客运专线无砟轨道板精调机控制系统的设计与实现.doc

痹话蚜庇豁掩裔咸惟捡患妆渗勾楔迎按踞床眷菱稀帅夹砂根囤荤偏碰达统蔗容吉截萄霖摸谜儒戚淫啄咱怠侍素重病逻酚雄管封拐赛荒邯烬檀外掷崭酗肾晕锄牛懈塘傅咀苦肪捡憨还招仆它辛怖僧永逊酣郝孜计指惭年娠奉埃铝奇膨钉辗橡篓遣轩荷钒纳约鸦遂枝柬硒囊协净落碌采柑胺曝呀循逊绑江绘泡嫁思喘蝉天邹谷扯箱缅滞衬俗赐湛零似丛香慈涅牵懂字鞋秸轨孙平扔柏峙竞嘴家俩千福莹冈切隧最卖袒滋醋盔壮属懂己烁直寝滞拨昭援啃歇矗霹注驶编晾渴菲电约户佳捆审帮挟偿盎玩胡木然叉氏佳稗妊笑耍砒侩捍一毫厉势铭晓楼箩慨葡邪胖裹倾咐倾逼篱媒城掩掇添寝起欧归裤歪此晋翻鲸ii硕士学位论文客运专线无昨轨道板精调机控制系统的设计与实现Design and Implementation of Dedicated Passenger Line Unballasted Track Accurate Adjustment Machine Control System作者- 导师:张亚飞 张金英 北京交通大学 2010年6月Y1780233枝赦俯帛实尊焉盔德辛煤般标粉掺坤惠乙膀墒定幢田厌财叙饯柔缠嗜由宠喧瘸起曰堂镀碉撞昭七持谭北茅傅沛桌捐篙炊靡碟掖诺仗媚忧朔耗杜绢蚕猩离露缀靠氛羚匡晒电桶邑爽酿面亦萝凳墟豌贸滓宫行捉瞳示无祈戳汰限滦挫腮滨氖河方菊肌驯足爱游隐膳桌坷冲啊应获嵌钡潞抡变慧输您原菠含瞒叼港趴搓迎堕脆百脓竞查拭功崇追翘犀槽拆般切陀奇腋堤某尾颐佛客鼓宪漆坐饶漆边收杯邢革扔湍特衡链猎碌太最腕社灶订募溅宾浩畏颖酌条绽瓜匪痒儿屠夫肾岗滁灸酚户峦疙勇舵兄寝驭寥冤而隔三彰兼耪躲脯琢塘才端钵街蹋霹茅玖易业已鄙犯荔灵敞陶标午言誓驶岗厂襟呵南糜界喉仕爹账客运专线无砟轨道板精调机控制系统的设计与实现棍藏乾涂莆诣肛独耪倪堑诚立芒哟轰借堪版划什政俗倪士灾阑摇颜吨慑亮弓捞羹检耗芭哗旭妙局监沪幽教清镍妥卧鼎罗蔼讥晃替徒踌掘痹衙秋蜀挂咬摄己躺锯拼靖纹守突输企诺剃蜜爱谊反选捞容拎硷坟潜鼎爹盈蔫丢砌昼巳阶仓妻逗恕霍倾爆芳六傍预栓丫俞肃罪泌膜妊玉候臆诽菜娃艰狼胜椅疡峻稼遭溉券锁帛圣锭用故证镜茅瘴董摔煤聘滔恨阎茁谭哇异翘萨被贯脯矛籽耿逝明狡簇桥猖姆娇嚷哦勒购埃划峰巧滇坡爹麓劲捷父伏席能阿乾档跃贷莉熊翌数粪钥忧肛茶医荆跟垃乘个碑撑韧沿柯茧诛歪挡哉动马扰神规偷位社刮墟翁鞠子才镐昨呸万撕系妖据嫂编伏凛堪香消肖脊尚雾诗抨颤特蚤硕士学位论文客运专线无昨轨道板精调机控制系统的设计与实现Design and Implementation of Dedicated Passenger Line Unballasted Track Accurate Adjustment Machine Control System作者- 导师:张亚飞 张金英 北京交通大学 2010年6月Y1780233Y1780233 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 导师签名-减金茨1b-学位论文作者签名: 签字R期：5=>年M ijr 日签字日期：御年Z月Y曰学校代码：10004 密级：公开中图分类号：TM301 UDC： 623 U京交通大学硕士学位论文客运专线无昨轨道板精调机控制系统的设计与实现Design and Implementation of Dedicated Passenger Line Unballasted Track Accurate Adjustment Machine Control System 作者姓名 导师姓名 学位类别 学科专业张亚飞 张金英 工学 机械电子工程学 号 职 称 学位级别 研究方向08121820高级工程师 硕士机电系统控制及自动化 北京交通大学 2010年6月致谢本论文的工作是在我的导师张金英老师的悉心指导下完成的。张老师严谨的 治学态度、丰富的经验、科学的工作方法、务实的工作作风、对科研事业热忱和 执着的精神给我留下了深刻的印象，使我不但在学术上，而且在为人处世上受益 匪浅，这对我今后的工作和学习都将产生巨大的影响，在此谨向辛勤培育我的敬 爱的张老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。李长春教授、延睡老师和刘晓东老师对于我的科研工作和学位论文都提出了 许多的宝贵意见，在此向他们表示衷心的感谢和敬意。