一種高精度六軸運動平臺設計*

潘紹飛，肖世德

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610000)

0 引言

多軸運動平臺可以按照需求在給定運動范圍內，實現多自由度運動，達到預計位姿，在工業生產和生活領域中應用比較廣泛，尤其在汽車、飛機、船舶和娛樂設施等運動模擬方面，多軸運動平臺已經成為必不可少的動態仿真設備。運動平臺結構及運動形式的種類繁多，根據不同標準可對運動平臺進行不同的分類。按運動平臺具有的自由度個數，可分為單自由度、二自由度、三自由度、四自由度、五自由度、六白由度運動平臺;按運動平臺的結構形式，可分為串聯式和并聯式兩種[1]。

以X單位的高精度六軸運動平臺為研究對象，對其進行結構設計、控制方案和控制策略方面進行初步研究。所述運動平臺為六自由度串聯機構。

1 多軸運動平臺總體方案和結構設計

1.1 設計要求

根據X單位的Y產品的運動控制需求，該多軸運動平臺要求可以實現六個自由度的運動，X、Y、Z方向的直線運動，α、β、γ方向的旋轉運動;X、Y軸方向直線運動行程500 mm，Z軸方向直線運動行程300 mm，α、β、γ 方向能夠實現0 °到360 °的轉動;Z、α、β、γ方向需要機械自鎖;X、Y向重復定位精度小于5 μm，絕對定位精度小于 8 μm，最大速度 50 mm/s，Z向重復定位精度小于5 μm;絕對定位精度小于8 μm;最大速度 10 mm/s;α、β、γ 角重復定位精度 0.01°;絕對定位精度 0.02°;最大速度 10 °/s;各軸都需要加工運動反饋系統，X、Y、Z方向安裝直線光柵尺，α、β、γ方向安裝圓光柵尺;有效載荷大于30 kg。

1.2 結構布局

經過綜合權衡和設計比選，六軸運動平臺總體結構布局設計如圖1所示。

圖1 六軸運動平臺整體結構圖

該平臺主要分為:X、Y、Z三個方向的直線運動部分和上方α、β、γ三個方向的轉動部分。直線運動部分是由直線導軌、滾珠絲杠、滑塊、基座等構成，從下到上，依次為X軸橫向運動機構、Y軸縱向運動機構、Z軸豎向運動機構;Y軸運動機構固定在X軸運動機構的滑塊上，Z軸運動機構固定在Y軸運動機構的滑塊上。轉動部分α軸運動機構固定在Z軸運動機構的滑動頂板上，β軸運動機構固定在α軸運動機構輸出旋轉框上。γ軸運動機構固定在α軸運動機構輸出旋轉桿上。最后執行靶標板安裝在γ軸運動機構輸出軸上。因此平臺具備六軸運動能力。

1.3 驅動系統

考慮到驅動能力和控制精度等各個方面要求，最終選用日本松下400 W高慣量、小容量伺服電機，具體型號MHMD042G1V，電機額定轉速3000 r/min，額定轉矩1.3 N·m，有制動器，20位增量式旋轉編碼器，每一轉的分辨率1048576。該電機具有響應速度快，定位穩定性高，輸出扭矩恒定的特點。由于電機的額定轉速較高，所以必須要減速機和電機配套使用。根據伺服電機的型號，選擇伺服驅動器為MBDHT2510。運動平臺共需要六臺電機和六個驅動器。

1.4 傳動系統

直線運動部分:X、Y軸動力裝置由伺服電機、行星齒輪減速機和聯軸器組成。X、Y方向均采用伺服電機和行星減速機輸出旋轉運動，帶動滾珠絲杠機構控制滑塊的往復行程，實現精確直線位移，兩側直線導軌起支撐和輔助運動，通過分別安裝在X軸和Y軸方向的兩個位移傳感器實時反饋位置信息。Z向動力裝置由伺服電機、蝸輪蝸桿減速機和聯軸器組成。Z方向采用伺服電機和蝸輪蝸桿減速機輸出旋轉運動，帶動滾珠絲杠機構控制滑塊的往復行程，實現精確直線位移，兩側導桿起輔助運動作用，通過安裝在Z軸方向的位移傳感器實時反饋位置信息。

減速機在原動機和工作機或執行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的一種相對精密機械，本設計中選用了蝸輪蝸桿減速機和行星減速機。蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，但是一般體積較大，傳動效率不高，間隙不易消除，精度不高。行星減速機優點是結構較緊湊，回程間隙小、精度較高，但價格略貴。考慮到X、Y、Z方向都需要做高精度的直線運動，同時X、Y方向在運動過程中受到的軸向力方向是要改變的而Z方向受到的軸向力始終豎直向下。X、Y方向選擇行星減速機，Z方向選擇蝸輪蝸桿減速機。滾珠絲杠和直線導軌作為六軸運動平臺所需的承載及運動部件，經過選型計算選擇臺灣上銀FSI－C0級超高精密滾珠絲杠和臺灣上銀EGH－SP級超精密線性滑軌。

旋轉運動部分:α、β、γ三個方向旋轉機構動力裝置由伺服電機、行星齒輪減速機和聯軸器組成。三個方向均采用伺服電機和行星減速機輸出旋轉運動帶工作部件轉動，通過分別安裝在α、β、γ三個方向上的位移傳感器反饋位置信息。

