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 发杨 世 祥!， 杨 涛!， 徐 悦 桐#$% &%()*+%,- ). -$% &/0/2/34&56 2-%718- 9(1-.)8+:1,0 2$/43/1,0!， :1,0 #1)!， ; 号 鹏 润 ? 文 苑 座 话 ：（ B!B） 图 分 类 号 ： #9 献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ： !（ B4 概 述六 自 由 度 运 动 平 台 ， 由 于 有 极 为 广 阔 的 应 用 前 景 ，近 几 年 ， 引 起 了 国 内 外 科 研 、 院 校 广 泛 的 研 究 兴 趣 。 六自 由 度 运 动 平 台 是 由 C 只 液 压 缸 ， 上 、 下 各 C 只 万 向 铰链 和 上 、 下 个 平 台 组 成 。 下 平 台 固 定 在 基 础 上 ， 借 助C 只 液 压 缸 的 伸 缩 运 动 ， 完 成 上 平 台 在 空 间 C 个 自 由度 （ !、 、 #!、#） 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 ， 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 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 ， 甚 至 可 用 到 空 间 宇 宙 飞船 的 对 接 ， 空 中 加 油 机 的 加 油 对 接 中 。 在 加 工 业 可 制成 六 轴 联 动 机 床 、 灵 巧 机 器 人 等 。 由 于 六 自 由 度 运 动平 台 的 研 制 涉 及 机 械 、 液 压 、 电 气 、 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 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 中 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 。 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 地 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 ， 六自 由 度 平 台 单 缸 控 制 框 图 如 图 ! 所 示 。从 图 中 可 看 出 ， 主 控 计 算 机 是 完 成 空 间 状 态 的 实时 解 算 ， 然 后 将 解 算 结 果 送 到 C 个 单 缸 控 制 器 ， 经 数 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 只 传 感 器 并 经 模 后 送 给 计 算 机 ， 完 成 闭 环 控 制 。 该 伺 服 系 统 最 大的 难 点 是 传 递 环 节 多 、 控 制 过 于 复 杂 、 调 试 困 难 、 可 靠性 差 、 伺 服 阀 抗 干 扰 、 抗 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 。# 六 自 由 度 平 台 控 制 的 空 间 状 态 解 算（ !） 顺 解 （ 顺 向 解 ） ： 即 己 知 C 只 液 压 缸 的 长 度 ， 求解 平 台 姿 态 ， 到 目 前 为 止 ， 还 没 有 直 接 中 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 和收 稿 日 期 ： 作 者 简 介 ： 杨 世 祥 （ ! ） ， 男 ， 重 庆 人 ， 教 授 级 高 工 ， 主 要 从!事 数 字 液 压 技 术 的 开 发 研 究 和 推 广 应 用 工 作 。开 启 压 力 ； 二 是 降 低 系 统 的 压 力 并 减 小 系 统 的 流 量 。由 于 充 液 阀 的 预 卸 荷 阀 很 小 ， 改 造 的 余 地 不 大 ， 所 以 选择 第 二 种 方 案 。 为 了 降 低 系 统 的 压 力 ， 在 充 液 阀 的 控制 油 路 中 安 装 了 一 个 节 流 阀 ， 通 过 调 整 节 流 阀 来 降 低压 力 ， 实 践 证 明 ， 这 种 方 法 是 可 行 有 效 的 。$ 结 论在 对 压 装 机 液 压 系 统 的 设 计 缺 陷 与 故 障 现 象 进 行分 析 的 基 础 上 ， 对 压 装 机 液 压 系 统 进 行 了 工 业 自 动 化改 造 ， 降 低 了 能 耗 并 缩 短 了 工 作 周 期 。 而 且 ， 还 针 对 调试 中 出 现 的 问 题 和 故 障 ， 通 过 系 统 与 元 件 的 原 理 分 析 ，找 出 了 发 生 故 障 的 原 因 ， 并 加 以 解 决 ， 实 践 证 明 改 造 是很 成 功 的 。参 考 文 献 ： ! 雷 天 觉 液 压 工 程 手 册 J ： 北 京 理 工 大 学 出 版社 ， ! 张 齐 生 ， 王 智 勇 ， 等 阀 水 平 安 装 时 的 故 障 分 析 及 排除 K 与 气 动 ， G） I 与 气 动 第 期万方数据图 ! 