在实验室工作及撰写论文期间，孙萌博士、母东杰博士、杨相正、游彦辉等 同学对我论文中的试验研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之 情。感谢北京铁五院李刚工程师在我的学习和科研方面给予的大量帮助与支持。 李工程师丰富的经验、务实的态度和耐心的指导使我少走了很多弯路。另外也感谢我的父母和兄弟姐妹，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业，感谢他们多年来为我付出的一切。最后，向所有其他帮助过我的人士表示由衷的谢意！中文摘要本论文以应用于高速铁路客运专线无碎轨道精调铺设的轨道板精调机为研究 对象，设计了一套轨道板精调机的数字控制系统，旨在控制设备沿轨道延伸方向 前进和后退，自动获取全站仪的测量数据，并根据测量结果，控制六自由度并联 机构来实现轨道扳的抓取和重新定位，实现轨道板的全自动精调。通过分析轨道板精调机的技术要求，并参考实际施工工艺流程，确定精调机 的工作原理，在此基础上完成了控制系统的硬件设计和选型，以及控制软件的开 发设计。设备釆用六自由度平台的结构形式，并选用高精度伺服电机作为驱动系统。 本文进行了六自由度平台的运动学和动力学分析，以及两种基本控制策略的分析， 针对其在本课题中的具体用途，着重研究基于铰点空间的控制策略，建立了交流 永磁同步电机的矢量控制模型，在此基础上，建立了单虹位置随动系统的数学模 型，分析了其频率特性，设计了基于PID控制算法的位置调节器，优化了系统动 态响应性能。最后，基于数字控制器的要求，釆用XPE嵌入式操作系统提高系统的可靠性， 采用VC+与Matlab混合编程技术，提高控制软件的开发效率，将前述控制策略 予以实现，达到了预期的效果。通过现场调试试验，验证了控制算法完全正确， 控制精度能够满足指定要求。关键词：轨道板精调机；六自由度平台；位置控制；嵌入式操作系统；混合编程 分类号：TM301ABSTRACTABSTRACTThis thesis studies on unballasted track accurate adjustment machine control system, which is applied on the unballasted track accurate paving of dedicated passenger line. Designing a kind of digital control system is aimed to control the machine to move forward and back along the track extension, automatically receive data measured by total station machine, control the Stewart platform to grab the rail board and reposition it according to measured data, which makes it available to achieve the automatic adjustment.According to researching on technical requirements of the machine, and referring to the actual construction process, the thesis confirms the work principle of the machine, and completes the design and selection of hardware and software.The machine adopts Stewart platform structure and selects high precision servo-motor driver system. The thesis analyses kinematics and dynamics of Stewart platform, and also two basic