（机械电子工程专业论文）客运专线无砟轨道板精调机控制系统的设计与实现.pdf

学位论文版权使用授权书 舢删 y 1 7 8 0 i i i i l 2 l l l l l f 3 l j l l j i 3 l l i l l 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；反亚b导师签名：猿全英 签字同期：为p 年月坫日签字日期：矽缉多月咎日 2 北京交通大学 硕士学位论文 客运专线无砟轨道板精调机控制系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n eu n b a l l a s t e d t r a c ka c c u r a t ea d j u s t m e n tm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m 作者姓名：张亚飞 导师姓名：张金英 学位类别：工学 。 学科专业：机械电子工程 学号：0 8 1 2 1 8 2 0 职称：高级工程师 学位级别：硕士 研究方向：机电系统控制及自动化 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师张会英老师的悉心指导下完成的。张老师严谨的 治学态度、丰富的经验、科学的工作方法、务实的工作作风、对科研事业热忱和 执着的精神给我留下了深刻的印象，使我不但在学术上，而且在为人处世上受益 匪浅，这对我今后的工作和学习都将产生巨大的影响，在此谨向辛勤培育我的敬 爱的张老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 李长春教授、延皓老师和刘晓东老师对于我的科研工作和学位论文都提出了 许多的宝贵意见，在此向他们表示衷心的感谢和敬意。 在实验室工作及撰写论文期间，孙萌博士、母东杰博士、杨相正、游彦辉等 同学对我论文中的试验研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 感谢北京铁五院李刚工程师在我的学习和科研方面给予的大量帮助与支持。 李工程师丰富的经验、务实的态度和耐心的指导使我少走了很多弯路。 另外也感谢我的父母和兄弟姐妹，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业，感谢他们多年来为我付出的一切。 最后，向所有其他帮助过我的人士表示由衷的谢意! 本论文以应用于高速铁路客运专线无砟轨道精调铺设的轨道板精调机为研究 对象，设计了一套轨道板精调机的数字控制系统，旨在控制设备沿轨道延伸方向 前进和后退，自动获取全站仪的测量数据，并根据测量结果，控制六自由度并联 机构来实现轨道板的抓取和重新定位，实现轨道板的全自动精调。 通过分析轨道板精调机的技术要求，并参考实际施工工艺流程，确定精调机 的工作原理，在此基础上完成了控制系统的硬件设计和选型，以及控制软件的开 发设计。 设备采用六自由度平台的结构形式，并选用高精度伺服电机作为驱动系统。 本文进行了六自由度平台的运动学和动力学分析，以及两种基本控制策略的分析， 针对其在本课题中的具体用途，着重研究基于铰点空问的控制策略，建立了交流 永磁同步电机的矢量控制模型，在此基础上，建立了单缸位置随动系统的数学模 型，分析了其频率特性，设计了基于p i d 控制算法的位置调节器，优化了系统动 态响应性能。 最后，基于数字控制器的要求，采用x p e 嵌入式操作系统提高系统的可靠性， 采用v c + + 与m a t l a b 混合编程技术，提高控制软件的开发效率，将前述控制策略 予以实现，达到了预期的效果。通过现场调试试验，验证了控制算法完全正确， 控制精度能够满足指定要求。 关键词：轨道板精调机；六自由度平台；位置控制；嵌入式操作系统；混合编程 分类号：t m 3 0 1 ， ， a n dr e p o s i t i o ni ta c c o r d i n gt om e a s u r e dd a t a ，w h i c hm a k e si ta v a i l a b l et oa c h i e v et h e a u t o m a t i ca d j u s t m e n t a c c o r d i n gt or e s e a r c h i n go nt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h em a c h i n e ，a n dr e f e r r i n g t ot h ea c t u a lc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h