二自由度力反馈操纵手液压系统设计

二自由度力反馈操纵手液压系统设计
摘要
有关于力反馈的一些系统被广泛应用在军事上和民用上。

通过建立和设计出的力反馈模拟系统在军事上应用的非常完美，但受经济和地理等相关的因素制约着军事上的一些现代化军事演练，随着这种力反馈系统的出现，使一些演练变成了现实，通过应用这种系统可以真实的反映出真实的实地演练效果。

不仅在军事上，在民用上，这种相关系统用在游戏中，模拟游戏中的真实效果，是玩家有更真实的游戏感觉。

为此，二自由度力反馈操纵手系统的设计应用了PID的控制算法，其中采用了干扰观测器减小了冲击力的程度，使主副操纵手的反馈更加精准。

为了完成一些实验室相关的力反馈的实验，增加了液压控制系统，作为二自由度力反馈系统的执行元件。

为了更加准确，在执行元件中添加了传感器等。

这样为老师同学及相关的实验人员获取比较可靠的实验数据，同时也可以应用在一些简单的游戏模拟当中,使游戏也增添一些真实的感觉。

关键词：力反馈液压系统PID控制二自由度
Abstract
Recently some systems and facilities about force- feedback are used in military and society field. scalely.The construction and designment of the system of simulation about force-feedback is employed in modern military practices perfertly，but some factors like economy 、environment and other related elements restricted some modern military practices .But as the system coming into being,it make some military exercises came true.Though employment of this system of simulation ,the true resultant would reflect the effects of realistic military practices.Not in military field,it is also used in society,such as in games,like this system can bring the people more real feelings,making them very crazy.So the designment of the force feed-back system about hand controlment of two free-degree consists of three parts like mechanical part、controlment part、and hydraulic part employed PID control ing the interference inspection equiment can reduce the degree of impulsive force，making the lord manipulate hand and the vice manipulate hand operate correctly.For achieveing some exercises about force feed-back,add the hydraulic controlment system to the two degree equipment of force feed-back as operator of the equipment.Hoping more corret,the sensors also are used in the system.Thus teachers and students will get more corret results of experiments,at the same time,the computer games players also feel more reality.
Key words: force feed-back hydraulic system PID arithmatic controlment two degree manipulate hand
Abstract (2)
第一章引言 (4)
1.1选题背景 (4)
1.2研究目标和意义 (5)
1.3研究思路 (5)
第二章问题现状 (6)
2.1.0系统的缺陷 (6)
2.1.1运算控制类型的对比 (7)
2.1.2原因分析 (9)
第三章系统的设计要求 (9)
3.1系统的设计要求 (9)
3.2 系统的主要参数 (10)
第四章液压控制元件的选取与设计计算 (10)
4.1 液压系统的组成 (10)
4.2液压泵的选取与计算 (12)
4.3液压马达的选取与计算 (13)
4.4电机的选择 (14)
4.5 油箱的设计 (15)
4.6 油管的设计计算 (17)
4.7液压工作介质的选用 (21)
4.8 液压辅助元件的选择 (21)
4.8.1阀类的选取 (21)
4.8.2阀控制回路的选取 (24)
第五章系统机械部分的设计 (26)
5.1操纵手的机械结构设计 (26)
第六章电气控制元器件的选取 (28)
6.1 微处理器的选取 (28)
6.2 D/A数据转换器的选用 (29)
6.3 传感器的选用 (29)
6.4控制算法的选取 (31)
参考文献 (35)
第一章引言
1.1选题背景
近年来对于力反馈方面的应用领域逐渐扩大，其中，多自由度的力反馈操纵系统的应用在军事模拟方向的较多，通过类似系统的出现是军事模拟方面的训练和创新大大提高了当代军人的身体素质和心理素质，同时也提升了现代军人的军事化力量，从而使得我国军事的演练和演习逐步实现正规化。

