三自由度并联机床控制系统设计与实现
并联机床的运动控制系统设计与实现
并联机床的运动控制系统设计与实现随着工业技术的不断发展，机床的控制系统也在不断地更新换代。
而并联机床是近年来推广较为广泛的一种机床类型，它与传统机床相比具有更加灵活、高效等优点。
本文将重点探讨并联机床的运动控制系统设计与实现，让我们一起来了解一下。
一、并联机床的概述首先，我们需要了解并联机床的基本概念和组成结构。
并联机床即指由多个运动副组成的机床，其中每个运动副都相互独立，但又能够通过同步器实现同步运动。
它的关键组成部分包括传动机构、力传递机构、同步控制机构以及运动控制系统等。
与传统的串联机床相比，由于每个运动副都相对独立，因此并联机床更加灵活，能够同时完成多项生产任务，提高生产效率。
同时，它的运动轨迹设计非常灵活，可以根据不同的工件需求进行自由调整。
二、运动控制系统设计运动控制系统是并联机床非常重要的组成部分，它的功能是控制机床的各个运动副的运动状态，使得整个机床能够按照预定的轨迹完成所需的加工任务。
下面，我们将对运动控制系统的设计进行详细介绍。
1、控制算法的选择在设计运动控制系统时，需要确定采用何种控制算法来进行控制。
目前常见的并联机床控制算法有PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。
不同算法有各自的优劣势，因此需要根据实际需求进行选择。
2、动力学建模在进行控制算法设计前，需要先对并联机床进行动力学建模，建立运动副之间的运动关系，并推导出各运动副的动力学方程。
这样才能够针对不同的加工任务进行控制算法的设计。
3、控制系统硬件设计并联机床的运动控制系统硬件设计包括电机和伺服控制器的选型、功率放大器的设计、传感器的选用等。
需要根据机床的使用需求和性能要求进行选择。
4、控制系统软件设计控制系统软件设计包括编程语言的选择、控制算法的软件实现、程序调试等。
要确保软件的可靠性和稳定性，程序错误及时排除，保证机床正常运行。
特别是控制算法的软件实现，需要保证其对不同加工任务的适应性和实时性。
三、运动控制系统实现在完成运动控制系统设计后，需要进行实现。
平面三自由度并联机床的机构分析及工作空间确定
Ｆ＝６ （ ｎ — Ｐ一 １ ） 一
ｉ ＝１
（ ２ ）
Ｉ ｌ Ｐ
这 就 是 空 间机 构 自 由度 的 一 般 形 式 的计 算 公
式 。而对 于平 面机 构 有
Ｆ ＝ ３ （ ｎ － ｐ － １ ） ＋ ＥＺ
ｉ ＝１
（ ３ ）
对 于 图 １中 ３． Ｒ ＲＲ平 面 并 联 机 床 机 构 ，
ｌ
訇 似
平 面三 自由度并联机床的机构分析及工作空 问确定
Ｔｈ ｅ ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｔ ｕｔ ｉ ｏｎａｌ ａｎａｌ ｙｓｉ ｓ ａｎｄ ｗ ｏｒ ｋｓｐａ ｃｅ ｄｅｔ ｅｒ ｍｉ ｎｅ ｏ ｆ ３－ ｆ ｒ ｅｅｄｏｍ ｐｌ ａｎｅ ｐ ａｒ ａｌ ｌ ｅＩ ｍ ａｃｈｉ ｎｅ ｔ ｏｏｌ ｓ
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ （ 上） ． ３ ９
１ 平面三 自由度并联机床的构型分析
三 自由 度 平 面并 联 机 床 是 由指 运 动 平 台 上 对 称 布 置 的移 动 副和 转 动 副组 成３ 自 由ห้องสมุดไป่ตู้并 联机 构 。 任 何 类型 的三 自由度 平 面 并 联 机 器 人 其 运 动 平 台
（ ａ ）ＲＲ Ｒ （ ｂ）ＲＤ Ｒ （ Ｃ ）Ｒ ＲＰ
：
８ ， Ｐ ＝ ９ ， ∑ ＝ ９ ， Ｎ ｌ ｌ ｔ Ｆ ＝ ３ 。 因 此 该 并 联 机
收稿日期：２ ０ １ ２ —１ ０ —１ ０ 作者简介：崔乐芙 （ １ ９ ６ ４一），女 ，副教授 ，工学学士 ，研究方 向为 电梯应用技术研究和建筑机械应用技术研究 。
新型三自由度并联机床概念设计与运动分析
１ 上虎 克铰 （ 动 平 台相 连 接 ） 两 个 转 轴 轴 ） 与 的 线 与下 虎克 铰 （ 静 平 台连 接 ） 两 个 转 轴 轴 线 相 与 的
互 平行 ；
与 两平 台 联 接 ， 间 有 一 平 动 机 构 使 平 台保 持 平 中 动 。通 过 三根 杆 的伸 缩 使 活 动 平 台带 动 磨 头 在 空
国 内有 许 多科 研 院 所 对 少 自由度 并 联 机 床 进
平台和三个长度相 等的定长杆 组成 ， 固定平 台、 运 动平 台和定长杆件通过 虎克铰相连 。该机构有 以
下 特点 ：
行了研究 ， 如东北大学研制的 ３ＰＴ型并联机床 ， 一１ ｒ Ｊ
应 用 于钢 铁 企 业 中 的钢 锭 修 磨 。其 固 定 平 台与 活
ｇ
∑ 一 ６ Ａｌ （一 ）
（） ４
￥４ １ ０ ０ ０ Ｌ ｏＯ 一ＬｉＯｉ￣） ＝（ ， ， ； ，ｃｓ ， ｓ ｓ ｎ ｎ
运动链 。分析时， 可将具有两个 自由度 的虎克铰用 两个转动副来等值代替。这样 ， 相当于有 ４个运动
１ ４期
王 海东 ， ： 型三 自由度 并联机床概念设计与运动分析 等 新
副 。这 ４个运 动 副均 以线矢 表示 ， 应用 螺旋 理论 ， 该
支链 的运 动 螺旋 可表示 为
￥１ １０ ０； ， ， ） ＝（ ， ， Ｏ ０ ０
１ 新 型三 自由度并联机床 的结构设计
由于 并联 机床 的设 计 是 以并 联机 构 为基 础 的 ， 而并 联机 构 的运 动关 节 中通 常 包 含 有 一 些 复 合 运 动副 ， 如球 副 、 克 铰 、 行 四杆 机构 等 。为 了构 造 虎 平 三 自由度 新 型 并 联 机 床 ， 首先 分 析 定 义 为 运动 副 的运动 特点 。
基于PMAC的三自由度并联机床数控系统硬件开发
硬件控制 系统 。测试结 果表明 ，系统设 计合理 ，能准确 的控制并联机床 的动作 。
关 键词 ：三 自由度 ；Ｐ Ｃ ＭＡ ；数控系统
中图分 类号 ：Ｔ ６ Ｈ１４ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１７ —７ ３ （０ ８０ —０ １ —０ ６３ ９８２０）３ ０６ ３
０ 前
言