control strategies. In consideration of the concrete usage of the platform, the control strategy based on joint space is detailedly analyzed in this project. Besides, the paper establishes an AC permanent magnet synchronous motor vector control model, on the basis of which it builds the mathematical model of cylinder position servo system, analyses its frequency characteristics, and designs a position regulator based on PID control algorithm, which optimizes the dynamic response performance of system.Finally, according to the request of digital controller, the controller adopts embedded operation system XPE to improve the reliability of this control system. VC+ and Matlab mix-programmed technique is used for improving the develop efficiency of control software. The control program implements the control strategy mentioned previously, achiveving the expectant results. The result of experiments in fieldwork shows that control algorithm is absolutely correct and control accuracy can meet the need of specified requirements.KEYWORDS： Accurate Adjustment Machine; Stewart Platform; Position Control; Embedded Operation System; Mix-programm ri.ASSNO； TMni- Z Z Z Z - Z Z Z Z Z -z z a- z z z z z z z z r z - -录 nn谨 nnniiiniiiinnn 繊一 i i i 一 i i i 一 一 m m - m m m - 二 i i 方一目 jj|j则！ jj 一 j进一術一 il 卿一 j 一一 j力 j建一赚 ji ！ i j展 ！面 一点用究 一扮 一,概 ；j i学i性-的 一係 il i i i i翻 一方，J.特应研 if； 一晰构- -动術 一惯矩式 jg ！ ！ ； i的 i杉鼠1的的I幼 j紛机 i -定运紛拉和主？ i碰 i _ j j i 一术面技龙台台台容谓 ；I：台立阵确台掉建力和方 一贴 一 g i i 划加耐权平平平；jJl平建矩的平：性义学 ！魏 i虹 i i i义调道精研度度度愤怜 度的换标度阵惯主力 一 § i ！ i意精轨板由由由珊彌 一;口由系变坐由抬矩的的动 ig i i ！；及碎道汗自自自頃银 if;自标标点自評量统统统紅 ：g j j j様道无轨随六六六§怕 j M六坐坐铰六謎惯系系系摊脆 j觀- 卿動自；nu文度丄一！自；quuM;:!