et h e s i sc o n f i r m st h ew o r kp r i n c i p l eo ft h em a c h i n e ， a n dc o m p l e t e st h ed e s i g na n ds e l e c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a c h i n e a d o p t ss t e w a r tp l a t f o r m s t r u c t u r ea n ds e l e c t s h i g hp r e c i s i o n s e r v o m o t o rd r i v e rs y s t e m t h et h e s i sa n a l y s e sk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fs t e w a r t p l a t f o r m ，a n da l s ot w ob a s i cc o n t r o ls t r a t e g i e s i nc o n s i d e r a t i o no ft h ec o n c r e t eu s a g eo f t h ep l a t f o r m ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nj o i n ts p a c ei sd e t a i l e d l ya n a l y z e di nt h i s p r o j e c t b e s i d e s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e sa na cp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r v e c t o rc o n t r o lm o d e l ，o nt h eb a s i so fw h i c hi tb u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c y l i n d e r p o s i t i o ns e r v os y s t e m ，a n a l y s e si t s 仔e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e s i g n sap o s i t i o n r e g u l a t o rb a s e do np i dc o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c ho p t i m i z e st h ed y n a m i cr e s p o n s e p e r f o r m a n c eo fs y s t e m f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h e r e q u e s to fd i g i t a lc o n t r o l l e r , t h e c o n t r o l l e ra d o p t s e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mx p et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h i sc o n t r o ls y s t e m v c + + a n dm a t l a bm i x p r o g r a m m e dt e c h n i q u ei su s e df o ri m p r o v i n gt h ed e v e l o pe f f i c i e n c yo f c o n t r o ls o f t w a r e t h ec o n t r o lp r o g r a mi m p l e m e n t st h ec o n t r o ls t r a t e g ym e n t i o n e d p r e v i o u s l y , a c h i v e v i n gt h ee x p e c t a n tr e s u l t s t h er e s u l to fe x p e r i m e n t si nf i e l d w o r k s h o w st