床的 ｘ向、 向和 ｚ向的运动。当三个螺旋副作为 Ｙ 机床的三个驱动 副时 ， 通过伺 服电机驱动三个 螺旋 副运 动 ， 而实现 刀 具 的位 置 参 数 改 变 。本 文 所 开 从 发设计的三 自由度 串并联机床的滚珠丝杠采用了水
滑鞍 和动平 台相 连 ； 鞍 由伺 服 电机 和 滚 珠 丝 杠 螺 滑 母 副驱动 ； 根滚 珠丝 杠水 平安 装 于静平 台上 ， 过 三 通 联轴 器与 伺服 电机 相连 。各 支链 中的两 等长杆 件 在
结构上保持平行 ， 形成平行 四边形结构 ， 限制动平台
绕坐 标轴 的转动 ， 构成 三 自由度 三平 动结 构 ， 实现 机
安装 Ｐ ＷＩ Ｅ Ｎ软件 是 使 用 Ｐ ＭＡＣ的基本 要 求 ， 在使 用 Ｐ ＷＩ Ｅ Ｎ之前 必须 进行 通 讯设 置 。所 用 的设 置 是用 过操 作系 统 的控制 面板 上 的“ 电机 控 制 ” 完 来 成 的 。在此 之前 要关 闭所 有 的 Ｐｏ ｃｍｍ３ ２的应用 ， 包
作者简介 ： 董
旭 （９ １ ， ， １ ８ 一）男 助理实验师 ， 河北 保定人 ， 主要
从事机械制造及其 自动化技术的研究 。
维普资讯
第 ３期
董
旭等 ： 于 Ｐ 基 ＭＡＣ的三 自由度并联 机床 数控系统硬件开发
２ ０ 年 ６月 ０８
小型三自由度并联平台主轴协调控制系统
前 者性 能稳 定 可 靠
2008 03
—
，
功能强 大
，
般具有位置 反 馈监
图 l
小 型 三 自 由 度 并 联 平 台结 构 图
收 稿 日期
：
一
17
自动
数字增 量脉冲
电机 １ 脉冲
电机２ 脉冲 电机 ３ 脉冲
图 ２ 脉 冲分 配 原 理 图
本 研 究 设 计 基 于单 片 机 的 数 字 增 量 脉 冲来 协 调 三 个 电
Ｅ Ｅ ＸＣ Ｌ处 理 ，还 原 成 脉 冲 波 形 。 当 电 机 １ ，３分 别 走 ，２ １ ７，１ ０，１ ９时 ， 根 据 数 字 增 量 脉 冲法 理 论 分 析 可 得 到 三
机 的运 行 ，使 三个 电机 在 不 同 步 数 下 同 时 起 停 ，运 行 快 速
平 稳 。具 体 方 法 如 下 ： 设 各 步 进 电机 要完 成 的 步 数 为 ｓ ｐ ，控 制 脉 冲 （ 匀 ｔ ｅ 均 方 波 ） 的 脉 宽 为 ｔ ｉ ｌ ，３ ， 由 于 三 个 步 进 电机 在 相 （＝ ，２ ）
tw y
，
d
等人 采
用 柔 性 铰 链 设 计 用 于 精 密 研 磨 的 Z t i Jt s 工 作 台
采用精密
，
电容作 为闭环 检测 传感器
，
并 采 用 P ID 控 制 策 略
m
，
实现 Z
轴最大位移
a r c s e c
1 1 8 斗m
．
，
分辨率为 6n
倾斜最大角度达 到
，
22 7
．
[”
。
利用 柔 性铰链 协调 耦合运 动的方 式
三自由度平面并联虚拟轴机床的设计
基 金 项 目： 通 市 １９ 南 ９ ９年 第 二 批 “ 亿 科 技 ” 助 项 目 百 资 作 者 简 介 ： 清林 （９ ３一）男 ， 苏 海 安 人 ， 通 工学 院 机 械 工 程 系 副 教 授 ， 学 硕 士 ， 要 从 事 机 构 学 的教 学 和 研 究 工 作 。 曹 １６ ， 江 南 工 主
Ｖ０ ．１ １
Ｎｏ． ２
Ｓ ｐ． ００ ｅ ２ ２
文章 编 号 ：６ １ ３ ４ ２０ ）２— ０ ３—０ １７ —５ １ （０ ２ ０ ０ ７ ６
三 自由度平面 并联虚 拟轴 机床 的设计
曹清林 ， 沈世德
（ 通 工 学 院 ， 苏 南 通 ２ ６ ０ ） 南 江 ２ ０ ７
维普资讯
第 １卷
第 ２期
２０ ０ ２年 ９月
南 通 工 学 院学 报 （ 自然 科 学 版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ａｔ ｇＩｓｔｔ ｆ ｅｈ ｏ ｇ （ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ） ｏｒａ ｏ ｎｏ ｔｕｅｏ ｃ ｎｌ ｙ Ｎ ｔｒ ｃ ｎｅ Ｎ ｎ ｎｉ Ｔ ｏ ｌ ｅ
ｔ ０ｓａ ｅｓｕ ｉ ｄ Ｔｈ ｒ ｃ ｏｕｔｏ ｏ ｅ ｐ ａｌ ｌｍｅ ｈ ｎｉｍ ｓｉ ｏｖ ｄ． ｅ ｐ ｓｕ ｅ ｏ ｉ ｇ ｐａ ｏ ｍ ｆ ａａｌ ｌｍｅ ｈａ ｏ ｌ ｔ ｄ ｅ ． ｅｄｉｅ ｔ ｌ ｉ ｎ ｆｔ ａ ｌｅ ｃ ａ ｓ ｓｓ ｌｅ Ｔｈ ｏ ｔ ｒ ｓｏｆ ｖ ｎ ｌｔ ｒ ｏ ｐ ｒ ｌ ｃ — ｒ ｓ ｈ ｒ ｍ ｆ ａ ｅ ｎｉｍ ｅ ｏ ｔｍ ｉｅ ｂ ｙ ａ ｉｓ Ｔｈ ｌ ｔ ｎｓｏ ｅ ｋｉｅ ｔｃ ｆａ ｃ ｔｉ ｇ ｔｏ ｄ ｈ ｘ ｅ ｔｖ ｕｒｅ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｓ ａ ｐ ｉ ｚ ｄ ｙ ｄ ｎ ｍ ｃ ． ｅ ｒ ａｉ ｆｔ ｎ ｍａ ｉｓ ｏ ｕｔｎ ｏ ｌａ ｒ ｅ ｏ ｈ ｎ ｔ ｅ ｅ ｃ ｐ ｉｅ ｃ ｖ ｓ ａ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ． Ｋ ｅ ｒ ： ｖ ｒｕ ；ｍａ ｈ ｎ ｏ ｌ ａ ａｌ ｌ ｙ ｗｏ ｄｓ ｉｔａ ｌ ｃ ｉ ｅ ｔ ０：ｐ ｒ ｌｅ；ｍｅ ｈ ｉｍ ｃａ ｓ ｎ
基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现
的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广 泛的特点Ｃｚ］。
可编程控制器（ＰＬＣ）是一种专门为工业应用而设 计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有 可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性 而广泛用于工业控制系统。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移 的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止 位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目［３］。这一线 性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计 误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常 广泛。
