大型数字式六自由度运动平台的开发

大型数字式六自由度运动平台的开发一、概述六自由度运动平台（用于加工业被称为“虚拟轴机床”），由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国外科研、院校广泛的研究兴趣。六自由度运动平台是由六支油缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只油缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器中，如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶员模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域中。在加工业可制成六轴联动机床、机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电器、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。国外某大型液压公司的总部大厅里，向客人展示水平的第一个标志就是六自由度运动平台，笔者认为，六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在液压和控制领域基本上就没有了难题。以下介绍它的开发过程。二、传统的伺服液压控制六自由度运动平台到目前为止，世界上所有国家和研制单位，大型平台都无一例外的采用了液压伺服控制系统。国内以几所名牌大学的研究水平较高，其控制原理基本相同，见六自由度平台单缸控制框图：此主题相关图片如下：从图中可看出，主控计算机是完成空间状态的时时解算，然后将解算结果送到六个单缸控制器，经数/模转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运动。伺服缸的位移和压力通过两只传感器并经模/数转换后送给计算机，完成闭环控制。该系统最大的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可*性差、伺服阀抗干扰污染能力弱、故障率高，因而国内尽管许多单位进行了研制，但大面积推广的却始终不多。三、六自由度控制的空间状态解算要想控制平台姿态，首先必须掌握它的运动方程。六自由度控制的空间位置状态有二种解析方法。1、正解：即已知六根液压缸的长度，求解平台姿态，到目前为止，还没有直接中的的正解方程式，只能采用叠代方法，利用计算机快速运算的特点和上铰链的结构条件约束，求解平台姿态。2、反解：即已知平台的空间姿态（X，Y，Z，），求解六只液压缸的长度，这个方法非常适用，且相对比较简单。采用空间坐标和坐标变换的方法，代入六个未知数，可以分别求解出六支油缸的长度，虽然计算繁杂，但利用计算机的快速运算特性，可以实时跟踪姿态模拟操作器发出的姿态信号，快速计算出每只油缸的长度，从而实时跟踪对平台的操纵要求，达到快速响应的目的。四、六自由度的速度协联控制由前面可知，当给定空间状后，可以分别算出六只缸的不同长度，为了让平台上的油缸在同一时间运动到新的位置，六只缸的运动速度是不相同的，这个问题的解决有两种方法，一种是采购标准的协联控制器，该控制器需将油缸的运动长度数值送入，控制器能按所要求的时间，自动分配六只缸的运动速度，同时到达终点。第二种方法是自己编制运动速度方程，采用长度的最小公倍数方法分配速度，也可达到同样目的。五、六自由度平台的全数字控制为了攻克六自由度运动平台的应用难关，北京亿美博科技有限公司采用了自己开发的性能先进、操作可*的新型数字（液压）缸（已纳入“十五”攻关和国家重点新产品项目），作为六只控制缸。该数字缸取消了传统控制中的伺服阀、传感器、A/D转换和D/A转换等诸多环节，它是将传感器、数字阀等全部做到油缸内部，形成自动位置反馈和速度反馈。数字缸可以直接接受计算机发出的数字脉冲信号进行可*的工作。脉冲频率代表数字缸运动速度，脉冲总数代表数字缸运动行程。亿美博公司与我国军事院校合作，联合开发了载重量3吨和8吨的数字式六自由度运动平台，它的控制框图如下：此主题相关图片如下：从上图与伺服系统的框图比较可知，控制原理大大简化，不但系统响应速度加快，而且故障率也大大降低，可*性得以大为增加。整个六自由度运动平台无任何液压控制元件和传感器，系统构成十分清爽。实际情况如右侧照片所示。平台运动的录像可在http:/www.china-运动技术指标：自由度位移（联合运动）位移（单自由度）速度加速度俯仰 30 deg 25deg 20 deg/s 350 deg/s2滚转 35 deg 30deg 24 deg/s 140 deg/s2升降 0.60 m 0.60m 0.40 m/s+ 1.0G纵向摆动 0.60 m 0.40m 0.36 m/s 0.6G液压系统指标：系统压力：14MPa系统最大供油量：650L/分数字缸：直径：110mm/75mm；行程：1200mm 液压系统图：此主题相关图片如下：