六自由度并联调姿机构的最优时间轨迹规划与平稳性控制

作     者：秦枭品 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊静琪

授予年度：2014年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：调姿 六自由度并联机构 轨迹规划 伺服控制 

摘      要：为了克服传统装配方法自动化程度低、生产效率低下、质量不够稳定、对不同部件适应性差的缺点,随着装配技术的迅速发展,现代大部件装配普遍采用一种基于六自由度并联调姿机构的柔性装配技术。调姿是指在装配过程中对部件的位置和姿态进行调整,其实现过程为:首先测得部件当前位姿,然后控制系统分析部件当前位姿与目标位姿的差值,并求解出部件的调姿轨迹,最后驱动调姿机构运动,完成整个调姿运动。本文通过建立调姿机构运动学和动力学方程,以多项式拟合部件运动的轨迹方程,并利用二分法寻找调姿运动最优时间,从而解决了调姿机构的部件质量和重心变化、调姿运动过程中时间和路径不确定的轨迹规划问题。同时,本文还设计了调姿器运动轴的三环伺服控制系统,分析了部件质量变化对控制系统产生的影响,并使用非线性PID控制器解决了传统PID控制器对于负载和干扰的控制效果不理想的问题。首先,本文回顾了国内外装配技术的发展状况,以并联机构作为位姿调整机构的应用情况,并介绍六自由度调姿机构的结构模型和工作原理。其次,分析了调姿机构的结构特点,建立整个系统的运动学和动力学模型,得到了在部件质量不同质心位置不确定的情况下,调姿机构部件的位置姿态和驱动轴的运动关系式。然后,研究调姿部件从初始位姿到末端位姿的调姿路径。以时间为参数,引入驱动轴元件物理极限特性作为运动约束,以适应不同的部件质量,并通过约束部件质心与调姿器接触点投影的位置关系解决部件质心不确定可能带来的倾翻问题,以此确定拟合调姿部件的位姿变化的运动轨迹方程。通过二分法寻找满足约束的最优调姿时间,进而求解出相应的基于最优时间的驱动轴轨迹。接着,设计伺服控制系统,并对系统的动态特性进行分析,保证调姿机构能够准确、快速、平稳地跟踪位姿指令。然后分析不同部件质量导致机构系统参数变化,以及负载和扰动状态下对于系统运动的影响,并对伺服系统进行改进,以达到上述不稳定环境下的伺服系统控制要求。最后,使用MATLAB仿真,完成了六自由度调姿机构的轨迹规划和伺服控制的建模与仿真。