并联结构（精选12篇）
并联结构 篇1
0引言
铰链是并联机构中动、静平台的关键连接部件,最常见的有虎克铰、万向节及球铰链。在研究3-PSS并联坐标测量机的过程中,进行误差分析时发现球铰链的误差对测量精度影响很大,在所有误差源中占很大的比重,需要进一步深入研究,以便消除或减小其对测量机精度的影响。
1球铰链结构特点
图1为万向节、虎克铰结构及其等效结构。万向节与虎克铰两者间的功能非常相似,只是结构稍有差异,均提供两个回转自由度,相当于轴线相交的两个转动副,可等效为三杆两副运动链。由D-H参数法可知,两转动副轴线相交,两轴扭角α12=90°,杆长a12=0;θ1、θ2为两个变量,是虎克铰与万向节所能提供的两个转动自由度[1]。
图2为球铰链结构及其等效结构。球铰链由球头、球头杆、球铰盖以及球铰座构成。球铰盖与球铰座形成一个球窝,球头嵌在球窝里并可以在一定的角度范围内实现3个自由度的回转。球铰链的转动角度由球铰链中立位置时球铰中心线与转动后球铰中心线的夹角确定,受结构限制,通常球铰链的转角比较小,从而影响了并联机构的工作空间[2]。
从运动学角度分析,球铰链的运动可等效为3个汇交不共面的转动副依次把4个杆件串联形成的运动链。根据空间机构连杆参数的D-H法,对于球铰链,在其4杆3副等效机构中,为保证三轴线汇交于同一点且α12=α23=90°,4杆3副机构必须满足:每根杆的杆长、扭角和相邻杆的偏置量为定值,杆长为0,扭角为90°,相邻杆之间的偏置也为0,仅有两杆之间的转角θ1、θ2、θ3是变量,即球铰链的3个回转自由度。球铰链尽管提供了3个回转自由度,但在并联机构的应用中,一般绕球杆的回转自由度没有实际用途,其模型也可简化为三杆两副运动链。
球铰链的小转角导致并联机构的工作空间受限,加工精度不易保证,所以影响并联机构的精度。因此,如何增大球铰的极限转角以增大工作空间、提高制造精度是球铰链结构亟待改善之处。增大极限转角可以通过减小球铰盖厚度和连杆直径或增大球头直径来实现,但改变上述结构参数会导致球铰链刚度变差、结构不紧凑并增加其运动惯性,所以单纯从结构参数上考虑增大球铰转角并非最佳方案。研究中发现,在并联机构的工作空间中,并不要求所有球铰的转角在正负方向上都达到最大值,因此可充分利用球铰转动时转角的不对称性,根据球铰转角范围的实际要求,对球铰中心的方向及安装角度进行设计,用较小的球铰链结构满足并联机构的工作空间要求。
2球铰链的误差特点
在球铰链的4杆3副等效机构中,相邻的运动轴线应是汇交于一点并相互垂直,但现实中由于球铰链的结构复杂及工艺水平的限制,难免会存在制造误差,如图3所示。两相邻转动轴线并不垂直,它们之间的距离和夹角分别为d和90°+μ,其中,d和μ分别为球铰的偏移误差和夹角误差,即球铰的制造误差[3]。制造误差属于结构误差,可以通过标定予以减小或消除。
球铰链球头与球窝之间由于动配合的关系不可避免地存在间隙,而且,工艺上的误差及铰链运动过程中的摩擦会加剧间隙误差。间隙误差虽属于结构参数误差,但本质上与球铰杆的位姿、工作载荷大小及方向相关,呈现出一定的空间随机误差的特点,该误差在并联机构的正反解中无法表达及定量表示,是独立作用的,因此常规的微分建模并不能实现该误差的修正和消除。后续的研究中我们将设计、制造专用的测量设备来全面获取球铰杆处于不同位姿时的球铰链间隙误差数据并进一步建模。并联机构大都同时使用多个精密球铰链,理论和实践证明多个球铰链的间隙误差会产生相互耦合和平均效应,使得球铰链间隙误差对终端的运动精度影响更为复杂,在理论上也需要进一步深入研究[4]。
3提高球铰链精度的措施
3.1 改善球铰链结构
3.1.1 滚动型球铰链
即以滚动接触取代球头与球窝的滑动接触,减小球头与球窝之间的摩擦力从而提高精度。图4为德国INA高精密球铰链,球头与球窝之间由于布置了大量滚动小球而降低了接触应力[5]。此外,日本的HEPHAIST株式会社也开发研制了高精度的滚动型球铰链;麻省理工学院从受力分析、可承受负载、精度、成本等方面对滚动型球铰链进行了研究,也证明了滚动球铰链的优越性。
3.1.2 新型滑动型球铰链
图5为新型滑动型球铰链分解模型。此种球铰链是在球头与球窝之间加入由耐磨和自润滑材料(如油聚甲醛、环氧基树酯等)制成精确的安装面,球头与安装面固联为一个整体,在提高精度及工作寿命的同时也简化了以往球铰链需在球头与球窝之间配置两个球面垫和弹簧以补偿由于摩擦而造成间隙的复杂结构;球窝底部有8个直径Φ12 mm的小磁铁形成一个环形,以提供磁预紧力,减小球头的定位误差。
3.1.3 气浮式球铰链
图6为气浮式球铰链的球窝结构,压缩空气通过红宝石喷嘴注入球窝基部,形成支撑球体的气隙,并且球窝的底部有8个小磁铁形成一个环形来提供球头的磁预紧力以减小球头的定位误差。为防止球头转动时与球窝之间的碰撞接触,在窝槽与球头之间贴合有一层减磨缓冲材料复制球体而形成的安装面[6]。
1-密封架;2-球销;3-滚动小球;4-球窝;5-中心支座
1-执行机构;2-球头;3-复制层;4-球窝;5-小磁铁
1-复制层;2-球窝;3-进气口;4-气孔
3.2 球铰链误差的补偿
3.2.1 误差补偿法
球铰链的结构极其复杂,直接进行误差补偿比较困难。清华大学的高猛提出采用D-H法(矩阵法)来建模分析,其原理是球铰链的制造误差会引起D-H参数误差,从而导致并联机构的运动坐标系到固定坐标系的转换矩阵产生误差,进而引起坐标系的位姿(平移和旋转)误差,最后影响终端的位姿精度。具体方法是假想地把并联机构的每条支链看成单开链,运用D-H法建立包含铰链制造误差的运动学方程,通过仿真计算得到工作空间内铰链制造误差对终端运动精度的影响规律,最后将铰链制造误差映射为驱动杆长度误差,并据此开发出误差实时补偿算法。
3.2.2 运动学标定法
为提高终端的位姿精度,可以对包含球铰链位置坐标的所有几何参数进行运动学标定,从而抵消或减小由于球铰链的制造及装配误差等对终端位姿精度的影响。黄田和汪劲松系统地研究了Stewart平台几何参数误差的可辨识性,仅需检测末端在历经所有可控自由度时沿单轴的相对位置误差及其在初始标定位形下的姿态误差便可辨识出系统的包括球铰链位置坐标
的全部几何参数[7];刘得军提出一种基于逐次逼近算法的运动学标定方法,并对3自由度并联坐标测量机的22个运动学参数进行了标定[8]。上述两种误差补偿方法只针对球铰链的制造误差和铰链安装位置误差有效。
4总结
本文针对球铰链内不同性质的误差,探讨了不同的误差修正方法。下步工作将设计制造专用测量装置测量间隙误差与球铰杆位姿之间的误差关系进而完成误差建模,为实现间隙误差补偿创造条件,同时从理论上深入研究多铰链组合时的误差平均效应,从理论上揭示和探讨误差平均效应的内在机制和数学依据。
参考文献
[1]黄真,孔令富,方跃法.并联机器人机构学理论及控制[M].北京:机械工业出版社,1997.
[2]高金莲,韩英强,李波,等.并联机器人球铰链的仿真设计[J].机械设计,2007,24(2):253-255.
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[4]王海军,王君英.关节间隙对并联机床精度影响的规律研究[J].清华大学学报(自然科学版),2007,18(2):471-475.
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[7]黄田,汪劲松.并联构型装备几何参数可辨识性研究[J].机械工程学报,2002,38(12):381-386.
[8]刘得军,艾清慧,车仁生,等.3自由度并联坐标测量机运动学参数标定与计算机仿真[J].机械工程学报,2004,40(3):315-319.
并联结构 篇2
教学目标：
1、会看、会画简单的电路图。
2、能连接简单的串联电路和并联电路。
3、通过探究，用实验的方法了解串联、并联电路的区别。
4、能说出生活、生产中采用简单串联或并联电路的实例。教学重点什么是串联和并联电路，会连简单的串、并联电路。
5、知道常见的串联电路和并联电路。教学难点理解串、并联电路的特点及区别。
6、会设计简单的串联电路和并联电路。
教学设计修改与补充：
一、新课引入：
教师活动：
1、复习常见电路元件符号的画法。
2、出示一长串小彩灯，并接通电源使它发光。
3、多媒体放映家庭照明电路中用电器工作情况。
4、激趣引入新课。
学生活动：
1、练习电路元件符号的画法。
2、观察小彩灯的发光情况。
3、思考小彩灯及家用电路元件的连接。
4、讨论提问。
二、组成串联和并联电路
教师活动：
1、强调电学安全操作要领，防止实验中可能出现的安全事故。
2、介绍常见实验器材。
3、问题：你能否选用一些器材使一盏灯亮?
4、学生在黑板上连通电路使灯泡发光后，要求全体学生画出电路图。
5、提问：如果给你两盏灯和一个电源，你能同时使两灯都发光吗?有几种接法?
学生活动：
1、牢记电学安全操作要领。
2、认识各种器材。
3、学生上台连接电路，使灯泡发光。
4、画电路图。
5、学生动手、动脑，相互讨论，然后画出电路图，再连接实物图。
6、设计由3盏灯组成的电路图。
三、探究串并联电路的特点
教师活动：
1、在学会连接串、并联电路后，引导学生对照实际电路，观察比较在不同电路中，各元件的连接方式、电流路径、开关在不同位置的控制作用有何不同。
2、师生共同分析归纳串、并联电路的特点，并板书结论。
串联电路只有一条路径，用电器的工作互相影响，只需要一个开关，开关的位置不会影响控制作用。
并联电路有两条以上的`路径，用电器的工作互不影响，支路的开关只能控制支路的用电器，干路的开关控制所以的用电器。
3、练习连接串联和并联电路。
学生活动：
1、学生小组讨论、相互交流，汇报讨论结果。
2、在教师的指导下，学生连接串联和并联电路。
四、课堂巩固
教师活动：
1、多媒体播放：夜晚的路灯，满天星彩灯串，高大建筑物上的装饰彩灯。
2、多媒体投影电路图：A、B、C、D这四个电路哪个是串联电路，哪是并联电路?为什么?
3、问题：比较串、并联电路有哪些不同?
学生活动：
1、相互讨论交流，阐述自己的观点，对不同的看法可进行辩论。
2、学生独立分析并回答。
3、个别回答，相互补充。
五、小结和练习：
1、让学生谈谈对本节课的收获。
2、练习题(略)。
板书设计什么是串联电路?什么是并联电路?