与此同时，这样的力反馈系统
不仅应用在军事方面，也应用在民用方面，通常用在娱乐游戏当中，使游戏的真实感觉增加，让玩家感觉到游戏中的震动和碰撞的强烈效果。

增加了游戏的趣味性和刺激性，将游戏的推行和玩者的感觉相结合，使游戏的广泛推行增加了砝码，让广大游戏爱好者是对含有这种系统的游戏更加青睐。

力反馈操作系统的应用无论在军事方向还是民用方面都向科学的前沿迈了一步。

此次所设计的二自由度力反馈操纵手液压系统试验台，用于实验室的力反馈操纵实验，通过该系统让老师和同学以及相关的实验人员进行相关的实验及相关的力反馈方面的研究，为老师.同学及实验人员获得相关的实验数据为其相关的研究题目提供可靠的数据及相关的参考。

力反馈操纵手液压系统的设计开始在液压方向的领域内增添了力反馈的因素，使液压与力相结合，在该系统中，主要为两部分，其一为液压系统，液压泵提供动力源，液压马达为执行元件，其二为电控部分，电控部分中的压力传感器和单片机分别担当数据采集和数据装换的角色，同时也驱动力反馈的另一系统，达到相互作用的效果。

使两种相关元素在未知的领域和未解决的问题中得到应用，从而可以使科学领域中的其他学者和研究人员得到使用，能构推进研究的进度和解决问题的速度，达到对使用者的满意程度，使该系统得到充分的使用，并且逐步推进该系统的进一步升级和发展，从而能够对社会和科学领域做出应有的贡献，促进社会的进一步发展，让社会最终受益。

1.2研究目标和意义
研究二自由度力反馈操纵手液压系统的目标是通过涉及该力反馈液压操作系统，主要是为了完成主从操纵手的相互制约和控制，从而达到精确的控制和运行。

并将可以实行的系统操作应用在较简单的军事训练方面和民用的娱乐游戏方面。

在军事演练上，可以减少训练的经费，同时还达到了训练的效果，在游戏上，是玩家的游戏感觉更加具有真实性和刺激性。

1.3研究思路
二自由度力反馈操纵手液压系统大体上在硬件方面分为三大部分。

分别为液压系统，电控制部分以及机械部分。

所谓力反馈，就是一种机械性能同过力的作用表现出来。

液压部分的构成有液压站和一些阀类部件构成，通过计算执行元件设计为叶片马达。

控制部分的运算处理主要以在大学里所学的8051单片机为主要的运算处理单元。

并通过数据转换器和一些放大电路元件构成，最主要的是数据的采集元件即压力传感器。

机械的部分主要为实验台的支撑部分和固定部分，主要为液压马达的固定和主从
操纵杆和分布。

在软件方面，根据所需的硬件结构主要应用PID 的控制算法。

由于是二自由度操纵杆，通过两个叶片马达所合成的力和位移最终成为主从操纵杆的最后动作，经传感噐对力的采集，所采集的模拟量经由数据变换器即A/D 转换后将数据传给单片机，单片机运算后再通过数据转换即D/A 转换后传送给从操纵手，从操纵手根据所传给的数据进行相应的动作，同时，当从操纵手由液压马达传出力距时在从操纵赶处的力传感器测出的数据经过D/A 转换传给单片机，经过PID 控制运算，通过运算后再将数据传送给主操纵杆，然后主操纵杆通过液压马达的力的合成是主操纵杆进行动作。

即主从操纵杆相互制约和相互控制。

力反馈机构原理图如下:
第二章 问题现状
2.1.0系统的缺陷
二自由度力反馈操纵手液压系统目前的问题涉及到三大部分。

及液压系统部分，电控制部分和机械部分。

其中液压方面所涉及到的问题是如何选取较好的动力源和执行原件以及是否应用一些更好的辅助元件，同时该液压系统的工作介质的合适选择是一个关键性的问题，据统计绝大部分的液压系统出现的故障大都来自于工作介质的选取不当导致液压系统的工作效率明显降低，还带来经济问题。

电控制部分的要求通过相关的所学只是可以解决，最主要的是相关的软件部分，应用何种运算控制才能更好的
是液压系统部分、电控制部分以及相关的机械部分更好的结合在一起这是一个关键性的问题。