大学，２００６． ［９］孙岩洲，邱毓昌，丁卫东．电源频率对介质阻挡放电的影响
口］．高电压技术，２００２，２８（１１）：４３—５３． ［１０］王振绪．提高大型高频臭氧发生器电能利用率的研究［Ｄ１
南京：河海大学，２００６．
作者简介陈 飞 男．１９８３年出生，福建福州人，在读硕士。主要从事臭氧发生管的研究。 朱天字 男，１９６１年出生，江苏靖江人。硕士，教授。主要从事大型高频臭氧发生嚣的研究。 １５７
垒皇至蕉苤瘗昱ｇ
参考文献
（Ｉ）主界面
９’手动上作方式界面
（ｃ）自动工作方式界面
１－１３王小玲．工业机械手的ＰＬＣ控制［Ｊ］．机电工程机术，２００４，
３３（９）：３２—３６．
［２］李勇成．基于ＰＬＣ的步进电机控制在工业机械手中的应用 ［Ｊ］．科技信息，２００８（１８）：３０—３１．
［３］韩志强，刘晓婷．步进电机ＰＬＣ控制的研究设计［Ｊ］．轻工机 械，２００６，２４（４）：１１４—１１５．
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机械毕业设计-三自由度并联机构的设计
XX( )AbstractParallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.The direction of the research of parallel mechanism:(1) study on the principle of parallel mechanism.The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.(2) for parallel mechanism workspaceIncluding the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.(3) for parallel mechanism structure designStructure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype; (1)1.1 (2)1.2 (3) (6)2.1 (6)2.2 (6)2.3 (7)2.4 (8) (10)3.1 (10)3.1.1 (10)3.1.2 (10)3.2 (11)3.3 (14) (20)4.1 (20)4.1.1 (20)4.1.2 (20)4.1.3 (21)4.2 (21) (22)5.1 (22)5.1 solidworks (22)Ad ms (23)6.1 Adams (23)6.1.1 Adams (23)6.1.2 ADAMS (25)6.2 Adams (28)6.2.1 ADAMS (29)6.2.2 (29)6.2.3 (30)6.3 (33) (35) (36) (37)11.16-TPS 3 60 ±90 6CCD90 1994 Ingersoll Giddings&Lewis Hexal ”(Hexapod) ”(VARIAX) GeodeticLapik Multicraft , ETZH IFW NeosRobotics Braunschweig Sandia 1996 Hexapod 47 49 CIRP 1998 1999 CIRA ASME 25 10 TMM 1998 2000 1994 1999 21863 211 1999 61.2,(1)(2) (3)(4) ——(5) X Y Z1-1[13]1-221 30 :(1) 3(2) ,(3) ,(4)(5)(6) ,(7)(8)(9) ,21 [14-15]22.12 2 2 22.22-1[16] 2.2.1 2 3 3Kutzbach Grubler [17] Fgi if g n F 1)1(6n —g —f i — i3 Z 1 22-12.32-2 PC PC PCPC2-2PC I/O 32 PC PC 322.4Workplace CComplete workplaceConstant workplaceMaximal workplace.DDi, Di D33.13.1.123456PWM3.1.257 24V 24V4-3n=30r/min f=100HZ57BYJ250C3.24.2II III IV III IV II III IV, ,DG D1.2. 500kgf3. 94mm/s4. 800mm5.3.31. 1.4t, 150 70AE BD CF l 1m:a R =0.51m b R =0.86m AE 15 EF=ED=DF=0.75×3m=750×3mm AB=BC=AC=0.35×3m=350×3mm A ED=80°AE= 00/2/21338.57575ED AB mm COS COSAG=AEcos15°=1292.9mm(AG A )PQ=1125mm, A G=AG+150=1442.9mmtg PHQ=11251442.9PHQ=37.9°, NHQ=90°-37.9°=52.1°9800=2F QH Sin52.1° F QH =6202.5Ntg PMQ=PQ PM =11251292.9 PMQ=41°Sin PMQ=PQ PM QM=0112541Sin =1714.8mm Sin PHQ=011251831.437.9PQ QH mm QH Sin X=1831.4-1714.8=116.6mmF QH =6K 1 X K 1=6202.58.87/6116.6N mm F PN = F QH =5K 2 K 2=6202.510.6/5116.6N mm 2. 