串联电路和并联电路的特点。
有效识别串并联电路 篇3
串联电路的定义：把用电器逐个顺次连接起来的方式（如图1）.特点：（1）电流只有一条路径.（2）只需一个开关，开关位置不影响控制效果.（3）用电器同时工作，同时不工作（互相影响）.（4）电路中任意一处断开，所有用电器都不工作.
并联电路的定义：把用电器并列连接起来的方式（如图2）.特点：（1）电流有两条（或多条）路径.（2）用电器可以独立工作，互不影响.（3）干路开关控制整个电路，支路开关只控制对应支路.
识别电路是解决电路问题的基础，如何有效识别串、并联电路呢？
一、定义法
串联：逐个顺次、首尾相接.如图3，L1的右端与L2的左端顺次相连.
并联：并列、首首相接、尾尾相连.如图4，L1的左端与L2的左端相连，L1的右端与L2的右端相连.
二、电流法（也叫直通法）
即把电流类比成水流，从电源正极流回负极，如果电流只有一条路径即为串联，如果电流有两条或多条路径即为并联.（若为并联，必须找到分流点和会流点）
如图5A，若闭合开关，电流从电源正极流出先后通过L2、L1再回到负极，电流只有一条路径，故L1、L2串联.
如图5B，若闭合开关，电流从电源正极流出，流到M点后分为两路，分别通过L1、L2，于N点会合后，流回负极.故L1、L2并联.图5C与图5B类似.
图5D中间部分十字相交不打点表示不相连，因此电流仍是电流从电源正极流出，流到M点后分为两路，分别通过L1、L2，于N点会合后，流回负极.故L1、L2仍是并联.
三、短路法
用导线连接在其中一个用电器的两端（为避免电源短路，应采取试触的方法），即将其短路，如果其他用电器仍能工作，即为串联电路；如果其他用电器都不能工作，即为并联电路.这种方法在实际电路中应用较多.
四、拆除法
将其中一个用电器拆除，如果其他用电器都不能工作，即为串联电路.如果其他用电器都仍能工作，即为并联电路.这种方法也往往用在实际电路中.
五、节点法
同一根导线上，各点相同，可认为是同一点，如图6，导线AC的两端A点、C点可以看成同一点，同理，导线BD的两端B点、D点可以看成同一点.这样可以想像把C点向左拉与A点重合，把B点向右拉与D点重合，即可等效成如图7所示的电路，显然三只灯泡并联.
六、识别电路时对电表如何处理
如果电路中连有电表该如何处理？因电流表的电阻为零，可把电流表“当导线”处理；因电压表的电阻无穷大，可把电压表“当断路”处理，即对电压表“视而不见”.
如图8，把两只电流表当导线，其等效电路图如图9所示，再用“电流法”（直通法）判断，可知L1、L2并联.
如图10，把3只电压表当断路处理，其等效电路图如图11所示，再用“电流法”（直通法）判断，可知L1、L2串联.
并联结构 篇4
以德国为主的欧洲工业国高度重视对并联运动机械(PKM)的研究,研究内容包括PKM的元件开发、产品结构设计、校正与控制及应用。据报道,目前在全世界范围内应用获得较为成功的有40余种PKM,主要集中在欧洲工业国,主要应用于模具制造、航空制造、汽车工程及成形技术方面,并不断有新的PKM机型和新的解决方案出现,以满足以高速、高精度、高生产率、小投资以及个性化、柔性化为特征的现代制造生产系统的需要。笔者近年在德国斯图加特大学机床研究所(IFW)访问工作,对德国PKM的最新技术和发展进行研修,回国后已介绍了以德国为主的欧洲工业国开展并联运动机械的研究活动及其总体研究成果进展[1],并分别以专题的形式介绍了这些并联运动机械在工业中的应用情况[2]、误差建模及校正技术[3]等方面的研究成果。本文综合评述目前国内外,尤其是以德国为主的欧洲工业国在PKM机械结构综合与设计方面的最新研究成果,希望这些国外的研究成果对我国自主开展基于PKM的先进装备制造业的原始创新、集成创新以及消化引进吸收再创新研究有所借鉴和启示。
1 结构综合与新机型设计
除了众所周知的、最早获得成功应用的Hexpod及Delta外,还有Neos Robotics公司的Tricept系列、DS-Technology公司的Ecospeed Sprint机床、Index公司的V100机床以及Metron公司的Pentapod P-800机床也先后投入工业应用并获得了较大成功,同时又有很多新型PKM模型和样机相继出现。这一方面反映了PKM的优点逐渐被人们认识,其缺点可以克服或避免;另一方面,反映了现代制造业对PKM的认可,并使PKM逐渐占据其应有的地位。本文分别按自由度由多到少的顺序来评述这些新型的PKM及其开发背景。
1.1 六自由度PKM
开发高速铣削新机床的目的不仅要减少切削时间而且要减少非切削时间以提高切削过程的生产率,其特征是具有一个高速进给机构和一个高转速主轴运动。基于这种考虑,文献[4]开发了一种新型铣床,它基于一种用作高速进给定位的六自由度并联结构,6个滚珠丝杆推杆用作驱动;推杆的一端连接在具有一个二自由度关节的滑块上,推杆的另一端连接在一个具有三自由度关节的末端操作器上;6个推杆悬挂于机架,并吊起末端操作器。该机床达到了100m/min的最大进给速度、14.7m/s2的最大加速度、1μm的直线重复精度以及16μm的圆周精度。
1.2 五自由度PKM
并联结构存在以下三个缺点:①工作空间与机床总体积之比太小;②五轴机床主轴的倾角完全依赖于其位置,而现有传统机床的NC程序通常对PKM无效;③最大倾角受限制,不能实现五面加工。为此,Metrom公司突破常规的优化机械结构的方法,开发出一种新颖的五环-五杆的P-800型机床,它不仅能使机床主轴实现摆角至90°、五轴NC程序在不需附加修改和不需考虑依赖位置的角度约束下运行,而且在整个机械结构设计上尽可能实现模块化,这是并联运动机床发展的一个里程碑式的进展[5]。
文献[6]开发了一种用于轻型操作的改进型五轴PKM,它由一个三自由度基于Tripod并由一条被动腿加强的PKM,以及具有X向、Y向移动的一个龙门框架两部分组成,这种结构能保证系统满足五轴加工功能。被动腿是为了增加整个系统的总体刚度,它是一个具有伸缩杆的三自由度串联操作手。该文献还根据刚度模型,对其进行了设计优化。
文献[7]开发了一种高速机床——HitaSTT,它的主机构为一全新的四自由度并联运动机构,第5个转动操作的自由度由另一个单独的转动架提供,该机构的市场推广和应用较为成功,这是由于考虑了以下几点:①机床功能的多样化,它能用于铣削、车削、去毛刺、激光切割、水切割等;②主轴在工作空间中能绕B轴转120°;③床身基础尺寸小于1200mm×800mm;④在整个工作空间内平均受载均匀;⑤加速度可达5g(g为重力加速度);⑥加工精度达10μm;⑦制造成本低。已有的PKM运动结构,都不能满足上述要求,特别是主轴不能绕B轴转120°,而结构刚度又不能在工作空间任一点上得到保证。
文献[8]设计了一种用于零件圆锥外表面精密加工的新型五自由度PKM结构,具有3个转动自由度和2个移动自由度。
1.3 四自由度PKM
文献[9]提出了一种新型四自由度并联机构,用于较大工作空间内重型零件的加工,它的4个自由度是3个移动和1个绕给定轴的转动。该文献还导出了关于速度和力传递的输入输出关系模型,评估了内部受力模型和刚度模型。文献[10]设计了一种新型的六腿四自由度并联平台操作手,安装于底座的滑块作为驱动器,运动平台能实现两个方向的移动和绕两个轴的转动,建立了运动学模型并描述了正逆解运动学转换及6种奇异性情况分析。
1.4 三自由度PKM
文献[11]提出一种用于磨床的三自由度球面并联机构的新设计。该结构中运动平台和基础平台是通过三条结构链来连接的,每条结构链由两个转动副和一个球关节串联而成,这样,三条腿组合就能产生绕一个固定点的转动运动。这个固定点的空间位置可以在末端操作器的外部或内部,取决于机构所要求的应用要求,且各种不同的几何构型布置就能产生凹面或凸面的球面。
文献[12]开发了一种新型简易的三自由度平移并联机构Triptereon,具有I-O方程线性且完全解耦、运动学计算简化、工作空间内没有奇异位置、工作空间成直角箱型等显著优点,并给出了一台样机。
文献[13]设计了一种正交滑块式、用于制造业的新型三自由度并联运动机床,这种机械具有三个固定正交的线性关节,以及一个具有固定姿态能在卡迪逊X-Y-Z空间移动的运动平台,这种正交性的主要好处是利用了PPP串联机械的优点(较规则的卡迪逊工作空间、性能均匀)以及杆的并联运动布置的优点(惯性小、动态性能好),这些优点使得这种正交结构非常适合于高速加工业的应用。
从以上看出,三自由度、五自由度的PKM在工业上逐渐得到重视。
2 结构与参数优化设计及方法
并联机构天生具有刚度好、定位准确、高速等优点,为了得到这些好的性能,在设计过程中除了要选择合适的机械结构外,还要选择正确的尺寸,因为对并联结构来说,因尺寸变化引起的性能变化要比传统的串联结构要大得多,而同时,对已给定的PKM,选择最佳的运动尺寸是一件较难的工作,这是因为:①要考虑的大多数性能在整个机构的六维工作空间内往往表现很不均匀,在大多数情况下,往往只能仅对机构的一个姿态来计算其性能准则,即局部性能,但为了评估机构的全局性能值,就需要有效的算法;②通常需要考虑很多不同的性能,但这些性能规范往往对于设计参数是相互矛盾的。针对众多的不同的设计变量,又由于不同的应用具有不同的性能要求,不可能存在一个通用的优化工具。因此,只能针对特定的应用背景进行优化。
结构优化的内容包括:总体结构布置的优化(即铰链布置和杆长确定等)及零部件结构的优化(即拓扑形状、结构尺寸参数优化等)。优化的目标包括结构刚度、工作空间、总体尺寸及加速度等。优化设计方法和工具则采用多实体仿真技术、有限元分析、三维CAD等集成的软件。经过优化后,工作空间明显增加、结构紧凑、质量减小等,这对提高PKM机床的运动学及动力学性能都具有重要意义。
2.1 基于工作性能的结构与参数优化
文献[14]在对末端具有纯平移、纯球面或平移-球面混合运动的三自由度空间并联操作手的静态和动态特性进行分析后,讨论了操作手静态设计和动态设计之间的关系,据此提出了一种基于动力学性能的优化设计方法,即所谓的二步设计法。该方法能为给定的工作选取具有较好静态和动态性能的结构,并已被用于设计一纯平移并联操作手,且无论从静态和动态的观点来看,全局都是各向同性的。
众所周知,PKM机器中的驱动运动是非线性传递的,而且机器的位置对结构的工作特征具有决定性的作用。这样,非线性传递和对位置的依赖性使得并联机械结构和它的工作特性之间难以建立一个直接的关系。然而,工作空间是由杆的行程、关节的最大转角以及杆-杆、平台-杆之间的不碰撞来决定的,要精细完成杆系的分布以保证刀具中心能达到整个工作空间,必须由计算机辅助来完成。因此,在预定工作空间内如何开发一个具有最佳机械性能的PKM结构是人们关心的。为此,文献[15]介绍了一个用于Hexopod结构的基于工作空间的结构优化方法,它选择性地评估机械性能的有效指标,将工作空间作为初始要求,最后能提供静态和动态优化的合理的初始结构。