1.5 反饋系統

六軸運動平臺采用英國雷尼紹帶細分的開放式光柵尺，測量X、Y、Z三個方向的位移，讀數頭型號為RGH41，分辨率 0.1 μm，鋼質直線光柵尺型號為RGS40－S。

RGH41讀數頭具有反射帶狀光柵尺、專利光學濾波系統、LED安裝指示燈、優異的抗污能力、較高的工作速度、結構緊湊、配有內置細分盒、能夠提供一系列分辨率、工作速度高等優點。RGS40－S系列光柵尺表面具有一層可增強反射率的鍍金薄層，光柵尺安裝簡單快捷，光柵尺截面尺寸非常小，光柵尺與基體的微差移動幾乎為零。選用英國雷尼紹圓光柵尺，測量α、β、γ軸的旋轉位移，讀數頭型號為RGH40，分辨率 0.1 μm，鋼質圓光柵尺型號為 RESR40 系列[2]。

2 控制系統設計[3]

控制系統設計要求運動平臺能夠實現六個自由度運動的單獨控制和組合聯動控制，具備到位鎖定功能，具備軟、硬限位，具有狀態指示、報警顯示、保護功能;控制系統軟件要能實現單獨控制和組合聯動控制，實現回原點、保護等功能，能自動生成標志點坐標。

基于上訴要求，控制系統選用研華原廠工控機IPC－610L，配合兩張MPC08控制卡實現全閉環控制。X、Y、Z軸直線運動控制系統結構如圖2所示，α、β、γ軸旋轉運動控制系統結構如圖3所示。

圖2 X、Y、Z軸直線運動控制系統結構圖

圖3 α、β、γ軸旋轉運動控制系統結構圖

六軸運動平臺是一個閉環控制系統，整個運動控制系統包括工控機、運動控制卡、伺服驅動器、伺服電機、編碼器、減速機、滾珠絲杠、直線導軌、直線光柵尺、三相隔離變壓器和驅動電源24VDC等組成。工控機通過PCI總線與運動控制卡相聯系，運動控制卡獲取光柵尺的檢測位移信息，通過插補運算，控制六個伺服電機作旋轉運動。伺服電機自帶的增量式編碼器對電機輸出軸進行旋轉角度位置檢測和反饋，實現初步的位移和速度半閉環控制。MPC08運動控制卡接收到直線光柵尺和圓光柵尺的位移反饋信號，實現六個方向位移的全閉環精確控制。數字I/O卡選用帶隔離的16路數字輸入、16路繼電器輸出，用以實現直線機構速度、位置、超限和溫度等信號監控，進行報警和制動。為了對控制機構的行程做出控制，在直線導軌上安裝了行程開關以及限位開關，從而實現硬限位，避免超出運動極限范圍。硬限位復位解鎖功能通過控制系統軟件編程實現。

3 控制策略與軟件實現[4]

六軸運動平臺對于各個方向的運動位移控制精度和安全可靠性都提出了很高的要求。在硬件設計上，為了滿足機械自鎖要求，六個伺服電機均需要附帶機械剎車抱閘;為了滿足絕對定位精度要求和重復定位精度要求，六軸均選擇雷尼紹光柵，分辨率0.1 μm，同時直線光柵尺和圓光柵尺必須安裝在各機構適當位置以實現六軸全閉環控制;行星減速機和蝸輪蝸桿減速機要求具備高傳動精度，間歇要小。在軟件設計上，控制軟件設計時增加運動間隙(背隙)人機交互軟件補償調整功能，以便在六軸運動平臺整機現場調試時候，可以根據光柵尺現場實時測量和標定實驗數據，采用連續位移閉環控制策略和間歇補償調整控制策略，通過控制系統軟件處理實現實時補償;加軟限位開關控制，加光柵尺實時檢測補償，實現六個方向運動的單獨控制和組合聯動，每個軸具備到位鎖定功能，具備軟、硬限位，具有狀態指示、報警顯示、保護功能;具備位移曲線顯示和當前位置標示功能。具備回原點、保護和限位復位解鎖功能，具備自動生成標志點坐標等要求。

經過對控制系統和控制策略分析，設計出控制系統軟件設計的主流程[5]如圖4所示。

圖4 控制系統軟件設計的主流程

4 結語

對高精度六軸運動平臺的總體方案和結構設計及其控制系統進行了初步研究，該多軸運動平臺能夠準確實現被控對象多自由度運動要求，同時能夠很好地保證控制精度。在今后的工作中將進一步對平臺的機械結構和控制策略進行細致研究和優化設計，以期完滿實現X單位的多軸運動平臺研制目標任務。

[1]鄧瑞君，秦現生，張順琦，等.運動平臺應用研究新進展[J].航空制造技術，2010(2):51－53.

[2]楊國哲，王立平，郁鼎文，等.三坐標精密運動平臺的設計[J].機床與液壓，2006(6):1－3.

[3]吳 君.多軸運動控制系統的設計與應用[D].上海:上海交通大學，2011.

[4]施昕昕，常思勤.一種新型6自由度運動平臺的控制研究[J].機械工程學報，2014(3):56－63.

[5]雷雙江.煙流排管架單軸直線運動機構及其控制系統設計[D].成都:西南交通大學，2013.