1.4t, 150 100A"G=0()70951.72ED AB tg mm tg PM Q=1125951.7PM Q=49.8°Sin PM Q=11251472.9QM mm QMX=QM-Q M =1714.8-1472.9=241.9mm14000=2FQM Sin(90°-49.8°) F QM =10769.2N K 3=10769.27.42/6241.9N mm K 4=10769.28.9/5241.9N mm 3. 1.4t 20° 851400085%=11900N11900=FQM"SinQM"J+F PN"Sin M"N"PF QM"Cos QM"J= FPN"Cos M"N"PPMQ=41° QMN=49°QM"J=40° M"N"P=60°F QM"=6040.6N FPN"=9302.5NM"O=011251292.9201100.52Sin mm M"O M" M"QO=35° M"Q=01100.51918.735mm Sin MQ=01292.91713.141mm Cos X 1=1918.7-1712.1=206.6mmF QM"=6K 5 X 1 K 5=6040.6 4.8/6206.6N mm N"P=011251961.455mm Cos X 2= N"P-PN=1961.4-1712.1=249.3mmF PN"=5K 6 X 2 K 6=6040.6 4.855249.3mm 4. 1.4t 20° 801400080%11200NF 1=5686N F 2=8756N15686947.766F N 287561751.255F N 6FCos =947.7 =10°F=160.4N=K 7 X X=1713.11713.126.410mm Cos K 7=160.4 6.08/26.4N mm 5F Cos =1751.2 =10°F =355.6N=K 8 X , X=1713.11713.126.410mm Cos K 8=355.613.5/26.4N mm44.14.1.100max min ii l l l l (i=1,2,3) l min l max4.1.20 i max (i=1,2,3)max i m i l i ( 4-1)i =cos 1 iil m l m ··4-1l i = Tiz iy ix l l l =(b i -p 'i ) (i=1,2,3), m= T z y x m m m =(p 1'-p 2') (p 2'-p 3').4.1.334.2XO B Y X 1Z j Y 1 4-2 O B Z j (Z min Z max ) i i i O B -XYZ ( i cos i i sin i Z4-2i i 0° 360° Z j Z j Z min Z max55.15.1 solidworksCAD solidworks6 Ad ms6.1 Adams6.1.1 AdamsADAMS ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) MDI (Mechanical Dynamics Inc.) ADAMS 1999 ADAMS 51%ADAMSADAMSADAMSADAMS 3-16-1 ADAMSADAMS ViewADAMS SolverADAMS PostProcessorADAMS/HydraulicsADAMS/VibrationADAMS/LinearADAMS/AnimationADAMS/InsightADAMS/DurabilityADAMS/DMUReplayADAMS/FlexADAMS/ControlsADAMS/ExchangeCATIA CAT/ADAMSPro/E Mechanical/ProADAMS/CarSuspensionDesignCSMADAMS/DriverADAMS/DrivelineADAMS/TireModuleFTireADAMS/FBGEDMADAMS/EngineValvetrainADAMS/EngineChainADAMS/EngineADAMS/Rail6.1.2 ADAMSADAMS/ViewADAMS/View ADAMS X-Y ADAMS/View Parasolid FORTRAN/77 FORTRAN/90 ADAMS/View 3-13-1 ADAMS/ViewADAMS/View Parasolid CAD Parasolid Parasolid 20 lntel Windows NT ADAMS/View OpenGL (ADAMS/Solver)ADAMS/Solver ADAMS ADAMS ADAMS/SolverADAMS/Solver ADAMS/Solver 30% S12 Stabilized Index 2 intergrator S12spline Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, UniversalADAMS/PostprocessorMDI ADAMS/Postprocessor ADAMS/View 3-2ADAMS/Postprocessor*.gif *.jpg *.bmp *.xpm *.avi3-2 ADAMS/PostprocessorADAMS/Postprocessor ADAMS/Postprocessor ADAMS ADAMS3-3 ms6.2 Adams6.2.1 ADAMSADAMS/View ADAMS/View “Import a file” “Start in” “File Import”“File Import”6.2.2“Setting” “Gravity” “Units” Gravity “Earth Normal (-Global Y)” Units “MMKS –mm,kg,N,s,deg”ADAMS/ViewJoint: Revolute2 Bod-1 Loc Normal To Grid ADAMS/ ViewADAMS/View2 Bod-1 Loc Pick featureADAMS/ViewJoint: Fixed2 Bod-1 Loc Normal To Grid ADAMS/View .ADAMS/ViewTrans Joint Motion Speed100 100 100mmADAMS/View6.3.ms , ,,“ ” .