高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計含4張CAD圖

高速高精密數控車床液壓系統(tǒng)設計含4張CAD圖,高速,精密,數控車床,液壓,系統(tǒng),設計,cad 附錄一 外文翻譯 考慮液壓系統(tǒng)設計時基于控制帶寬擴展的Stewart平臺優(yōu)化設計摘要：針對大型液壓斯圖爾特平臺的控制，提出了一種擴展帶寬的優(yōu)化設計方法。該方法以廣義固有頻率為基礎，考慮了液壓油。提出一種考慮整個支架慣性的拉格朗日公式，以獲得精確的等效質量矩陣。利用該模型研究了支架慣性的影響以及設計參數對廣義固有頻率的影響。最后，通過數值舉例提出了驗證并確認了數學模型的有效性。結果表明，支架慣性，特別是活塞部分在動力學中起著重要作用。底座與運動平臺的最佳直徑比在23之間，底座與運動平臺的最佳關節(jié)角比約為1。較小的關節(jié)角度和較長的支架行程有利于提高系統(tǒng)頻率。對具有良好動態(tài)性能要求的大型平臺系統(tǒng)油應進行預處理。關鍵詞：大型Goop-StoWar平臺，優(yōu)化設計，控制帶寬，慣性慣量廣義固有頻率引言與串聯機械人相比，并聯機器人具有較高的剛度以及較好的定位精度和承載能力等優(yōu)點。因此并聯機器人已被廣泛應用于各種場合。六自由度平臺（6-DOF）由Gough（Gough，19561957）于1947年首次提出，后來被Stewart使用于他的飛行模擬器上。在二十世紀七十年代后期，Gouth-Stewart平臺被建議作為并聯機器人使用（Hunt，1978）。在并聯機器人的設計過程中，優(yōu)化設計是一項重要而富有挑戰(zhàn)性的工作。（Merlet，2002）。涉及兩個問題：性能評估與綜合推理。綜合推理對于確定設計參數很重要。并聯機器人的性能很大程度上取決于它們的幾何形狀和如此多關于優(yōu)化的研究都集中于對工作空間相關的標準(Kumar, 1992)。其他的研究人員選擇了優(yōu)化的機械手的結構剛度（Bhattacharya et al.，1995），與串聯結構相比，這是并聯的主要優(yōu)點之一。此外，一些研究集中于與可操作性相關的優(yōu)化目標（米勒，2004），靈巧性（Pattens和PodoHooDrKi，1993），有效載荷（高E/AL，1997）。調理指數（GeSelin和Angeles，1991）或ACCU-RACY（Ryu和CHA，2001）。在優(yōu)化設計中同時考慮這些要求（AssiaOutt和布德羅，2006）。不同的方法已被用來解決優(yōu)化設計問題，包括成本函數法，區(qū)間分析（郝和MeLet，2005）和其他（Zhang andGosselin，2002：婁EF，2003：SMALILI等）。2005）。很少有優(yōu)化研究考慮到控制問題。希勒和Sundar（以路徑的運動時間作為優(yōu)化的代價）。哈提卜和鮑林（1996）研究了機械手設計中增加動力性能的問題，其特點是末端效應器的慣性和加速度特性，然而，在應用中需要高度精確的定位和良好的動態(tài)性能（例如，大飛行）。模擬器的控制是復雜的、困難的。總的來說，液壓執(zhí)行器的控制比它們的電動執(zhí)行器更具有挑戰(zhàn)性，因為它們表現出顯著的非線性行為。非線性流動/壓力特性、截留流體體積對活塞運動的影響、流體壓縮性、流動力以及它們對池位置和摩擦的影響等因素都有助于顯著的非線性行為。這將影響實際控制帶寬，一般小于自然頻率的一半。擴大控制帶寬。在設計中必須考慮自然頻率特性。在這項研究中，基于廣義固有頻率進行了優(yōu)化，以擴大帶寬控制的大型液壓Stewart平臺，考慮到液壓系統(tǒng)。建立了考慮全腿慣性的拉格朗日公式，得到了交流等效質量矩陣。亞當斯模型驗證了數學模型的有效性，研究了腿慣性對動力學的影響。最后，利用數學模型研究了設計參數和油膜模量對廣義固有頻率的影響。拉格朗日公式斯圖爾特平臺的動力學是非常重要的。已經提出了幾種方法用于斯圖爾特平臺的動態(tài)分析，包括牛頓-歐拉公式、拉格朗日公式和凱恩公式。該優(yōu)化研究的目的是利用基于廣義自然頻率的方法來擴展控制帶寬。拉格朗日法是獲得等效質量矩陣的直接方法。許多前人的研究（C，G，LeBrt等人，1993；Wang，2001）的動力學分析都是基于簡化的模型，假設斯圖爾特平臺的每一條腿都可以被集中在腿質量集中的腿部中心呈現。