大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)設計【六自由度并聯(lián)機械手運動平臺機構】【9張CAD圖紙和說明書】

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大 型 數(shù) 字 式 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 開 發(fā) 楊 世 祥 ! ， 楊 濤 ! ， 徐 悅 桐 " #$% < :> 號 鵬 潤 ? 文 苑 @ 座 "ABC !BBBDE 電 話 ：（ B!B） CFFF!ACC） 中 圖 分 類 號 ： #9"GF 文 獻 標 識 碼 ： @ 文 章 編 號 ： !BBB4E>D>（ "BBF） B>4BBEC4B" ! 概 述 六 自 由 度 運 動 平 臺 ， 由 于 有 極 為 廣 闊 的 應 用 前 景 ， 近 幾 年 ， 引 起 了 國 內 外 科 研 、 院 校 廣 泛 的 研 究 興 趣 。 六 自 由 度 運 動 平 臺 是 由 C 只 液 壓 缸 ， 上 、 下 各 C 只 萬 向 鉸 鏈 和 上 、 下 " 個 平 臺 組 成 。 下 平 臺 固 定 在 基 礎 上 ， 借 助 C 只 液 壓 缸 的 伸 縮 運 動 ， 完 成 上 平 臺 在 空 間 C 個 自 由 度 （ !、 "、 # ! 、 " 、 # ） 的 運 動 ， 從 而 可 以 模 擬 出 各 種 空 間 運 動 姿 態(tài) ， 可 廣 泛 應 用 到 各 種 訓 練 模 擬 器 ， 如 飛 行 模 擬 器 、 艦 艇 模 擬 器 、 海 軍 直 升 機 起 降 模 擬 平 臺 、 坦 克 模 擬 器 、 汽 車 駕 駛 模 擬 器 、 火 車 駕 駛 模 擬 器 、 地 震 模 擬 器 ， 以 及 動 感 電 影 、 娛 樂 設 備 等 領 域 ， 甚 至 可 用 到 空 間 宇 宙 飛 船 的 對 接 ， 空 中 加 油 機 的 加 油 對 接 中 。 在 加 工 業(yè) 可 制 成 六 軸 聯(lián) 動 機 床 、 靈 巧 機 器 人 等 。 由 于 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 研 制 涉 及 機 械 、 液 壓 、 電 氣 、 控 制 、 計 算 機 、 傳 感 器 ， 空 間 運 動 數(shù) 學 模 型 、 實 時 信 號 傳 輸 處 理 、 圖 形 顯 示 、 動 態(tài) 仿 真 等 一 系 列 高 科 技 領 域 ， 因 而 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 研 制 變 成 了 高 等 院 校 、 研 究 院 所 在 液 壓 和 控 制 領 域 中 水 平 的 標 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 標 志 就 是 六 自 由 度 運 動 平 臺 ， 筆 者 認 為 ， 六 自 由 度 運 動 平 臺 是 液 壓 及 控 制 技 術 領 域 的 皇 冠 級 產 品 ， 掌 握 了 它 ， 在 液 壓 和 控 制 領 域 ， 基 本 上 就 沒 有 了 難 題 。 以 下 介 紹 它 的 開 發(fā) 過 程 。 " 傳 統(tǒng) 的 伺 服 液 壓 控 制 六 自 由 度 運 動 平 臺 到 目 前 為 止 ， 世 界 上 所 有 國 家 和 研 制 單 位 ， 大 型 平 臺 都 無 一 例 外 地 采 用 了 液 壓 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 。 國 內 以 幾 所 名 牌 大 學 的 研 究 水 平 較 高 ， 其 控 制 原 理 基 本 相 同 ， 六 自 由 度 平 臺 單 缸 控 制 框 圖 如 圖 ! 所 示 。 從 圖 中 可 看 出 ， 主 控 計 算 機 是 完 成 空 間 狀 態(tài) 的 實 時 解 算 ， 然 后 將 解 算 結 果 送 到 C 個 單 缸 控 制 器 ， 經 數(shù) H 模 轉 換 后 送 給 伺 服 放 大 器 、 伺 服 閥 、 伺 服 缸 推 動 平 臺 運 動 。 伺 服 缸 的 位 移 和 壓 力 通 過 " 只 傳 感 器 并 經 模 H數(shù) 轉 換 后 送 給 計 算 機 ， 完 成 閉 環(huán) 控 制 。 該 伺 服 系 統(tǒng) 最 大 的 難 點 是 傳 遞 環(huán) 節(jié) 多 、 控 制 過 于 復 雜 、 調 試 困 難 、 可 靠 性 差 、 伺 服 閥 抗 干 擾 、 抗 污 染 能 力 弱 、 故 障 率 高 ， 因 而 國 內 盡 管 許 多 單 位 進 行 了 研 制 ， 但 大 面 積 推 廣 的 卻 始 終 不 多 。 # 六 自 由 度 平 臺 控 制 的 空 間 狀 態(tài) 解 算 （ !） 