[1] John A. Bosch. Coordinate Measuring Machines and Systems. New York: Marcel Dekker Inc. 1995,1-38[2] . [M]. 1999.[3] . [J]. 2000 11(1-2): 222-226.[4] . [J]. 1999[8] . [J]. . 1994,2: 8-13.[9] . [J]. . 1995,2: 21-24. [10] Oiwa Takaaki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1998,64(12):1791 [11] Oiwa Takaaki, et al. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1999,65(2):288[12] K. Takamasu and M. Hiraki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1997,63(12):1676[13] . —— [J]. 2000 8(5):497-498.[14] Huang T et al. Closed form solution of hexapod-based virtual axis machine tools[J]. ASME J. of Mechanical Design 1999 121: 26-31.[15] . —— [J]. , 1999 10(10): 1103-1107.[16] . [J]. 2000 11(3): 252.[17] . . : 1997:18~21.37。
三自由度转台的设计与实现
三自由度转台的设计与实现作者：李跃来源：《现代电子技术》2011年第17期摘要：基于MSP430F149单片机设计了一种三自由度转台系统。
在该系统中，利用旋转编码器的信息反馈，通过对电机的闭环控制，使三自由度转台能够模拟飞机的飞行姿态。
实验证明：系统能平稳、精确地按照任意给定的位置信息转动，动态性能良好，系统稳定性和抗干扰能力强。
关键词：三自由度转台； MSP430单片机；模糊控制; PID控制中图分类号：TN820.8-34 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)17-0135-02Design and Realization of Three-axis TableLI Yue(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)Abstract： A three-axis table based on Single-chip Microcomputer MSP430F149 is designed. In this system, using the feedback signal of Rotary Encoder and performing close-loop control of motor to make the three-axis table can imitate fly carriage of plane. The experiment confirms that the system can rotate steadily and accurately according to arbitrarily position signal, who has good dynamic state capability, stable system and strong anti-jamming capability.Keywords： three-axis table; MSP430 single-chip microcomputer; fuzzy control; PID control0 引言三自由度飞机飞行姿态模拟实验台是集机械技术、控制技术和传感器检测技术、计算机技术于一体的综合性测试设备。
全转动副三自由度并联机器人—毕业设计说明书
全转动副三自由度并联—毕业设计说明书全转动副三自由度并联—毕业设计说明书一、绪论1.1 研究背景在工业自动化领域，被广泛应用于各种生产线上。
而全转动副三自由度并联作为一种新型结构，在高精度、高速度和高稳定性方面具有较大优势，因此备受研究者的关注。
1.2 设计目标本毕业设计旨在设计和制造一种全转动副三自由度并联，实现灵活、高效的工作模式，满足工业自动化生产线的需求。
具体设计目标如下：1) 提高的运动精度，达到亚毫米级别。
2) 提高的运动速度，达到一定的生产效率。
3) 增加的负载能力，满足不同工艺要求。
4) 提高的稳定性和可靠性，减少故障率。
二、结构设计2.1 基本结构全转动副三自由度并联采用腰臀式结构，由主体、驱动系统、传感系统和控制系统组成。
主体包括底座、运动平台和连接机构。
2.2 运动平台设计运动平台是的核心部分，它决定了的运动自由度和力学性能。
运动平台采用球型结构，由球面、倚球杆和倚球座组成。
通过倚球杆的倾斜和球面的转动，实现的三自由度运动。
2.3 连接机构设计连接机构是主体与运动平台之间的关键部分，它连接了的各个部件并传递力矩和力量。
连接机构采用平行机构设计，由多个连杆和铰链组成，保证了机构的刚度和稳定性。
三、动力学分析3.1 运动学模型建立根据结构和运动平台的运动规律，建立了运动学模型，描述了各个自由度之间的关系。
3.2 动力学模型建立基于运动学模型，推导了的动力学模型，分析了在运动过程中的力学特性和动力特性。
四、仿真分析4.1 运动仿真利用MATLAB软件，进行了的运动仿真分析。
通过仿真结果，验证了的运动性能和稳定性。
4.2 动力学仿真利用ADAMS软件，进行了的动力学仿真分析。
通过仿真结果，了解了在不同工况下的运动状态和力学特性。
五、控制系统设计5.1 控制系统框架控制系统采用分层结构，包括运动平台控制、连接机构控制和整体控制三个层级。
