宏微混合驅動的3-RPR并聯機構虛擬樣機研究

， ， 　， (.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

并聯機構由最初的stewart平臺不斷發展，到今天已形成一個龐大的體系，并聯機構的理論分析和工程應用已經形成了一個熱門課題。國內外已經研制出許多機構各異、用途不一的并聯機構，有些已經在實際應用中發揮了重要作用。與電氣和氣動驅動方式相比，液壓伺服驅動機構具有剛度大、結構緊湊、體積小、重量輕、加速性好等特點。因此，目前并聯機構大多采用液壓伺服驅動方式[1,2]。但這種驅動方式的并聯機構存在著重復定位精度差的缺點，一般為微米級。

為了滿足高精度納米級的定位需求， 出現了并聯微動機構，它具有結構緊湊、運動鏈短、剛度高和承載能力大等優點，是納米技術的重要組成部分，已經成為超精密加工、半導體工業、自適應光學、生物醫學工程、復合材料、航天等許多尖端領域的關鍵技術。由于壓電陶瓷具有體積小，分辨率高且容易控制等優點，國內外不少學者[3,4]研究基于壓電陶瓷微位移驅動器的并聯微動機構以滿足高精度微位移和微運動的要求。其中，德國某公司生產的壓電六軸并聯微動機構已經系列化和商業化。孫立寧等人研究的并聯微動機器人[5]已逐漸達到國際先進水平，且逐步走向產業化。

并聯微動機構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用。因此，國內外學者將宏微混合驅動的技術應用到并聯機構，研究混合驅動的大范圍高精度并聯機構。美國加利福尼亞州研制的宏/微結合的機器人系統，宏動部分由超聲波馬達構成直線伺服電機，微動部分由壓電陶瓷驅動，該系統的分辨率達到5 nm。孫立寧教授等人[6]研究的一種集成式宏微并聯驅動系統，其中，宏動部分為6-PSS結構，采用壓電馬達驅動；微動部分為6-SPS結構，采用壓電陶瓷驅動。該全壓電驅動的宏/微并聯驅動系統可在立方厘米的工作空間實現納米級的定位精度。但由于采用全壓電驅動，其成本高，且壓電馬達的運行速度較慢、行程較小，也限制了其實際應用。另外，李長峰等人[7]研究了一種宏/微結構的并聯機器人，其中微動部分采用高精度集成式的直線執行器為驅動臂的虎克鉸結構的六自由度并聯機器人，宏動部分采用電機結合絲桿傳動方式，使用閉環控制方式，保證了系統的定位精度，但該結構較復雜，體積大。

液壓伺服系統響應速度快，控制精度高、易于實現直線運動的速度、位移及力控制等特點適用于大行程的控制系統。因此，結合液壓伺服技術與壓電技術獨特的優點并應用到并聯機構中，提出了一種基于電液-壓電混合伺服驅動的3-RPR并聯機構，并結合虛擬樣機技術，在基于AMESim、ADAMS和MATLAB/Simulink聯合仿真平臺下研究其虛擬樣機模型。

1　宏微驅動的3-RPR并聯機構工作原理

3-RPR是一種具有2個平動和1個轉動的平面并聯機構，通過控制3個桿伸縮的長度來控制動平臺的平動和轉動。為了實現3-RPR大范圍高精度定位，基于宏微混合驅動的設計思想，采用宏微兩級驅動方式，其中，宏驅動采用電液伺服系統以實現大范圍運動，微驅動采用壓電陶瓷驅動器以實現高精度精密定位。采用電液伺服系統和壓電陶瓷驅動器混合驅動的3-RPR的結構原理如圖1所示(R為轉動副、P為移動副)，其中每個桿由液壓缸和壓電陶瓷驅動器串聯而成，如圖2所示[8]。壓電陶瓷驅動器內置LVDT直線位移傳感器以實現微位移的測量和反饋控制，并串聯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每個桿的總驅動位移的測量和反饋控制。