h a tc o n t r o la l g o r i t h mi sa b s o l u t e l yc o r r e c ta n dc o n t r o la c c u r a c yc a nm e e tt h e n e e do f s p e c i f i e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a c c u r a t ea d j u s t m e n tm a c h i n e ；s t e w a r tp l a t f o r m ；p o s i t i o nc o n t r o l ； e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ；m i x - p r o g r a m m c l a s s n o ：t m 3 0 l ， 1 3 六自由度平台研究概况7 1 3 1 六自由度平台的特点8 1 3 2 六自由度平台的应用9 1 3 3 六自由度平台的研究进展1 2 1 4 论文的主要研究内容1 5 2 六自由度平台运动学与动力学分析1 6 2 1 引言1 6 2 2 六自由度平台运动学分析一1 6 2 2 1 六自由度平台机构概述1 6 2 2 2 坐标系的建立1 7 2 2 3 坐标变换矩阵l8 2 2 4 铰点坐标的确定1 9 2 2 5 六自由度平台运动学2 1 2 3 六自由度平台动力学分析2 7 2 3 1 惯量矩阵的建立2 8 2 3 2 系统的惯性力和惯性力矩2 8 2 3 3 系统的主矢和主矩2 9 2 3 4 系统动力学方程式的建立3 0 2 4 本章小结3 2 3 轨道板精调机工作原理及控制系统方案设计3 3 3 1 引言3 3 3 2 轨道板精调机的工作原理3 4 j 一 1 1 3 3 4 目录 3 2 7 1 系统技术要求3 5 3 2 2 系统设计原理3 5 3 2 3 系统工作原理3 6 3 3 轨道板精调机控制系统硬件设计3 8 3 3 1 六自由度平台几何结构。3 8 3 3 2 控制系统结构3 9 3 3 3 控制系统主要硬件选型。4 0 3 4 轨道板精调机控制系统软件设计4 1 3 4 1 基于v c + + 的控制软件设计4 2 3 4 2 基于m a t l a b 的控制算法设计4 4 3 5 本章小结4 6 4 轨道板精调机系统控制策略的研究与实现4 7 4 1 引言4 7 4 2 两种基本控制策略。4 7 4 2 1 铰点空间p i d 控制4 7 4 2 2 计算力矩控制4 8 4 3 永磁同步电机交流伺服控制系统模型5 0 4 3 1 永磁同步电机伺服控制系统的构成。5 0 4 3 2 永磁交流同步电机的矢量控制简化模型。5 l 4 3 3 位置随动系统数学模型5 3 4 3 4 时间常数计算5 4 4 3 5 未加校正的系统特性5 5 4 3 6 位置调节器a p r 设计5 6 4 4 本章小结5 8 5 控制器关键技术及实验研究5 9 5 1 引言。5 9 5 2 控制软件实现关键技术5 9 5 3 1w i n d o w s 控制软件编程关键问题讨论6 0 5 3 2v c + + 下串口通信技术6 2 5 3 3v c 抖与m a t l a b 混合编程6 4 5 3 4x p e 嵌入式系统的定制6 7 5 3 实验研究7 1 目录 5 3 1 实验目的7 l 5 3 2 实验内容7 1 5 3 3 实验步骤及结果7 l 5 3 4 实验数据分析7 5 5 3 5 精度分析7 7 5 4 本章小结7 8 6 总结与展望7 9 6 1 总结7 9 6 2 展望7 9 参考文献一8 1 作者简历8 5 独创性声明8 7 学位论文数据集8 9 i 绪论 1 1 课题来源与意义 r 绪论 本论文选题为高速铁路客运专线c r t si i 型轨道板铺设自动化精调机控制系 统的设计与实现，课题来源于实际工程项目，以京沪高铁公司支持项目为背景， 以北京铁五院工程机械开发有限公司与北京交通大学机电学院联合研究开发的 c r t si i 型轨道板自动化精调机为研究对象。 铁路是我国的大动脉，是综合交通运输体系的骨干，对国家的发展具有不可 替代的作用。为从根本上突破制约经济社会发展的“瓶颈”，必须加快铁路建设， 特别是在运能紧张的繁忙干线实行客货分线，建设客运专线，发展高速铁路【l 】。这 是“国家大事，民族百年新标” 2 1 。我国客运专线将大量采用无砟板式轨道，要 求轨道具有高平顺性和高精度，铺设误差必须保持在m m 级的范围内【3 】。其铺设质 量和精度将直接影响到高速列车是否能够安全、平稳运行。如何保证轨道板铺设 的高精度、高平顺性和强稳定性是各国在高速铁路方面研究的主要课题。 