文献[16]介绍了PKM结构综合的一种方法,该方法能找到实现平台最大倾角的结构和增加刚度的结构,找到运动链中驱动杆和铰链的最佳位置等。
PKM机床因其较高的动力学性能和刚度为众人所知,但是,这些优点往往针对具体的应用场合且只有在这些机构被优化以后其优点才能体现出来。PKM的两个重要目标是机床的最大刚度以及最大工作空间,因此,PKM的优化策略必须是基于这两个竞争目标之间的某种妥协,结构综合就是要为待解决的任务找到一个合适的机械结构。文献[17]讨论了并联运动学机床的结构优化问题,介绍了一种设计PKM获得刚度优化的综合方法,即从大量PKM的系统分析开始,决定每个运动链的自由度,接着对每个与实际有关的运动链寻求一个优化刚度的结构。这样,这种结构的运动尺寸就可按要求的目标去进行尺寸优化。
针对并联机器人实际应用中工作空间对整个机器体积之比较小,以及在工作空间内会出现奇异性两个缺点,文献[18]提出了一个平面五杆并联结构,它用控制的方法让机器人从一个构型通过其奇异点,到达另一个不同的构型(运动学的另一个解)中继续工作,通过利用奇异性这种方式扩大了工作空间。最后,研发了采用这个新运动结构的抓放机器人样机,实验测试表明,这种设计方法是成功的。
由于机床特性很大程度上依赖于几何尺寸的适当选择,因此,参数确定和优化对于PKM起着重要作用。文献[19]提出由必要的过程要求(如工作空间尺寸和运动灵巧性)导出全局约束优化问题,且将机床的总成本作为目标函数,对并联机器进行设计,并运用区间分析来解决这一问题,给出了一些应用于Linapod结构后所得的结论。
文献[20]对面向任务的并联运动学多目标优化问题进行了研究,认为目前对运动构型的许多评定工作是利用可达工作空间内的极限特性,在决定了对所有可达工作空间位姿的性能值后,就选择极限值并将之作为简化的性能指标转化为优化值,这些极限值通常位于工作空间的边界或附近。如果考虑在这些区域内使用,很显然,其使用与优化过程所表示的重要性不相称。除了整个工作空间上性能值的集成处理外,位置依赖的程度常由具体的应用所决定,这可通过并联运动学的优化来解决,或者说,需要一个比较好的性能评价方法来开发具有较高生产率的PKM机床。根据在工作空间区域所达速度和加速度的集成准则来决定生产时间的长短,也可通过正确工作空间位置的优化来达到,而这个位置不一定位于工作空间边界或附近。
文献[21]研究并联运动学静态和动态性能的计算机辅助优化问题,其目的是为了改善整个机械性能所进行的PKM建模和优化过程,讨论了两种不同的优化方法及其在设计过程中的集成应用。第一种方法利用多体仿真来优化关节的位置,优化后的运动构型可使整个结构刚度增加。其他指标,如传动率、工作空间、设计空间或加速度性能,对决定优化结构来说也很重要,这就产生了多目标优化问题,常用的基于梯度的算法是无效的。因此要用一种简易的无梯度算法进行优化,或者将这一算法耦合或者集成于多体仿真软件之中。第二种方法是将拓扑优化用于PKM元件设计的一种方法。采用该方法时,元件的优化设计就可在给定设计空间中决定下来。假定具有恒定的边界条件,则采用通用的拓扑优化方法,对具有较高加速度的元件来说十分关键。考虑载荷和系统性能的变化,需要将拓扑优化和多体仿真结合起来,这也使得能检测到PKM工作空间中的关键位置并在优化中给于考虑。上述这种结合可用ADAMS软件和优化软件MSC来实现。
最近几年尽管提出了许多基于奇异值和条件数的优化准则,然而一旦机器人混合有移动和转动的运动,运用这些数值就必须极其谨慎。为此,文献[22]提出一种方法,其主要思想是基于将转换矩阵分成不同的子矩阵,并映射到每个所研究问题上的多准则优化。利用遗传算法解决非线性优化问题已经引起了研究人员越来越多的关注,但需要研究一种具有能有效选择、重组路径和观察优化收敛终止方法,并且参数和目标约束能自动适应的新型遗传算法。为了充分证明其优点,该文献对六自由度六足虫机构进行了演示。最后,提出了一种新型动态可重构PKM,它具有较好的性能特征。
文献[23]介绍了用于龙门结构五轴机床的二自由度平动并联机构的性能分析和优化设计方法,它不同于应用于并联机构中的传统优化方法,而是利用特性图表,提出了一种在大部分工业设计中可被应用的设计方法。这种方法对一个设计问题提出一个最优范围,而不是一个唯一解,这一最优范围包括了所有可能的优化解,设计者可非常方便地从中选择一个适合自己设计条件的优化设计方案。
2.2 优化方法及其设计工具开发
由于PKM开发的复杂性以及为了在设计时能预测机床的性能并进行优化,以建模、仿真和虚拟现实为主要内容的设计工具和环境(仿真、软件系统)的开发是上述PKM构型设计、参数综合与优化过程中一个不可缺少的环节,特别是并联机床多样性的总体布局、运动参数的选择对工作空间大小与形状、静动态特性都有很大的影响,只有通过计算机反复验算、论证,才能得到优化解。因此,开发具有一定通用性的仿真设计软件和工具也显得同样必要。
文献[24]介绍了运用有限元(FEA)、混合多体仿真(MBS)技术进行机床拓扑优化的过程,考虑在不同的关键工作空间位置上优化机床零件,进一步在优化过程中考虑载荷的变化和系统性能,并以Cross Hiiller公司的GENIU 500机床作为应用例子,表明这一优化方法具有很好的潜力。
文献[25]开发了一种混合仿真系统,它由一个高精度的用于计算工艺切削力的五轴铣削加工仿真软件和一个关于工艺切削力生产及热误差仿真软件组成。这一混合仿真系统基于NC程序内部给定的刀具轨迹,计算来自于工件/刀具相互作用的切削力,然后,计算在这些力作用下由于在不同位置因刚度变化而引起的机械结构变形。这两步通过整个NC程序以离散的方式完成,在处理NC数据时,刀具运动也转换为机器的轴运动以计算热变形,热变形再返回到加工仿真中来,以便将机械误差反馈至下个加工力的计算。通过热变形或加工切削力导致的刀具中心的偏差,可优化原始的NC数据来加工更精确的表面。
由于大量的非线性运动参数和外界条件(如奇异性、碰撞等)影响,PKM的结构布置是一个复杂的优化过程。除了一些非常对称的设计外,这种优化问题不能进行数值求解,因为机械结构的设计及其每个零件的尺寸,不仅对工作体积而且对静态、动态性能(如刚度和自然辨率等)有很大的影响。鉴于此,文献[26]开发了一种仿真工具,用于计算PKM机床的重要特性,像工作体积、刚度和自然频率等。其中,计算PKM工作体积的算法是基于Octret方法,它避免了常用离散化算法的缺点,即集中计算,无精度要求,或者基于算法的数值计算,即不需要考虑边界条件;而基于计算的多刚体仿真,仅依赖PKM结构的各个元件的几何和物理特性,就能计算PKM的静态和动态性能。最后,该文献用“六足滑块”的“Linapod”机床作为例子,来仿真证实说明,PKM在工作空间内的特性完全取决于TCP以及刀具的姿态,仿真和实例的比较证实了这种仿真方法的有效性和精确性。
文献[27]研发了一个“Hexapand-”的优化程序,用于设计和优化六足虫结构的布置,以及六足虫的运动学和静力学计算。它给用户提供了一个手动工具来修改六足虫布置的主要参数,同时能估算工作平台的许多输出指标;利用“Hexapand-”程序,已开发出一个用于飞机工业的加工中心,该加工中心已由Savelov机床制造公司来生产制造。
文献[28]提出了一种用于PKM设计的集成方法,并开发了一个集成的分析和设计工具(IADT),它能在短时间内评估PKM结构,并用于已经在制鞋工业上应用的轻载铣削操作的三自由度PKM的优化设计中。
Virtual Reality (VR)技术作为有效的研究和设计手段,可减少新型机床的研发时间,在VR中产生的数据重新回到全局的开发过程中,通过组合模块方法可以研制出大量并联运动机床。文献[29]开发了一个用于快速构造并联运动机床的基于虚拟现实的设计工具——VRAx,它是通过将开发及设计过程和VR技术结合起来实现的,在一种沉浸环境且透明的研制过程中直接实现客户的要求,从PKM机床部件的构成要素子系统开始,就可以进行机床结构优化,将这种方法应用到结构设计和优化上就可以很快创造出基本模型,并可以将这些模型相互比较。该文献以Clavel-Tripod为例说明上述过程,并讨论了一些新的优化方法与VRAx系统的集成。
3 方案设计方法的新动向
笔者注意到PKM系统的方案设计已出现了方法学的趋势[1],认为至今已初步形成三个方面,即混合运动机械学(HKM)、冗余并联运动学(R-PKM)及PKM可重构设计方法学(R-PKM),这三方面都是在大量应用实践的基础上总结提练而成的,是应用催生了理论的发展,进一步又转过来指导PKM的应用实践。
3.1 混合运动机械方法学
众所周知,工业生产不断要求提高动力学性能和精度。具有串联运动学特征的现代机床,主要利用了轻型结构作为运动元件和机床元件,如直接线性驱动、高速滚珠轴承以及具有同步驱动的电机主轴,然而要想进一步提高动力学性能,其技术和经济性几乎都受到限制。
解决上述限制的办法之一就是应用近年来兴起的PKM系统,其主要优点是:理论上具有与串联运动学相等或更好的动力学性能;PKM的刚度不仅由元件刚度决定,而且也与作用于末端位置的不同运动回路上的分布载荷有关。另一方面,PKM也有特定的缺点,如较高的复杂性和较低的工作空间与机床体积之比。于是,人们就提出集中串并联运动学的优点,开发由开链和闭链组合成的混合运动机床。这种方法的基本要点是通过运动特性来分解刀具中心点(TCP)的运动轨迹,并把部分运动由对应于机床的某一子结构来完成,基本的思路是通过一个小范围的动作和大范围的运动来共同执行完成一个特定的加工任务。例如,对金属切削过程特别是铣削任务,小范围动作应当产生较高的速度峰值,这一要求较高动力学性能的运动可用一个并联子结构来实现,并将该结构安装于能行走在整个工作空间的串联框架上,以完成大范围的运动,这样,整个HKM就可以在一个较大的工作空间内工作了。
文献[30]提出了一种几何的、动态的混合运动学综合方法。从几何观点看,首先分析要用于完成特定工作所需的自由度,并将之分别分配至串并联子结构。如DS-Technologic公司的ECOSPEED加工中心以及NessRobotis公司的TRICEP-Kinematic机床就是很好的混合运动机械例子。
