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摘 要

本文设计了一个气压驱动之三轴并联式运动平台。平台采用比例阀及内含电位计之气压缸。结合模糊理论及闭回路技术达到伺服控制之要求。此平台具有价格低廉、控制容易、且具备高负载及运动空间大等优点。文中探讨了此平台之顺及逆向运动学。比较了传统PID 控制器及本文提出之模糊控制器的效能。并实际量测及分析此平台之性能。

关键字：运动平台、并联式机构、模糊控制。

Design of mechanical and control system for high precision three axis motion platform

Abstract

In this paper, a pressure driven three axis parallel kinematic platform is designed. The platform adopts pneumatic proportional valve and the cylinder with potentiometer. The requirements of servo control are achieved by combining fuzzy theory and closed circuit technology.This platform has the advantages of low price, easy control, high load and large space of motion.The paper discusses the smooth and inverse kinematics of the platform. The effectiveness of the fuzzy controller is compared with the traditional PID controller and the paper. The performance of the platform is also measured and analyzed.

Keywords: motion platform, parallel mechanism, fuzzy control.

目 录

摘要 …………………………………………………………………………………Ⅰ

1

1

ABSTRACT ………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 前言 ………………………………………………………………………1

1.1前言 ………………………………………………………………………………1

1.2运动平台之结构 …………………………………………………………………3

第二章 运动平台之运动学分析 ………………………………………………4

2.1坐标系统 …………………………………………………………………………4

2.2逆向运动学分析 …………………………………………………………………4

2.3顺向运动学分析 …………………………………………………………………7

第三章 运动平台之控制系统设计 ……………………………………………9

3.1PID控制器 ………………………………………………………………………9

3.2Fuzzy控制器 ……………………………………………………………………9

3.3回授控制…………………………………………………………………………10

第四章 单轴之性能测试结果 …………………………………………………11

4.1单轴步阶响应……………………………………………………………………11

4.2单轴弦波响应……………………………………………………………………11

4.3单轴测试的结论…………………………………………………………………11

第五章 运动平台之性能测试 ………………………………………………12

5.1 ZC的频率响应 …………………………………………………………………12

5.2 α的频率响应……………………………………………………………………13

5.3 β的频率响应……………………………………………………………………13

第六章 结论 ………………………………………………………………………14

第七章 参考文献 …………………………………………………………………16

第八章 图表汇整 …………………………………………………………………18

第一章 前言

1.1前言

目前,随着数控技术的不断发展,各类数控产品的开发已经趋于模式化。高精度定位平台作为数控产品的一种,已经广泛应用于精密测量仪器、医疗设备、包装机械、电子元器件装配等众多领域,应用前景十分广泛。特别是在精密测量仪器上,它的优劣直接影响到精密仪器的性能和使用。随着精密运动技术和数字控制技术的迅速发展，对微位移工作台的定位精度、运行速度、行程和自动化程度等都提出了很高要求。

运动平台可以按照需求在给定运动范围内，实现多自由度运动，达到预计位姿。在生活及工业领域应用广泛，尤其在汽车、飞机、船舶和娱乐等运动模拟方面已经成为必不可少的动态仿真设备。本文对国内外各种运动平台进行综述，试图将运动平台应用于飞机数字化装配中，以进一步提高其柔性并降低成本。

通过直线移动和旋转运动的叠加可实现运动平台的多自由度运动。具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，即为了使机构的位置得以确定必须给定的独立的广义坐标的数目，称为机构的自由度。以六自由度平台为例说明自由度实现形式，3 个移动自由度分别为沿X、Y、Z 三个方向的直线运动，3 个旋转运动分别为绕X、Y、Z 三个轴的旋转。运动平台结构及运动形式的种类繁多，根据不同标准可对运动平台进行不同的分类。按运动平台具有的自由度，可分为二自由度、三自由度、四自由度、五自由度、六自由度的运动平台；按运动平台的结构形式，可分为串联式和并联式 2 种；按运动平台的用途，可分为运动模拟器、精密运动平台、工业机器人、自动对接装备和机床等。

运动平台的调平是其应用的一项重要技术，目的是调整运动平台的位姿，使平台上工件某点处的法向量调整到一个确定的位置。如图 1 所示，将工件曲面上任意点 A 处的法向量调整到所需的方位，通常这个过程需要特定的调平算法经过多自由度多次联动才能实现。目前应用的调平算法有解耦法、追逐法、误差调平控制法（位置误差控制调平法、角度误差控制调平法）、四点调平、六点调平、升高低点调平法等。调平系主要有机电调平系统和电液调平系统。另外，平台调姿是否精准决定了工件的装配质量。其调姿速度的快慢也是衡量运动平台性能的一个重要参数。

高精度定位平台的种类繁多,从运动形式上来看,分直线运动式高精度定位平台、回转运动式高精度定位平台以及两者相结合的混合式高精度定位平台;从驱动装置上来看,有伺服电机驱动式高精度定位平台、直线电机驱动式高精度定位平台以及陶瓷电机式高精度定位平台等等。工作台的未来发展趋势是高速度、高精度、大行程。作为精密运动设备中的关键部分，一般情况下，精密位移依靠精密工作台来实现，精密运动平台主要包括一维、二维和三维的工作台。一维、二维精密运动平台不能满足精密移动在三维空间的运动要求，因此，三维精密工作台的研究越来越为人们所重视。

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