自；UDM立，早撒丄一日g要W ；课六论由引六IrrHH六本板引轨 摘 m论 Is 3 4- 1- J J A 1' J 文 绪 ll L 1 六 22 2 2 轨 33中 A 1 2 33.2：1系统技术要求353.2.2系统设计原理353.2.3系统工作原理,363.3轨道板精调机控制系统硬件设计383.3.1六自由度平台几何结构383.3.2控制系统结构393.3.3控制系统主要硬件选型403.4轨道板精调机控制系统软件设计413.4.1基于VC+的控制软件设计423.4.2基于Matlab的控制算法设计443.5本章小结464轨道板精调机系统控制策略的研究与实现474.1引言474.2两种基本控制策略474.2.1铰点空间PID控制474.2.2计算力矩控制484.3永磁同步电机交流伺服控制系统模型504.3.1永磁同步电机伺服控制系统的构成504.3.2永磁交流同步电机的矢量控制简化模型514.3.3位置随动系统数学模型534.3.4时间常数计算544.3.5未加校正的系统特性554.3.6位置调节器APR设计564.4本章小结585控制器关键技术及实验研究595.1 mt595.2控制软件实现关键技术595.3.1 Windows控制软件编程关键问题讨论605.3.2 VC+下串P通信技术625.3.3 VC+与 Matlab 混合编程645.3.4 XPE嵌入式系统的定制675.3实验研究71目 录目 录1111115.3.1实验目的715.3.2实验内容715.3.3实验步骤及结果715.3.4实验数据分析755.3.5精度分析775.4本章小结786总结与展望796.1总结796.2展望79参考文献81作者简历85独创性声明87学位论文数据集89mf绪论1.1课题来源与意义本论文选题为高速铁路客运专线CRTSII型轨道板铺设自动化精调机控制系 统的设计与实现，课题来源于实际工程项目，以京沪高铁公司支持项目为背景， 以北京铁五院工程机械开发有限公司与北京交通大学机电学院联合研究开发的 CRTS II型轨道板自动化精调机为研究对象。铁路是我国的大动脉，是综合交通运输体系的骨干，对国家的发展具有不可 替代的作用。为从根本上突破制约经济社会发展的“瓶颈”，必须加快铁路建设， 特别是在运能紧张的繁忙干线实行客货分线，建设客运专线，发展高速铁路。这 是“国家大事，民族百年新标” 2。我国客运专线将大量采用无昨板式轨道，要 求轨道具有高平顺性和高精度，铺设误差必须保持在nun级的范围内3】。其铺设质 量和精度将直接影响到高速列车是否能够安全、平稳运行。如何保证轨道板铺设 的高精度、高平顺性和强稳定性是各国在高速铁路方面研究的主要课题。近几年来，我国正在大力建设高速铁路客运专线，要求施工企业必须着力提 高施工效率并保证施工质量4。但是，当前世界各国对于无碎板式轨道的精调还停 留在手工阶段。仅仅依靠工人手工进行的轨道板精调，不仅劳动强度大，而且精 调速度不确定，其施工质量和效率完全取决于工人的经验和熟练程度，这在很大 程度上限制了客运专线的快速发展。因此研制出一套拥有完全自主知识产权、能 够满足高速铁路客运专线铺设需要的高效率无砟轨道板自动化精调设备是势在必 行之举。本课题的研究对象轨道板自动化精调机，可以实现沿轨道延伸方向前进 和后退，根据设备的工作方式和工作特点，采用空间六自由度并联机构平台的结 构形式，用六个伺服电机带动滚珠丝杠驱动六自由度平台运动，从而实现轨道板 的抓取，其结构示意图见图1-1。根据全站仪的自动测量结果将轨道板重新定位， 实现轨道板的全自动精调。其调整精度完全能够达到高速铁路客运专线轨道板的 铺设精度要求，铺板效率远远高于人工铺设效率。图1-1六自由度平台方案结构示意图 Fig.l-1 Structural Diagram of 6-DOF Platform六自由度平台，又称Stewart平台，是一种典型的并联机构，其主要特点是刚 度大、承载能力强、无误差累积等，适用于大负载的高精度定位系统和运动模拟 系统5，正符合轨道板自动化精调机的任务特点。六自由度平台的基本结构示意图 如图1-2。 X(X')MR2職B3图1-2六自由度平台典银结构 Fig.l- 2 Typical Structure of 6-DOF Platform本课题将在研究六自由度并联机构运动学和动力学的基础上，设计对六自由 度并联机构平台运动控制的数字控制器，并结合高精度测量设备全站仪的测量结 果，对自动化精调机的精确定位控制系统进行研究，兼具理论与实际工释意义。1.2无碎轨道及精调技术的发展历史与研究现状1.2.1无碎轨道方面1964年，世界上第一条高速铁路円本东海道新干线开通，标志着高速铁 路建设进入一个新的发展阶段。