六自由度系统集成设计(三).ppt

六自由度运动系统集成设计,姜洪洲机电学院流体控制及自动化系,1.1最大有效载荷：15T,1.2单项极限运动参数,1主要设计要求,1.3典型工况下的能力指标,（有效载荷15T，正弦运动）,1主要设计要求,1.4静态精度,三个线坐标静态定位精度：1.6mm三个姿态角静态定位精度：0.06精确零位锁定：纵摇角：0.012横摇角：0.012航向角：0.03在锁定情况下定位变化率：姿态角2时，0.06/8h姿态角2时，0.012/8h,1主要设计要求,1.5动态精度,频率特性：系统频宽2.5Hz位姿波形失真度2%各自由度运动间耦合度1%各自由度间相位滞后（正弦，在相同频率条件下）：2零位漂移（正弦摇摆时）：0.1/h激励信号：正弦重复精度：0.5%运动谱复现精度：1%,1主要设计要求,1.5主要功能,6个自由度（横摇、纵摇、偏航、升降、航向位移、横向位移）可实现单自由度和多自由度复合的正弦运动可实现对路谱和海浪谱的运动复现可将运动坐标系原点平移到试件的某一点具有精确零位锁定和运动范围内的任意位置锁定功能控制系统采用实时控制。控制系统应能实时记录台体运动参数并以三维动画重现试验过程。具有独立的实时测量系统。,1主要设计要求,六自由度摇摆台液压源控制系统,2系统组成,摇摆台结构,上连接铰,上平台,下连接铰,液压缸组件,工作零位时,采用Stewart机构，六个自由度,2系统组成,3.1基于位置反解的单系统控制模式（最基本的控制模式）,运动指令,运动学反解六个液压缸闭环控制,六个位移反馈,六个伺服阀驱动,运动状态,操作员,3系统原理,第一步：由姿态算出六个缸所需位移量,3系统原理,3.1基于位置反解的单系统控制模式（最基本的控制模式）,优点：控制策略实现简单，易于实现分布式控制和设计安全保护策略,第二步：六个缸的闭环控制,3系统原理,3.1基于位置反解的单系统控制模式（最基本的控制模式）,3.2幅相控制模式（正弦信号的精确跟踪）,3系统原理,3.2幅相控制模式（正弦信号的精确跟踪）,3系统原理,3.2幅相控制模式（正弦信号的精确跟踪）,位姿控制,在线迭代补偿,比较,偏差,输入,响应,实时正解,幅相控制,负载,3系统原理,3.2幅相控制模式（正弦信号的精确跟踪）,3系统原理,多输入多输出迭代收敛条件实时性安全保护,挑战,3.3运动谱复现模式,G,R,Y,由于G1，因此YR,道路谱和海浪谱,3系统原理,3.3运动谱复现模式,R,Y,G,R,1,R,YR实现完全复现,新的驱动,3系统原理,3.3运动谱复现模式,虚线表示离线部分,3系统原理,结构参数优化上铰点分布圆的半径Ra下铰点分布圆的半径Rb上铰相邻铰之间的距离da下铰相邻铰之间的距离db中位时液压缸的长度，L2,4总体优化设计,优化目标：刚度高（频宽、性能保证）功率低、成本低无奇异位形无干涉,4总体优化设计,无奇异位形设计,摇摆台速度和液压缸速度间关系，为雅克比矩阵。在发生或接近奇异位形时，摇摆台增加了一个或多个自由度而变得不可控在连接铰和液压缸处产生了超过极限的力摇摆台失去稳定性失去承载能力可能产生严重破坏因此摇摆台存在奇异位形时是非常危险的。,4总体优化设计,无奇异位形设计,奇异分三种：构型奇异；位形奇异；公式奇异；,4总体优化设计,无奇异位形设计,典型奇异位形,4总体优化设计,无奇异位形设计,4总体优化设计,无奇异位形设计,4总体优化设计,无奇异位形设计,全空间搜索，保证无奇异位形,4总体优化设计,无机械干涉设计,摇摆台容易发生干涉的两种情形,上平台与作动器的干涉铰与作动器的干涉,4总体优化设计,无机械干涉设计,各种极限位姿，保证无干涉,上平台结构设计,上铰,4总体优化设计,无机械干涉设计,各种极限位姿，保证无干涉,上铰伸出轴向下倾斜45布置,4总体优化设计,无机械干涉设计,各种极限位姿，保证无干涉,给出吊篮高度,4总体优化设计,平台“矮”的好处,水平运动能力差横向刚度差,水平运动出力能力大横向刚度好,横向分力小,横向分力大,4总体优化设计,平台“矮”的缺点,X、Y旋转力臂大旋转刚度好,X、Y旋转力臂小，旋转能力降低旋转刚度差,r1,r2,r1r2,4总体优化设计,驱动系统液压缸行程液压缸有效面积伺服阀流量液压源压力,4总体优化设计,液压源压力流量功率,运动所需瞬时流量,液压源额定流量,运动所需平均流量,4总体优化设计,总体结构参数,上铰点分布圆的半径：Ra=1.85m下铰点分布圆的半径：Rb=2.3m上铰相邻铰之间的距离：da=0.26m下铰相邻铰之间的距离：db=0.35m中位时作动器的长度：L2=3.6m,L2,Ra,Rb,试验台高度,5总体设计结果,3.607m,2