每个层级都有相应的控制算法和控制器。
5.2 控制算法设计根据的运动学模型和动力学模型，设计了相应的控制算法，实现的精确运动控制和力矩控制。
3HSS并联机床运动学设计
要指标, 可用动平台三维笛卡尔速度到滑鞍移动速度 的映射矩阵——雅可比矩阵的条件数来表征。 条件数 越小, 则说明机床理论伺服精度越高, 因此可作为结构 参数的设计准则[ 6, 8 ]。 对式 ( 1) 关于时间求导, 得到点 o′ 的速度为 α ( 4) v = q i e3 + L Ξ i × w i α 式中, qi 为滑鞍 i 的移动速度, Ξ i 为支链 i 的角速度矢 量。 对上式两端点积 w i 并写成矩阵形式有 1 α q = diag T [w 1 w 2 w 3 ] T v = J v
0 ) 为点 B i 和 A i 在系 o- x y z 和 o′ - x′ 的位置矢 y′ z′
T
3
det Κ E3 -
∑ (w w
பைடு நூலகம்i i = 1
T i
2 ) (w T = 0 i e3 )
( 6)
即可解出 J 的条件数
W = m ax
Κ i
m in
Κ i
( 7)
量; ra、 静平台半径; Βi 为点 B i 和 A i 在 o- x y z rb 为动、 和 o′ - x′ ′ ′ 下位置角 , 且有 y z Π 2Π Β1 = + ( i - 1) 6 3 w i 为支链 i 的单位矢量; L 为支链杆长; q i 为滑鞍 i 相 对参考点 B i 的位移; e3 = ( 0 0 1) T 。对式 ( 1) 两端取 模方并整理得
机械工程, 1999, 10 (10)
3 H uang T , W ang J S, W h itehouse D J. C lo sed fo rm so lution to the w o rk space of hexapod based parallel m ach ine too ls, A SM E J. of M echan ical D esign, 1999, 121 (1) 4 H uang T , W ang J S, W h itehouse D J. T heo ry and m ethodo logy fo r k inem atic design of Gough 2Stew art parallel m an ipulato rs, Science in
KNT-PHT3 三自由度运动控制系统实验指导书
使用说明及注意事项
1
1）上机实训前必须认真仔细阅读实验指导书。
2）严禁散落长发、衣冠不整操作设备。
3）安装设备时注意不要损坏各种阀件及气动元件。
4）请勿使用损坏的插座或电缆，以免发生触电及火灾。
5）安装时请在清洁平坦的位置，以防发生意外事故。
6）请使用额定电压，以防发生意外事故。
7）必须使用带有接地端子的多功能插座,确认主要插座的接地端子有没有漏电，导电。
二、实验设备19
三、实验内容19
四、实验步骤29
五、问题与思考30
实验五触摸屏界面的开发设计31
一、实验目的31
二、实验设备31
三、实验内容31
四、实验步骤38
五、问题与思考39
实验六三自由度十字滑台综合实验40
一、实验目的40
二、实验设备40
三、实验内容40
四、实验步骤50
五、问题与思考52
六、提交报告52
实验指导书
2011-3-4
它能在三维立体空间的任意轨迹上运动，实现复杂的运动控制，在X轴、Y轴、Z轴三个方向都采用了滚珠丝杠副作为机械运动机构，使三自由度十字滑台运行平稳、走位精准，将铣床的所有运动状态完全展现出来。
目录
使用说明及注意事项3
1、安全注意事项3
2、使用注意事项3
实验一设备认识4
图1-3控制操作面板
a）正转按钮：主轴电机正向转动起动控制按钮。转动
b）反转按钮：主轴电机反向转动起动控制按钮。
c）停止按钮：主轴电机停止转动控制按钮。
d）超程按钮：超程操作按钮。
e）急停按钮：当有异常紧急状况时按下此按钮保护人身和设备安全。
四、实验步骤
三自由度并联机床动态有限元分析
ａ ｄ ｄ ｓ ｌｃ ｍ ｅ ｔｆ ｒ ｋ ｙ ｃ ｍ ｐ ｎ ｎ ｓ ｕ ｈ ａ ｏ ｉ ｇ ｐ ａｆ ｒ ， ｓ ｈｅｉ ａ ｉ ｇ ｓ ａ ｄ ｓｉｅ ｓ ｄ ｅ ｎ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｏ ｅ ｏ ｏ ｅ ｔ ｓ ｃ ｓ ｍ ｖ ｎ ｌ ｔｏ ｍ ｐ ｒｃ ｌ ｈ ｎ ｅ ｎ ｌ ａ ｄｌ ｗａ ｄ ｓ ｇ ｉｅ ａｎ ｄ． Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｔ ｔｔ ｅ ｍ ｏ ｔｉ ｆｕ ｎ ｉｌｆｅ ｕ ｎｃｅ ｆｔ ｅ ｄ ｎａ ｉ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｒ ｈ ｅ ｏ ｄ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｗ ｈａ ｈ ｓ ｎ ｌ ｅ ｔａ ｑ ｅ ｉ ｓｏ ｈ ｙ ｍ ｃ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ａ ｅ ｔ ｅ ｓ ｃ ｎ ｒ
第 ６期
２１ ０ ２年 ６月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｌ ａ ｈｉ ｅ Ｔｏ ｌ＆ Ａｕｔ ｍ ａ ｉ ａ ｄｕ ａｒ Ｍ ｃ ｎ ｏ ｏ ｔｃ Ｍ ｎｕｆ ｃ ｕｒｎｇ Ｔｅ ｈ ｑ ａ ｔ ｉ ｃ ｎｉ ｕｅ
ＮＯ． ６
Ｊ ｎ ０２ ｕ ．２ １
动 态性 能 影响 最大 。球铰 结合 部 为机 床 结 构 中薄 弱 环 节 ， 由此 提 出 了机 床 结 构优 化 设 计 建议 ， 球 将
形 铰 链 更 换 为 虎 克 铰 链 ， 而 提 高 了机 床 的 动 态性 能 。 从
关键词 ： 并联 机床 ； 限元 ； 态分析 ； 响应 有 模 谐
三自由度并联机构控制系统研发中期报告
三自由度并联机构控制系统研发中期报告一、研发背景三自由度并联机构是一种具有高精度、高刚度、高稳定性、高速度和高运动精度的机构，广泛应用于航空、汽车、医疗、机械制造等领域。
