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1、大型數(shù)字式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開發(fā)
一、概述
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（用于加工業(yè)被稱為“虛擬軸機(jī)床”），由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器中，如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機(jī)起降模擬平臺(tái)、坦克模擬器、汽車駕駛員模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)
2、平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電器、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里，向客人展示水平的第一個(gè)標(biāo)志就是六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，筆者認(rèn)為，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級(jí)產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程。
二、傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平臺(tái)都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾所名牌大學(xué)的研究水平較高，其控制原理
3、基本相同，見六自由度平臺(tái)單缸控制框圖：
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從圖中可看出，主控計(jì)算機(jī)是完成空間狀態(tài)的時(shí)時(shí)解算，然后將解算結(jié)果送到六個(gè)單缸控制器，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計(jì)算機(jī)，完成閉環(huán)控制。該系統(tǒng)最大的難點(diǎn)是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、可*性差、伺服閥抗干擾污染能力弱、故障率高，因而國內(nèi)盡管許多單位進(jìn)行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。
三、六自由度控制的空間狀態(tài)解算
要想控制平臺(tái)姿態(tài)，首先必須掌握它的運(yùn)動(dòng)方程。六自由度控制的空間位置狀態(tài)有二種解析方法。
1、正解：即已知六根液
4、壓缸的長度，求解平臺(tái)姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的的正解方程式，只能采用疊代方法，利用計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算的特點(diǎn)和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束，求解平臺(tái)姿態(tài)。
2、反解：即已知平臺(tái)的空間姿態(tài)（X，Y，Z，α，β，γ），求解六只液壓缸的長度，這個(gè)方法非常適用，且相對(duì)比較簡單。采用空間坐標(biāo)和坐標(biāo)變換的方法，代入六個(gè)未知數(shù)，可以分別求解出六支油缸的長度，雖然計(jì)算繁雜，但利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算特性，可以實(shí)時(shí)跟蹤姿態(tài)模擬操作器發(fā)出的姿態(tài)信號(hào)，快速計(jì)算出每只油缸的長度，從而實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)平臺(tái)的操縱要求，達(dá)到快速響應(yīng)的目的。
四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制
由前面可知，當(dāng)給定空間狀后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了
5、讓平臺(tái)上的油缸在同一時(shí)間運(yùn)動(dòng)到新的位置，六只缸的運(yùn)動(dòng)速度是不相同的，這個(gè)問題的解決有兩種方法，一種是采購標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運(yùn)動(dòng)長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時(shí)間，自動(dòng)分配六只缸的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)。第二種方法是自己編制運(yùn)動(dòng)速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達(dá)到同樣目的。
五、六自由度平臺(tái)的全數(shù)字控制
為了攻克六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用難關(guān)，北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進(jìn)、操作可*的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關(guān)和國家重點(diǎn)新產(chǎn)品項(xiàng)目），作為六只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié)，它是
6、將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內(nèi)部，形成自動(dòng)位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行可*的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運(yùn)動(dòng)速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運(yùn)動(dòng)行程。億美博公司與我國軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量3噸和8噸的數(shù)字式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，它的控制框圖如下：
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從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知，控制原理大大簡化，不但系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，而且故障率也大大降低，可*性得以大為增加。整個(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)成十分清爽。實(shí)際情況如右側(cè)照片所示。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的錄像可在http://www.china-
運(yùn)動(dòng)技術(shù)指標(biāo)：
自由度
7、 位移（聯(lián)合運(yùn)動(dòng)） 位移（單自由度） 速度 加速度
俯仰 30 deg 25deg 20 deg/s 350 deg/s2
滾轉(zhuǎn) 35 deg 30deg 24 deg/s 140 deg/s2
升降 0.60 m 0.60m 0.40 m/s + 1.0G
縱向擺動(dòng) 0.60 m 0.40m 0.36 m/s 0.6G
液壓系統(tǒng)指標(biāo)：
系統(tǒng)壓力：14MPa
系統(tǒng)最大供油量：650L/分
數(shù)字缸：
直徑：110mm/75mm；
行程：1200mm
液壓系統(tǒng)圖：
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大型數(shù)字式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的開發(fā)