三维弯曲成形工艺对机床运动的精度、加速度和工作空间提出了很高的要求,并联运动结构能满足前两者的要求,但工作空间尺寸和仰角大小受到了限制。文献[31]通过结合串联和并联机床轴把操作和加工能力集成于一个机床,它由一个四轴并联运动学和一个串联运动链相结合而成,实现了用轻型挤压结构进行操作和加工的集成功能,消除了上述弊端。为了找到机床轴的优化配置,该文献还提出了一种提高集成两种不同功能的协作潜力的系统方法。
3.2 冗余并联运动学
文献[32]提出了冗余并联运动学的概念,冗余并联运动学是指动平台由多于平台自由度数目的腿驱动(即冗余地驱动)。冗余驱动的PKM可消除并联运动学的基本问题,使其工作空间中不会出现奇异位置且能增大工作空间。除此外还可以大大改善机械性能,如刚度和动力学性能可大大增加,运动精度可得到改善等。另外,具有冗余驱动测量的冗余驱动为在线测定也提供了在线校正以及温度变化的补偿。
文献[32]还给出了一些冗余PKM的例子,表明冗余驱动具有很大的革新潜力,如可增加50%的刚度和动力学能力。但冗余PKM的设计及其控制较复杂,需要相应的冗余设计方法学来指导。
3.3 PKM可重构设计方法学
将可重构生产过程(RPP)的概念以及产品生命周期理论应用于PKM的设计,并提出将设计RPP的方法学应用于可模块化和可快速重构并联运动机械设计[33],所提出的方法学已经被运用于一种六自由度PKM样机的重构,且末端操作手的移动和转动运动是解耦的。
4 性能评估与分析
PKM从驱动器到运动平台的运动传递模型有的很简单,有的较复杂,考虑静态质量补偿和关节的几何误差,能补偿相关的偏差,但是增加了计算量和软件的复杂性;而利用一个简单模型并进行运动校正,又往往得不到较好的精度,其原因是简化的模型不能如实地反映实际情况。文献[34]就精度而言,对Linapod基本运动结构复杂和简化二种模型进行了比较,讨论了它们各自的长处和缺点,并进行了仿真研究。
文献[35]对一种四自由度并联机构样机用作铣削机床的可行性进行了评估。分析了其拓扑特征、可能产生的奇异构型和工作空间评估等一些重要的运动学问题;还对刀具、工件以及机构本身之间的相互作用进行了研究。选择工件材料、切削刀具和工艺参数后,动力学模型就能计算切削力、驱动器功率和关节力的大小,根据所要加工的元件,为分析加工过程的合理性提供必须的信息。
精度是PKM的一个重要特性,除非在一些特殊位置上,要估算传感器误差对位置误差的影响较难。文献[36]提出了一种计算PKM在一个工作空间或一条轨迹上的最差精度的方法,即利用一种机器人逆雅可比矩阵的分析形式,对在给定工作空间或轨迹上的位置误差是否超过给定临界值时进行有效估计。这种方法具有通用性,可适应于任何PKM或任何类型的工作空间或n维参数的轨迹。
高速切削的引入对机床运动学提出了新的要求,进给率高时要实现精确路径,要求机床驱动有更高的加速度以及机床结构有更高的刚度。因此,最大程度地减小运动质量成为实现机械性能技术可行的一个主要条件。文献[37]通过考虑六足虫机床机械方面的重要因素,分析了如何显著提高生产机床的机械性能,根据所要求的机械特性,对六足虫机床的元件所要达到的要求进行了评估,对具有特定性能要求的驱动杆件和铰链的技术可行性进行了检测,导出了一些设计准则,最后,提出了一些设计方案。
提高机床的实际和实时刚度模型对PKM设计者来说非常重要,基于矩阵结构分析的方法已经在结构分析领域得到有效的使用,但还没有广泛应用于PKM的刚度分析。文献[38]提供了一种简单、系统的基于应变能分析的方法,来计算具有细长杆件的PKM分析型刚度矩阵,并用一个三自由度冗余并联结构来阐述这种分析方法,然后再引入FEA模型来证实导出模型所得的结论是正确的。
文献[39]评估和总结了一些用来评估自由度为3或少于3的并联机械手的局部或全局动力特性的新指标,然后提出了从动力学角度比较不同机械手机构的一种新方法,它对一个给定结构为了实现其最好的动力特性而对其进行优化时非常有用。
5 结论
本文介绍了目前国内外PKM机械结构综合与设计方面的最新研究成果与进展。一方面,为适应新的应用背景,不断提出并设计新机型;另一方面,针对现有的某种PKM,专门研制设计、分析仿真软件,进行高效的结构与参数优化及性能评估与改善;更进一步地,在大量实践与理论探索的基础上,较系统地阐述了用于开发混合运动机械、冗余并联运动学以及可重构的设计方法学等系统方案设计新动向,这些都是PKM设计研究领域内最富有创造性的成果。
综观这些设计开发成功的PKM,我们还可看到:使用的PKM的自由度数目在逐渐趋向于三自由度和五自由度[1],逐渐采用集串联和并联优点的混合结构PKM ,即利用平面PKM或少自由度简单空间PKM,再串联一个或两个转动轴或移动轴(导轨)组成的混合物理系统成为人们探索应用的目标[40]。另外,成功的PKM应用都是针对某一特定应用的场合,选用了正确的机型设计构思,再通过优化不断地将PKM特性优势发挥出来。因此,应该在既能发挥PKM的突出优点(如高速动力学性能)又能避免技术缺点(如不要求大的工作空间的场合)的应用背景下应用PKM结构作为新的先进制造装备或产业装备。
串联和并联教学反思 篇5
一、较好地激发了学生主动参与的欲望
在本节课中，我充分地信任学生，在整个教学过程中把握住了自己教学主导者的地位，给学生提供了一种宽松、和谐的学习氛围，课堂气氛民主、活泼、开放，这样做有利于学生形成尊重事实，大胆探索的学习态度，鼓励了学生的创造性思维。如：在学会连接串、并联电路后，鼓励学生大胆地提出问题，培养学生的“问题意识”。在教学活动中，我还积极地创设出有利于学生主动参与的教学情境。例如：通过创设一些有趣的场景(如家里、教室及串联和并联彩灯的实验等)，较好地调动了学生学习的积极性，激发了学生主动参与教学活动的热情，为探究新知识，做好了充分的知识和思想上的准备。在学生浓厚的学习兴趣和精心创设的教学情境中，完成了引导学生对串、并联电路特点探究的教学。
二、创造了学生主动参与的良好条件
每当学生在自己的主动参与下获取成功时，心情愉快，精神振奋，创新意识增强，产生强大的内部动力。因此，本节教学中我注意放权给学生，给他们想、做、说的机会，让他们讨论、质疑、交流，围绕某一个问题展开辩论,给学生充分表达自己思维的机会，让学生放开说，并且让尽可能多的学生说。同时，针对学生的个性素质存在差异，教学中，我既面向全体，也注意个体，关注每一个学生在原有基础上的发展，尽量缩小两极间的差距，实现有差异发展，给每个学生提供思考、表现、创造的机会，让他们都主动地参与教学活动，创造学生主动参与的条件。如：在连接并联电路时，及时对困难学生提供适当的帮助和指导，使他们也能通过亲自实验探究完成本节课的教学目标。条件具备了，学生自然就会兴奋，参与的积极性就会高起来，参与度也会大大提高。只有积极、主动、兴奋地参与学习过程，个体才能得到发展。整节课学生在动手实践中深入探究，学习积极性甚高，思维活跃，学生学得愉快，学得轻松，他们从中尝到了学习的无穷乐趣。既为学生主动参与创造了条件，又培养了学生分析能力和逻辑思维能力，激发了学生自主探索的兴趣。
三、学中动，动中学，体现新课标的新理念
打破学科界限 语、音、美、并联 篇6
在《南湖》一课的教学中，我感觉学生借助插图对游船的样子有一个清晰的了解，但对它在革命历史上的重要意义，仅处朦胧状态，我便把第二课时上成了语、音、美综合课。放一首《南湖的船，党的摇篮》，那舒缓悠扬的乐曲，婉转美妙的歌声把学生带入七月南湖揭开历史新篇章的境地，然后通过教唱歌曲，使他们既体会了那里美丽的风景，又了解到中国革命的艰难历程，同时对中国共产党的热爱之情油然而生。此时，南湖游船在学生的心中升值到了顶峰，我便及时布置巩固练习：用线条勾勒出南湖游船的样子。这样，使学生进一步巩固了按一定顺序抓住特点描绘事物的方法。
在《草原》一课的教学中，我考虑到身居中原的学生不容易感受草原壮美的景色，给“背诵”这一要求带来困难，我便让音、美发挥它们直观、生动、形象的辅助作用。“蓝蓝的天上白云飘，白云下面马儿跑，举起鞭儿响四方，百鸟齐歌唱……”雄浑嘹亮的歌唱把学生带到了富有诗意的辽阔草原，使他们耳目一新。接着让他们倾听悠扬、舒缓的《美丽的大草原》，马头琴声和我富有真挚感情的朗读，字字入耳，句句贴心，学生仿佛置身于一幅有声有色的画卷，在体味草原的美，大自然可爱的同时，热爱祖国之情自然涌上心头。随着学生感性认识的升华，我让学生自渎第一段课文，根据文章所写事物用彩笔画一幅草原美景，再画文对照四人一组进行口头描绘练习。最后我出示一幅图画，让学生合上书看画面内容，分组进行背诵比赛。如此，学生通过感官启发想象，形象产生思维，思维加深记忆，提高了教学效果。
教《长征》一课时，诗中有一些抽象的词语不好理解，我初次讲时费尽口舌，极尽描绘，仍感受到学生似懂非懂。后来，我从练习简笔画上受到了启发。第二次讲时，我结合形象的图画来帮助学生理解。学“五岭逶迤腾细浪”时，我启发学生在练习本上画出连绵起伏的山岭，不但使学生对“逶迤”有了清晰的认识，而且通过画出的山岭弧线领会了“腾”的贴切形象。接着我引导学生通过画气势雄伟的大山来理解“乌蒙磅礴”，通过画峭拔的山崖和巨浪拍岸的景象，理解“水拍云崖”。这样，使学生在享受作画成功喜悦的同时，完成了综合能力的训练。最后，我把练习背诵的环节改为教唱歌曲，让学生说一句诗意，我教唱一句。以后学生每天在课前唱《长征》，背诵诗歌和体会战士藐视困难，一往无前的革命乐观主义精神，自然无需费力。在《烟台的海》第二课时教学中，我出示烟台春、夏、秋、冬四幅图画，和学生一起边欣赏美术的奇妙，边口述每个季节的特色，以锻炼学生的观察、分析、总结、表达的能力。接着，我把学生分成四个旅行社，每社发一幅图画，让他们图文对照，发挥想象，讨论各自所代表季节的导游词，进行最佳旅行社的第一轮竞赛，让学生的联想能力得以自由发展。当胜者士气高昂，败者跃跃再试时，我引导他们各自把季节特点编成歌词，按《十二月花开》的谱进行练唱、竞唱。最后，我综合每组所编歌词，连成一首《烟台的海四季歌》师生集体演唱。这样把抽象的内容具体化，又把具体的内容趣味化，不但使学生充分体会到烟台的海四季独特的美，而且使他们很直观地形成热爱大自然的思想、情感，还能使他们在愉快中发展团结协作能力，培养争胜意识。
并联结构 篇7
机器人的产生主要是为了满足一些高难度的作业要求。机器人有串、并联之分, 串联机器人主要包括支架 (也就是基座部分) 和手臂部分 (大臂、小臂) , 然后采用各种运动副连接而成, 其结构形式是串接而成的;并联机器人结构包括动平台、静平台、滑块、立柱以及相应的连接副, 主要使用一些万向铰链连接而成。对串联机器人进行位置的求解比较容易, 而对并联机器人进行正解是比较困难的, 但是, 并联机器人也有其自身的优点, 那就是很容易进行位置的逆解[1]。当已知机器人从动件的一个位置, 反解出机器人原动件也就是控制部分所需要的位移量是很容易的。本文利用UG软件进行了六自由度并联机器人模型的建立, 然后以实际模型尺寸为基础进行了位置逆解运算的推导。
