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并聯(lián)六自由度運(yùn)動平臺
1.概述
并聯(lián)六自由度運(yùn)動平臺通過六個(gè)驅(qū)動缸 (伺服缸或電動缸)的協(xié)調(diào)伸縮來實(shí)現(xiàn)平臺在空
間六個(gè)自由度的運(yùn)動,即平臺沿 X、V、Z向的平移和繞X、V、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(包括垂直、
水平、橫向、俯仰、側(cè)傾和旋轉(zhuǎn)六個(gè)自由度的運(yùn)動) ,以及這些自由度的復(fù)合運(yùn)動。并聯(lián)六
自由度運(yùn)動平臺可用于機(jī)器人、飛行模擬器、車輛駕駛模擬器、新型加工機(jī)床、及衛(wèi)星、導(dǎo)
彈等飛行器、娛樂業(yè)的運(yùn)動模擬(動感電影搖擺臺) 、多自由度振動搖擺臺的精確運(yùn)動仿真
TZ.l
圖0-1 :六自由度及其坐標(biāo)系定義圖
我公司通過自行設(shè)計(jì)、 安裝調(diào)試,并
2、開發(fā)控制軟件,同時(shí)采用進(jìn)口關(guān)鍵件對并聯(lián)六自由
度運(yùn)動平臺進(jìn)行研究開發(fā), 目前已完成多套六自由度運(yùn)動平臺應(yīng)用, 典型應(yīng)用有列車風(fēng)檔液
壓仿真試驗(yàn)臺、F1國際賽車運(yùn)動仿真臺、汽車駕駛模擬器、飛機(jī)和飛碟運(yùn)動模擬器、振動
譜試驗(yàn)、海浪模擬試驗(yàn)等。
六自由度運(yùn)動平臺的研制,涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器,空間運(yùn)動
數(shù)學(xué)模型、 實(shí)時(shí)信號傳輸處理、 圖形顯示、動態(tài)仿真等一系列高科技領(lǐng)域, 是液壓及控制技
術(shù)領(lǐng)域的頂級產(chǎn)品。
2 . 系統(tǒng)組成
2.1 液壓伺服類
典型的液壓式并聯(lián)六自由度運(yùn)動平臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、 液壓系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)硬件和控制
系統(tǒng)軟件四部分組成。
機(jī)械系統(tǒng)主
3、要包括:承載平臺、上下連接鉸鏈、固定座。
液壓系統(tǒng)主要包括:泵站系統(tǒng)、伺服閥、驅(qū)動器、伺服油缸和閥塊管路。
控制系統(tǒng)硬件主要包括: 實(shí)時(shí)處理器、伺服控制單元、信號調(diào)理單元、 監(jiān)控單元和泵站
控制單元。
控制系統(tǒng)軟件包括: 實(shí)時(shí)信號處理單元、 實(shí)時(shí)運(yùn)算單元、 伺服控制和特殊要求處理單元。
2.2 電動伺服類
電動式并聯(lián)六自由度運(yùn)動平臺則將伺服油缸用電動缸代替, 而伺服閥、 泵站系統(tǒng)及閥塊
管路等則相應(yīng)取消,增
加運(yùn)動控制單元。 具有系統(tǒng)簡潔、 響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn), 是多自由度平臺今后重點(diǎn)發(fā)展的
方向。
3 .主要技術(shù)參數(shù)
以下參數(shù)為液壓類平臺典型值,具體可按用戶要求設(shè)計(jì)制造。
4、
3.1 平臺主要參數(shù)
平臺最大負(fù)載:靜態(tài)>2000KG ,動態(tài)>3000KG 。
上平臺球較分布園直徑 1400mm ,相鄰球心距離157mm ;
下平臺球較分布園直徑 1600mm ,相鄰球心距離167mm ;
伺服缸最小球餃球心距離 800mm ,最大長度1200mm ;(采用①63/45~400 缸體)。
平臺初始高度約 700mm 。
3. 2泵站技術(shù)指標(biāo)
額定流量:90L/min
最大系統(tǒng)壓力:12Mpa ;
泵站電機(jī)功率:22KW ;