近几年来，我国正在大力建设高速铁路客运专线，要求施工企业必须着力提 高施工效率并保证施工质量【4 】。但是，当前世界各国对于无砟板式轨道的精调还停 留在手工阶段。仅仅依靠工人手工进行的轨道板精调，不仅劳动强度大，而且精 调速度不确定，其施工质量和效率完全取决于工人的经验和熟练程度，这在很大 程度上限制了客运专线的快速发展。因此研制出一套拥有完全自主知识产权、能 够满足高速铁路客运专线铺设需要的高效率无砟轨道板自动化精调设备是势在必 行之举。 本课题的研究对象轨道板自动化精调机，可以实现沿轨道延伸方向前进 和后退，根据设备的工作方式和工作特点，采用空间六自由度并联机构平台的结 构形式，用六个伺服电机带动滚珠丝杠驱动六自由度平台运动，从而实现轨道板 的抓取，其结构示意图见图1 1 。根据全站仪的自动测量结果将轨道板重新定位， 实现轨道板的全自动精调。其调整精度完全能够达到高速铁路客运专线轨道板的 铺设精度要求，铺板效率远远高于人工铺设效率。 北京交通大学硕士学位论文 图1 1 六自由度平台方案结构示意图 f i g 1 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f6 一d o fp l a t f o r m 六自由度平台，又称s t e w a r t 平台，是一种典型的并联机构，其主要特点是刚 度大、承载能力强、无误差累积等，适用于大负载的高精度定位系统和运动模拟 系统5 1 ，正符合轨道板自动化精调机的任务特点。六自由度平台的基本结构示意图 如图1 2 。 图1 2 六自由度平台典型结构 f i g 1 2t y p i c a ls t r u c t u r eo f6 - d o fp l a t f o r m 本课题将在研究六自由度并联机构运动学和动力学的基础上，设计对六自由 度并联机构平台运动控制的数字控制器，并结合高精度测量设备全站仪的测量结 果，对自动化精调机的精确定位控制系统进行研究，兼具理论与实际工程意义。 2 绪论 1 2 无砟轨道及精调技术的发展历史与研究现状 1 2 1 无砟轨道方面 1 9 6 4 年，世界上第一条高速铁路日本东海道新干线开通，标志着高速铁 路建设进入一个新的发展阶段。日本是发展无砟轨道最早的国家之一。从2 0 世纪 6 0 年代中期丌始进行板式无砟轨道研究，到目前同本已定型有多种板式轨道，在 其新干线上大量铺设，累计铺设里程已达2 7 0 0 多公里。德国也是研究无砟轨道较 早的国家之一。其无砟轨道类型较多，具有代表性的有雷达( r h e d a ) 、旭普林 ( z i i b l i n ) 、博格( b 6 9 t ) 等几种。无砟轨道占线路总长度的8 0 以上，铺设总长度达 到8 0 0 k m t 引。法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家，一直以有砟轨道能够以 2 7 0 - - 3 0 0 公里的时速运营而感到骄傲。但后来发现早期建造的东南线、大西洋线 道砟粉化严重，甚至影响正常的运营。同时，法国铁路也认识到无砟轨道的优越 性，开始了对无砟轨道的研究与试验。在新建的地中海线选择在隧道里铺设了 4 8 k m 的m o n a c o 型双块无砟轨道进行试验，另外，还准备在东部高速线一个 4 0 5 0 k m 的区间修建无砟轨道【7 】。英国以p a c t 型无砟轨道为代表，最早于1 9 6 9 年开始研究和试铺，1 9 7 3 年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国家 的重载和高速铁路的桥隧上应用，铺设长度约8 0 k m 引。此外，荷兰、西班牙、意 大利、比利时、韩国等国高速铁路无不进行了无砟轨道的试验与铺设。毫无疑问， 无砟轨道工程技术在世界高速铁路上的大范围应用将是大势所趋 9 1 。 我国于2 0 世纪6 0 年代开始对无砟轨道进行研究，与国外的研究几乎同时起 步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架式沥青 道床等多种型式。无砟轨道丌发初期，在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长 度超过l k m 的隧道内铺设支承块式整体道床，总铺设长度约3 0 0 k m 。2 0 世纪8 0 年代曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床，全部铺设 在大型客站和隧道内，总长约1 0 k m 。1 9 9 5 年开始对弹性支承块式无砟轨道展开研 究，并得到推广应用。