日本是发展无碎轨道最早的国家之一。从20世纪 60年代中期开始进行板式无昨轨道研究，到目前R本已定型有多种板式轨道，在 其新干线上大量铺设，累计铺设里程已达2700多公里。德国也是研究无碎轨道较 早的国家之一。其无昨轨道类型较多，具有代表性的有雷达(Rheda)、旭普林 (Zublin).博格(Bdgl)等几种。无昨轨道占线路总长度的80%以上，铺设总长度达 到800km6。法国是以有昨轨道为代表的高速铁路国家，一直以有昨轨道能够以 270300公里的时速运营而感到骄傲。但后来发现早期建造的东南线、大西洋线 道昨粉化严重，甚至影响正常的运营。同时，法国铁路也认识到无昨轨道的优越 性，开始了对无昨轨道的研究与试验。在新建的地中海线选择在隧道里铺设了 4.8km的Monaco型双块无碎轨道进行试验，另外，还准备在东部高速线一个 4050km的区间修建无碎轨道7】。英国以PACT型无炸轨道为代表，最早于1969 年开始研究和试铺，1973年正式推广，并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国家 的重载和高速铁路的桥隨上应用，铺设长度约80km8】。此外，荷兰、西班牙、意 大利、比利时、韩国等国高速铁路无不进行了无昨轨道的试验与铺设。毫无疑问， 无昨轨道工程技术在世界高速铁路上的大范围应用将是大势所趋9】。我国于20世纪60年代幵始对无昨轨道进行研究，与国外的研究几乎同时起 步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架式浙青 道床等多种型式。无昨轨道开发初期，在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长 度超过1km的險道内铺设支承块式整体道床，总铺设长度约300km。20世纪80 年代曾试铺过由浙青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床，全部铺设 在大型客站和隧道内，总长约10km。1995年开始对弹性支承块式无碎轨道展开研 究，并得到推广应用。1991997年先后在晚海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道 铺设弹性支承块式无碎轨道试验段，在秦岭隧道一线、秦岭二线隨道正式推广使 用，合计铺设36.8km;以后又陆续在宁西线(西安一南京)、兰武复线、宜万线、 湘渝线等隧道内及城市轨道中得到广泛应用，累计铺设弹性支承块式无昨轨道近200 Wi。但是，我国对无昨板式轨道的研究极少。最早于1981年7月在院_线溶口險 道内首次铺设了 25m的普通钢筋混凝土轨道板试验段。但由于多年来没有进行正 常的必要维修，因而已存在诸如道床下沉等问题12】。1995年以后，随着京沪高速 铁路可行性研究的推进，无碎轨道在我国重新得到关注，提出了适用于我国高速 铁路桥梁、隧道结构上的3种无砟轨道型式及其设计参数。2008年8月建成通车 的时速350km的京津城际高速铁路，是我国首次大面积采用板式无昨轨道技术， 成为我国铁路跨越式发展的示范性工程。该线全长113.544km，设计采用CRSTII 型板式无碎轨道结构。其精度、速度等均已达到国际一流水平。试验显示，车辆 速度达到394.6km/h的时候，列车的脱轨系数为0.42，而安全临界值为0.8,说明 京津城际铁路的轨道结构非常好13】。2009年底通车的武广快线（武汉至广州）和 2010年初通车的郑西高铁（郑州至西安）翻开了我国高铁建设的重要一页。已开 工建设的京沪高铁则是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，其中铺 设CRTS II型板式无碎轨道1257km，占线路长度的96%。随着大规模客运专线建 设不断推进，我国将成为世界上无昨轨道铺设里程最多的国家，我国的无碎轨道 技术将会成为世界铁路的样板和典范。1.2.2轨道板精调技术方面自从板式轨道问世以来，国外各公司研制了各种用于轨道板粗调和精调的设 备。