空間尺寸:1400 X1200 X1320
3.3運(yùn)動參數(shù)
伺服缸運(yùn)動速度 >200mm/S ;有效行程》400mm 。
5、
主要運(yùn)動參數(shù)如下表:
運(yùn)動型式
位移
速度
加速度
俯仰
16
20 7s
30 7s2
滾轉(zhuǎn)
16
20 7s
30 7s2
偏航
16
+20 7s
30 7s2
垂直升降
200mm
200mm/s
4m/s2
縱向位移
150mm
150mm/s
2m/s2
側(cè)向位移
150mm
150mm/s
2m/s2
3 . 4 電動伺服平臺
電動伺服平臺省去了泵站系統(tǒng)及伺服閥、 伺服油缸, 而直接用電動缸、 伺服電機(jī)和相應(yīng)
的伺服放大器代替。
電動缸:電動缸可根據(jù)用戶要求選用進(jìn)口( Exlar 系列)或國產(chǎn)產(chǎn)品(由本公司自
6、行研
發(fā)生產(chǎn),采用進(jìn)口滾珠絲杠成套) 。
伺服電機(jī):伺服電機(jī)可選用三菱、安川、松下、臺達(dá)等產(chǎn)品。
伺服放大器:采用與伺服電機(jī)品牌對應(yīng)的伺服放大器。
4 .平臺控制系統(tǒng)
5 . 1 伺服運(yùn)動控制器
平臺控制系統(tǒng)由伺服運(yùn)動控制器、控制計(jì)算機(jī)、其配電操作柜等組成。
伺服運(yùn)動控制器安裝在配電操作柜內(nèi)部, 操作柜另配置觸屏便于一些基本參數(shù)的設(shè)置和
顯示。
伺服運(yùn)動控制器是六自由度平臺控制系統(tǒng)的核心, 它是一種高性能閉環(huán)實(shí)時(shí)控制器, 集
成了高速模擬量采集、 高速浮點(diǎn)處理器、 高速 DA 端口, 是針對 Stewart 平臺應(yīng)用的專用控
制器。
伺服運(yùn)動控制器包括相對獨(dú)立的六組控制
7、回路, 對于每組回路由位置控制環(huán)組成, 它和
線性位移傳感器、 伺服比例閥和伺服缸構(gòu)成快速高精度數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng), 從而使單伺服缸
控制穩(wěn)態(tài)誤差小于 0.1 毫米。
精品
4 . 2 控制系統(tǒng)主要功能:
1) 操作監(jiān)控計(jì)算機(jī),可以進(jìn)行運(yùn)動函數(shù)編程,與運(yùn)動控制器接口,完成各種命令和參
數(shù)設(shè)定。
2) 所有輸入輸出均具有硬件保護(hù)電路,具有故障定位和凍結(jié)能力。
3) 控制器在即使在復(fù)雜控制條件下,仍能保證閉環(huán)控制周期小于 10ms 。
4) 控制器具有保護(hù)算法, 當(dāng)超出模擬臺運(yùn)動范圍的指令給出時(shí)會發(fā)出報(bào)警信號并進(jìn)行運(yùn)
動限制。
5) 控制器能自動判斷識別非法命令,避免設(shè)備誤
8、動作。
6) 實(shí)現(xiàn)泵站的基本起??刂疲瑺顟B(tài)監(jiān)視。
4 . 3 數(shù)據(jù)接口:
伺服運(yùn)動控制器可以通過 Modbus TCP 協(xié)議與用戶控制操作計(jì)算機(jī)連接,控制器提供
上位機(jī)應(yīng)用函數(shù)接口,便于第三方應(yīng)用軟件連接。
伺服運(yùn)動控制器可以通過 RS232/485 與具有串行通訊能力的設(shè)備進(jìn)行通訊, 通訊協(xié)議
為 Modbus RTU 或自行定義的自由協(xié)議。
5 .主要應(yīng)用示例
5 . 1 列車風(fēng)檔液壓仿真試驗(yàn)臺
列車運(yùn)動仿真測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對列車各種工況下的運(yùn)動軌跡進(jìn)行計(jì)算仿真、 模擬運(yùn)動, 同
時(shí)對列車產(chǎn)品如折棚式風(fēng)檔等進(jìn)行產(chǎn)品性能測試。
圖0-2列車風(fēng)檔液壓仿真試驗(yàn)臺現(xiàn)場實(shí)景圖
9、
并聯(lián)六自由度運(yùn)動平臺