順 解 （ 順 向 解 ） ： 即 己 知 C 只 液 壓 缸 的 長 度 ， 求 解 平 臺 姿 態(tài) ， 到 目 前 為 止 ， 還 沒 有 直 接 中 的 正 解 方 程 式 ， 只 能 采 用 疊 代 方 法 ， 利 用 計 算 機 快 速 運 算 的 特 點 和 收 稿 日 期 ： "BBF4BD4"E 作 者 簡 介 ： 楊 世 祥 （ !AF>— ） ， 男 ， 重 慶 人 ， 教 授 級 高 工 ， 主 要 從 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 事 數(shù) 字 液 壓 技 術 的 開 發(fā) 研 究 和 推 廣 應 用 工 作 。 開 啟 壓 力 ； 二 是 降 低 系 統(tǒng) 的 壓 力 并 減 小 系 統(tǒng) 的 流 量 。 由 于 充 液 閥 的 預 卸 荷 閥 很 小 ， 改 造 的 余 地 不 大 ， 所 以 選 擇 第 二 種 方 案 。 為 了 降 低 系 統(tǒng) 的 壓 力 ， 在 充 液 閥 的 控 制 油 路 中 安 裝 了 一 個 節(jié) 流 閥 ， 通 過 調 整 節(jié) 流 閥 來 降 低 壓 力 ， 實 踐 證 明 ， 這 種 方 法 是 可 行 有 效 的 。 $ 結 論 在 對 壓 裝 機 液 壓 系 統(tǒng) 的 設 計 缺 陷 與 故 障 現(xiàn) 象 進 行 分 析 的 基 礎 上 ， 對 壓 裝 機 液 壓 系 統(tǒng) 進 行 了 工 業(yè) 自 動 化 改 造 ， 降 低 了 能 耗 并 縮 短 了 工 作 周 期 。 而 且 ， 還 針 對 調 試 中 出 現(xiàn) 的 問 題 和 故 障 ， 通 過 系 統(tǒng) 與 元 件 的 原 理 分 析 ， 找 出 了 發(fā) 生 故 障 的 原 因 ， 并 加 以 解 決 ， 實 踐 證 明 改 造 是 很 成 功 的 。 參 考 文 獻 ： ［ !］ 雷 天 覺 I新 編 液 壓 工 程 手 冊 ［ J］ I北 京 ： 北 京 理 工 大 學 出 版 社 ， !AA>I ［ "］ 張 齊 生 ， 王 智 勇 ， 等 I充 液 閥 水 平 安 裝 時 的 故 障 分 析 及 排 除 ［ K］ I液 壓 與 氣 動 ， "BB"（ G） I """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" CE 液 壓 與 氣 動 "BBF 年 第 > 期 萬方數(shù)據(jù) 圖 ! 平 臺 單 缸 控 制 方 框 圖 上 鉸 鏈 的 結 構 條 件 約 束 來 逼 近 求 解 平 臺 姿 態(tài) 。 此 為 順 解 。 （ !） 反 解 （ 逆 向 解 ） ： 描 述 一 個 剛 體 在 空 間 旋 轉 的 姿 勢 ， 最 常 使 用 的 方 法 是 定 義 " 個 歐 拉 角 來 表 達 ， 當 剛 體 旋 轉 至 某 一 姿 勢 下 ， 此 " 個 歐 拉 角 即 組 成 唯 一 的 旋 轉 矩 陣 ， 并 借 由 旋 轉 矩 陣 做 坐 標 轉 換 ， 便 可 求 得 剛 體 的 絕 對 位 置 。 " 六 自 由 度 的 速 度 協(xié) 聯(lián) 控 制 當 給 定 空 間 狀 態(tài) 后 ， 可 以 分 別 算 出 # 只 缸 的 不 同 長 度 ， 為 了 讓 平 臺 上 的 液 壓 缸 在 同 一 時 間 運 動 到 新 的 位 置 ， # 只 缸 的 運 動 速 度 是 不 相 同 的 ， 這 個 問 題 的 解 決 有 兩 種 方 法 ： 一 是 采 用 標 準 的 協(xié) 聯(lián) 控 制 器 ， 該 控 制 器 需 將 液 壓 缸 的 運 動 長 度 數(shù) 值 送 入 ， 控 制 器 能 按 所 要 求 的 時 間 ， 自 動 分 配 # 只 缸 的 運 動 速 度 ， 同 時 到 達 終 點 ； 第 二 種 方 法 是 自 己 編 制 運 動 速 度 方 程 ， 采 用 長 度 的 最 小 公 倍 數(shù) 方 法 分 配 速 度 ， 也 可 達 到 同 樣 目 的 。 # 六 自 由 度 平 臺 的 全 數(shù) 字 控 制 為 了 攻 克 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 應 用 難 關 ， 北 京 億 美 博 科 技 有 限 公 司 采 用 了 自 行 開 發(fā) 的 性 能 先 進 、 操 作 可 靠 的 新 型 數(shù) 字 液 壓 缸 （ 已 納 入 “ 十 五 ” 攻 關 和 國 家 重 點 新 產 品 項 目 ） ， 作 為 # 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 、 $% )-:! 橫 向 移 動 6 :-7 / 6 :-’ / 6 :-"# /% 3 ; :-#! 