对于三自由度并联机构，其控制系统的设计将直接影响该机构的稳定性和精度。
因此，本项目将深入研究三自由度并联机构控制系统，设计出高效稳定的控制方案。
二、研发目标本项目的主要研发目标如下：1.设计出适用于三自由度并联机构的控制器，实现对机构的运动控制和姿态控制。
2.通过系统仿真，验证控制系统的控制效果和稳定性，包括对PID参数的优化调整。
3.结合实际机构，搭建出具有三自由度的并联机构运动控制系统原型，验证仿真结果和实际效果的相符程度。
三、研发内容1.建立机构的运动学与动力学模型，通过MATLAB/Simulink软件进行系统仿真。
2.设计PID控制器，优化控制参数，使得系统的控制效果最优。
3.结合Arduino开发板和电机驱动模块，实现对机构的运动和姿态控制。
4.针对系统中出现的问题和不足，进行控制器的优化和改进。
四、研发进展目前，我们已完成了部分研发任务，主要包括以下内容：1.基于Mechanism软件，建立了三自由度并联机构的运动学和动力学模型，并通过Simulink进行了系统仿真。
2.设计了PID控制器，使用了自适应控制算法实现对控制参数的实时调节。
3.结合Arduino开发板和电机驱动模块，实现了对机构的运动和姿态控制。
下一步，我们将继续进行实验和仿真，优化控制器设计和控制参数，以获取更为稳定和高精度的控制效果。
五、总结本项目旨在设计出适用于三自由度并联机构的控制器，实现高效稳定的机构运动控制和姿态控制。
虽然研发工作仍在进行中，但我们有信心通过持续不断的努力和改进，最终取得优异的研究成果。
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30 10
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图 7 待加工零件图形 图 5 圆弧程序仿真界面
并联机床实际走出的曲线轨迹如图 8 所示。由图可知在并 刀具走出了正确的轨迹， 取得了满意的结果。 联机构的驱动下，
手轮是实现并联机床三个轴联合运动的重要部件，直接关 系到并联机床的控制系统的实用性能。 手轮模块的功能就是控制 机床主轴的动作， 考虑到并联机床虚实映射的特点[10]， 需要 经 过 逆解运算将主轴运动转换为关节各个伺服轴的联合动作。 在手轮 的开发过程中需要结合 “工控机+多轴控制卡” 的硬件结构， 调用 并联机床位置逆解数学模型，分别生成三个伺服电机进给指令， 实现机床各轴的联合动作。 手轮方式测试仿真如图 6 所示。 手轮 控制测试的过程， 如表 1 所示， 走刀量表示选中方向移动的距离， 单位是 mm。在仿真界面中， 由左到右依次为第一、 第二、 第三手 轮， 表格中的数字分别代表了选中手轮的转动的刻度。 表 1 手轮动作顺序
本文所研究的并联机床是基于多轴运动控制卡的机床， 其能在硬 件配置下实现空间三方向的运动。本文基于 VC++语言构建了控 制系统的基本功能模块， 并且在安装调试系统以后， 进行了实验， 取得了满意的结果。
2 控制系统总体框架
本文开发的三自由度并联机床控制系统在整体上采用了软 件和硬件相互配合， 相互补充的格局。 硬件平台主要由控制模块、 伺服模块、 机械执行本体三部分组成。控制模块采用研华工控机 作为主控制机以及 PMAC 作为运动控制器，从而实现了对伺服 系统的多轴联动控制。PMAC 是一种可编程的多轴运动控制卡， 是集运动控制和逻辑控制以及处理数据的多功能的控制产品 。 其功能强大并且可以负责机床三个轴的伺服计算。 整个控制部分
MDI
运 动 变 换 模
程 序 编 辑
通 讯 模 块
插 补 模 块
译 码 模 块
仿 真 模 块
执 行 模 块
联 动 控 制 模
程序输 入 坐标显示 X： Y： Z：
轨 迹 监 控
图 2 并联机床控制系统软件结构
状态显示 主轴 伺服 电机 编译
插入单句程序
超程 联机 状态 仿真
删除单句程序
5 控制系统基本功能模块
1 引言
并联机床是近年来学术界研究的热点，伴随着并联机床的 并联机床使将以笛卡尔坐标 控制系统也成为了人们关注的话题。 直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本的变化， 与 传统数控机床相比， 并联机床有很多优点[1]： 并联机构的执行 件 容易达到高精度， 并且容易实现多自由度联动， 从而实现曲面加 工； 并联机床轨迹规划易于控制； 并联机床中的主要构件以承受 拉力和压力为主， 使机床具有较高的刚度重量比； 并联机床移动 部件的响应速度快； 并联机床结构形式多样， 环境适应性强， 技术
机床控制系统人机界面实现各种控制功能， 如图 3 所示。控制系 统主界面的功能有： 编辑加工程序、 运行管理系统、 设定系统参 数。此界面主要用于完成各种工作模式的选择、 运动控制卡的调 试、 程序的运行管理、 控制卡通讯参数设置等。 系统菜单功能主要 包括： 程序自动运行、 电机调试、 点动进给、 系统仿真、 手动数据输 入指令等功能。在开发并联机床控制系统用户界面时， 需要加载 并联机床反解模块。用户按系统工作模式， 进行相应数据和命令 输入。控制系统则适时针对用户进行信息反馈， 向用户提供系统 的运行状态。在代码编辑区可以编辑程序， 图形输出区实时显示 当前刀具位置。按钮控制区域编辑了打开程序、 译码、 MDI、 图形 点动、 手轮等功能按钮。 清除、
控制系统的用户界面是系统与使用者之间的接口。因此在 开发过程中尽量做到方便使用者输入指令数据， 这样可以提高工 作效率。软件平台是基于 VC++编程环境开发的， 若要通过软件 实现对并联机床的控制， 软件平台需要实时与多轴运动控制卡进 行通讯， 待通讯模块启动以后， 软件平台就可以从控制卡中提取 数据， 并且可以向控制卡发送数据 。由于控制卡在 VC++环境下 提供了控件和动态链接库两种通讯方式，而本系统所需函数较 多， 所以应用动态链接库方式进行通讯设置。通讯模块设置的过 程为： 先要初始化控制卡， 此过程关系到人机界面是否正常工作。 初始化主要包括控制卡动态链接库的装载以及控制卡的打开。 先 安装动态链接库 PComm32， 将动态链接库相应的 DLL 文件拷到 C:\winnt\system32 目录下保证应用程序的调用。这些函数的定义 大部分是在头文件 myRuntime.h 中， 将此文件导入并包含入应用 程序， 就可以连接函数[9]。设置好通讯管理模块后， 用户可以通过
