6-PUS并联加载机构模糊PID力控制系统设计

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1、论坛缓戳1礁-耐暑!i锄～b。l一已：N鬻．．⋯．一0《!黟∥I爹广卜．∥飞机性能的提高离不开高性能材料和先进结构的采用，也离不开先进制造技术和专用装备的发展。作为航空制造工业体系的基础保障，航空专用装备不断融合信息化、智能化等相关技术，并向着高速、高精、智能、环保的方向发展。栏目策划：谷雨良辰血弧．薯暑●■●■_．J)o{q钐论坛FORUM6-PUS并联加载机构模糊PID力控制系统设计米樊锐，刘力军，王丹，郭江真(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)【摘要】为对数控机床主轴

2、进行多维力加载试验，首先建立了6-PUS并联加载机构的静力学模型，得到机构力雅克比矩阵，通过力雅克比矩阵将对机构末端多维力的控制转化为对单支链力的控制；其次，设计了单支链力模糊PID控制器；最后，在机构静态下，分别以传统PID和模糊PID控制器对6-PUS并联加载机构进行了多维力加载试验，加载力为F_(200，200，200，10，10，10)1的阶跃信号，对比发现模糊PID响应的力超调量在X、，，、Z各向均明显小于传统PID引起的超调量。关键词：并联机构；力雅克比；多维力控制；模糊PIDDoI

3、：10．16080／j．issnl671．833x．2016．18．034樊锐北京航空航天大学教授。博导。主要研究方向为数控技术、传感器技术、机电控制及自动化等。1992年起参与组织InternationalConferenceOntheProgressofCuttingTechnology(加工技术进展国际会议)，历任秘书长、副主席、主席。+基金项目：国家自然科学基金(51305013)。34航空制造技术·2016年第18期可靠性是指“产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力”⋯。机床可靠

4、性试验是机床可靠性保障的基础工作。很长一段时间内，机床可靠性分析的主要信息来自于机床客户在使用过程中的数据反馈，这种方法耗时、低效，且难以控制试验条件。与之相比，试验台测试可以进行主动激发试验，效率高，条件易控制，是机床可靠性试验的重要发展方向【2I。试验台试验的关键问题是加载机构的设计，机床加工过程中主轴受力复杂，往往是多维力的共同作用，为了使试验台模拟的加工受力状况与实际加工过程相似，采用的机构需要具备输出多维力的能力。本课题研制的6一PUS并联机构，结构紧凑’冈0度大，且能输出多维力，能够

5、满足机床主轴的可靠性试验要求，适合作为加载机构对机床主轴进行加载。6一PUS并联加载机构实现对机床主轴加载的难点在于力控制器的设计。一般情况下，控制器的设计首先要建立系统的数学模型，然而对于非线性强的系统往往很难建立其数学模型或者很难建立精确的数学模型，并且很多系统参数无法确定。对于某些系统简化的线性方程很难代表系统的实际情况口】，浙江大学王宣银试验室研制了并联六自由度电液伺服机构，以PID控制器实现了一维力的加载H1；哈尔滨工业大学研究了基于Steward平台的电液加载试验系统，设计了根据不同

6、负载刚度来调整PID参数的控制策略，并仿真验证了控制方法的有效性f5l。与电液驱动不同，本文提出的6一PUS并联力加载机构采用电动驱动，控制模型复杂，且系统参数难以确定，因此适合设计非基于系统模型的控制器。模糊PID控制器既保持了传统PID的简洁性，又由于比例、积分、微分参数可以根据实际情况合理调节，可更好地适应非线性系统的特点。本文介绍了6一PUS并联机构的SI)e-cialEq。岬。：M。。㈣心咖航空专用装备多维力加载原理；建立了加载机构的数学模型，得到了表示机构末端多维力与支链力之间映射关

7、系的力雅克比矩阵，并将对加载机构多维力的控制转化为对机构6条单支链力的控制；最后将模糊PID控制算法应用于单支链的力控制过程，并在并联机构静态情况下分别以传统PID和模糊PID对其进行了多维力静态加载试验，验证了模糊PID在6一PUS并联机构静态加载中的有效性，为后期在6一PUS并联加载机构进行动态六维力加载奠定了理论和试验基础。加载原理介绍16一PUS并联加载机构如图1所示，6一PUS并联加载机构由静平台、动平台和6条电机驱动的支链组成。每条支链包括滚珠丝杠驱动、作为移动副的直线导轨、万向节、

8、已知长度的连杆、可测连杆支撑力的单向力传感器和复合球铰。静平台上3个斜坡绕静平台中心轴均匀分布，移动副的直线导轨同定在斜面上，方向与斜台方向平行。此种结构可以在较小的静平台下产生尽可能大的_丁作空间。动平台上设计有与被加载机构联接的接口，作为机构多维力的输出部件。在6一PUS并联机构进行静态多维力加载过程中，被加载机构始终处于静止状态，并联加载机构的动平台与被加载机构通过螺纹固定联接，当电机在移动副产生驱动力时，移动副产生一个沿力方向的运动趋势，这使得支链的连杆产生沿连杆方向的拉力或者压力，这个