)機構(gòu)的理論分析和工程應(yīng)用已經(jīng)形成了一個熱門課題。國內(nèi)外已經(jīng)研制出許多機構(gòu)各異、用途不一的并聯(lián)機構(gòu)，有些已經(jīng)在實際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。與電氣和氣動驅(qū)動方式相比，液壓伺服驅(qū)動機構(gòu)具有剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、加速性好等特點。因此，目前并聯(lián)機構(gòu)大多采用液壓伺服驅(qū)動方式[1,2]。但這種驅(qū)動方式的并聯(lián)機構(gòu)存在著重復(fù)定位精度差的缺點，一般為微米級。

為了滿足高精度納米級的定位需求， 出現(xiàn)了并聯(lián)微動機構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、運動鏈短、剛度高和承載能力大等優(yōu)點，是納米技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)成為超精密加工、半導(dǎo)體工業(yè)、自適應(yīng)光學、生物醫(yī)學工程、復(fù)合材料、航天等許多尖端領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。由于壓電陶瓷具有體積小，分辨率高且容易控制等優(yōu)點，國內(nèi)外不少學者[3,4]研究基于壓電陶瓷微位移驅(qū)動器的并聯(lián)微動機構(gòu)以滿足高精度微位移和微運動的要求。其中，德國某公司生產(chǎn)的壓電六軸并聯(lián)微動機構(gòu)已經(jīng)系列化和商業(yè)化。孫立寧等人研究的并聯(lián)微動機器人[5]已逐漸達到國際先進水平，且逐步走向產(chǎn)業(yè)化。

并聯(lián)微動機構(gòu)雖然具有很高的定位精度，但是其運動范圍較小，這大大限制了其實際工程應(yīng)用。因此，國內(nèi)外學者將宏微混合驅(qū)動的技術(shù)應(yīng)用到并聯(lián)機構(gòu)，研究混合驅(qū)動的大范圍高精度并聯(lián)機構(gòu)。美國加利福尼亞州研制的宏/微結(jié)合的機器人系統(tǒng)，宏動部分由超聲波馬達構(gòu)成直線伺服電機，微動部分由壓電陶瓷驅(qū)動，該系統(tǒng)的分辨率達到5 nm。孫立寧教授等人[6]研究的一種集成式宏微并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，其中，宏動部分為6-PSS結(jié)構(gòu)，采用壓電馬達驅(qū)動；微動部分為6-SPS結(jié)構(gòu)，采用壓電陶瓷驅(qū)動。該全壓電驅(qū)動的宏/微并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)可在立方厘米的工作空間實現(xiàn)納米級的定位精度。但由于采用全壓電驅(qū)動，其成本高，且壓電馬達的運行速度較慢、行程較小，也限制了其實際應(yīng)用。另外，李長峰等人[7]研究了一種宏/微結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機器人，其中微動部分采用高精度集成式的直線執(zhí)行器為驅(qū)動臂的虎克鉸結(jié)構(gòu)的六自由度并聯(lián)機器人，宏動部分采用電機結(jié)合絲桿傳動方式，使用閉環(huán)控制方式，保證了系統(tǒng)的定位精度，但該結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積大。

液壓伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度快，控制精度高、易于實現(xiàn)直線運動的速度、位移及力控制等特點適用于大行程的控制系統(tǒng)。因此，結(jié)合液壓伺服技術(shù)與壓電技術(shù)獨特的優(yōu)點并應(yīng)用到并聯(lián)機構(gòu)中，提出了一種基于電液-壓電混合伺服驅(qū)動的3-RPR并聯(lián)機構(gòu)，并結(jié)合虛擬樣機技術(shù)，在基于AMESim、ADAMS和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真平臺下研究其虛擬樣機模型。