1 六自由度并联机器人结构原理
并联机器人的主体部分包括[2]床身部分、连杆部分和活动平台。活动平台与6个连杆用虎克铰联接, 6个连杆再与6个滑块采用虎克铰联接 (当然也可以采用球铰联接, 本模型采用虎克铰) , 滑块与滚珠丝杠联接, 通过电机驱动滚珠丝杠的运动带动滑块沿滚珠丝杠的轴线方向运动, 从而改变6个连杆的位置使动平台运动, 在动平台上可以安装各种其他的机械, 以满足不同的工作要求。直接驱动动平台运动的是6根连杆, 而连杆是由6个步进电机驱动的, 由于6个步进电机是独立控制的, 因此此机器人可以实现6自由度的运动, 在安装形式上采用的是并联[3]形式。
2 六自由度并联机器人结构模型的建立
对于本模型而言, 我们采用以下的结构形式[4]:固定支座部分采用3块立板结构, 并在立板内部设有导槽, 滑块可以在导槽内滑动, 6块滑块与6根连杆相联接, 6根连杆与活动平台相联接, 联接部分采用虎克铰形式, 滑块与滚珠丝杠构成滚珠丝杠螺母副, 然后通过6个步进电机分别驱动6根滚珠丝杠运动。六自由度并联机器人结构模型如图1所示。并联机器人的总体结构参数如图2所示。
3 并联机器人位置运动计算与分析研究
对于此结构, 主要是根据某一时刻动平台的位置来确定要达到此位置时各电机输出的参数, 即所谓的位置反解。以建立的实体模型尺寸为基础依据, 为求滑块位置, 首先建立动、静两个坐标系[5], 静坐标系原点O′位于上平台所构成的平面中心, 动坐标系原点O位于下平台中心, 如图3所示。其中, Bi (i=1, 2, …, 6) 为上虎克铰的几何中心, Pi为下虎克铰的几何中心 (i=1, 2, …, 6) 。
根据建立的实体模型, 我们设定上、下虎克铰中心所在平面间的距离为330mm。对上虎克铰中心, 有:
对下虎克铰中心, 有:
上平台虎克铰几何中心所在圆直径为Φ490mm, 下平台虎克铰几何中心所在圆直径为Φ200mm。
3.1 初始条件的确立
依据机构的基本尺寸, 在所建立的坐标系上, 由几何关系可求出上、下平台各个铰点Bi和Pi (i=1, 2, …, 6) 的坐标值。经计算得:
3.2 空间变换矩阵的求解
假定动坐标系沿定坐标系的X、Y、Z轴分别平移XP、YP、ZP后, 再在新的坐标系下绕X轴旋转α, 绕Y轴旋转β, 绕Z轴旋转γ, 则坐标变换矩阵[6]为:
其中:cα=cosα;sα=sinα;其他依此类推。随着滑块的移动, 活动平台各铰点Pi也随之到达新的位置, 设P′i为Pi到达新位置时的坐标值, 则有P′i=TPi。根据此模型技术参数中运动平台的动作范围, 不妨假定运动平台处于其中一极限位置时有XP=YP=ZP=100mm;α=β=γ=15°, 于是计算可得:
3.3 新坐标及各轴滑块移动量的计算
3.3.1 计算新坐标
根据上述计算方法P′i=TPi (为方便计算采用4次元坐标, 即Pi的坐标变为 (xi, yi, zi, 1) T, P′i的坐标变为 (x′i, y′i, x′i, 1) T, 前三项为Pi、P′i的坐标值, 1无实体意义) , 计算可知:, 即P′1的坐标为:
同理可得:
3.3.2 求P′i到Di的距离SAi和Di到Bi的距离SBi
图4为一条传动链上各点的几何关系图。
在图4中, Bi和Ci分别表示活动平台在初始位置时和到达目标位置时滑块中心停留的位置, BiDi是与Z轴平行且经过Bi点的直线, P′iDi垂直于BiDi, 垂足为Di (i=1, 2, …, 6) , 则可构建出一个直角三角形BiP′iDi, 由于BiDi平行于静坐标系的Z′轴, 因此Di与Bi仅Z轴坐标不同, 即XDi=XBi, YDi=YBi, Z′Pi=ZDi, 根据图4得:
代入相关数据可求得:SA1=37.10 mm, SA2=4.46mm, SA3=278.01mm, SA4=314.87 mm, SA5=298.78mm, SA6=322.33mm。
同理, 可求得:SB1=195.01 mm, SB2=172.51mm, SB3=185.17mm, SB4=231.52mm, SB5=243.49mm, SB6=219.65mm。
3.3.3 求Ci到Di的距离SCi
根据图4几何关系示意图可知, P′i到Ci的距离为上、下虎克铰中心的距离, 记为S。根据图4得:
其中上、下虎克铰中心的距离不变, 即, 代入相关数值可求得:SC1=365.43 mm, SC2=366.78 mm, SC3=239.28 mm, SC4=188.15mm, SC5=212.77mm, SC6=175.06mm。
3.3.4 求各轴上滑块的移动量ΔSi
ΔSi可表示为:
代入相关数据可求得:
以上计算结果中, “-”值表示沿Z轴负方向移动;反之则表示沿Z轴正方向移动。
通过上述计算, 我们根据某一时刻动平台的位置, 确定了要达到此位置时各点电机的输出参数。
4 结论
本文以实际的六自由度并联机器人模型为研究对象, 通过建立起的六自由度并联机器人实体结构模型, 确定出了原动件的运动规律, 找到一个适合此六自由度并联问题模型的求解方法, 有助于控制方案的设计以及实现, 也可以在此基础上去设计更加实用的结构, 并对以后的应用具有一定的指导意义。
参考文献
[1]刘国平, 李建武.6PTRT并联机器人一种逆解算法研究[M].南昌:南昌大学出版社, 2009.
[2]黄真.并联机器人机构学理论及控制[M].北京:机械工业出版社, 1997.
[3]张曙, 并联运动机床[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[4]Wang Yongbo, Pessi Pekka, Wu Huapeng, et al.Accuracy analysis of hybrid parallel robot for the assembling of ITER[J].Fusion Engineering and Design, 2009, 84:1964-1968.
[5]Lu Yi.Simulation of machining 3Dfree-form surface in normal direction using 6-SSP and 4SPS+UPU parallel machine tools[J].J Adv Manuf Technol, 2007, 33:1180-1188.
并联结构 篇8
名优茶经济价值极高, 但采茶面临着巨大的难题。由于采茶期限较短, 采摘任务十分繁重, 传统的人工采摘无法满足当今的茶叶采摘要求。因此, 名优茶采摘的机采得到了一定的发展。但是, 机采并不像人工那样灵活, 采摘效果有待提高。随着这个问题越来越突出, 名优茶并联采摘机器人的设计就成为不少人关心的话题。
2 概述
我国果蔬采摘的传统方式为人工采摘。随着经济和科技的发展, 带动了农业机械化的发展。目前我国在采摘机器人研究方面已经取得了一些成绩。如, 中国科学院自动化研究院设计的草莓采摘机, 能够自主识别、精确定位, 可以基本达到草莓采摘的要求, 损伤率相对较小。相关试验研究表明, 在实验室环境下, 其采摘成功率最高可达90%。采茶机是一种能够显著提高茶叶采摘效率的机械设备, 当前我国茶叶采摘中主要使用的是往复切割式采茶机。这种采茶机明显的不足, 是无法识别新梢和老叶, 成功采摘的茶叶往往完整性比较差。在并联机器人方面, 我国很多专家、学者都对其进行了长时间的研究, 几乎所有研究都是在实验室环境下进行的, 研究成果始终停留在理论层面, 在实践方面还有着明显的不足。并联机器人尚未真正与采茶技术结合, 因此, 如何将理论付诸实施, 是我国目前亟待解决的问题。
3 名优茶并联采摘机器人结构设计分析
3.1 方案分析
本文在合理利用并联机构优势, 将其与采茶技术充分结合, 尝试着提出了名优茶并联采摘机器人的结构设计。名优茶并联采摘机器人应用的基本要求是可以迅速、准确的定位茶叶, 并进行有选择的采摘。基于上述要求, 机器人必须具备一定的工作自由度。该机器人的工作原理为:在摄相机1 与投影仪4 共同构成新梢识别定位系统的基础上, 由摄相机1将茶叶冠层图像拍下来, 之后通过颜色特征区分老叶与新梢, 并确定新梢的平面坐标;投影仪4 与摄相机1 分别进行图像的投射、摄取, 并经由处理调制过的图像, 获取新梢高度坐标;将高度坐标与平面坐标结合起来, 就可以获取新梢的空间坐标, 将其传至控制系统, 就能够利用电机实现并联机构的运动控制;最后, 准确定位执行器, 就能够实现高效的茶叶采摘。结构方案见图1。
3.2 机器人总体结构
名优茶并联采摘机器人由五部分构成:1、静平台。2、动平台。3、驱动臂。4、执行臂。5、执行器。静平台位于行走机构上, 能够起到减少转动惯量的作用。动平台的主要功能在于安装执行器, 因此, 可以说, 动平台是实现名优茶自动化采摘的重要影响因素。驱动臂与执行臂的功能主要在于传递运动, 使执行器能够实现运动。执行器被四个球铰联接起来, 具有平行四边形的运行特点。机器人总体结构见图2。
3.3 并联结构设计
并联机构的优点有很多, 包括刚度大、承载力强等, 且不会产生累计误差。并联机构设计时, 可将驱动装置设置在静平台上, 同时, 为了减小惯量、降低机构质量, 可以将执行臂设计为轻质杆件。这样做还有利于保证执行器运动的速度、为物料的抓取以及搬运提供便利。因此, 从理论上来讲, 这样设计的并联机器人是能够满足采茶的基本要求的。
在设计的过程中, 应确保满足这些条件:一、并联机构必须能够满足x、y、z三自由度移动要求, 保障准确定位以及有选择采摘的实现。二、动平台、静平台都应确保刚度能够承载执行器而不会变形。三、机构在采摘过程中的运动空间必须足够。
并联结构由动平台利用四条单链连接到静平台上;单链包含执行臂与驱动臂, 且执行臂为平行四边形机构;利用转动副将驱动臂安装在驱动器上, 驱动器位于静平台上;执行臂包含2 个杆件、4 个球铰, 且一端与驱动器连接, 另一端与动平台连接。
3.4 平台结构设计
静平台的功能是承载驱动装置, 因此, 静平台的尺寸与驱动装置密切相关。驱动装置中包含四部分:一、电机。二、驱动器。三、编码器。四、减速器。计算静平台尺寸时, 应先选定驱动电机以及其他装置。结构中可以使用直流伺服电机, 其具有原理简单、价格低廉等显著优势, 应用范围相当广泛。面板的主要功能是承载控制系统, 设计过程中必须重视保障面板的尺寸足够容纳电机座与控制系统。为了防止电机座出现变形, 最好使用折弯件。
3.5 末端执行器设计