就现在的情况来看，软件控制部分应用较多的是PID控制运算，通过该种控制运算，可以将三种系统更好的结合在一起，但是系统的稳定性、动态特性、操作性能以及透明性等问题也越来越引起人们的重视。

在如何消除或缓解反馈力的冲击、从动机构动态特性的差异及其温漂的影响，众多专家学者应经做了大量的工作。

为了提高系统的随动性和改善从动机构的动态特性差异，利用干扰观测器的原理，在从动机构的控制中加入了干扰观测器。

通过分析表明，对于不同的信号，系统都有比较好的跟踪性能，较好的提高了从动机构的鲁棒稳定性和抗干扰能力，从而达到预期的目的。

2.1.1 运算控制类型的对比
在双向伺服控制技术的发展过行程中，目前已经尝试了位置对称型、力直接反馈型、力偏差反馈型等多种主-从伺服控制方法，实验结果表明力偏差反馈型效果相对较好一些，但其存在的不足是，当从动执行机构接触到刚度较大物体（如木块、石头或人为较大的施力时）操纵杆上所受的反馈冲击力过大，是操纵者难以忍受。

但是一位日本的学者久富提出的改进方法，他是将从动机构的执行元件由原来的位置控制改成了力-位置复合控制，在操纵杆的控制中加入了状态观测器，以改善操纵杆油缸动态特性的差异。

从其实验结果来看，由于从动机构的力-位置符合控制的影响，虽然此控制方法从一定的程度上缓解了操纵杆上的反馈力冲击，但在操作过程中从动机构对操纵杆的位置跟随特性明显的下降。

其中的控制原理图如下所示：
通过每个控制的原理图就可以很明显地看出各个控制的优点和缺陷。

经过分析比较提出一种新型的力反馈伺服控制，即将操纵杆的力与从动机构的工作阻力之差作为控制信号去控制从动机构的运动，是操纵杆的位移随从动机构的位移和力的大小，操纵者可及时把握从动机构的位移及力反馈的大小情况，以改善以前的控制方法的缺点，从而使力反馈系统在受到较大力矩或者是较大冲击的时候操纵者无法忍受的问题得到解决，以改善从操纵手受力冲击的强度和控制的动态特性。

同时为了改善执行机构的动态差异，提高了系统的鲁棒稳定性和抗干扰能力。

将该系统增加力传感器和位移传感器。

从操纵手从操纵手控
制器位置传感器
主操纵手控
制器
主操纵手
2.1.2原因分析
此次所设计的二自由度力反馈机构是由液压控制系统、电控制系统和一些机械结构所组成的。

其中液压系统和电控系统最为重要。

首先液压系统应该有液压站和伺服控制系统。

通过伺服控制根据传感器所采集的数据对机械操纵手进行控制和运行。

操纵手的运动行程是正负45°，即前后旋转，所以旋转液压马达是该系统所需要的。

其次在电控方面，该系统的控制复杂程度比较低，所以可以不用性能较高的芯片，使用通常的单片机即可。

最主要的是如何使用比较合适的算法使操纵手的运动更加的准确，而且能够使操纵者不承受有操纵杆反馈回来的较大的冲击力。

由于系统的从操纵手以及主操纵手的相互反馈带来的力的冲击可能会使操纵者忍受不住太大的强度，是由于该系统中的软件即控制算法的不足导致力反馈较大，从以上的伺服控制系统的类型上看，都存在一些不足的地方，所以导致反馈的不准确性和力较大的冲击性。

第三章系统的设计要求
3.1系统的设计要求
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此次设计的二自由度力反馈液压系统由液压控制系统、电气控制部分以及机械承载部分三大部分组成。

二自由度力反馈力反馈液压系统的结构设计和控制设计，要从实际情况出发，根据设计题目的要求和设计手册的相关规定，设计出新颖，具有合理的机械结构，正常的控制运行状态和经济性等问题。

