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六自由度液压运动平台的自动控制设计开题报告.doc

六自由度液压运动平台的自动控制设计【SolidWorks三维】【7张图纸】【优秀】

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摘要

　　　六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，可以完成在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）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上。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。

　　　通过六自由度运动平台的机构特点及应用，可以在平台控制总体设计的基础上完成液压伺服系统的建模工作,在Matlab软件中对系统进行了仿真分析,将常规PID控制和基于神经网络算法的先进PID控制方法进行对比,仿真结果表明基于神经网络的PID控制方法对伺服系统具有良好的控制效果,同时也证明了电液伺服控制系统设计的合理性,将控制策略应用于样机平台,平台运行稳定,流畅。为平台控制的进一步改进和完善奠定了基础。

关键词：六自由度平台；液压；PID控制

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1 课题背景及意义1

1.2 六自由度平台发展及应用1

1.3 六自由度平台国内外研究状况3

1.3.1 国外研究现状3

1.3.2 国内研究现状4

1.4 课题主要研究内容4

2 六自由度运动平台本体结构设计5

2.1 平台主要性能指标5

2.2 平台结构5

2.3 平台驱动方式6

3 液压缸设计7

3.1简介7

3.2 液压缸的设计7

3.3 液压缸的密封设计10

3.4 支承导向的设计10

3.5 防尘圈的设计11

3.6 液压缸材料的选用11

3.7 液压泵的选择12

3.8 电机的选择14

4 液压油路设计15

4.1 液压设备外接线路15

4.2 操作板15

4.3 程序地址分配16

4.4 芯片接线图17

4.5 PLC程序指令20

5 液压伺服系统的建模与仿真25

5.1 六自由度运动平台系统的总体设计25

5.2 数学模型的建立25

5.2.1 单个作动器的数学模型26

5.3 系统的控制及仿真26

5.3.1 基于常规PID的控制系统仿真研究26

5.3.2 基于BP神经网络的控制算法27

5.3.3 仿真实现28

6 液压运动平台的运动仿真30

6.1 液压平台的基本结构设计30

6.2 虚拟样机的建立与仿真31

6.2.1 零件建模31

6.2.2 装配设计32

6.2.3 运动分析33

6.3 结束语36

7 结论与展望37

致谢38

参考文献39

1 绪论

1.1 课题背景及意义

　　　六自由度平台的研制对舰船运动规律的研究起着重要的作用平台可以在实验室中模拟舰船在海上航行时摇摆的情况将舰船在海洋中摇摆的姿态和运动真实地再现出来并能检测舰载直升机系统和各分系统在各种摇摆和位置姿态下的动态和静态技术性能。该专用设备主要由机械运动系统、液压伺服控制系统、传感检测系统、信号采集处理系统、计算机控制系统和各种安全保护装置等组成可按试验要求实现六个自由度的旋转运动以及这些自由度的复合运动以达到模拟舰船在海上的垂荡、纵荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇各种摇摆状况的目的。

　　　六自由度平台可以进行船舶运动和结构动力学研究同时也是驾驶员航海训练的一种良好设备可以将舰载武器和设备仪器放在平台上进行陆地实验减少海上实验次数这样就降低了实验成本和研究周期。可见用平台在实验室作运动模拟试验具有明显的节能性、安全性、可控性、无破坏性、经济性、可操作性和训练效率高等优点对进行舰船运动模拟技术研究具有重要意义。

　　　目前运动模拟技术己成为多快好省达到研究舰船运动和训练飞行目的的最佳途径六自由度平台是一种发展快、应用广的典型运动模拟器是一具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖试验设备而我国在这一领域的设计和制造水平与西方发达国家相比还有相当大的差距。因此深入研究六自由度平台运动系统的基础理论对其关键技术进行理论分析和实验研制出性能优良能满足各方面需求的平台对提高我国的仿真技术水平增强国防实力具有重大的理论意义和实际应用价值。