茶叶采摘是末端执行器的基本功能。在实际的茶叶采摘中, 执行器的运行需要并联机的驱动。基于此, 本文设计的执行器必须确保满足这些条件:一、电机1 带动丝杠4 运动, 并利用丝杠带动夹子3、夹子5 的运动, 实现采摘操作。二、必须设计导杆, 防止出现丝杠旋转问题, 实现有选择的茶叶采摘。
丝杠能够在机构间传递能量以及运动形式, 转换旋转运动和直线运动。本文利用丝杠传递运动, 设计时必须满足的要求有:首先, 其要能够适应高效采摘的基本要求, 因此, 丝杠应为双边反向螺纹, 确保能够由电机带动夹子运动;其次, 要想保证采摘茶叶的完整性, 丝杠行程必须要足够, 结合名优茶新梢长度与宽度, 本文将丝杠单边行程设计为40mm;最后, 要想保证夹持装置的运行顺利, 避免出现刀片重叠过大的问题, 应在丝杠间设计尺寸为35mm凸台限位。另外, 在凸台限位安装的过程中, 为了避免以后使用中出现零件磨损问题, 应注意使用弹性垫片;在该项设计中, 电机是丝杠运动与夹子张合的驱动, 因此, 必须为电机和滚动轴承留出安装位置、运动空间。结合上述分析, 本文最终将丝杠长度设计为164mm。
4 名优茶并联采摘机器人工作空间设计
工作空间设计是名优茶并联采摘机器人设计的重要环节, 设计的是否合理, 关系到机器人的性能以及使用效果, 因此, 必须慎重对待。在设计环节中, 工作空间设计必须经过科学的分析。在某种程度上来讲, 机器人尺寸取决于其工作空间, 所谓机器人的工作空间, 一般指的是执行器可到达的点的集合, 但是, 空间求解相当复杂, 由于篇幅有限, 本文在此不作详述。当前, 确定机器人工作空间的方法主要有数值法与解析法两种。机构比较简单的可用解析式, 复杂的只能用数值法。本文将两种方法综合使用, 对名优茶并联采摘机器人的工作空间设计进行了简要阐述。
一般来讲, 影响机器人工作空间的因素主要包括:一、驱动副转角。二、机构。三、奇异位置。上述三项因素均会对其工作空间形成约束。驱动副转角需满足的条件为q1min<qi1<q1max, 机构则要保证q2min<qi2<q2max、q3min<qi3<q3max (其中, i=1、2、3、4) 。依照机构运动特性, Delta并联机构工作空间为单链可达区域。因此, 并联机器人工作空间内的点应满足的条件为△i≥0, 且qmin≤qi≤qmax (其中, i=1、2、3、4) 。
5 结语
为了确保茶叶的经济价值, 在名优茶采摘过程中, 必须尽量保障茶叶匀整。名优茶采摘具有时间紧、任务重的特点, 传统的手工采摘模式很显然与新时期的采摘要求不相适应。采茶机能够在一定程度上起到提高采摘效率的作用, 但是采摘效果无法保障, 与实际要求相去甚远。因此, 合理利用并联机构的优势, 设计名优茶并联采摘机器人对于推动我国茶产业的发展具有十分积极的意义。
参考文献
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并联结构 篇9
稳定平台系统是多学科有机结合的产物,其中精密机械动力学建模设计和仿真就是主要的应用技术之一[1]。机构动力学模型的建立是并联机器人机构研究的一个重要方面,是并联机器人机构进行动力学模拟、动态分析、动力学优化设计及控制的基础[2]。典型的动力学研究方法主要有Newton-Euler法、Lagrange法和Kane法等。其中基于虚功原理的Lagrange法是以系统的动能和势能建立的,其推导过程比较简便,并且总能得到形式较为简洁的动力学方程,既能用于系统动力学模拟,又能用于动力学控制,而且能清楚地表示出各构件的耦合特性[3]。刘振宇等[4]将机器人的位姿视为广义坐标,以Lagrange方程为依据建立了Stewart平台的动力学方程;白志富等[5]利用Lagrange法讨论了一种3-HSS并联机构在工作空间内的动力学方程,得出了其显式解,并结合实例对各滑块的驱动力进行了计算机仿真。刘善增等[6]基于有限元理论、运动弹性动力分析方法和Lagrange方程,建立了3-RRS柔性并联机器人的支链动力学模型,通过系统的运动协调关系将各支链组装在一起,得到系统的弹性动力学方程。陈纯等[7]采用Lagrange方法建立了VC80混联机床两自由度并联机构封闭形式的逆动力学模型。
在二自由度球面并联机构的运动平台上串联一个电机(转动副)构成的三自由度旋转台,可应用于具有稳定和跟踪功能的稳定平台。本文采用基于虚功原理的Lagrange法建立了该旋转台的动力学模型,并利用Maple软件给出了计算机仿真结果。
1 机构说明
三自由度(degree of freedom,DOF)旋转台的机构简图如图1所示,由2-DOF球面并联机构和串联在其上的转动副构成。2-DOF球面并联机构为空间五杆机构,运动副均为转动副,所有轴线皆汇交于O点,其中电机1和电机2固定在机架上,为主动副,两电机轴互相垂直。2-DOF机构运动平台只能做围绕球心O的转动。电机3固连在2-DOF机构的运动平台上,其轴线垂直于该运动平台。支架1和支架2分别对应90°的圆心角,支架3对应180°的圆心角。
如图1所示,定坐标系OXYZ的原点位于2-DOF球面并联机构的旋转中心,X轴沿电机1的轴线方向,Y轴沿电机2的轴线方向,Z轴由右手螺旋法则确定;动坐标系O′xyz的原点O′与定坐标系的原点O重合,固接于2-DOF机构运动平台中心即球面机构的旋转中心。电机1轴与支架1直接相连,输入角为α,电机2轴与支架3直接相连,输入角为β,电机3轴与工作台直接相连,输入转角为γ;3-DOF旋转台的输出转角为θx、θy、θz。
图2所示为燕山大学金振林等人设计制造的3-DOF旋转台原型,其中串联结构的引入使机构末端更加灵活,可实现整圆周运动;而2-DOF并联机构又具有结构紧凑、承载能力大、定位精度高等优点。该机构的三个旋转轴线汇交于一点,使球铰的等效可控得以实现,可应用于稳定跟踪定位平台,也可应用于仿人机器人的肩关节以及其他只需要实现三自由度旋转运动的场合。图2中,电机1和电机2通过平行四边形A1B1C1D1和A2B2C2D2分别与支架1和支架3相连。引入平行四边形结构可改变电机的安装位置,改善机构整体的紧凑性。电机3安装在电机3支架内(图2中看不到),而电机3支架对应于图1中2-DOF机构运动平台。
2 输入输出速度方程
由文献[8]中的分析可知2-DOF球面机构的角位移输入输出关系为
θy=β (2)
而3-DOF中绕z轴转动的自由度由电机3独立控制,所以
θz=γ (3)
式(1)两边对时间求导,得
式(2)两边对时间求导,得
式(3)两边对时间求导,得
由式(4)、式(5)可得2-DOF球面并联机构的速度Jacobian矩阵为
式(4)～式(6)即为系统的输入输出速度方程,整理可得速度Jacobian矩阵:
3 动能方程
机构的总动能T由T1、T2、T3构成,即
T=T1+T2+T3 (9)
式中,T1为2-DOF球面并联机构运动平台(即工作台、电机3和电机3支架)的动能;T2为连杆AiBi、BiCi、CiDi(i=1,2)以及支架1和支架3的动能;T3为工作台绕z轴转动的动能。
动能T1的表达式为
式中,ω为输出角速度矢量;I0ch为平台相对于过质心的坐标系的惯量矩阵。
用输入速度矢量代替输出速度矢量,整理后得
工作台、电机3和电机3支架可看作一个整体,则其惯性张量为
(12)
动能T2的表达式为
式中,I1为连杆AiBi的转动惯量;I2为支架1和支架2的转动惯量;I3为支架3的转动惯量;mi为两个平行四边形长边连杆BiCi(i=1,2)的质量;r为电机转轴到平行四边形长边连杆转轴中心的长度。
动能T3的表达式为
式中,Iw为工作台的转动惯量,是已知量。
43-DOF旋转台的广义力分析
由于机构含有3个转动自由度,可以用3个电机的主动输入为广义坐标qk(k=1,2,3)来描述机构的运动。为了求得广义坐标qk下的广义力Qk,先设某一个广义坐标qk不为零,其他2个广义坐标为零,根据虚功原理有
QkΔqk=∑δW′=M•Δθ+MkΔqk (15)
M=Mxi+Myj+Mzk
Δθ=Δθxi+Δθyj+Δθzk
式中,M为机构所受的外力矩;Δθ为末端的虚角位移;Mk为电机k的驱动力矩。
式(15)两边同时除以δqk可得
式(16)写成矩阵形式为
(17)
所以
(18)
53-DOF旋转台的动力学方程
Lagrange方程为
将式(19)～式(24)代入Lagrange方程,得
将式(25)～式(27)代入式(18),可得到输入转矩与输出转矩和机构运动参数的关系。
6 实例分析
机构的固有参数为:m1=14.24g; m2=13.87g; r=35.3mm;Iw= 20 653.60g·mm2;I1=4909.069 568g·mm2;I2=781 317.6135g·mm2;I3=73 729.26g·mm2;Ixx=547 973.66 g·mm2; Ixy=-9.80g·mm2;Iyx=-9.80g·mm2;Iyy=552 278.02g·mm2。
由文献[9,10]可知,二自由度并联球面机构在极限位置±90°时会出现奇异,所以, 取θx、θy范围为±80°。
(1)匀速运动状态下的实例分析。
当2-DOF并联球面运动平台的两个输出转角θx、θy以16°/s角速度从-80°运动到80°,且外力矩Mx=-100μN·m、My=0、Mz=0时,输入力矩M1和M2变化曲线如图3所示。
(a)力矩M1的曲线 (b)力矩M2的曲线
而当Mx=0、My=-100μN·m、Mz=0时,在同样的条件下,输入力矩M1和M2变化曲线如图4所示。
(b)力矩M2的曲线
(2)匀加速运动状态下的实例分析。
当2-DOF并联球面运动平台的两个输出转角θx、θy以1°/s2的匀角加速度从-80°运动到80°,且外力矩Mx=-100μN·m、My=0、Mz=0时,输入力矩M1和M2变化曲线如图5所示。
(a)力矩M1的曲线 (b)力矩M2的曲线
当Mx=0、My=-100μN·m、Mz=0时,在同样的条件下,输入力矩M1和M2变化曲线如图6所示。
(a)力矩M1的曲线 (b)力矩M2的曲线
由图3、图5和图6可以看出,M1和M2的相位差在90°左右,这是由机构本身的几何特性和动平台的运动特性决定的。而图4中,M2随时间的变化虽然呈现出正弦曲线的特征,但从数值方面看,M2的所有值都非常近似或等于100μN·m,与提供的负载数值近似相等,方向相反,这也证明了在匀速运动状态下,机构的运动符合牛顿第二定律。
(3)力矩M3的分析。由式(18)和式(27)可得
由式(28)看出,电机3应输入的力矩M3仅依赖于沿z轴的外力矩Mz和工作台的转动惯量Iw以及工作台的加速度,与二自由度球面机构的相关参数没有关系。