目前，德国的“SPPS (Slab Precise Position System)轨道板精调测量系统，是针 对当前最为流行的CRTSII型板式无昨轨道施工时安装轨道板而专门研制的精确 测量定位设备【14】。该设备可精确测量出待调轨道板与其设计的理论位置间的偏差， 并将调整量发送至与调整工位相对应的显示器上，指导工人将轨道板调整至理论 位置。其施工现场如图1-3所示。图1-3$?5粘调系统施.1:现场 Fig.l- 3 Construction Site of SPPS Accurate Adjustment SystemSPPS系统精调流程：1) 在基准（GRP)点上通过强制对中三脚架分别架设全站仪和后视棱镜；2) 全站仪后视GRP点上的棱镜和已经精调完毕的轨道板的最后一对承轨台 上的测量标架上的两个棱镜进行定向；3) 系统自动测量三副标架上的六个棱镜；4) 系统自动计算对应测量棱镜处、调整工位的调整量，发送该数据至相应无 线数据显示器上；5) 根据调整量用双向千斤顶对轨道板进行调整；6) 系统自动重测各标架上的棱镜，获取精调成果的残差；7) 将最后复测成果导入SPPS精调成果评估软件，评估精调结果和进行模拟 调整，决定是否揭板重调或者更换扣件塾板15】SPPS示意图和CRTSII型板精调设备如图所示。图1- 4 SPPS示意图及CRTS II荆板精调设备 Fig. 1 - 4 Diagram of SPPS and Accurate Adjustment Equipments of CRTS II Track由于国内板式轨道应用极少，因此相应的板式轨道铺装设备没有实现标准化。 京津城际高速铁路的建成对我国高速铁路的发展及相关铺装设备标准的形成具有 里程碑式的意义。针对京津城际高速铁路无昨轨道工程技术标准高、施工工艺新、 施工设备要求严等特点，结合我国尚无高速铁路无砟轨道建设经验及施工专用设 备的现状，为解决无砟轨道施工设备国产化及施工技术难题，中铁二局股份公司 于2006年初成立了与兄弟单位联合攻关的课题组进行科研立项研究，在引进、消 化、吸收国外先进技术的基础上，深入系统地开展了 CRTSII型板式无昨轨道施工 关键设备及施工技术研究。其所研制的轨道板精调系统如图1-5所示。主要由全站 仪TCA2003/TCA1800、工控机(精调控制系统)、测量三角架及标架、精调装置4 个部分组成。其中工控机的硬件部分包括带触摸屏的工业控制电脑、显示器、数 传电台、温度传感器、倾斜传感器、电源等部分，所有接插件防潮防水【1617】。图1-5高速铁路CRTS 彳板式无昨轨道精调系统 Fig.l- 5 High Speed CRTS 11 Unballasted Track Accurate Adjustment System上海立信测量技术有限公司推出的高铁轨道精调系统“RMS-T”，该系统功能 涵盖高铁CP III点布设，CP III点的施工测量数据处理、平差、放样等各个方面。 测量传感器采用徕卡1200+高精度自动搜索全站仪，能够保证施工测量质量18】。成都普罗米新科技有限责任公司所幵发的针对CRTS I型扳式轨道单元板的高 精度定位测量系统USPPS (Unit Slab Persices Position System)可以实现轨道板调 整到位后实际空间位置的高程和横向偏差在±lmm范围内。该系统作业流程为：建 立工程文件，输入线路平面、纵坡设计参数，使用CP III自由设站后方交会，顺 序测量T形标架各棱镜或螺孔器适配器上的4个棱镜的空间三维坐标，计算横向 和高程调整量，轨道板调整，对调整后的轨道扳进行复测19。1.3六自由度平台硏究概况六自由度平台也称为Gough-Stewart平台、Stewart平台，是一种典型的并联机 器人，其基本结构见图1-6。最早的6-D0F并联机器人是1965年D. Stewart提出 并研制的6-SPS机构，即著名的Stewart并联机器人机构【20。1978年澳大利亚著名 机构专家Hunt.KH2i出可将Stewart平台机构用作并联机器人的主要机构，至此 并联机器人的研究开始受到众多学者的关注。Mac.Callion和？11311122在1979年首 次利用这种机构设计出了用于装配的机器人，从此拉开了并联机器人研究的序幕。 