1.2 六自由度平台发展及应用

　　　上世纪年代末特别是年代以来并联式机构被广为关注成为新的热点由于六自由度平台具有结构刚度大、承载能力强、位置精度高、哈尔滨工程大学硕十学位论文响应快的优点而且可以灵活地实现六个自由度的三维空间运动。

　　　1965年六自由度平台是英国工程师Stewart于1965年在他的论文《A Platform with 6 degrees freedom》中作为一种六轴并联式空间机构的设计提出的,称为Stewart机构[1]。在制作飞行模拟器后,Stewart机构逐渐成为飞行摸拟器的标准机构。到70年代初,美国NASA等研究中心公布了6-DOF并联式平台的研究成果,相继出现了6-DOF并联机构运动平台的飞行模拟器。1974年美国制定了空勤人员训练模拟器6-DOF并联式运动平台系统军用标准MIL-STD-1588。此后6-DOF并联式运动平台己趋向标准化、系列化生产阶段。1978年澳大利亚著名的机构学专家Hunt.KH教授指出Stewart机构更接近于人体的结构,提出可将Stewart平台机构用作并联机器人的主要机构,至此并联机器人的研究受到许多学者的关注。MacCallion和Pham在1979年首次利用这种机构设计出了用于装配的机器人,从此拉开了并联机器人研究的序幕,此后Stewart机构又被称为并联机器人。

　　Stewart机构在大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等方面得到进步的发展。Stewart机构进一步的应用范围逐渐扩展到机床方面,即所谓的并联机床,但不论是并联机器人还是并联机床,要实现运动精确伺服控制是非常困难的,主要难点在于Stewart机构在运动学、动力学极其控制方面蕴涵的复杂性和大量的计算。进入到上世纪80年代末以后,计算机工业的飞速发展为解决Stewart机构诸多难点提供了强有力的支持,对Stewart机构的研究和研究进入了一个新的时期。

　　　Hunt应用空间机构自由度计算准则及螺旋理论对Stewart机构的机器人进行了机构综合研究,给出了多种6-DOF的并联机构的基本形式。1988年Merlet教授提出了INRIA并联机构的样机。1997年意大利研制出具有六个自由度的Turin并联机构。

2 六自由度运动平台本体结构设计

　　　六自由度平台作为一种实验设备，在地面物理仿真过程中起着重要作用。平台有机械台体、液压系统、检测系统和计算机控制四个主要组成部分，其中机械台体主要由上台面、下基座、关节铰链和伺服液压缸组成。液压系统主要由液压油源和液压伺服控制系统组成，主要用于为运动系统提供液压油源和驱动力。

2.1 平台主要性能指标

　　　承载能力（含上平台及其附件）0.5吨

　　　平台的运动范围有机构的结构参数、液压油缸的长度、铰链转动角度等因素决定。合理的平台结构是六自由度运动平台设计的基础，是保证实现性能指标的关键。运动机构的设计，应保证平台工作过程中，出现人为的误操作和系统发生故障是，所有机械部件不得出现机械干涉现象。为了使运动平台能够获得较大的位置变化，液压缸长度较大，这进一步降低了活塞杆的稳定性。因此设计时应优化布置运动机构的结构尺寸，使得液压缸的正常工作位置尽可能的短，提高平台安全性。

　　　因此，优化各个参数，确定平台系统的几何尺寸参数如下：

　　　上平台外圆直径：0.3m

　　　下平台外圆直径：0.6m

2.2 平台结构

　　　平台主要由下台基、上运动台面、12个铰（球铰或万向铰）及6个液压缸组成，其中液压缸通关铰以并联的方式将上运动台面和下台基连接起来，成为一体，如图2.1所示。这样的机构在并联式多自由度机械装置研究中又常常被称为Stewart平台。电液比例方向阀控制液压油流量的大小、方向，驱动六个液压缸沿缸长方向伸缩作线性移动。通过六个液压缸的协调动作，上运动台面能够灵活地实现六个自由度的运动，三个线性移动及三个转动，即一个刚体在空间的全自由度运动。因此，六自由度平台也可以看作是一种并联式的机器人。图2.2为实验室样子实物图。2 六自由度运动平台本体结构设计