当给定
7 结束语
基于虚功原理和拉格朗日法对一种具有串并联结构的三自由度旋转台建立了动力学模型,得出了求解驱动力矩的解析表达式,结构清晰,计算量小,可提高实时计算的速度。通过数值验证,分析了该三自由度旋转台的驱动力矩与外力矩在不同运动状态下的关系,由于机构本身的几何特性,其结果显示出以下特点: ()()
(1)匀速运动时,若外力矩沿x方向,二自由度球面并联机构的2个驱动力矩M1和M2曲线相位差约90°; 若外力矩沿y方向,M1随时间变化呈正弦曲线,M2与外力矩大小相等,方向相反。
(2)匀加速运动时,驱动力矩M1和M2曲线相位差约90°。
(3)第三个自由度由电机3独立控制,当初始参数确定后,可得到位置参数与动力学参数简单直观的关系式。
摘要：对三自由度旋转台进行了动力学分析。该旋转台只有3个方向的转动自由度,由二自由度球面并联机构和串联在其上的旋转电机构成。根据旋转台的几何和运动特性建立了系统的输入输出速度方程,得出了速度Jacobian矩阵和动能方程。利用拉格朗日法和虚功原理,建立了系统的动力学模型,解决了特定外载荷和速度、加速度条件下如何求解驱动力矩的问题。给出了动力学的仿真运算实例,讨论了在匀速和匀加速情况下,二自由度球面并联机构驱动力矩的变化。最后根据动力学方程,得出了串联在二自由度球面并联机构上的第三个自由度的力矩与输出转角的运动学方程。
关键词：串并联机构,旋转台,动力学,拉格朗日法,虚功原理
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并联结构 篇10
并联机构是一组有两个或两个以上的分支机构并联而成的机构,其特点为所有分支机构可同时接受驱动器输入,而最终共同给出输出,在机构学上属于多路闭环机械系统。以并联机构作为传动进给机构的数控机床、机器人操作机以及由此构成的制造单元统称为并联构型装备,是近年来发展起来的一种有着广阔应用前景的新型制造装备。
并联构型装备在操作空间中的运动与关节空间各伺服轴的运动成非线性映射关系,因此即使是笛卡儿坐标系中单坐标轴的匀速直线运动也须同时由关节空间内几个伺服轴的非线性运动共同合成。正是由于并联机构控制的复杂性,传统的基于串联结构设计的运动控制器无法直接应用于并联机构,目前建造并联机构控制系统普遍采用在“PC机+运动控制器”的结构形式基础上利用PC的开放性进行2次开发,由PC机与控制器共同完成对并联机构的运动控制。虽然此类结构较为简单,容易实现,但在并联机构的实时控制中,PC在每个插补采样周期都要进行复杂的非线性运算处理,然后通过PC总线将数据传输到运动控制器完成进一步运算,数据吞吐量很大,两个CPU间极易形成通信瓶颈,影响整个系统的运行效率,尤其在高速条件下实现4轴以上的多轴联动控制时,系统的处理速度往往不能满足控制需要。此外,并联构型装备具有非线性、强耦合、时变的动力学特性,原则上应采用智能控制算法以提高动态性能,而目前的运动控制器出于商业原因其核心控制策略多是封闭的,用户无法更改其内部设置,使许多智能控制方面的理论成果难以应用于实际。
针对以上并联构型装备的特点和需求,本文提出了一种基于多DSP并行处理结构的开放式运动控制器,并详细介绍了其硬件结构和设计方法。
1 运动控制系统的总体结构
针对并联构型装备控制复杂、运算量大的特点,本文开发的运动控制器采用基于多DSP的并行处理结构,将系统的非实时性和实时性任务分离,分配到多个DSP单元同时进行处理。控制器的总体结构如图1所示。系统划分为一个控制级与一个执行级,构成两级控制结构:控制级以一片高端的DSP芯片为核心,负责系统的整体逻辑控制和多任务调度;执行级由多片DSP芯片构成,每片DSP与必要的接口电路构成独立的电机控制单元,完成对关节空间内各轴电机的具体实时控制。
系统的整体拓扑结构逻辑和数据通信接口全部通过可重构器件FPGA来构造。FPGA具有灵活性强的优点,其内部具体逻辑功能可以根据需要动态配置,这种构造方式使运动控制器内部结构更加易于修改和升级维护,增强了系统的开放性。
2 各单元的硬件结构和工作原理
系统的硬件结构设计可分为中央控制单元、电机控制单元和通信接口三部分,本文将逐一加以介绍。
2.1 中央控制单元
中央控制单元为控制级的核心,负责系统的整体控制,包括任务调度、控制策略决策、故障处理、误差补偿等,此外还要进行操作空间内的轨迹插补和加减速运算。中央控制单元选用DSP芯片TMS320-VC5402,该处理器能够达到100MIPS的指令处理速度,拥有较多的外围电路接口和较好的数据处理能力。由于中央控制单元不参与电机的具体控制,不需要外围接口,硬件电路比较简单,故采用TMS320VC5402的最小系统电路作为基本电路结构。
2.2 电机控制单元
2.2.1 核心处理芯片选择
中央控制单元完成操作空间内的轨迹运算后,执行级的各处理器需调用位置、速度、加速度逆解模型,对插补后的离散点序列进行逆解计算,得到关节空间内各伺服轴的运行位置、速度后与反馈信号进行比较,然后通过控制算法处理得到电机控制量,经数字滤波、数/模转换为+/-10V的模拟电压信号,输出给交流伺服驱动器,实现对电机运动状态的控制,以上计算任务都要在一个采样周期内完成,对处理器的实时运算能力要求较高。
TMS320LF2407A是电机控制专用定点DSP芯片,主频20MHz,内部集成了大量外围接口电路,很适合用于电机控制。为能实现至少四轴联动控制,执行级选用两片TMS320LF2407A芯片,构成了2个并行工作的电机控制单元,每个单元分别负责两轴电机的控制。每个伺服轴都具有30μs以下的伺服刷新时间及可控的、复杂的电机加减速控制能力,保证了多轴联动控制的快速性和精确性。
TMS320LF2407A芯片内部已带有32K的Flash ROM,Flash中的程序不能设置断点且需专门的下载程序,为调试方便外加了64K*16bit的外部程序存储器SRAM(61LV6416)。TMS320LF2407A芯片还配置了一个兼容IEEE 1149.1标准的JTAG仿真口,可将芯片通过仿真设备连接到PC机上进行在线仿真。
2.2.2 电机控制接口电路
电机控制接口电路主要包括编码器位置反馈信号接口、D/A、A/D转换接口等部分。系统采用增量式脉冲编码器作为位置检测装置,输出+A、-A、+B、-B、+Z、-Z三组差分形式的方波脉冲。脉冲编码器产生的位置反馈信号经DS26LS32芯片差分整形后得到整形后的A、A-、B、B-及Z信号,根据A相与B相的相位关系可以判别电机的旋转方向。系统利用FPGA的部分资源来实现反馈信号的倍频/鉴相/计数的逻辑功能,构成位置信号反馈回路。
数/模转换接口采用D/A转换芯片DAC7724提供四通道12位并行输入、电压型输出,DAC7724需要+/-15V双电源供电,并提供+/-10V的基准电压。+/-15V双电源采用单+5V供电,双电压+/-15V输出的电源芯片MAX743来实现,基准电压芯片则选用MAX674。模/数转换接口选用四通道12位并行输出、电压差分输入的A/D转换芯片ADS7864,可用于力/力矩、转速等其他传感器模拟信号的转换处理。ADS7864的供电电压为+5V。
2.3 通信接口设计
2.3.1 多DSP间的数据通信及同步逻辑接口
系统对机构的运动控制是由控制级和执行级的多个DSP协同工作来实现的,必须保证各电机控制单元输出完全协调同步,才能驱动并联机构末端精确地走出指令轨迹。针对这一关键问题,利用FPGA的部分资源构造了两路结构相同的双向FIFO,如图2所示。每路FIFO与一个电机控制DSP相对应,将电机控制单元与中央控制单元相连接。中央控制单元完成运算处理后将离散化的控制信息(位置、速度、加速度)以运动指令序列的形式逐次发送到FIFO中,通过设计FPGA的逻辑控制保证不同的电机控制单元同步读取指令并将计算结果输出,驱动伺服电机运动,并将位置反馈信息回送入FIFO,由中央控制单元根据运行状态调整控制算法和指令序列,如选择适合的控制模式和参数,插入加减速段等。
2.3.2 PCI总线通信接口
为充分利用PC机的人机界面功能和软硬件资源,控制器通过PC总线与工控机连接组成系统。由于在系统运行过程中大部分实时处理任务都由控制器的DSP完成,PC只需实现用户操作界面、数控代码解释编译、状态显示等一些实时性要求不高的任务,大大减少了两者间的数据传输量,可有效避免PC与运动控制器之间形成数据通信瓶颈。考虑到PCI总线接口具有较高的数据传输速度和兼容性,采用当前比较成熟的PCI接口芯片PXI9052,并通过双端口RAM (DPRAM)实现PC机与控制器之间的高速实时双向数据通信。DPRAM选用高速8K×16 DUAL-PORT STATIC RAM IDT7025。
3 结论
本文介绍了一种基于多DSP并行处理结构的并联装备开放式运动控制器的硬件结构和设计方法,该结构的优势在于将系统任务按实时性合理分配,最大限度地发挥各功能单元的处理能力,使整个系统具有更强的实时性和更快的运算速度,解决了单一DSP结构的运动控制器本身处理速度有限的问题,适合应用于并联构型装备的高速高精度多轴联动控制。
摘要：并联构型装备的控制复杂运算量大，且不同构型的并联机构逆解方程和结构参数不尽相同，这对控制系统的运算性能和开放性均提出了较高要求。针对并联装备的控制要求和特点，本文提出了一种基于多DSP并行处理结构的开放式运动控制器硬件结构，该系统实时性好，处理速度快，能够很好地满足并联构型装备高性能的控制需要。
关键词：并联构型装备,多DSP,运动控制器
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串并联电路识别有新招 篇11
关键词：电学；串联电路；并联电路
在初中教学过程中电学部分是学生学习的重点和难点，我经常听到学生在抱怨电学不好学，在毕业的两届学生中每次考试都能发现学生电学部分得分率不高，其原因有二：一是学生在学习电学部分和力、热、声、光不同，力、热、声、光在学生平时的生活中都有接触，学生容易理解，而电对学生来说看不到，又不敢摸，也摸不到，学生不容易理解。二是学生对串并联电路不会识别，也不是很理解电路学部分的一个重要原因。
在教学中，我们对串、并联电路的识别经常采用：
1.定义法（适用于较简单的电路）
在教学中我发现这种方法在做题和应用时遇到稍微难一点的电路，学生就不会判断。
2.电流流向法（最常用的方法）
这种方法虽然最常用，只是有些学生在用的过程中当出现混联的复合电路，学生就不知道哪一部分是串联，哪一部分是并联。
3.拆除法（识别较难电路）
这种方法在教学过程中我发现学生很难接受，是很容易理解，拆除一个用电器学生主要还是不知道有什么用，所以在教学和作业过程中很少用到。