因此，腿的動能只包括其質心上的平移運動，忽略了旋轉運動以保證精度，本文考慮了整個腿部慣性。腿被分解成兩部分：固定部分（到底座）和運動部分（活塞部分）。積分法用于計算能量，包括所有的轉動和轉動能。運動學圖I所示的斯圖爾特平臺是由液壓驅動的。圖1液壓gough-stewart平臺設IJK和ijk為坐標O-XYZ和B-X/Y Z的單位向量；腿部坐標系B，XY，Z的起源是B，.X軸指向P，y軸平行于向量I和-/的叉積。B-X:Y2的Z軸由右手規(guī)則定義，變換矩陣R，從腿部坐標到基座坐標可以得到Irpangand Shann貧窮（1994），使旋轉矩陣由滾動間距和偏航角定義，即G軸的X軸旋轉，其次是A。關于Y軸的W的旋轉和關于Z軸的第0條腿的長度的旋轉是由下式得出其中D是雅可比矩陣； 活塞部分坐標系中的第i支腿的速度矢量可以寫為其中Ln= d（i，1），L，D（2）LD（i，3）XPYZP是20中的運動平臺中心坐標，FXU Yu-ZUT是OP中的上關節(jié)坐標；AAA是圖2中的旋轉矩陣AW= R（Y，R）R（Z，0）R（9），粒子D/的坐標可以從（4）中獲得其中Li是DLi之間的長度；和第i個上關節(jié)，M；是第20個基本的關節(jié)坐標IIR，Y z是第20個關節(jié)的坐標，第20個活塞的總動能為20。第i活塞的總動能為。其中P= MI/LIS，MPIS是活塞質量，LPI是活塞長度。其中P= MI/LIS，MPIS是活塞質量，LPI是活塞長度。圖3液壓斯圖爾特平臺腿缸體零件圓柱體部分只有旋轉能量。第四圓柱部分的角速度矢量由下式得出上接頭的速度可以寫成其中n是沿第i分支的單位向量。不允許繞腿軸線旋轉，以EQ（7）的叉積為單位，圓柱部件的角速度可以被寫為因此活塞的總動能為其中是在B-CORDIDENT系統(tǒng)中表示的B的質量矩慣量。移動平臺運動平臺的運動計算為：當其是30的運動平臺的慣性矩陣時，M是運動物體的3x3質量對角矩陣。拉格朗日公式移動平臺的勢能可以寫成腿部勢能是在MEYL是圓柱體質量的情況下，DPIS是活塞質心與對應的上關節(jié)之間的距離，DE是圓柱體質心與相應的基關節(jié)之間的距離，X是坐標系30中的上關節(jié)X坐標。利用虛功原理和拉格朗日方程，將液壓驅動力矢量寫成其中k是總動能，p是總勢能，FET是廣義的廣義力矢量?；趶V義固有頻率的優(yōu)化方法中的等慣量矩陣從EQS（5）、（10）和（11），CRTL矩陣中的等價物是其中是半徑、廣義固有頻率斯圖爾特平臺是由液壓驅動的。假定機械部分是剛性的，液壓油可以像ASP一樣被壓縮。定義了液壓彈簧的剛度。其中B是油的體積模量，N/M；A和A活塞側和端面?zhèn)鹊挠行寗用娣e分別為m和yoAl和Voiz，分別為活塞側和側邊m的等效油體積；在YoAl和OIZ中考慮輔助管內的油量；根據虛擬工作原理，它遵循6自由度的廣義固有頻率向量由下式給出優(yōu)化方案 對于大型液壓斯圖爾特平臺，鍵槽在整個工作空間中是最低的固有頻率，當所有的致動器處于中程時，鍵槽是廣義的固有頻率。這種設計的目的是獲得最高的頻率，并確保當所有的致動器處于其中間行程時，盡可能接近固有頻率。液壓系統(tǒng)應考慮液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這將在細節(jié)上進行詳細說明，在最后一節(jié)中，許多優(yōu)化研究都是基于成本函數的。權值的確定是很重要的，但很難確定，這基本上是經驗確定的，這項工作不是建立在成本函數的基礎上的。優(yōu)化的步驟如下第1步：選擇一組初始的設計參數可以從工作空間中大致確定，在一定的速度狀態(tài)下期望的線性和角加速度。第2步：確定每個設計參數的范圍并獲得其效果的圖形化結果。第3步：從步驟2中選擇一組新的設計參數，并獲得任務頻率。如果不滿意，改變設計參數并返回到步驟2。步驟4：考慮液壓系統(tǒng)設計，系統(tǒng)油可預處理（靳等，2007），以提高油體積模量，如果必要的話。第5步：工作區(qū)驗證和其他要求的檢查本文針對一組相鄰或對稱的構型，提出了一種更適合設計的設計參數，并與液壓系統(tǒng)的控制和設計有關。斯圖爾特平臺的設計參數如表1所示。在表I和EQ（15）的基礎上，對當前等效慣性矩陣與傳統(tǒng)矩陣（假設斯圖爾特平臺的每一個腿由質量集中的腿質量中心表示）的比較，在平臺處于相同位置時進行比較。