圖1　3-RPR結構原理圖

圖2　單桿結構原理簡圖

其工作原理為：根據動平臺的位置姿態逆解計算出每個桿的伸縮量，并作為每個桿運動的理論設定值輸送到計算機內，計算機根據每個桿的理論設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動的運動位移以實現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，并根據差值e控制壓電陶瓷驅動器的輸出位移，直到滿足定位要求。

2　虛擬樣機研究

基于電液-壓電混合伺服驅動的3-RPR并聯機構涉及機械、液壓、控制等學科。采用單一的軟件難于搭建出其虛擬樣機。而基于接口的多領域協同仿真方法采用各個領域成熟的仿真軟件，再通過各個仿真軟件之間的接口，實現不同領域的建模與仿真。為此，采用ADAMS軟件建立機械多體動力學模型；采用AMESim軟件建立液壓系統及壓電驅動模型；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機構總體的虛擬樣機。

2.1　基于ADAMS軟件的機械模型搭建

根據基于電液-壓電混合伺服驅動的3-RPR并聯機構的結構原理圖，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，形成并聯機構的三維模型，并轉存為.x_t中性格式導入ADAMS中，如圖3所示。在ADAMS軟件里，設置各個零件的材料屬性，并設備各零件之間的運動副，具體為：液壓缸與活塞桿設移動副；壓電陶瓷與壓電陶瓷支架設移動副；液壓缸與連接件設固連；壓電陶瓷支架與連接件設置固連；壓電陶瓷與轉向架設固連；轉向架與動平臺設轉動副；液壓缸與帶座軸承設轉動副；帶座軸承與ADAMS中ground設固連。

圖3　ADAMS機械模型

根據實際情況給液壓缸和壓電陶瓷添加驅動，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中建立并聯機構的液壓伺服系統模型和壓電驅動系統模型，并點擊“Import ADAMS model”將上述輸出的ADAMS機械模型導入到AMESim軟件中，并進行相關變量的關聯。最后，點擊“Create interface icon”創建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驅動模型

2.3　基于MATLAB/Simulink軟件的控制模型搭建

根據基于電液-壓電混合驅動的3-RPR并聯機構的控制原理，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導入上述的AMESim模塊，并進行相關變量的關聯，最終完成如圖5所示的控制模塊。

2.4　虛擬樣機聯合仿真

通過各軟件之間的接口，將上述的三種模型聯合在一起，并以MATLAB/Simulink作為主平臺進行聯合仿真。具體設置的仿真參數如下：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；壓電驅動器額定電壓為150 V，最大輸出位移150 μm；動平臺三個回轉中心的長度均為200 mm；驅動桿的長度范圍為：[115,315] mm等。

在上述仿真參數基礎上，設定三個驅動桿伸長100 mm，宏微切換閾值為100 μm時，對宏微并聯機構的虛擬樣機進行了動態仿真，具體仿真結果如圖6～圖9所示。從圖6可以看出，啟動后，驅動桿一直快速伸長，直到理論設定值與驅動桿的仿真值小于宏微切換閾值為100 μm時，壓電陶瓷開始驅動，驅動桿的運動位移從99.9 mm快速運動100 mm，最后仿真的位移穩態誤差為±0.2 μm。從圖7～圖9可以看出動平臺X、Y兩方向平動及偏轉運動的動態響應過程，在驅動桿的宏微切換過程中，動平臺也出現同樣的切換過程，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與振蕩，這是由于壓電驅動器與液壓缸的耦合作用以及壓電系統的非線性特點所導致。這需要后續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　動平臺偏轉角度運動曲線

3　結論

針對單驅動方式的并聯機構不能解決大行程和高精度之間的矛盾，結合電液伺服驅動與壓電精密驅動的優點，提出了一種基于電液-壓電混合伺服驅動的3-RPR 并聯機構，在基于AMESim、ADAMS和MATLAB/Simulink聯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及壓電驅動模塊，采用MATLAB軟件建立其控制模塊。在此基礎上，進行了動態仿真研究。仿真表明所提出的該宏/微并聯機構能實現大行程、高精度定位，這為后續的實際應用奠定理論基礎。

參考文獻：

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