平 台 单 缸 控 制 方 框 图上 铰 链 的 结 构 条 件 约 束 来 逼 近 求 解 平 台 姿 态 。 此 为 顺解 。（ !） 反 解 （ 逆 向 解 ） ： 描 述 一 个 刚 体 在 空 间 旋 转 的姿 势 ， 最 常 使 用 的 方 法 是 定 义 个 欧 拉 角 来 表 达 ， 当 刚体 旋 转 至 某 一 姿 势 下 ， 此 个 欧 拉 角 即 组 成 唯 一 的 旋转 矩 阵 ， 并 借 由 旋 转 矩 阵 做 坐 标 转 换 ， 便 可 求 得 刚 体 的绝 对 位 置 。 六 自 由 度 的 速 度 协 联 控 制当 给 定 空 间 状 态 后 ， 可 以 分 别 算 出 # 只 缸 的 不 同长 度 ， 为 了 让 平 台 上 的 液 压 缸 在 同 一 时 间 运 动 到 新 的位 置 ， # 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 是 采 用 标 准 的 协 联 控 制 器 ， 该 控 制 器 需将 液 压 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 # 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 。# 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 行 开 发 的 性 能 先 进 、 操 作可 靠 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 # 只 控 制 缸 。 该 数 字 缸 取 消 了 传统 控 制 中 的 伺 服 阀 、 传 感 器 、 $%& 转 换 和 &%$ 转 换 等诸 多 环 节 ， 它 是 将 传 感 器 、 数 字 阀 等 全 部 做 到 液 压 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 靠 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 ， 一 一 对 应 ， 将 复 杂 的 闭 环 控 制 变 成 了 简 单 的 开环 控 制 。 我 们 与 某 军 事 院 校 合 作 ， 联 合 开 发 了 载 重 量 吨 和 ( 吨 的 数 字 式 六 自 由 度 运 动 平 台 ， 它 的 控 制 框图 和 实 际 平 台 图 照 片 见 图 )* 和 图 !。比 较 图 )+ 和 图 )* 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 为 降 低 ， 可 靠 性 得图 $ 实 际 平 台以 提 高 。 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 简 单 。 平 台 运 动 的 录 像 可 在,-+./345 网 站 观 看 。 它 的 性 能 指 标 如 表 )所 示 。表 ! 性 能 指 标自 由 度 位 移 （ 联 合 运 动 ） 位 移 （ 单 自 由 度 ） 速 度 加 速 度俯 仰 6 7 : !: 3 6 7: 3!滚 转 6 : 7 ! 3 6 ): 3!升 降 6 :-#: / 6 :-#: / 6 :-: /% 3 ; )-:!横 向 移 动 6 : 6 :- / 6 :-# /% 3 ; :-#!纵 向 摆 动 6 :-# / 6 :- / 6 :-# /% 3 ; :-#!% 数 字 液 压 技 术 在 其 他 领 域 的 成 功 应 用数 字 液 压 技 术 的 出 现 为 液 压 技 术 增 添 了 新 的 活力 ， 数 字 液 压 缸 与 专 门 配 套 研 制 的 数 字 控 制 器 相 配 合 ，几 乎 取 消 了 传 统 液 压 控 制 中 的 所 有 液 压 阀 件 和 控 制 元件 ， 它 抛 弃 了 传 统 的 阀 口 控 制 ， 而 是 直 接 采 用 数 字 脉 冲控 制 ， 把 现 场 调 试 搬 到 了 办 公 室 ， 几 乎 做 到 了 即 装 即用 ， 已 经 成 功 地 应 用 到 冶 金 、 机 械 、 水 电 、 国 防 军 工 等 一系 列 疑 难 控 制 领 域 ， 其 可 控 性 能 远 远 超 过 传 统 的 液 压控 制 技 术 ， 成 功 应 用 的 实 例 有 ： 冶 金 领 域 中 的 钢 水 连 铸结 晶 器 液 面 控 制 、 结 晶 器 液 压 非 正 弦 振 动 （ 均 列 入 过 国家 攻 关 项 目 ） ， 带 钢 厚 度 控 制 （ 微 米 级 精 度 ） ； 水 电 领 域中 的 水 轮 机 调 速 控 制 ； 机 械 领 域 的 大 型 无 齿 锯 多 点 速度 控 制 和 位 置 控 制 ； 军 工 领 域 的 大 型 导 弹 装 弹 机 构 的多 缸 同 步 控 制 （ 任 意 多 缸 同 步 误 差 可 达 :!:年 第 ( 期 液 压 与 气 动万方数据大型数字式六自由度运动平台的开发作者： 杨世祥， 杨涛， 徐悦桐作者单位： 北京亿美博科技有限公司,北京菜户营东街甲88号鹏润00054刊名： 液压与气动英文刊名： (期)： 2003(8)被引用次数： 5次本文读者也读过(7条)1. 自由度动感电影系统研制期刊论文8(1)2.