縱 向 擺 動 6 :-# / 6 :-’ / 6 :-"# /% 3 ; :-#! % 數(shù) 字 液 壓 技 術 在 其 他 領 域 的 成 功 應 用 數(shù) 字 液 壓 技 術 的 出 現(xiàn) 為 液 壓 技 術 增 添 了 新 的 活 力 ， 數(shù) 字 液 壓 缸 與 專 門 配 套 研 制 的 數(shù) 字 控 制 器 相 配 合 ， 幾 乎 取 消 了 傳 統(tǒng) 液 壓 控 制 中 的 所 有 液 壓 閥 件 和 控 制 元 件 ， 它 拋 棄 了 傳 統(tǒng) 的 閥 口 控 制 ， 而 是 直 接 采 用 數(shù) 字 脈 沖 控 制 ， 把 現(xiàn) 場 調 試 搬 到 了 辦 公 室 ， 幾 乎 做 到 了 即 裝 即 用 ， 已 經 成 功 地 應 用 到 冶 金 、 機 械 、 水 電 、 國 防 軍 工 等 一 系 列 疑 難 控 制 領 域 ， 其 可 控 性 能 遠 遠 超 過 傳 統(tǒng) 的 液 壓 控 制 技 術 ， 成 功 應 用 的 實 例 有 ： 冶 金 領 域 中 的 鋼 水 連 鑄 結 晶 器 液 面 控 制 、 結 晶 器 液 壓 非 正 弦 振 動 （ 均 列 入 過 國 家 攻 關 項 目 ） ， 帶 鋼 厚 度 控 制 （ 微 米 級 精 度 ） ； 水 電 領 域 中 的 水 輪 機 調 速 控 制 ； 機 械 領 域 的 大 型 無 齒 鋸 多 點 速 度 控 制 和 位 置 控 制 ； 軍 工 領 域 的 大 型 導 彈 裝 彈 機 構 的 多 缸 同 步 控 制 （ 任 意 多 缸 同 步 誤 差 可 達 :’!::" 年 第 ( 期 液 壓 與 氣 動 萬方數(shù)據(jù) 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者： 楊世祥， 楊濤， 徐悅桐 作者單位： 北京億美博科技有限公司,北京菜戶營東街甲88號鵬潤-文苑B座2906,100054 刊名： 液壓與氣動 英文刊名： CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 年，卷(期)： 2003(8) 被引用次數(shù)： 5次 本文讀者也讀過(7條) 1. 姜文剛.尚婕.李建華.鄧志良.汪電明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由 度動感電影系統(tǒng)研制[期刊論文]-電氣自動化2006,28(1) 2. 汪漢生 六自由度平臺設計及控制方法研究[學位論文]2008 3. 李峰 自行車仿真器中力反饋技術的研究與實現(xiàn)[學位論文]2007 4. 許世林 動感環(huán)幕電影控制系統(tǒng)研究與設計[學位論文]2004 5. 甘紅勝.殷躍紅.劉偉偉.印松 虛擬環(huán)境中六維動感平臺控制系統(tǒng)的設計[期刊論文]-機電工程2003,20(4) 6. 高峰 六自由度運動平臺伺服系統(tǒng)研究[學位論文]2004 7. 張代義 艦船運動模擬器技術研究[學位論文]2005 引證文獻(5條) 1.肖志權.邢繼峰.彭利坤.朱石堅 數(shù)字式6-DOF運動平臺運動不平穩(wěn)現(xiàn)象分析[期刊論文]-機床與液壓 2006(8) 2.袁鴻.盛英.蘇勛家.仇原鷹 電液伺服Stewart平臺激振系統(tǒng)仿真研究[期刊論文]-機床與液壓 2009(2) 3.林礪宗.潘大亨.傅招國.倪小鵬 基于ADAMS的六自由度液壓動感平臺建模及運動學仿真[期刊論文]-機床與液壓 2012(13) 4.楊啟志.莊佳奇.尹小琴.謝俊.朱小兵.訾鵬飛 一種三自由度全柔性并聯(lián)微動激振臺的設計[期刊論文]-機械設計與研究 2011(4) 5.郭宏偉 三自由度重型搖擺試驗臺的設計與研究[學位論文]碩士 2005 本文鏈接： EC 液壓與氣動 "BBF 年第 > 期 ! ! " ! ! " 度（ 、 、 、、 ）的運動，從而可以模擬出各種空間 時解算，然后將解算結果送到 個單缸控制器，經數(shù) 運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制 壓力，實踐證明，這種方法是可行有效的。 參考文獻： 結論 ［ 在對壓裝機液壓系統(tǒng)的設計缺陷與故障現(xiàn)象進行 分析的基礎上，對壓裝機液壓系統(tǒng)進行了工業(yè)自動化 " I 萬方數(shù)據(jù) """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 大 型 數(shù)字 式 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 開 發(fā) 楊世祥 ，楊 濤 ，徐悅桐 #$% &%’%()*+%,- ). -$% &/0/-1( 2/34 &56 2-%718- 9(1-.)8+ :1,0 2$/43/1,0 :1,0 #1) ;< :<%4-),0 （! = 北京億美博科技有限公司，北京菜戶營東街甲 >> 號鵬 潤 ? 文苑 @ 座 "ABC !BBBDE 電話：B!B）CFFF!ACC） 中圖分類號：#9"GF 文獻標識碼：@ 文章編號：!BBB4E>D> "BBF B>4BBEC4B"（ ） ! 概述 " 傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應用前景， 到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平 近幾年，引起了國內外科研、院校廣泛的研究興趣。六 臺都無一例外地采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內以幾 自由度運動平臺是由 C 只液壓缸，上、下各 C 只萬向鉸 所名牌大學的研究水平較高，其控制原理基本相同，六 鏈和上、下 " 個平臺組成。下平臺固定在基礎上，借助 自由度平臺單缸控制框圖如圖 ! 所示。 