在现今的社会当中，同时还要考虑节能和环保的性能问题。

是自己设计的系统力求结构简单、操纵方便且应该有较高的工作效率。

（1）液压系统的设计中，要保证系统中的每一个元器件都应有相对应的作用，力求没有多余的液压器件，提高系统的经济性。

（2）为了使系统在操作过程中，运行的更加稳定和安全，要求要有实时监测的液压元器件或者是相对应的检测系统，保证所设计的系统安全无误的运行，是操纵安全合理的操作。

（3）二自由度力反馈液压系统所组成的部分零件应尽量保证标准化、普遍化。

让系统的互换性更加符合大众要求，便于以后的维护和修理。

3.2系统的主要参数
（1）系统的工作压力：4Mpa
（2）操纵杆最大加载力：500N
（3）频率：6Hz
第四章液压控制元件的选取与设计计算
4.1 液压系统的组成
此次所设计的二自由度力反馈操纵系统有三部分组成，其中的液压系统根据相关的理论进行计算和设计，根据机械设计手册的内容，液压泵和液压马达的选用主要根据系统的工况来选择液压泵，泵的主要参数有压力、流量、转速、效率。

为了保证系统的正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定压力的%80左右；要求工作可靠性较高的系统或运动的的设备，系统的工作压力为泵的额定压力的%60左右。

泵的流量要大于系统的工作最大流量。

为了延长泵的寿命，泵的最高压力与转速不宜同时使用。

此次设计的二自由度力反馈液压系统的液压控制
部分组成如下图：
其中的控制液压元器件分别为油箱、过滤器、先导式溢流阀、压力表、节流阀、储能器、液压马达、液压泵、驱动电机、油管。

(1)由于是液压系统，因此一定要有油箱，要想使执行元器件运动必须要有动力装置，
及液压泵。

尽管又通过液压泵传递给执行元件，且工作环境的不确定性，为了液压系统中的工作元件能够长期的工作并有一定的工作寿命，一定要有过滤装置。

(2)液压中的辅助元件也是必不可少的，为使工作系统能够良好的运行，其保证工作
的安全性，一定要有溢流阀、节流阀的控制阀的选用与设计。

在液压系统中，系统为了更加运行稳定精确，通过增加一些控制和检测装置，使系统的工作更加准确。

(3)液压站是液压控制系统的动力总成，供给液压控制系统进行正常稳定的工作，保
证液压系统的工作性能更加稳定。

4.2液压泵的选取与计算
根据设计要求提供的情况，对液压形同做进一步的工况分析，查明每个液压执行元件在工作循环个阶段中的速度、载荷变化规律、绘制液压系统的有关工况图。

液压系统工作压力由设备类型、载荷大小，结构要求和技术水平而定。

系统工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，液压的发展方向。

但要注意泄露、噪声控制和可靠性问题的妥善处理。

根据题目要求的相关的参数，首先选取合适的液压泵，根据液压泵选取合适的驱动电机，在泵的规格中，一般同时给出额定工况（额定压力、转速、排量或流量）下泵的驱动功率，可按此选择电机，同时也可按液压泵的实际使用情况，按下列公式计算电机驱动功率：
P= ΨPnQn/60ηp （KW）(1)
根据计算出的驱动功率和泵的额定转速选择电机的规格。

通常，允许电动机短时间内在超载25%的状态下工作。

假如液压泵在工作循环周期各阶段所需的输出功率差别比较大，那么应首先按下式计算循环周期的等值功率：
错误!未找到引用源。

（KW）(2)液压系统的工作压力为4.10mPa，为低压，正常工作压力为泵的额定压力的%80左右，系统的工作压力为泵额定压力的%60左右，由于选择液压泵主要根据工况来选择，泵的主要参数有压力流量，转速和效率，因系统的工作压力为4.10Mp，则液压泵的额定的压力为5.125mMp，根据液压设计手册中表20-5-3可知，符合条件的有齿轮泵，叶片泵,柱塞泵三大类别，由于双作用叶片泵的额定压是6.3-32mPa，而系统的额定压力为6.73mPa，并且叶片泵的结构比较紧凑，外形尺寸小，运动比较平稳，且流量均匀，噪声小，寿命长，虽然与齿轮泵相比，对油液的污染较敏感，但在室内，由于环境的污染等级较低，所以没有太大的影响，因此选双作用液片泵。