3 控制系统硬件平台
控制系统的硬件平台的结构， 如图 1 所示。在系统的硬件平 台中， 控制部分为关键部分， 它采用了工控机和运动控制卡的主 从分布结构。工控机作为整个系统的上位机， 主要完成运动学变 换、 数控程序代码编译、 系统文件管理以及轨迹仿真等控制任务。 系统的下位机多轴控制卡， 主要完成位置控制、 计算轨迹、 控制开 关量等调试任务。 控制卡的多轴通道通过位控板与多个交流伺服 系统分别相连[6]， 位控板为自行设计的转接板， 通过位控板可以方 便地实现运动控制卡端口和伺服单元相连接。在此分别应用了 JMACH1 端口， 此端口是控制卡的 ACC-1P 板上的 4 通道控制信 号输出及信号反馈接口和编码器反馈输入接口， 另外还应用了控 制卡中的 JMACH2 端口， 此端口为脉冲加方向信号输出接口。 通过控制卡与伺服单元的综合作用可以实现电机控制多轴信 号的输出， 实现三轴电机联动， 从而实现三自由度并联机床的联动 控制， 完成复杂轨迹加工。本系统所用安川伺服电机内部安装有编
第3期 2011 年 3 月
文章编号： 1001-3997 （2011 ） 03-0159-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
159
三自由度并联机床控制系统设计与实现 *
田东兴 1 董 旭 1 李 蕊 2 （1 北华航天工业学院， 廊坊 065000 ） （2 河北工业大学， 天津 300130 ）
[8]
加工
输出程序链表
急停
清空程序链表 ESC
图 4 输入控制指令
当并联机床处于数字控制工作方式，系统中的译码处理模 块将待加工的零件以一个程序段为单位进行处理， 把零件的各个 轮廓信息、 加工信息和辅助信息， 按照本系统规定的语法规则解 释成计算机能够识别的数据形式， 并加以保存等待系统调用。如 果输入系统的程序严格按照语法规则， 则译码成功， 系统弹出对 话框显示 “程序编译成功” 字样。如果在译码过程中， 经过程序段 的语法检查， 发现了语法错误， 系统会自动弹出 “程序编译出现 问题” 对话框， 此时用户需重新检查程序。 编译成功后在主菜单中选择速度菜单，单击控制区运行按 钮则出现轨迹仿真， 如在轨迹仿真过程中单击暂停按钮， 轨迹仿 真暂停， 再次单击运行按钮可以接着完成轨迹仿真。这样系统就
No.3 Mar.2011
机械设计与制造
161
可以实现实时动态的仿真功能。 为了测试系统能否准确执行圆弧 程序， 特进行了如下的仿真实验， 仿真如图 5 所示。 从图像输区输 出图形可以看出， 系统可以准确地执行圆弧程序。
数， 待调试结果达到较为理想的状态后， 将控制卡同伺服驱动器 相连接， 通过控制卡进行比例积分微分参数的微调， 这样就可以 保证系统定位精度。如图 7 所示理论上并联机床欲雕刻的图形。
[2] 附加值高。常用的控制系统形式有 “工控机+多轴运动控制卡” 。
的实现是通过工控机和多轴运动控制卡结合控制伺服电机转动 到达指定位置来实现的。工控机作为主控制器， 控制卡作为整个 系统的下位机[4]。 主控制器与下位机之间采用总线通讯方式， 这样 的配置方便开发系统控制软件。 进给伺服模块采用三个安川伺服 执行本体主要是三自由度并联机床的机械结 电机驱动机床工作。 构。系统的软件平台部分是以 VC++为编程语言开发的， 设计控 制系统时候采用模块化设计思想， 构造了开放式控制系统[5]。
Design and realization of control system for three degrees of freedom parallel machine tool
TIAN Dong-xing1， DONG Xu1， LI Rui2 （1North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China ） Tianjin 300130， China ） （2Heibei University of Technology， 【摘 要】针对三自由度并联机床运动控制的特点，基于 VC++开发了一个应用于该机床的控制系 统。 该系统采用了多轴运动控制卡为主体， 基于 “工控机+多轴控制卡” 方式开发了硬件平台。 测试结果表 明,系统设计合理,能准确实现并联机床控制系统的基本功能。 关键词： 并联机床； VC++； 控制系统 【Abstract】Based on the characteristics of the three degrees of freedom parallel tool machine’ s kine － matics control， according to the VC++， a kinematics control system is developed to apply to parallel machine tool in three degrees of freedom.The system applies multi-axis motion controller as the main part， based on the “industrial control computer and multi-axis controller” ， develops general hardware platform of control system.The testing results show that the system design is reasonable and has the ability to realize the major functions of the machine accurately. Key words： Parallel machine tool； VC++； Control stystem 中图分类号： TH165 文献标识码： A