C 只液壓缸的伸縮運動，完成上平臺在空間 C 個自由 從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實 !" # 運動姿態(tài)，可廣泛應用到各種訓練模擬器，如飛行模擬 模轉換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運 器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬 動。伺服缸的位移和壓力通過 " 只傳感器并經模 H 數(shù) 器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器，以 轉換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該伺服系統(tǒng)最大 及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用到空間宇宙飛 的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復雜、調試困難、可靠 船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制 性差、伺服閥抗干擾、抗污染能力弱、故障率高，因而國 成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動 內盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終 平臺的研制涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感 不多。 器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、 # 六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算 動態(tài)仿真等一系列高科技領域，因而六自由度運動平 （!）順解（順向解）：即己知 C 只液壓缸的長度，求 臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領 解平臺姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的 正解方程 域中水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部 式，只能采用疊代方法，利用計算機快速運算的特點和 大廳里，向客人展示水平的第一個標志就是六自由度 "BBF4BD4"E 技術領域的皇冠級產 品，掌握了它，在液壓和控 制領 作者簡介 ：楊世祥（!AF>—），男，重 慶人，教授級 高工，主要 從 域，基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程。 事數(shù)字液壓技術的開發(fā)研究和推廣應用工作。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 開啟壓力；二是降低系統(tǒng)的 壓力并減小系統(tǒng) 的流量。 試中出現(xiàn)的問題和故障，通過系統(tǒng)與元件的原理分析， 由于充液閥的預卸荷閥很小，改造的余地不大，所以選 找出了發(fā)生故障的原因，并加以解決，實踐證明改造是 擇第二種方案。為了降低系統(tǒng)的壓力，在充液閥的控 很成功的。 制油路中安裝了一個節(jié)流閥，通過調整節(jié)流閥來降低 !AA>I 改造，降低了能耗并縮短了工作周期。而且，還針對調 除［K］I液壓與氣動，"BB" G（ ）I !::" 年第 ( 期 液壓與氣動 ’> """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 圖 平臺單缸控制方框圖 圖 $ 實際平臺 萬方數(shù)據(jù) ! 上鉸鏈的結構條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順 解。 （!）反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉的 姿勢，最常使用的方法是定義 " 個歐拉角來表達，當剛 體旋轉至某一姿勢下，此 " 個歐拉角即組成唯一的旋 轉矩陣，并借由旋轉矩陣做坐標轉換，便可求得剛體的 絕對位置。 " 六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制 當給定空間狀態(tài)后，可以分別算出 # 只缸的不同 長度，為了讓平臺上的液壓缸在同一時間運動到新的 位置，# 只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決 有兩種方法：一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需 將液壓缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的 時間，自動分配 # 只缸的運動速度，同時到達終點；第 二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小 公倍數(shù)方法分配速度，也可達到同樣目的。 # 六自由度平臺的全數(shù)字控制 為了攻克六自由度運動平臺的應用難關，北京億 美博科技有限公司采用了自行開發(fā)的性能先進、操作 可靠的新型數(shù)字液壓缸（已納入“十五”攻關和國家重 點新產品項目），作為 # 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、$ % & 轉換和 & % $ 轉換等 諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到液壓缸內 部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接 接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈 沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運 動行程，一一對應，將復雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開 環(huán)控制。我們與某軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量 ’ 噸和 ( 噸的數(shù)字式六自由度運動平臺，它的控制框 圖和實際平臺圖照片見圖 )* 和圖 !。 比較圖 )+ 和圖 )* 可知，控制原理大大簡化，不但 系統(tǒng)響應速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得 ! ! 以提高。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件 和傳感器，系統(tǒng)構成十分簡單。平臺運動的錄像可在 ,,,- +./.0.1- 12/ % 345 網(wǎng)站觀看。它的性能指標如表 ) 所示。 表 ! 性能指標 自由度 位移（聯(lián)合運動） 位移（單自由度） 速度 加速度 6 "7 8.9 6 ": 8.9 6 !: 8.9% 3 6 "7: 8.9 % 3 6 ’: 8.9 6 "7 8.9 6 !’ 8.9% 3 6 )’: 8.9 % 3 升降 6 :- #: / 6 : - #: / 6 : - ’: / % 3 ; ) - :! 橫向移動 6 : - 7 / 6 : - ’ / 6 : - "# / % 3 ; : - #! 縱向擺動 6 : - # / 6 : - ’ / 6 : - "# / % 3 ; : - #! % 數(shù)字液壓技術在其他領域的成功應用 數(shù)字液壓技術的出現(xiàn) 為液壓技術增 添了新的活 力，數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合， 幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元 件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，而是直接采用數(shù)字脈沖 控制，把現(xiàn)場調試搬到了辦 公室，幾乎做 到了即裝即 用，已經成功地應用到冶金、機械、水電、國防軍工等一 系列疑難控制領域，其可控性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓 控制技術，成功應用的實例有：冶金領域中的鋼水連鑄 結晶器液面控制、結晶器液壓非正弦振動（均列入過國 家攻關項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）；水電領域 中的水輪機調速控制；機械領域的大型無齒鋸多點速 度控制和位置控制；軍工領域的大型導彈裝彈機構的 多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達 :<)= ）、軍艦 舵機控制、減搖稽控制；模擬器領域的六自由度平臺控 制等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。 & 結論 用數(shù)字技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的比例技術和伺服技術，用 在六自由度平臺和其他許多系統(tǒng)上，都取得了很好的 結果，數(shù)字技術具有簡單、可靠、方便、實用等一系列優(yōu) 點，特別適合惡劣的工作環(huán)境。 ! 刊名： 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者： 楊世祥， 楊濤， 徐悅桐 作者單位： 北京億美博科技有限公司,北京菜戶營東街甲88號鵬潤-文苑B座2906,100054 液壓與氣動 英文刊名： CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 年，卷(期)： 2003(8) 被引用次數(shù)： 5次 本文讀者也讀過(7條) 1. 姜文剛.尚婕.李建華.鄧志良.汪電明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由 度動感電影系統(tǒng)研制[期刊論文]-電氣自動化2006,28(1) 2. 