1 9 9 6 - - - 1 9 9 7 年先后在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道 铺设弹性支承块式无砟轨道试验段，在秦岭隧道一线、秦岭二线隧道正式推广使 用，合计铺设3 6 8 k m ；以后又陆续在宁西线( 西安一南京) 、兰武复线、宜万线、 湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用，累计铺设弹性支承块式无砟轨道近 2 0 0k m t l o 】【l l 】。 但是，我国对无砟板式轨道的研究极少。最早于1 9 8 1 年7 月在皖赣线溶口隧 道内首次铺设了2 5 m 的普通钢筋混凝土轨道板试验段。但由于多年来没有进行正 常的必要维修，因而已存在诸如道床下沉等问题【l2 1 。1 9 9 5 年以后，随着京沪高速 北京交通人学硕士学位论文 铁路可行性研究的推进，无砟轨道在我国重新得到关注，提出了适用于我国高速 铁路桥梁、隧道结构上的3 种无砟轨道型式及其设计参数。2 0 0 8 年8 月建成通车 的时速3 5 0 k m 的京滓城际高速铁路，是我国首次大面积采用板式无砟轨道技术， 成为我国铁路跨越式发展的示范性工程。该线全长1 1 3 5 4 4 k m ，设计采用c r s t i i 型板式无砟轨道结构。其精度、速度等均已达到国际一流水平。试验显示，车辆 速度达到3 9 4 6 k m h 的时候，列车的脱轨系数为o 4 2 ，而安全临界值为0 8 ，说明 京津城际铁路的轨道结构非常好 1 3 】。2 0 0 9 年底通车的武广快线( 武汉至广州) 和 2 0 1 0 年初通车的郑西高铁( 郑州至西安) 翻开了我国高铁建设的重要一页。已开 工建设的京沪高铁则是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，其中铺 设c r t si i 型板式无砟轨道1 2 5 7 k m ，占线路长度的9 6 。随着大规模客运专线建 设不断推进，我国将成为世界上无砟轨道铺设里程最多的国家，我国的无砟轨道 技术将会成为世界铁路的样板和典范。 1 2 2 轨道板精调技术方面 自从板式轨道问世以来，国外各公司研制了各种用于轨道板粗调和精调的设 备。目前，德国的“s p p s ( s l a bp r e c i s ep o s i t i o ns y s t e m ) 轨道板精调测量系统”是针 对当前最为流行的c r t si i 型板式无砟轨道施工时安装轨道板而专门研制的精确 测量定位设备【1 4 1 。该设备可精确测量出待调轨道板与其设计的理论位置间的偏差， 并将调整量发送至与调整工位相对应的显示器上，指导工人将轨道板调整至理论 位置。其施工现场如图1 3 所示。 4 绪论 幽1 3s p p s 精调系统施i ：土见场 f i g 1 - 3c o n s t r u c t i o ns i t eo fs p p sa c c u r a t ea d j u s t m e n ts y s t e m s p p s 系统精调流程： 1 ) 在基准( g r p ) 点上通过强制对中三脚架分别架设全站仪和后视棱镜； 2 ) 全站仪后视g r p 点上的棱镜和已经精调完毕的轨道板的最后一对承轨台 上的测量标架上的两个棱镜进行定向； 3 ) 系统自动测量三副标架上的六个棱镜； 4 ) 系统自动计算对应测量棱镜处、调整工位的调整量，发送该数据至相应无 线数据显示器上； 5 ) 根据调整量用双向千斤顶对轨道板进行调整； 6 ) 系统自动重测各标架上的棱镜，获取精调成果的残差； 7 ) 将最后复测成果导入s p p s 精调成果评估软件，评估精调结果和进行模拟 调整，决定是否揭板重调或者更换扣件垫板【l 引。 s p p s 示意图和c r t si i 型板精调设备如图1 4 所示。 北京交通大学硕十学位论文 图1 4s p p s 示意图及c r t si i 型板精调设备 f i g 1 4d i a g r a mo fs p p sa n d a c c u r a t ea d j u s t m e n te q u i p m e n t so fc r t si it r a c k 由于国内板式轨道应用极少，因此相应的板式轨道铺装设备没有实现标准化。 京津城际高速铁路的建成对我国高速铁路的发展及相关铺装设备标准的形成具有 里程碑式的意义。针对京津城际高速铁路无砟轨道工程技术标准高、施工工艺新、 施工设备要求严等特点，结合我国尚无高速铁路无砟轨道建设经验及施工专用设 备的现状，为解决无砟轨道施工设备国产化及施工技术难题，中铁二局股份公司 于2 0 0 6 年初成立了与兄弟单位联合攻关的课题组进行科研立项研究，在引进、消 化、吸收国外先进技术的基础上，深入系统地开展了c r t si i 型板式无砟轨道施工 关键设备及施工技术研究。