三维转动动力平台液压驱动与控制系统的设计

　　动力平台是机械加工设备和多维运动机构的重要部件，其运动形式直接影响到设备的运动控制方式和应用适应性。三维转动动力平台有别于传统的移动工作台，它能将运动自由度扩展到 5 个，配合刀具的进给运动，能够方便地实现目前机械产品加工过程中任意空间位姿的加工新型动力平台。

　　在前期研究[1]中，通过引入运动解耦理论，解决了多个自由度同时运动出现不确定运动结果的问题，大大简化了控制系统的设计。目前，动力平台的试验样机已经制作出来，获得了实用新型专利[2]。为了使三维转动动力平台能够达到其预期的功能效果，文中开展了对其驱动系统的设计与研究。

　　1 三维转动动力平台的工作原理与驱动要求

　　1. 1 动力平台的组成

　　如图1 所示，三维转动动力平台[3]主要由工件夹装台1、主体机构3、堵头7、正交连接件4、支承外壳5、x 轴端盖8、支座10、底座11 以及三个摆动伺服液压缸 ( 图中2、6、9 分别为z、y、x 三个自由度的摆动液压缸) 等部分组成，用于放置装夹工件的工作平台设置在最上方，其 z 轴转动作为第一级，下部的x、y 正交方向布置第二和第三级摆动，三级转动的轴心相交于一点，最下部是支座与底座，可安装于x-y 移动工作台上。

　　1. 2 工作原理

　　基于解耦设计思想，三维转动动力平台的三个转动轴在空间上交于一点，三级摆动单元内置于三个转动副处，以实现 z 轴回转和x、y 轴的摆动。第三级即y 轴摆动的同时带动第一级 ( z 轴) 、第二级( x轴) 同步转动，且使第一、二两级的转动轴线在空间位姿上发生变化; 第二级摆动的时候带动第一级同步转动，且第一级的回转轴线空间位姿发生变化; 最上面的第一级与动平台直接连接，实现绕 z 轴回转。其中机构最大承重位置位于 y 轴转动副的外部机构上，第一级的负重由 x 轴转动副处的的中间连接部件支承，其中 z 轴是动力平台动平台 ( 工作台面) 所在轴。

　　1. 3 驱动要求

　　三维转动动力平台作为一个工作平台用于夹持工件，带动工件实现空间三维转动，以便在切削力的作用下对工件进行复杂曲面的加工。因此，对三维转动动力平台的驱动既要满足一般加工设备工作台的性能要求，又要满足解耦运动控制本身的运动特性要求，以保证足够的驱动力矩和位置控制精度。作者根据平台的结构设计要求，综合考虑了控制[4]各方面的难易程度，最终选择液压驱动作为三维转动动力平台的动力传动方式。

　　2 液压驱动系统的设计

　　2. 1 运动控制分析

　　该动力平台在实际机床加工中，要实现以下7 种空间转动运动形式，如图2 所示，分别为单轴运动( 3 种) 、双轴联动 ( 3 种) 和三轴联动 ( 1 种) 。