汪漢生 六自由度平臺設計及控制方法研究[學位論文]2008 3. 李峰 自行車仿真器中力反饋技術的研究與實現(xiàn)[學位論文]2007 4. 許世林 動感環(huán)幕電影控制系統(tǒng)研究與設計[學位論文]2004 5. 甘紅勝.殷躍紅.劉偉偉.印松 虛擬環(huán)境中六維動感平臺控制系統(tǒng)的設計[期刊論文]-機電工程2003,20(4) 6. 高峰 六自由度運動平臺伺服系統(tǒng)研究[學位論文]2004 7. 張代義 艦船運動模擬器技術研究[學位論文]2005 引證文獻(5條) 1.肖志權.邢繼峰.彭利坤.朱石堅 數(shù)字式6-DOF運動平臺運動不平穩(wěn)現(xiàn)象分析[期刊論文]-機床與液壓 2006(8) 2.袁鴻.盛英.蘇勛家.仇原鷹 電液伺服Stewart平臺激振系統(tǒng)仿真研究[期刊論文]-機床與液壓 2009(2) 3.林礪宗.潘大亨.傅招國.倪小鵬 基于ADAMS的六自由度液壓動感平臺建模及運動學仿真[期刊論文]-機床與液壓 2012(13) 4.楊啟志.莊佳奇.尹小琴.謝俊.朱小兵.訾鵬飛 一種三自由度全柔性并聯(lián)微動激振臺的設計[期刊論文]-機械設計與研究 2011(4) 5.郭宏偉 三自由度重型搖擺試驗臺的設計與研究[學位論文]碩士 2005 本文鏈接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_yyyqd200308020.aspx 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計（論文）登記表 分院 機電工程分院 專業(yè) 機械設計制造及自動化 班級 06232 學生姓名 張潔 指導教師 張廣杰 設計（論文）起止日期 2010年 3月8日-6月18日 教研室主任 題目名稱（包括主要技術參數(shù)）及要求 1.題目名稱：六自由度并聯(lián)機構 2.要求：六自由度并聯(lián)機構是由動平臺、固定平臺等組成，以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)平臺的各種動作。對已有結構并結合ADAMS仿真軟件對六自由度并聯(lián)機構進行設計。 論文開題報告（設計方案論證） 應該包括以下幾方面內容： 1、 本課題研究的意義；2、調研（社會調查）情況總結；3、查閱文獻資料情況（列出主要文獻清單；4、擬采取的研究路線； 1. 本課題研究的意義： 六面自由度結構具有運行可靠特點能滿足現(xiàn)代工業(yè)的應用。整個控制系統(tǒng)體積小、結構緊湊，具有較高的可靠性。機構的運行控制精度較高，能夠滿足系統(tǒng)運行的需要。采用速度運行方式可以解決軟件驅動的手動指令進給中的機構抖動問題。近年來受到很大的重視，已經成為現(xiàn)代機構學發(fā)展的主要方向之一是創(chuàng)新的主要方面。 2. 調研情況總結： 為更好的完成本課題，在指導教師的帶領下，我們參觀了機械加工廠并隨同工人一起見習了加工過程，與此同時還把我們課題設計思路和要解決的問題向技術人員介紹，請他們提出寶貴意見受益匪淺。 3.參考文獻： [1]蘇長贊，鄒殿貴. 紅外線與超聲波遙控[M]. 北京：北京人民郵電出版社，2001. [2]楊立民. 單片機技術及應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1997. [3]蔡自興. 機器人學[M]. 北京：清華大學出版社， 2000. [4]鄒慧君. 機械運動方案設計手冊[M]. 上海：上海交通大學出版社， 1994. [5] 詹啟賢. 自動機械設計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社， 1994. [6]呂仲文. 機械創(chuàng)新設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [7]梁崇高等. 平面連桿機構的計算設計[M]. 北京：高等教育出版社， 1993. [8]郁明山等. 現(xiàn)代機械傳動手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996. [9] 王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京：高等教育出版社，1988. [10] Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985. [11] Patton W .J .Mechanical Power Transmission[M]. New Jersey: Printice-Hall. 1980. [12]Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach[M]. New York:Wiley,1983. 4. 擬采取的研究路線： 指導教師下達任務→充分理解課題要解決的問題→查閱文件和素材→翻譯英文資料→到工廠參觀實習→寫論文→指導教師審查→修改完善，定稿→準備答辯。 5.進程安排 3月 8日—3月 26日 查閱文件，書籍材料。 3月 29日—4月 09日 翻譯英文材料。 4月 11日—5月 14日 寫課題論文，寫初稿。 