其所研制的轨道板精调系统如图1 5 所示。主要由全站 仪t c a 2 0 0 3 t c a l 8 0 0 、工控机( 精调控制系统) 、测量三角架及标架、精调装置4 个部分组成。其中工控机的硬件部分包括带触摸屏的工业控制电脑、显示器、数 传电台、温度传感器、倾斜传感器、电源等部分，所有接插件防潮防水【1 6 1 【1 7 1 。 6 眵 一 图1 5 高速铁路c r t si i 型板式无砟轨道精调系统 f i g 1 5h i g hs p e e dc r t s i iu n b a u a s t e dt r a c ka c c u r a t ea d j u s t m e n ts y s t e m 上海立信测量技术有限公司推出的高铁轨道精调系统“r m s t ，该系统功能 涵盖高铁c pi i i 点布设，c pi i i 点的施工测量数据处理、平差、放样等各个方面。 测量传感器采用徕卡1 2 0 0 + 高精度自动搜索全站仪，能够保证施工测量质量【l 引。 成都普罗米新科技有限责任公司所开发的针对c r t si 型板式轨道单元板的高 精度定位测量系统u s p p s ( u n i ts l a bp e r s i c e sp o s i t i o ns y s t e m ) 可以实现轨道板调 整到位后实际空间位置的高程和横向偏差在+ l m m 范围内。该系统作业流程为：建 立工程文件，输入线路平面、纵坡设计参数，使用c pi i i 自由设站后方交会，顺 序测量t 形标架各棱镜或螺孔器适配器上的4 个棱镜的空间三维坐标，计算横向 和高程调整量，轨道板调整，对调整后的轨道板进行复测【l 引。 1 3 六自由度平台研究概况 六自由度平台也称为g o u g h s t e w a r t 平台、s t e w a r t 平台，是一种典型的并联机 器人，其基本结构见图1 - 6 。最早的6 - d o f 并联机器人是1 9 6 5 年d s t e w a r t 提出 并研制的6 - s p s 机构，即著名的s t e w a r t 并联机器人机构【2 0 1 。1 9 7 8 年澳大利亚著名 机构专家h u n t k h 2 l 】提出可将s t e w a r t 平台机构用作并联机器人的主要机构，至此 并联机器人的研究开始受到众多学者的关注。m a c c a u i o n 和p h a m 2 2 1 在1 9 7 9 年首 次利用这种机构设计出了用于装配的机器人，从此拉开了并联机器人研究的序幕。 h u n t 2 3 】应用空间机构自由度计算准则及螺旋理论，对这种形式的机器人进行了机 7 北京交通大学硕士学位论文 构综合研究，给出了多种6 - d o f 并联机构的基本形式。 图1 6 六自由度平台机构简图 f i g 1 6s t r u c t u r a ld i a g r a mo f6 - s p sp l a t f o r m 1 3 1 六自由度平台的特点 与应用广泛的6 - d o f 串联机器人结构相比，并联机器人的工作空间较小且不 够灵活，动力学和奇异性的分析也比较困难，但它同时具有以下十分突出的优点 2 4 1 ： 1 ) 刚度大、结构稳定。这是由于上平台是通过六个支腿的支撑保持稳定的； 2 ) 承载能力强。由于刚度大，较串联式机构在相同的自重或体积的情况具有 高得多的承载能力； 3 ) 误差小、位姿精度高。这是由于它没有串联机构的误差累积和放大； 4 ) 动力性能好。串联式机构的驱动电动机及传动系统大都放在运动中的臂 上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而6 - d o f 并联机构将动力在机 座上，减小了运动负载； 5 ) 位置反解容易。多自由度机构运动过程中，需要进行实时反解计算。串联 机构的反解十分困难，而并联式机构的反解却非常容易。 并联机器人的许多特点与传统的串联机器人有着非常鲜明的对比，有学者将 这些情况抽象到更高程度，称其为串并联的“对偶 关系( s e r i a l p a r a l l e ld u a l i t y ) ， 并从此角度来进一步研究串、并联机构【2 5 】【2 6 】，对偶关系见表1 1 。 绪论 表1 1 并联机器人和串联机器人比较表2 7 】 一“ t a b 1 1c o m p a r i s o nc h a r to fp a r a l l e la n ds e r i a lr o b o t 【2 7 】 内容串联机器人 并联机器人 ：t ：作空间大小 刚度低高 奇异性不多很多 负载能力 低 高 惯量大小 结构简单复杂 位置精度误差累积 误差平均化 力精度误差平均化误差累积 速度 较低较高 加速度较低 较高 位置正解容易困难 位置反解困难 通常容易 动力学复杂非常复杂 控制较简单复杂 设计复杂性 低高 受最小驱动器输出力的 最人出力所有驱动力的综合 限制 成本较高较低 另外，应用于不同领域的并联机器人还有着各自的特点。