系統(tǒng)能夠根據(jù)給定的列車軌跡參數(shù),計(jì)算出列車運(yùn)動軌跡及其他相關(guān)參數(shù)。
列車軌跡計(jì)算主要參數(shù)如下:
a) S曲線半徑R
b) S曲線直線段長度 W
c)平臺正三角形邊長 A
d)列車長度L
e)列車輪距N
f)連桿長度P
g)連桿絞點(diǎn)至輪軸距 M
h)列車速度v
車 運(yùn) 動 防 真 系 統(tǒng)
口 F
圖0-3列車風(fēng)檔液壓彳^真試驗(yàn)臺 HMI界面
試驗(yàn)臺能夠仿真如下運(yùn)動軌跡:
a)含直線段S曲線水平運(yùn)動
b)園曲線水平運(yùn)動
c)切園曲線水平運(yùn)動
d)含直線段S曲線垂直運(yùn)動
e)園曲線垂直運(yùn)動
f)切園曲線垂直運(yùn)動
g)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動
10、
h)混合運(yùn)動
5. 2 F1賽車運(yùn)動仿真臺
F1賽車運(yùn)動仿真臺用于上海 F1國際賽車場,操作者可以坐到仿真平臺上, 平臺前方放
置一液晶顯示屏,顯示賽車動畫場景,操作者可以通過操縱桿進(jìn)行起動、加速、左右拐、側(cè)
滑、剎車、顛簸行使等動作,同時(shí)仿真臺根據(jù)這些動作進(jìn)行動態(tài)模擬, 讓操作者親身體驗(yàn)賽
車動感。
圖0-4 F1賽車運(yùn)動仿真臺現(xiàn)場實(shí)景圖
F1賽車運(yùn)動仿真臺為六自由度運(yùn)動平臺的開發(fā)應(yīng)用,主要由計(jì)算機(jī)操作動畫系統(tǒng)、六
缸液壓伺服運(yùn)動系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)組成。
計(jì)算機(jī)操作動畫系統(tǒng)采用高性能服務(wù)器主機(jī)與 34”液晶顯示屏,動態(tài)模擬賽車場景。
六缸液壓伺服運(yùn)動系統(tǒng)采用進(jìn)口比
11、例伺服閥控制, 頻響時(shí)間小于20ms ,液壓缸內(nèi)置高
精度位移傳感器。另單獨(dú)配有提供動力的泵站單元。
實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的動作指令信號動態(tài)運(yùn)算并調(diào)節(jié)控制液壓缸動作, 實(shí)現(xiàn)與
動畫場景動作同步。
5. 3特種機(jī)車駕駛模擬器
特種機(jī)車駕駛模擬器主要由六自由度平臺、實(shí)物駕駛室、 模型小車、地貌沙盤、視景影
像系統(tǒng)等組成。實(shí)現(xiàn)了特種機(jī)車駕駛視覺、聽覺、操縱、環(huán)境、不同路況、不同氣候等的綜 合模擬。
實(shí)物駕駛室內(nèi)主要部件如檔位、 方向盤、儀表板、座椅等均采用實(shí)車部件。方向盤力矩
按實(shí)車模擬,力求在操縱上有實(shí)車感覺。
圖0-5特種機(jī)車駕駛模擬器現(xiàn)場實(shí)景圖
模型小車按照實(shí)物駕
12、駛室內(nèi)發(fā)出的各種指令(加減速、左右轉(zhuǎn)向、剎車、顛簸等) ,在
地貌沙盤上行駛,同時(shí)將地貌狀況傳輸給影像虛擬場景系統(tǒng), 模型小車實(shí)際空間坐標(biāo)參數(shù) (中
心點(diǎn)空間位置 X, Y, Z及歐拉夾角a , 3, 丫)反饋給六自由度控制器,控制系統(tǒng)計(jì)算并仿 真出模型小車實(shí)際動感狀態(tài)。
5. 4海浪模擬器
六自由度平臺可以模擬海浪動作,以驗(yàn)證艦艇、船舶等在實(shí)際航行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。
-可編輯-
圖0-6海浪模擬器現(xiàn)場實(shí)景圖
5. 5飛機(jī)和飛碟模擬器
飛機(jī)和飛碟模擬器主要應(yīng)用于娛樂行業(yè), 如科技館、
各種飛行姿態(tài),輔以空間魔幻場景,給人一種身臨其境的美感。
圖0-7飛機(jī)模擬現(xiàn)場實(shí)景圖
游樂場等。可以模擬飛行器的空中
圖0-8飛碟模擬現(xiàn)場實(shí)景圖