5月 17日—5月 21日 完善論文，定稿。 5月 23日—6月 11日 繪制設計草圖、打印。 6月 14日—6月 18日 整理，熟悉文件。 指導教師審閱意見： 年 月 日 記事： 指導教師審閱意見： 年 月 日 3 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設計（論文）題目申報表 院 別 機 電 工 程 分 院 教 研 室 機 械 工 程 教 研 室 指導教師 張 廣 杰 職稱 講 師 職稱 2010年 3 月8日 題目名稱 六自由度并聯(lián)機構 題目類別 設計類 √ 題目性質 結合實際 √ 專業(yè) 機 械 設 計 參加本題目學生人數(shù) 1人 論文類 虛擬題目 題目來源、教師準備情況、主要培養(yǎng)學生哪些能力 1．本題目來源于指導教師的命題。 2．指導教師對此課題有深厚的理論基礎及實際經驗，在師生共同努力下定能順利、按期完成該課題設計。 3．本課題主要培養(yǎng)學生對已有知識的運用能力、查找資料和閱讀能力、英譯漢的能力、工程機械的設計、制造能力。 題 目 內 容 及 要 求 一、內容： 六自由度并聯(lián)機構是由動平臺、固定平臺等組成，以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)平臺的各種動作。對已有結構并結合ADAMS仿真軟件對六自由度并聯(lián)機構進行設計。 二、要求： 1.寫出1～1.5萬字的論文，繪制總裝圖、部裝圖及零件圖。 論文內容包括: （1）并聯(lián)機構的應用現(xiàn)狀。 （2）并聯(lián)機構的特點及分類。 （3）并聯(lián)機構的自由度計算及結構參數(shù)確定。 （4）液壓系統(tǒng)的分析及確定。 （5）六自由度及液壓系統(tǒng)控制合理調配。 2.將一篇與本課題有關的英文資料，翻譯成中文（約5000字）。 實 踐 環(huán) 節(jié) 安 排 實習 長春客車廠 實驗 金工實習基地 計算機應用 計算機繪圖 中、外文參考資料： [1]蘇長贊. 紅外線與超聲波遙控[M]. 北京：北京人民郵電出版社， 2001. [2]楊立民. 單片機技術及應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1997. [3]蔡自興. 機器人學[M]. 北京：清華大學出版社， 2000. [4]鄒慧君. 機械運動方案設計手冊[M]. 上海：上海交通大學出版社， 1994. [5]詹啟賢. 自動機械設計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社， 1994. [6]呂仲文. 機械創(chuàng)新設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [7]梁崇高等. 平面連桿機構的計算設計[M]. 北京：高等教育出版社， 1993. [8]郁明山等. 現(xiàn)代機械傳動手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996. [9]王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京：高等教育出版社， 1988. [10] Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985. [11] Patton W .J .Mechanical Power Transmission[M]. New Jersey: Printice-Hall ,1980. [12]Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach[M]. New York:Wiley,1983. 教研室主任 審 批 簽 字 分 院 院 長 審 批 簽 字 注：題目類別和題目性質請用符號√填在相應欄內。 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者：楊世祥 楊濤 徐悅桐 一、概述 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應用前景，近幾年，引起了國內外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領域水平的標志性象征。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標志就是六自由度運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制技術領域的皇冠級產品，掌握了它，在液壓和控制領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動平臺 到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平臺都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內以幾所名牌大學的研究水平較高，其控制原理基本相同，六自由度平臺單缸控制框圖如下： 