1　宏微驅(qū)動的3-RPR并聯(lián)機構(gòu)工作原理

3-RPR是一種具有2個平動和1個轉(zhuǎn)動的平面并聯(lián)機構(gòu)，通過控制3個桿伸縮的長度來控制動平臺的平動和轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)3-RPR大范圍高精度定位，基于宏微混合驅(qū)動的設(shè)計思想，采用宏微兩級驅(qū)動方式，其中，宏驅(qū)動采用電液伺服系統(tǒng)以實現(xiàn)大范圍運動，微驅(qū)動采用壓電陶瓷驅(qū)動器以實現(xiàn)高精度精密定位。采用電液伺服系統(tǒng)和壓電陶瓷驅(qū)動器混合驅(qū)動的3-RPR的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示(R為轉(zhuǎn)動副、P為移動副)，其中每個桿由液壓缸和壓電陶瓷驅(qū)動器串聯(lián)而成，如圖2所示[8]。壓電陶瓷驅(qū)動器內(nèi)置LVDT直線位移傳感器以實現(xiàn)微位移的測量和反饋控制，并串聯(lián)連接在液壓缸活塞桿的末端；采用大行程高精度的直線光柵位移傳感器實現(xiàn)每個桿的總驅(qū)動位移的測量和反饋控制。

圖1　3-RPR結(jié)構(gòu)原理圖

圖2　單桿結(jié)構(gòu)原理簡圖

其工作原理為：根據(jù)動平臺的位置姿態(tài)逆解計算出每個桿的伸縮量，并作為每個桿運動的理論設(shè)定值輸送到計算機內(nèi)，計算機根據(jù)每個桿的理論設(shè)定值與光柵反饋的實際值的差值e分別控制液壓缸和壓電陶瓷驅(qū)動的運動位移以實現(xiàn)動平臺精密運動到指定的位置。其中，當差值e大于宏微切換閾值時，計算機控制三位四通電液伺服閥的通電電壓大小和方向，以控制液壓缸活塞桿的輸出位移；當差值e小于宏微切換閾值時，計算機鎖定液壓缸的輸出位移，并根據(jù)差值e控制壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移，直到滿足定位要求。

2　虛擬樣機研究

基于電液-壓電混合伺服驅(qū)動的3-RPR并聯(lián)機構(gòu)涉及機械、液壓、控制等學科。采用單一的軟件難于搭建出其虛擬樣機。而基于接口的多領(lǐng)域協(xié)同仿真方法采用各個領(lǐng)域成熟的仿真軟件，再通過各個仿真軟件之間的接口，實現(xiàn)不同領(lǐng)域的建模與仿真。為此，采用ADAMS軟件建立機械多體動力學模型；采用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)及壓電驅(qū)動模型；采用MATLAB軟件建立控制模型，通過三個軟件之間的接口研究并聯(lián)機構(gòu)總體的虛擬樣機。

2.1　基于ADAMS軟件的機械模型搭建

根據(jù)基于電液-壓電混合伺服驅(qū)動的3-RPR并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖，在SolidWorks三維繪圖軟件進行各個零件的建模，并完成各零件之間的裝配，形成并聯(lián)機構(gòu)的三維模型，并轉(zhuǎn)存為.x_t中性格式導(dǎo)入ADAMS中，如圖3所示。在ADAMS軟件里，設(shè)置各個零件的材料屬性，并設(shè)備各零件之間的運動副，具體為：液壓缸與活塞桿設(shè)移動副；壓電陶瓷與壓電陶瓷支架設(shè)移動副；液壓缸與連接件設(shè)固連；壓電陶瓷支架與連接件設(shè)置固連；壓電陶瓷與轉(zhuǎn)向架設(shè)固連；轉(zhuǎn)向架與動平臺設(shè)轉(zhuǎn)動副；液壓缸與帶座軸承設(shè)轉(zhuǎn)動副；帶座軸承與ADAMS中g(shù)round設(shè)固連。

圖3　ADAMS機械模型

根據(jù)實際情況給液壓缸和壓電陶瓷添加驅(qū)動，并與AMESim軟件里的變量相連。最后，單擊“Controls-Plant Export”輸出ADAMS機械模型。