結果顯示如下兩個矩陣（單位：kg）前者是當前的慣性矩陣，后者是傳統(tǒng)的慣性矩陣。與傳統(tǒng)慣性矩陣相比，只考慮了腿慣性的平移部分。電流矩陣考慮總的轉動慣量，包括旋轉部分。腿慣性對動態(tài)驅動力有一定的影響。當前和傳統(tǒng)模型可以進行比較，如下。在圖4中，運動平臺沿Z軸水平運動，正弦運動（100SiN（AT）mm），而其他速度和加速度保持為零。曲線n-1 n-2和n-3。利用現有的慣性矩陣模型，用傳統(tǒng)的模型只包含平移部分的結果，得到了O-1、O-2和O-3的曲線。從以上分析可以看出，腿的活塞部分在動力學中起著重要的作用，整個模型中的轉動慣量在模型中不可忽視。基于自然頻率的參數優(yōu)化頻率驗證對于一個大斯圖爾特平臺，具有高精度定位和良好的動態(tài)性能要求，當所有的執(zhí)行器處于中程時，總工作空間中的最低固有頻率和廣義固有頻率。是關鍵頻率。當所有致動器處于沖程時，平臺的動態(tài)性能是最大的，而斯圖爾特平臺經常在該位置工作。圖中示出了腿質量檢測平臺的比率（R）和圓柱體質量Topiston的比率（R2）的影響。5和6（在圖5-8、10、II3和15中，曲線1-4代表六個頻率，當所有致動器處于中沖程和曲線5代表工作空間中的最低頻率）N圖。5和6，關鍵頻率隨著質量比的增加而減小。然而，它們與比值R呈線性關系，頻率隨時間的增加而減小，且僅隨著R2的增加而略有下降?？梢钥闯?，質量比R的影響是什么？腿慣性比R小，主要是在氣缸部件上設計。圖7中示出了基座與運動平臺直徑比的影響，并介紹了六個中沖程頻率的三個評價指標：平均算術無偏方差和最大最大頻率比。其目的是獲得更高的平均算術值。低無偏方差與最大-最小頻率的低比值.圖7和圖8表明直徑的影響是高度非線性的。工作空間（曲線5）的最低頻率達到峰值（12），當直徑比約為2.2時，曲線4的最高點（18 Hz）在比率為2時出現。8。當直徑比為3時，特別是對于四個較低的頻率，所有的工作頻率都迅速降低。圖9顯示了直徑比對評價指標的影響。最佳直徑比為2.03.0或4.05.0。考慮工作空間中的最低頻率（圖8），2和3之間的直徑為最好的圖中示出了基礎接頭接頭角度比的影響。10-12從圖中。10-12，角度對自然頻率和評價指標的影響是在上關節(jié)角上線性增加的，角度角使三個最高頻率（曲線I和2）略有增加，但降低了其他三個頻率（曲線3, 4和5）。圖12清楚地表明，較小的角度等于較高的算術平均值和較低的偏差方差。最大最大頻率的比值保持穩(wěn)定。因此，較小的關節(jié)角度和角度比有利于提高任務頻率。對于所有的工作頻率，基礎接頭角度與上部接頭的比值最好在1左右。腿部中風的影響如圖13和14 所示?？梢钥闯?，腿部中風影響最遠的頻率比中中風頻率。較長的腿行程有利于提高總工作空間中的最低頻率，同時犧牲其他要求。從EQ（16），油模量的影響與有效驅動面積相同（油體積與每個驅動面積成比例）。這兩種方法都有利于提高所有頻率的模擬效果。然而，有效驅動面積的增加可能增加液壓設計的難度（泄漏、摩擦和系統(tǒng)流量供應），并且系統(tǒng)質量將增加。圖15和16顯示了油膜模量的變化。較高的油體模量有利于提高所有的目標頻率。實際有效油體積模量約為7.0x10n/m。在一些真空抽氣裝置（Jin等人，2007）中，液壓油的體積模量可以提高1.0x10N/m以上，因此，如果需要，可以對油進行預處理。這是一種比增加駕駛面積更合適的方法。結論提出了一種基于廣義固有頻率的優(yōu)化設計方法，旨在擴大大型液壓斯圖爾特平臺的控制帶寬。還考慮了液壓系統(tǒng)。亞當斯模型驗證和確認了當前模型的效率。給出了數值結果，得出了如下結論（1） 腿的活塞部分比氣缸部分起著更為重要的作用，整個腿的骨架應考慮到大的平臺。此外，腿質量對上平臺質量的影響比氣缸質量對活塞質量的影響更為重要。（2） 基礎與平臺的最佳直徑比在23之間。（3） 基礎節(jié)點與上部節(jié)點的小關節(jié)角和小角比有利于提高塔架頻率。關節(jié)角比最好在I左右（4） 較長的腿行程有利于提高總工作空間中的最低頻率。.（5） 油壓模量的影響與有效驅動面積的大小相同，為提高傳動比提供了更有效的方法。這種優(yōu)化方法可以與其它要求一起使用。這是一種獲得高帶寬的液壓斯圖爾特平臺的有效方法，適用于其它液壓并聯機械手的優(yōu)化設計。附錄二 外文全文