4.节点法（识别不规范电路）
这种方法在有一部分学生可以理解，弊端在于学生在找等效点时容易看错等效点，导致判断错误。
5.等效电路法（用于复杂电路）
综合上述方法通过移动、拉长、缩短导线，把它画成规则的电路——等效电路。
此方法在教学中基本不用，因为初中学生对等效电路的改画非常不容易理解，很少有学生能把复杂电路改画成常见的电路，所以这种方法在初中教学过程中一般不作为重点教给学生。
而我要讲的新方法就是用数字1和2在用电器上标出电流流入的一端和电流流出的一端，这样学生就会很快、很准确地判断出眼前的电路是串联电路还是并联电路，比如学生面对一个电路图，只要能够在电路图的用电器上，电流流入的一端标上1，电流流出的一端标上2，那么我们发现电流从1流入从2流出，如果从2流出的电流紧接着流向下一个用电器的1，这样只要是2与下一用电器的1连接就是串联电路。如果电流从2流出可以直接回到电源的负极，那么这样的电路就是并联电路。如图所示
采用上述方法这时我们很容易就判斷出图3为并联电路，图4为串联电路。对于一些复杂电路学生识别起来也比较容易了，只要掌握了上述方法，就能够很好地识别串、并联电路，这样可以利用串并联电路的特点来解决实际问题和处理试题的相关问题了。
如图5所示：
根据上述方法我们可以清楚地看到，电阻R2的电流流入的一端我们标出1，流出的一端我们标出2，电阻R3的电流流入的一端我们仍然标出1，流出的一端标出2，这样我们就可以知道这两个电阻1与1可以同时回到电源的正极，2与2汇聚到一点同时与电阻R1的1链接，2与1链接说明是串联的关系，再从R1的2出来回到电源的负极，则说明R2与R3是并联的关系，然后与R1串联，这样就构成了一个复合电路。
我们还需要给学生讲清楚的就是在判断是并联电路和串联电路时，如何处理测量电表对电路的影响，我们清楚电流表的电阻几乎为零，所以电流表只相当于一根导线，而电压表的电阻非常大，相当于一个断开的电路，所以我们在判断时只要处理好这两个电表就可以排除干扰学生判断的一些重要因素，从而更好地判断电路是串联电路还是并联电路。
我们的同行们在很长的一段时间里都在寻找着一些让学生更容易理解、记忆知识和解决问题的好方法。同行们都知道每个学生在学习的过程中对知识的接收都是参差不齐的，也许一个好的方法会让学生更好的接收知识，并将知识应用到生活和考试当中，望同行们在今后的工作中一同努力找到一些更好的教学方法来相互交流学习，使我们的学生更好更快地学习所学的知识。
并联结构 篇12
随着电力电子装置的广泛应用,谐波污染问题日益严重。功率因数校正技术(PFC)作为抑制电网谐波,提高电网输入端功率因数的有效手段,逐渐成为研究热点。其中有源PFC技术因体积小、重量轻、谐波畸变率THD小、功率因数高等优点而得到广泛应用。但因其串联在桥式整流器和负载之间,需要处理交直流变换的全部功率,为了保证输入电流的正弦性,PFC电路的功率管需要工作在高频状态下,尤其对于中高频系统,器件选取困难,效率低。
参考并联型有源电力滤波器(SAPF)拓扑,提出并联型PFC的概念。利用并联接入电网电源与输出负载之间的逆变器输出负载补偿电流,构成并联型PFC,使输入端电流的波形跟踪输入正弦电压波形,从而实现功率因数校正。与传统的串联型PFC技术相比,并联型PFC技术的优势在于:无需处理全部交直流变换功率,只需处理谐波和无功功率;由于采用并联型结构,易于应用级联型多电平逆变电路或是多个逆变器并联的结构[1],提高PFC的等效开关频率,减小开关损耗,实现较低开关频率下的大容量谐波补偿。
1 并联型PFC的原理及控制方案
1.1 系统的拓扑结构及工作原理
并联型PFC的电路拓扑如图1所示,负载由二极管布控整流桥组成,逆变器直接接入电网与负载并联。并联逆变器由几个小功率的逆变桥通过电感L在交流侧并联而成,各个逆变桥的结构和参数完全一致,直流侧有各自的储能元件。该电路结构具有功率管电流应力小、易于实现模块化等优点,且与级联逆变器相比不存在直流侧不均压问题。
图1中谐波源负载电流iL中除了基波有功电流iLf外还含有谐波及无功电流iLh。要实现单位功率因数,使电源电流达到与电源电压同频同相的正弦波的控制目的,可以直接控制电源电流is为负载电流基波有功分量iLf,则逆变器输出的即为谐波及无功电流iLh[3,4]。上述原理可用下列公式描述:
逆变器直流侧电压由电容器维持,忽略其本身损耗稳态时逆变器只能吸收或发出谐波及无功电流[5],且最终控制目标是使电源电流与电源电压同频同相。因此电源电流的指令电流的幅值可由逆变器直流侧电压闭环控制器的输出决定,相位可由电源电压决定。
1.2 基于倍频载波相移SPWM技术的并联逆变器
倍频载波相移SPWM(CPS-SPWM)技术是指在单元数为N的逆变桥组合装置中,每个单元采用相同的正弦调制波信号,只是每个桥的载波依次相移α=2π/N角度。如果并联逆变器中每个桥都用倍频SPWM调制方式,即用两个频率、幅值相同、相位相反的调制波和载波三角波交截产生两个控制信号,分别控制逆变器的两个上管,下管与上管互补导通,则每个桥的等效开关频率为两倍的载波频率[6]。采用倍频CPS-SPWM后,N个逆变器的载波之间依次相移角度为α=π/N。
N个逆变器的并联叠加电路如图2所示。
其中m为相对载波的谐波次数,n为相对调制波的谐波次数。由上式知,u1～uN具有相同的基波,但瞬时值电压是不同的,故必须通过电感并联,根据节点电压法得:
式(6)中,X1、X2…XN为并联逆变器交流侧电感L1、L2…LN的电抗值。当X1=X2=…=XN时,
由式(5)和式(7)推出N个倍频调制逆变器并联后的输出电压傅立叶级数为
对比单个SPWM逆变器输出波形的傅立叶级数可知:N个倍频SPWM逆变器并联叠加后的输出波形的基波分量没有损失保持单桥输出波形的基波分量不变;谐波分布为一系列中心频率谐波以及这些中心频率谐波两边的幅值以函数下降的边频谐波,最低次谐波群的中心频率为2NF±1,即采用倍频CPS-SPWM技术可以在不提高开关频率条件下将等效开关频率提高2N倍。
1.3 系统的双闭环控制方案
并联型PFC系统采用电压电流双闭环控制策略,以两桥并联为例给出系统的控制框图如图3所示。
并联型PFC系统的直流侧电压采用最大值PI控制,动态过程中,可保护电容电压不超过最大安全电压。采样并联两逆变桥的直流侧电压,选取最大值uc与基准值Vref比较送入PI调节器,输出电源电流的指令电流幅值Is*,采样电源电压us得到与其同频同相的单位幅值正弦信号s,将s与Is*相乘作为电源电流的指令信号is*,并联型PFC系统利用直流侧电压的闭环控制作用,直接得到电源有功电流信息,即有功电流幅值Is*。
并联型的电流环如加入积分调节会引起谐波相位的滞后,直接影响主电路谐波补偿效果,因此电流环采用P控制器,即将实际电流与指令电流误差经过P调节后作为调制信号,和多路移相的三角波比较产生多路SPWM开关信号。
该控制方案性能优异且结构简单,鲁棒性好,不仅具有良好的输入端功率因数校正特性,而且控制算法简单,易于工程实现。
2 仿真分析
运用MATLAB 7.1的动态仿真工具Simulink搭建单相并联型PFC系统仿真模型,系统采用的参数如下:单相电源电压110V/50Hz,主电路为两逆变桥并联功率开关采用理想IGBT,直流侧电容1 650μF,交流侧电感0.6mH,单桥直流侧电压基准为200V。三角载波频率为10kHz,负载由感性负载和单相二极管整流桥接感容滤波负载组成。
图4(a)和图4(b)分别为系统带感性负载(电感值为101.9mH,电阻值为36.3Ψ)和二极管整流桥接感容滤波负载(电感值为40mH,电容值为80μF,电阻值为62Ψ)时的各信号波形。
表1列出了以上两种负载下对应的补偿前后电源电流总谐波失真(THD)和输入功率因数(PF)。
通过以上仿真波形和数据可知,系统电源电流补偿前与电源电压存在相位差或者波形本身有畸变时,补偿后均能达到与电源电压相位一致且实现正弦化,补偿效果好,提高了输入端功率因数。
图5给出了系统带如上非线性负载时的负载电流即补偿前的电源电流频谱图,图6(a)和图6(b)分别为不采用载波相移SPWM技术和采用载波相移SPWM技术情况下补偿后的电源电流频谱图。
由图5所示电流频谱可见,补偿前电源电流中含有大量的谐波分量,其中3次、5次谐波含量高达39.9%、5.05%,7次、9次谐波含量也很大。
对比图5、图6补偿后电源电流谐波含量明显减少,其中图6(a)没有采用倍频CPS-SPWM,而是采用普通的双极性SPWM调制技术,其最低次谐波群的中心频率为200次,且谐波含量高达10.5%。图6(b)采用倍频CPS-SPWM调制技术,且开关频率不变,其最低次谐波群的中心频率为2×2×200=800次,谐波含量也大幅降低了。对比图6(a)和图6(b),采用倍频CPS-SPWM技术后,等效开关频率提高了2N倍,降低了谐波含量,可见仿真与前面的理论分析一致。
3 实验验证
根据以上理论和仿真分析,设计了一台单相并联型PFC实验样机。其中主电路采用两桥并联逆变器,直流侧采用1 650μF铝电解电容,交流侧电感值约为0.6mH,电源电压110V/50Hz,直流侧电压参考值设为200V,采用倍频CPS-SPWM调制,开关频率为并联型系统采用全数字控制,直流侧电压控制、电源电流控制、倍频CPS-SP-WM信号产生等均由DSP数字芯片实现,控制算法灵活,调试维护方便,大大简化了硬件电路。系统过压、过流故障保护由DSP程序和保护电路实现。
图7分别给出了系统带线性负载(感性负载)和非线性负载(二极管整流桥接电容滤波负载时的实验波形)。
由以上实验波形可以看出,经并联型PFC补偿后电源电流与电源电压同频同相,达到很好的功率因数校正效果。
表2为以上两种负载情况下的实验结果,列出了对应的补偿前后电源电流和输入
以上实验数据表明应用并联型PFC技术在线性或非线性负载下都能使功率因数提高到0.99以上,线性负载下并联型PFC引入了一定得高频谐波,使得电源电流THD增加,但仍在可以接受的范围之内;非线性负载下THD明显减小,达到了抑制谐波,提高功率因数的目的。
4 结束语
阐述了并联型PFC的工作原理,分析了基于倍频载波相移SPWM调制技术的并联逆变器的特性,在理论分析的基础上进行了仿真和实验验证,结果表明在较低开关频率下该并联型PFC具有良好的补偿效果和功率因数校正性能。通过增加并联桥的数量能够满足大功率的补偿要求,提高等效开关频率,且系统结构简单,控制方便,可靠性高,是一种很有应用前景的谐波及无功问题解决方案
参考文献
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