齿轮泵也可以，但工作压力较低，而柱塞泵尽管得到广泛应用，但它的结构比较复杂，且价格较贵，所以选叶片泵。

根据表20-5-3双作用叶片泵的排量为0.5-480ml/r，转速为500-4000r·min，最大功率为320Kw，容积效率为80-294%，总效率为
65-82%，最高自吸能力为33.5KPa，流量脉动小于1%，根据表20-5-21初选叶片
泵型号为YB型，YB型泵系经过改进后的叶片泵由表20-5-22，根据额定压力选择YB型，排量为6.3-100，额定压力为10mPa，转速为600-2000，又据表20-5-27，选择YB-A30型叶片泵，根据实验台情况，选择法兰安装，这样是重量轻，可以减小试验台的压力与冲击。

4.3液压马达的选取与计算
由于工作环境在室内，本系统的设计中的执行元件为操纵杆，而操纵杆的运动是而为的角度旋转，因此操纵杆的动力源器件不应选取液压缸等直线型液压动力系统，因此要选取旋转型的动力液压源器件。

因此要选液压马达。

液压马达的选取，根据所设计的液压系统的需求，液压马达需要使用四个。

根据机械设计手册中表20-2-9，通过该表选取液压马达。

马达有齿轮马达，摆线马达，曲杆马达，叶片马达，球塞马达，轴向马达和内曲线马达。

方案1：这些马达中，虽然齿轮马达，摆线吃轮马达都速度中等或较高，但是系统中不需要速度较大的马达，但结构比较简单，且价格相对比较便宜，选择摆线齿轮马达。

方案2：曲杆马达，球塞马达，曲杆马达的优点是直径小，转动惯量小，但扭矩却大，且由于定子的材料不同，选用的介质也是不一样的，受到介质大制约，球塞马达速度较高，且轴向尺寸较小，扭矩较大，比较适用于塑料机械和行走机械。

而内曲线径向马达，速度较低，扭矩很大，运行比较平稳。

但比较适用于各种重型机械中的各种液压系统中的执行元件。

方案3：叶片马达转速相对比较高，但扭矩比较小，同时转动惯量也比较小，动作灵敏而且脉动小同时噪声也小，由于所设计的二自由度力反馈操纵手液压系统为一个试验台，需要放置在室内，因此首先要噪声小，由于该系统的运行过程中需要手动，手动的同时另一个相对应的系统经过数据的传输和转换进行相应的动作，因此要动作灵敏，又因为液压系统的设计为了试验和应用到其他的领域中，所以二自由度力反馈操纵手液压系统的动作精准度也要一个比较高的精度。

根据以上的相关技术要求和比较，尽管方案1和方案2在价格上比较占优势，但在系统的执行过程要求不能过多满足，根据方案1和方案2以及方案3之间的相对比较，方案3比较符合所设计系统的要求，同时叶片马达适合应用于磨床回转工作台，机床操纵机构，多作用大排量用于船舶和锚机。

因此这样选择了方案3-叶片马达。

叶片马达的结构紧凑，外形尺寸小，运行平稳噪声小，负载转矩小。

理论流量Qo Qo=1/60qn=30mlr n额定转速=150
实际流量Q=qon/60ην=30*1500/60* (3)
输入功率Pi=pQ p-工作压力
输出功率Po Po =pQη(4)
机械效率Po=∏Tn/30 (5)
载荷加载力为0～0.5KN，设计的操纵杆为260mm，则所得转矩为0～130N·m，根据所需的最大扭矩，在表20-5-67中，选择YM-F-E型，叶片马达，其具体型号为YM-F-E125，最高压力为20mPa，额定压力为16mPa。