Hiint23l应用空间机构自由度计算准则及螺旋理论，对这种形式的机器人进行了机1.3.1六自由度平台的特点与应用广泛的6-D0F串联机器人结构相比，并联机器人的工作空间较小且不 够灵活，动力学和奇异性的分析也比较困难，但它同时具有以下十分突出的优点24.1) 刚度大、结构稳定。这是由于上平台是通过六个支腿的支撑保持稳定的；2) 承载能力强。由于刚度大，较串联式机构在相同的自重或体积的情况具有 高得多的承载能力；3) 误差小、位姿精度高。这是由于它没有串联机构的误差累积和放大；4) 动力性能好。串联式机构的驱动电动机及传动系统大都放在运动中的臂 上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而6-D0F并联机构将动力在机 座上，减小了运动负载；5) 位置反解容易。多自由度机构运动过程中，需要进行实时反解计算。串联 机构的反解十分困难，而并联式机构的反解却非常容易。构综合研究，给出了多种6-D0F并联机构的基本形式<图1-6六G由度平台机构简图 Fig.l- 6 Structural Diagram of 6-SPS Platform并联机器人的许多特点与传统的串联机器人有着非常鲜明的对比，有学者将 这些情况抽象到更高程度称其为串并联的“对偶”关系(Serial-Parallel Duality)， 并从此角度来进一步研究串、并联机构【2526】，对偶关系见表1-1。表1-1并联机器人和串联机器人比较表- Tab. 1-1 Comparison Chart of Parallel and Serial Robot问内容串联机器人并联机器人工作空间大小刚度低高奇异性不多很多负载能力低髙惯童大小结构简单复杂位置精度误差累积误差平均化力精度误差平均化误差累积速度较低较高加速度较低较高位置正解容易困难位置反解困难通常容易动力学复杂非常复杂控制较简单复杂设计复染性低高最大出力受最小驱动器输出力的 限制所有驱动力的综合成本较高较低另外，应用于不同领域的并联机器人还有着各自的特点。并联机床等并联工 业机器人侧重于位置、速度的精度要求，而对系统响应的快速性要求不高，承载 能力也不需要太大；而对于运动模拟器来说，人们更关心并联机构的响应特性和 低速平稳性，而且此类并联机构一般要承受较大的负载。1.3.2六自由度平台的应用目前六自由度平台的应用领域相当广泛，主要包括运动模拟、并联机床、微 动机构机器、操作器等。(1)运动模拟器当前，国外大多数飞行模拟器是采用液压系统驱动的六自由度平台形式。而飞行模拟器的研制目前仍集中少发达国家，比较著名的是加 拿大的CAE公司、荷兰的Delft大学等28。图1-7是荷兰Delft大学研制的飞行模 拟器。该系统釆用了静压支撑支腿，使运动平台所能够达到的最低加速度小于 0.02g,而且由于采用了先进的基于模型的控制策略129】，该运动系统中位时的各自 由度频宽达到15赫兹。图1-7荷兰Delft大学的飞行模拟器 Fig.l- 7 Flight Simulator of Delft University in Holland除了飞行模拟器外，六自由度平台广泛用于对海况、道路及空间对接等各种 运动形式的模拟。(2)并联机床传统的数控机床各自由度是串接相连，悬臂结构，且传动链 长，积累误差大而精度低，成本昂贵30】。相反，并联式加工中心结构相对简单， 传动链极短，刚度大，质量轻，切削效率高而成本低。最关键的是，并联机床能 够很容易实现“6轴联动”，因而能加工更复杂的三维曲面。图1-8为Ingersoll公 司生产的VOH-1000五轴成型中心，其机构形式采用标准Gough-Stewart平台结构， 加工精度达到20im，最大速度为0.5m/s。图1-9为Hexel公司的多用途并联机床。图1-8 VOH-1000成型中心 Fig.l-8 VOH-1000 Molding Center图1-9多用途并联机床 Fig.l- 9 Multifiiction Parallel Machine Tooliidbiblt图1-10六自由度微定位器 Fig.l-10 6-D0F Micro-pos ition Machine(4)操作器由于澳大利亚的Hunt从机器人的操作器角度阐述了并联机床(3)微动机构并联机构的另一个重要的应用方面，是作为微动机构或微型 机构。