從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算，然后將解算結果送到六個單缸控制器，經數(shù)/模轉換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經模/數(shù)轉換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動編程控制，如果是實時模擬控制，還需要在主控計算機前增加姿態(tài)信號輸入裝置，即用各種信號發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復雜、調試困難、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高，因而國內盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。 三、六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算 1．順向解）：即已知六根液壓缸的長度，求解平臺姿態(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，利用計算機快速運算的特點和上鉸鏈的結構條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解， 2．反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉的姿勢，最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達，當剛體旋轉至某一姿勢下，此三個歐拉角即組成唯一的旋轉矩陣，并借由旋轉矩陣作坐標轉換，便可求得剛體的絕對位置。 四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制 當給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了讓平臺上的油缸在同一時間運動到新的位置，六只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決有兩種方法，一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時間，自動分配六只缸的運動速度，同時到達終點。第二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達到同樣目的。 五、六自由度平臺的全數(shù)字控制 為了攻克六自由度運動平臺的應用難關，北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關和國家重點新產品項目），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轉換和D/A轉換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運動行程，一一對應，將復雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。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)字式六自由度運動平臺，它的控制框圖和實際平臺圖照片所示如下： 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)響應速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得以增加。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構成十分清爽。平臺運動的錄像可在www.aemetec.com/sim網(wǎng)站觀看。它的性能指標如下： 六自由度數(shù)字運動平臺技術指標 六．數(shù)字液壓技術在其他領域的成功應用 數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合，幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，把討厭的現(xiàn)場調試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用，已經成功的應用到冶金、機械、水電、國防軍工等一系列疑難控制領域，其控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓控制技術，成功應用的實例有：冶金領域中的鋼水連鑄結晶器液面控制、結晶器液壓非正弦振動（均列入過國家攻關項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）。水電領域中的水輪機調速控制；機械領域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制，軍工領域的大型導彈裝彈機構的多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達0.1%）、軍艦舵機控制、減搖稽控制，模擬器領域的六自由度平臺控制等等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。