2.1 平台主要性能指标

　　　承载能力（含上平台及其附件）0.5吨

　　　因此，优化各个参数，确定平台系统的几何尺寸参数如下：

　　　上平台外圆直径：0.3m

　　　下平台外圆直径：0.6m

2.2 平台结构

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内容简介：: 无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：六自由度液压运动平台的自动控制信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：）2012年11月25日课题来源六自由度平台的研制科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）（1）课题科学意义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。（2）六自由度运动平台的研究状况及其发展前景目前世界上研制大型六自由度平台的国家较多,主要有加拿大、美国、英国、法国、德国、日本、俄罗斯、荷兰等国，大多用于飞机（包括战斗机、运输机和民航客机）模拟飞行训练，在舰船、装甲车辆、自行火炮等方面也有一些应用。近几年来，六自由度平台系统也被应用到工业甚至娱乐场所。随着6-DOF并联机构研究的深入,对于自由度少于六的空间并联机构(称为少自由度机构),也引起许多学者的注意，国外的专家学者们也对其进行了研究改进。而国外也已研制出虚拟轴机床。我国并联机器人出现的较晚,起先出现在引进的6-DOF飞行模拟器上。近几年来我国的一些高等院校和科研院所也相继投入人力物力。在微动器或称作微动机构研究方面,也取得了不小的发展。但在运动模拟器的相关技术方面，与国外还存在较大距离。由于六自由度运动平台的应用广泛，未来还将不断地往数字化和微动作方面改进发展。研究内容（1）了解国内外多自由度运动平台的现状和发展趋势，了解近十几年平台的数字虚拟化发展。（2）查阅六自由度运动平台的相关图形，熟悉其结构，和相关液压伺服系统并能对其进行设计。（3）掌握相关系统的数学模型的建立和使用。（4）掌握PID控制方式，并了解如何使用以提高系统的运动性能。（5）掌握虚拟样机技术，并能用其对刚体进行运动学和动力学方面的仿真。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（1）实验方案建立液压控制系统的模型，使用常规的PID控制方式和基于BP神经网络的PID控制方式对其进行模拟仿真，比较优劣；运用虚拟样机技术，对运动平台进行运动学和动力学的模拟仿真。（2）研究方法（1）在常规的PID控制方式下，对运动平台进行仿真研究。（2）在基于BP神经网络的PID控制方式下，对运动平台进行仿真研究。（3）利用三维软件画出六自由度运动平台的实物图，设定参数，使用软件对其进行运动学和动力学的仿真。研究计划及预期成果研究计划：2012年11月12日-2012年12月2日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，完成毕业设计开题报告书。2012年12月3日-2013年3月1日：接受专业实训，完成毕业实习报告。2013年3月4日-2013年3月15日：查阅并翻译与毕业设计相关的英文材料。2013年3月18日-2013年4月12日：确定总体方案，设计运动平台的相关尺寸。2013年4月15日-2013年5月10日：绘制运动平台相关工程图并对平台进行模拟。2013年5月13日-2013年5月25日：毕业论文撰写和修改工作。预期成果：达到预期的实验结论：与常规的PID控制方式相比，基于BP神经网络的PID控制方式控制的曲线超调量小、调整时间短，稳态误差小。由此说明神经网络对电液伺服这类高阶、非线性、动特性随负载变化很大的系统就很好的实时控制能力。特色或创新之处（1）合理运用计算机进行帮忙，减轻了某些负担，也提高了效率。（2）采用对比的方法来研究问题，思路清晰，简单明了，行之有效。已具备的条件和尚需解决的问题（1）可以轻松的实用软件对平

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