2.2　基于AMESim軟件的液壓與壓電模型搭建

在AMESim中建立并聯(lián)機構(gòu)的液壓伺服系統(tǒng)模型和壓電驅(qū)動系統(tǒng)模型，并點擊“Import ADAMS model”將上述輸出的ADAMS機械模型導(dǎo)入到AMESim軟件中，并進行相關(guān)變量的關(guān)聯(lián)。最后，點擊“Create interface icon”創(chuàng)建MATLAB/Simulink模塊，如圖4所示。最后，通過編譯將AMESim模型生成MATLAB/Simulink可識別的模塊。

圖4　AMESim驅(qū)動模型

2.3　基于MATLAB/Simulink軟件的控制模型搭建

根據(jù)基于電液-壓電混合驅(qū)動的3-RPR并聯(lián)機構(gòu)的控制原理，在MATLAB/Simulink軟件里搭建其控制模型，采用PID控制算法，最后通過s-function導(dǎo)入上述的AMESim模塊，并進行相關(guān)變量的關(guān)聯(lián)，最終完成如圖5所示的控制模塊。

2.4　虛擬樣機聯(lián)合仿真

通過各軟件之間的接口，將上述的三種模型聯(lián)合在一起，并以MATLAB/Simulink作為主平臺進行聯(lián)合仿真。具體設(shè)置的仿真參數(shù)如下：油源壓力20 MPa；伺服閥各通道流量30 L/min；伺服閥阻尼比0.8；液壓缸最大行程200 mm；油缸活塞直徑40 mm；活塞桿直徑22 mm；壓電驅(qū)動器額定電壓為150 V，最大輸出位移150 μm；動平臺三個回轉(zhuǎn)中心的長度均為200 mm；驅(qū)動桿的長度范圍為：[115,315] mm等。

在上述仿真參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)定三個驅(qū)動桿伸長100 mm，宏微切換閾值為100 μm時，對宏微并聯(lián)機構(gòu)的虛擬樣機進行了動態(tài)仿真，具體仿真結(jié)果如圖6～圖9所示。從圖6可以看出，啟動后，驅(qū)動桿一直快速伸長，直到理論設(shè)定值與驅(qū)動桿的仿真值小于宏微切換閾值為100 μm時，壓電陶瓷開始驅(qū)動，驅(qū)動桿的運動位移從99.9 mm快速運動100 mm，最后仿真的位移穩(wěn)態(tài)誤差為±0.2 μm。從圖7～圖9可以看出動平臺X、Y兩方向平動及偏轉(zhuǎn)運動的動態(tài)響應(yīng)過程，在驅(qū)動桿的宏微切換過程中，動平臺也出現(xiàn)同樣的切換過程，使得動平臺更進一步運動到理論值。但在整個切換過程存在一定的超調(diào)與振蕩，這是由于壓電驅(qū)動器與液壓缸的耦合作用以及壓電系統(tǒng)的非線性特點所導(dǎo)致。這需要后續(xù)進行宏微耦合智能控制算法研究以消除振蕩。

圖5　MATLAB/Simulink控制模型

圖6　驅(qū)動軸運動曲線

圖7　動平臺X方向位移運動曲線

圖8　動平臺Y方向位移運動曲線

圖9　動平臺偏轉(zhuǎn)角度運動曲線

3　結(jié)論

針對單驅(qū)動方式的并聯(lián)機構(gòu)不能解決大行程和高精度之間的矛盾，結(jié)合電液伺服驅(qū)動與壓電精密驅(qū)動的優(yōu)點，提出了一種基于電液-壓電混合伺服驅(qū)動的3-RPR 并聯(lián)機構(gòu)，在基于AMESim、ADAMS和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真平臺下研究其虛擬樣機模型。其中，采用ADAMS軟件建立其機械模塊，采用AMESim軟件建立其液壓系統(tǒng)及壓電驅(qū)動模塊，采用MATLAB軟件建立其控制模塊。在此基礎(chǔ)上，進行了動態(tài)仿真研究。仿真表明所提出的該宏/微并聯(lián)機構(gòu)能實現(xiàn)大行程、高精度定位，這為后續(xù)的實際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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