并联机床等并联工 业机器人侧重于位置、速度的精度要求，而对系统响应的快速性要求不高，承载 能力也不需要太大；而对于运动模拟器来说，人们更关心并联机构的响应特性和 低速平稳性，而且此类并联机构一般要承受较大的负载。 1 3 2 六自由度平台的应用 目前六自由度平台的应用领域相当广泛，主要包括运动模拟、并联机床、微 动机构机器、操作器等。 ( 1 ) 运动模拟器当前，国外大多数飞行模拟器是采用液压系统驱动的六自 9 北京交通大学硕十学位论文 由度平台形式。而飞行模拟器的研制目前仍集中少数发达国家，比较著名的是加 拿大的c a e 公司、荷兰的d e l f t 大学等2 8 。图1 7 是荷兰d e l f t 大学研制的飞行模 拟器。该系统采用了静压支撑支腿，使运动平台所能够达到的最低加速度小于 0 0 2 9 ，而且由于采用了先进的基于模型的控制策略【2 9 1 ，该运动系统中位时的各自 由度频宽达到1 5 赫兹。 图1 7 荷兰d e l f t 大学的飞行模拟器 f i g 1 7f l i g h ts i m u l a t o ro fd e l f tu n i v e r s i t yi nh o l l a n d 除了飞行模拟器外，六自由度平台广泛用于对海况、道路及空间对接等各种 运动形式的模拟。 ( 2 ) 并联机床传统的数控机床各自由度是串接相连，悬臂结构，且传动链 长，积累误差大而精度低，成本昂贵【3 0 l 。相反，并联式加工中心结构相对简单， 传动链极短，刚度大，质量轻，切削效率高而成本低。最关键的是，并联机床能 够很容易实现“6 轴联动”，因而能加工更复杂的三维曲面。图1 8 为i n g e r s o l l 公 司生产的v o h 1 0 0 0 五轴成型中心，其机构形式采用标准g o u g h s t e w a r t 平台结构， 办h - i - 精度达到2 0 9 m ，最大速度为0 5 m s 。图1 - 9 为h e x e l 公司的多用途并联机床。 图1 8v o h 1 0 0 0 成型中心 f i g 1 8v o h 一1 0 0 0m o l d i n gc e n t e r 1 0 图1 9 多用途并联机床 f i g 1 - 9m u l t i f u c t i o np a r a l l e lm a c h i n et o o l ( 3 ) 微动机构并联机构的另一个重要的应用方面，是作为微动机构或微型 机构。一些场合要求三维空间微小移动在2 岬2 0 i _ t m 之间而工作空间较小，这正 好能够发挥并联机构的优势。微型并联机构与普通的并联机构有着显著的不同， 一个区别在铰链的制作上，普通并联机构的铰链为刚性连接，而微型并联机构采 用柔性铰链，避开了刚性铰链存在的间隙问题。图1 1 0 所示为德国p i 公司研制的 精密并联机器人m 8 5 0 ，该机构可以实现6 自由度的运动，垂直方向负载达到 2 0 0 k g ，任意方向负载达到5 0 k g ，位移重复精度x 、y 向为+ 2 i t m ，z 向达士ll x m ， 三个角位移重复精度士1 0 微弧度【j 。 图1 1 0 六自由度微定位器 f i g 1 1 06 - d o fm i c r o p o si t i o nm a c h i n e ( 4 ) 操作器由于澳大利亚的h u n t 从机器人的操作器角度阐述了并联机床 北京交通人学硕士学位论文 【3 2 1 ，指出并联机构更接近人的工作方式，才带动了并联机构研究的快速发展。作 为操作器，并联机器人可以实现高精度、高负载能力、快速地机器人操作。a r a i 等1 9 9 1 年提出将并联机构装于履带式或步行式可移动的小车上，挖掘头装于并联 机构的上平台，强有力的并联机构可以承受巨大的挖掘力【3 3 】。图1 1 l 为瑞典a b b 公司生产的i r b 3 4 0f l e x p i c k e r ，该操作机主要用于食品、药品和电子行业中的快 速拾取操作。最大负载能力为l k g ，可达拾取速度l o m s e c 和3 6 d e g s e e 。 图1 1 i 六自由度操作器 f i g 1 - 116 - d o fm a n i p u l a t o r 1 3 3 六自由度平台的研究进展 1 3 3 1 运动学 六自由度平台的运动学是其他方面研究的基础，它主要研究并联机构的位置 正反解等。