转数最低为200rmin，最高为1200rmin，，额定转矩为284N·m，完全满足工作所需的扭矩，容积效率为88%，总效率78%。

4.4电机的选择
电机的选择，根据泵的参数及泵的驱动功率，公式如下：P=ΨPnQn/1000ηp （KW）(6)
Pn-液压泵的额定压力Pa
Qn-液压泵的额定流量
ηp-液压泵的总效率
Ψ-转换系数一般液压泵：Ψ=Pmax/Pn(7)
恒功率变量液压泵Ψ=0.4
限压式变量叶片泵Ψ=0.85Pmax/Pn Pmax-液压泵实际使用的最大工作压力
其中Pn=10.5mPa Qn=40.6lmin ηp=82%
由于所使用的液压泵是叶片泵，所以用一般叶片泵的公式：
Ψ= Pmax/Pn (8)
Ψ=32/10.5=3.05 由叶片泵的参数压力6.3～32mPa，排量0.5～480mlr，转速500～4000rml，最大功率320Kw，容积效率80～294%，总效率65～82%,流动脉动≤1%
根据上式得:
P=3.05×10.5*4.06/1000*0.85
=1300.215/820
=1.59KW
4.5 油箱的设计
油箱是液压系统中的能源提供装置，除了向执行元件提供能源外，同时还起到为操纵系统润滑和散热的作用，还起着分离油液中的气体及沉淀物的作用。

根据油箱的具体应用条件,合理选用油箱的容积、结构形式和附件,以使油箱充分发挥其作用.油箱分为开式和闭式两种类型。

开式油箱应用比较广泛。

箱内液面与大气相通。

为防止油液被大气污染,在油箱顶部设置空气滤清器,并兼作注油口用.闭式油箱一般指箱内液面不直接与大气相通,而设有气孔与具有一定压力的惰性气体相接,充气压力可达到0.05MP。

油箱的形状一般采用矩形，而容量大于2㎡的油箱采用圆筒结构比较合理,设备重量相对较轻,油箱内部压力可到0.05MP.油箱必须有足够大的容量,以保证系统工作时能够保持一定的液位高度;为满足散热要求,对于管路`比较长的系统,还应考虑系统停制工作时，维修能容纳油液自由流回油箱时的容量;在油箱容积不能增大而有不能满足散热要求的时候,这时需要设置冷却装置，以保证系统工作时油温不会变化太大。

设置过滤器时,油箱的回油口一般都设置成系统所要求的过滤精度的回油过滤器,以保持返回油箱的油液具有允许的污染等级.油箱的排油口(即泵的吸口)为了防止意外落入油箱中存有污染物,有时也装设吸油网式过滤器.由于这种过滤器安装在油箱的深处,不好清理,因此,即使设置,过滤网达到的目地要求也是很低的,一般为60目以下.油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能尽量远一些,管口都应插入最低油面之下,以免发生吸空和回油冲溅产生气泡.管口制成45°的斜角,以增大吸油即出油的截面,使油液流动是速度变化不致过大.管口应面向箱壁.吸油管离箱底距离H≥2D(D为管径),距箱边不小于3D.回油管离箱底距离h≥3D.设置隔板将吸回油管隔开,使液流循环,油液中的气泡与杂质分离和沉淀.搁板结构有溢流式标准型,回流型和溢流式等几种.另外还可根据需要在隔板上安置滤网.在开式油箱上部的通气孔上必须配置空气滤清器.兼作注油口用.油箱的注油口一般不从油桶中将油液直接注入油箱,而是经过滤车从注油口注入,这样可以保证注入油箱中的油液有一定的污染等级.放油孔要设置在油箱底部最低的位置,使换油时油液和污物能顺利的从放油孔流出.
在设计油箱时,从结构上应考虑清洗换油的装置,设置清洗孔时,以便于油箱内沉淀物的定期清理，保证液压油的清洁度。

当液压泵和电动机安装在油箱盖板上时,必须设置安装板。

安装板在油箱盖板上通过螺栓加以紧固.为了能够观察向油箱注油的液位上升情况和在系统中能够看见液位高度的变化,必须设置液位计或者视油孔。

按GB/T3766-1983中的5、2、3a规定:油箱的底部应离地面150mm以上,以便于搬移”、放油和散热。

为了防止油液可能洒落在地面上,可在油箱下或上盖附近四周设置油盘。

油盘必须有排油口,以便于油盘的清洁。

油箱的内壁应进行抛丸或喷砂处理,以清除焊渣和铁锈以及其他的杂质。

待灰砂清理干净之后,按不同工作介质进行处理或。