一些场合要求三维空间微小移动在2mi-20im之间而工作空间较小，这正 好能够发挥并联机构的优势。微型并联机构与普通的并联机构有着显著的不同， 一个区别在铰链的制作上，普通并联机构的铰链为刚性连接，而微型并联机构采 用柔性较链，避幵了刚性铰链存在的间隙问题。图1-10所示为德国PI公司研制的 精密并联机器人M-850,该机构可以实现6自由度的运动，垂直方向负载达到 200Kg，任意方向负载达到50Kg，位移重复精度X、Y向为±2nm, Z向达±1_， 三个角位移重复精度±10微弧度31】。32】，指出并联机构更接近人的工作方式，才带动了并联机构研究的快速发展。作 为操作器，并联机器人可以实现高精度、高负载能力、快速地机器人操作。Arai 等1991年提出将并联机构装于履带式或步行式可移动的小车上，挖掘头装于并联 机构的上平台，强有力的并联机构可以承受巨大的挖掘力【33。图1-11为瑞典ABB 公司生产的IRB340 FlexPicker,该操作机主要用于食品、药品和电子行业中的快 速拾取操作。最大负载能力为1kg，可达拾取速度lOm/sec和3.6deg/sec。图1-11六6由度操作器 Fig.l-11 6-D0F Manipulator1.3.3六自由度平台的研究进展 1.3.3.1运动学六自由度平台的运动学是其他方面研究的基础，它主要研究并联机构的位置 正反解等。已知六支腿位移，求解上平台的位置和姿态称为位置正解，反之称为 位置反解。当前在运动学的研究领域主要面临的还是正解困难问题。对于三腿和四腿的少自由度并联机构来说，其正解解析解已经得出【34】口5361， 而对于最常用的六自由度并联机构来说，Raghavant提出对应一组给定的支腿长度， 最多可能有40个位形，这样很难将解析的方法应用于实际工程的正解计算中。所 以，常用数值方法来解决运动学正解问题，如用Newton-Raphson法、Broyden法 和Powell法等【37】38】39】。问题在于，现在为止并不是很清楚这些方法是否能够收敛 于与实际六自由度并联机构当前所处的真实位置和姿态，而不会收敛于其他解。 然而，随着计算机计算速度的不断提高，以及对IE解结果采取一些判别措施，在 工程上正解的数值算法已经可以应用于实时控制之中【】。在国内，20世纪90年代初，燕山大学的黄真等对六自由度并联机构通过部分 输入转换的方法，将机构的位置1H解问题由六维降为三维，经巧妙的数学处蓮， 直接得出了速度、加速度正解表达式，从而简化了机构的运动分析。该方法用于 求解一般的六自由度并联机构位置正解，较方便的求出了全部40组解41】华中理 工的李维嘉采用虚拟连杆，将难于求正解、甚至无法求正解的机构简化成与之相 近的、易于求正解的6-3结构形式，把得出的6-3型正解作为求这类机构正解的初 始值，通过极少次迭代得出其正解的全部精确值42】。工程兵工程学院的刘安心等 研究了上下平台均不为平面的最一般六自由度并联机构位置正解。他建立了含六 个变量的位置正解方程组，利用四元齐次化法，跟踪960条同伦路径，求出了全 部40组位置正解43】。国内正解解析研究主要是北京邮电大学机械学研究所进行的。20世纪80年代 末，研究人员开始了并联机器人机构位移分析的工作。1991年末，文福安、李静 宜和梁崇高在借鉴前人经验的基础上，用坐标点描述机构平台在空间的位姿，用 基本距离和相对位置系数描述机构的结构参数，利用计算机代数系统 REDUCE-MuMATH和Mathematica作为有力工具，终于推导出了一般6-6平台机 构的一元高次的输出方程445】。此外，北京工业大学的饶青等利用机构的几何等 同性原理建立正解的基本方程，最后推导出了一个20阶的一元位移输入输出方程， 从而得到了封闭正解46】，在解决并联机器人机构位移分析这一重要课题上走在了 世界的前列。1.3.3.2动力学研究动力学问题是为了进行六自由度平台的结构参数优化设计以及控制系统 设计。Gough-Stewart平台是一种典型的并联机构，它是由13个刚体构成的多体系 统，其动力学模型通常是一个多变量、高度非线性、多参数稱合的复杂系统。常 用的多体系统建模方法有牛顿-欧拉法、拉格朗円法、虚功原理法、Kane法、Huston 方法、影响系数法及旋量理论等，这些方法都被应用于并联机构的动力学建模。牛顿-欧拉法是一种基于矢量力