已知六支腿位移，求解上平台的位置和姿态称为位置正解，反之称为 位置反解。当前在运动学的研究领域主要面临的还是正解困难问题。 对于三腿和四腿的少自由度并联机构来说，其正解解析解已经得出【3 4 】【3 5 】【3 6 1 ， 而对于最常用的六自由度并联机构来说，r a g h a v a n t 提出对应一组给定的支腿长度， 最多可能有4 0 个位形，这样很难将解析的方法应用于实际工程的正解计算中。所 以，常用数值方法来解决运动学正解问题，如用n e w t o n r a p h s o n 法、b r o y d e n 法 和p o w e l l 法等【3 7 】【3 8 】【3 9 】。问题在于，现在为止并不是很清楚这些方法是否能够收敛 于与实际六自由度并联机构当前所处的真实位置和姿态，而不会收敛于其他解。 然而，随着计算机计算速度的不断提高，以及对j 下解结果采取一些判别措施，在 工程上正解的数值算法已经可以应用于实时控制之中【加】。 在国内，2 0 世纪9 0 年代初，燕山大学的黄真等对六自由度并联机构通过部分 1 2 输入转换的方法，将机构的位置正解问题由六维降为三维，经巧妙的数学处理， 直接得出了速度、加速度正解表达式，从而简化了机构的运动分析。该方法用于 求解一般的六自由度并联机构位置正解，较方便的求出了全部4 0 组解【4 。华中理 工的李维嘉采用虚拟连杆，将难于求正解、甚至无法求正解的机构简化成与之相 近的、易于求正解的6 3 结构形式，把得出的6 3 型正解作为求这类机构正解的初 始值，通过极少次迭代得出其j 下解的全部精确值【4 2 1 。工程兵工程学院的刘安心等 研究了上下平台均不为平面的最一般六自由度并联机构位置正解。他建立了含六 个变量的位置正解方程组，利用四元齐次化法，跟踪9 6 0 条同伦路径，求出了全 部4 0 组位置正解【4 引。 国内j 下解解析研究主要是北京邮电大学机械学研究所进行的。2 0 世纪8 0 年代 末，研究人员开始了并联机器人机构位移分析的工作。1 9 9 1 年末，文福安、李静 宜和梁崇高在借鉴前人经验的基础上，用坐标点描述机构平台在空间的位姿，用 基本距离和相对位置系数描述机构的结构参数，利用计算机代数系统 r e d u c e m u m a t h 和m a t h e m a t i c a 作为有力工具，终于推导出了一般6 - 6 平台机 构的一元高次的输出方程【删【4 5 1 。此外，北京工业大学的饶青等利用机构的几何等 同性原理建立正解的基本方程，最后推导出了一个2 0 阶的一元位移输入输出方程， 从而得到了封闭正解【4 6 】，在解决并联机器人机构位移分析这一重要课题上走在了 世界的前列。 1 3 3 2 动力学 研究动力学问题是为了进行六自由度平台的结构参数优化设计以及控制系统 设计。g o u g h s t e w a r t 平台是一种典型的并联机构，它是由1 3 个刚体构成的多体系 统，其动力学模型通常是一个多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。常 用的多体系统建模方法有牛顿欧拉法、拉格朗同法、虚功原理法、k a n e 法、h u s t o n 方法、影响系数法及旋量理论等，这些方法都被应用于并联机构的动力学建模。 牛顿欧拉法是一种基于矢量力学的方法，它是人们对刚体运动规律最直观的 认识。牛顿欧拉法的基本出发点是将刚体的运动分解为刚体上某点的平动以及刚 体的转动，并分别建立牛顿方程和欧拉方程来描述整个刚体的运动规律【4 7 1 1 4 8 1 1 4 9 1 。 用牛顿欧拉方法建模，一般认为推导过程较复杂，且方程中会出现大量的约束反 力需要求解。但事实上，在动力学建模中往往可以通过某种方式消去所有的约束 反力而得到简单的方程，在方程求解后再有选择地计算机构优化设计需要的约束 反力。拉格朗日方法的基础是经典力学领域的另一分支分析力学，它建立了 系统的能量和广义坐标之间的关系，能够避免任何约束力的出现【5 0 】【5 1 1 。用拉格朗 北京交通大学硕士学位论文 同方法需要大量的符号和矩阵运算，推导过程繁杂，再计算约束力也比较困难， 但有利于对系统耦合特性的分析。k a n e 方法的优点在于将伪速度作为刚体系的独 立变量，这样能够利用虚功率原理来建立动力学方程，从而避免了拉格朗同方法 对能量的计算，得到的方程比较简澍5 2 1 。 f i c h t e r i s 3 等最早对s t e w a r t 平台的动力学进行了分析，但他们的研究忽略了支 腿的惯性。d a s g u p t a 5 4 】等用牛顿欧拉法推导了6 - u p s 型并联机构的完整逆动力学 模型，得到一种高效的并行算法。j i 【5 5 】用牛顿欧拉法讨论了支腿惯性对动力