.6135m,4.5826mm,最低位,中位（工作零位）,最高位,5总体设计结果,作动器：有效行程：1605mm缓冲长度：伸出35mm，缩回30mm总行程：1670mm活塞直径：125cm2活塞杆直径：90cm2速度：1.33m/s伺服阀：流量630l/min(阀压降7.0MPa)液压源：低压大流量：21MPa流量：2400l/min系统总功率：1140KW,5总体设计结果,机械系统：上平台重量上平台刚度、变形量上平台基本外形限制上、下铰的运动范围,液压系统：具有任意液压锁紧回路伺服阀具有安全保护功能液压缸行程、作用面积；伺服阀流量液压源：压力、流量,控制系统：实时控制三种控制模式三维动画,6总体对各分系统的主要要求,机械系统,设计输入（对上平台要求）：平台几何尺寸，满足用户负载安装接口要求；重量不大于3500kg；最大变形：小于0.5mm结构刚度：大于15Hz各种极限位姿下，与液压缸不发生干涉,7分系统设计机械系统,上平台设计参数：内环直径2200mm，厚度280mm；重量2700kg3500kg,负载连接法兰,水平仪安装面,机械系统,上平台第一振型28Hz最大变形量0.213mm,上平台有限元分析,有限元模型,变形图,7分系统设计,机械系统,上连接铰要求：上铰支座铰轴间距：260mm下铰轴与作动器间最小夹角：77,上连接铰要求：下铰支座铰轴间距：350mm下铰轴与作动器间最小夹角：68,7分系统设计液压驱动系统设计要求液压缸：单出杆非对称（行程、面积、缓冲）伺服阀：应急退出功能压力传感器：测量上下腔压力，以便进行动压反馈，提高系统性能具有液压锁紧回路，以便实现摇摆台的任意位置锁定。,液压驱动系统,锁紧阀,伺服阀,压力传感器,7分系统设计液压驱动系统,锁紧回路,作动器,阀A,阀B,换向阀,伺服阀,液压源,任意位置锁定的实现,7分系统设计液压驱动系统,上腔通高压油,预设小开口,供油,回油,伺服阀,伺服阀的应急退出功能,伺服阀,使能端,驱动端,伺服阀应急时断开使能后,这是MOOG公司专门为我们设计的,7分系统设计液压源设计要求,液压源流量：2290L/min液压源压力：21MPa,供油方式：恒压变量泵与蓄能器组联合供油,7分系统设计液压源,流量：2400L/min压力：21MPa,由4套标准子液压源组成,总功率：1140kW,控制系统硬件,监控单元实时控制单元PLC油源控制器全数字原型系统伺服控制柜信号转接柜油源控制柜油源启动柜,7分系统设计,控制系统软件,7分系统设计,任务管理（上位机）,油源控制试验控制运动参数设置运行状态显示报警显示数据存储,7分系统设计,伺服控制,逻辑控制闭环控制故障诊断与处理数据采集,7分系统设计,7分系统设计油源控制,自动控制手动控制逻辑保护状态显示PLC控制,全数字原型系统,在线动画试验过程回放实时姿态显示试验预演可实现独立测量,7分系统设计,8关键元器件选型液压缸德国HANCHEN，低摩擦伺服阀德国MOOG，D792S63，具有应急保护功能主泵德国REXROTH，A11VLO260DR，A11VLO190DR,MOOGD792系列三级伺服阀频宽高达100Hz,8关键元器件选型实时控制单元美国NI，高性能、高可靠性，PXI总线位移传感器美国MTS，CAN总线，数字式，分辨率5m,PXI总线,磁滞伸缩式位移传感器,开发软件美国国家仪器（NI）公司的LabVIEWRT与NIPXI系列硬件无缝集成,NI硬件,NI软件,都采用NI产品，无缝集成,8关键元器件选型,机械系统安全性设计无奇异位形、无干涉,9系统的安全保护,液压系统保护：伺服阀：具有应急退出功能,9系统的安全保护,安全速度回落,控制系统软件保护：对用户的输入进行自动检查,滤掉不合理的输入，同时给出信息提示,9系统的安全保护,控制系统软件保护：故障分类与保护,报警待机退出紧急退出,超限故障接触故障逻辑故障其他故障,9系统的安全保护,控制系统硬件保护：硬件看门狗,9系统的安全保护,控制系统硬件保护：开机自检,9系统的安全保护,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,总体结构优化,无奇异位形设计无干涉设计刚度高功率小、运行成本低,关键技术问题,完善的分析和设计工具,三维实体,Adams动力学仿真,有限元分析,全数字原型,优化设计,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,兵工207所六自由度运动模拟器兵工447厂机载武器站综合模拟台（六自由度）天津民航学院六自由度摇摆台上海805所空间对接半物理仿真系统的六自由度运动模拟器兵工203所六自由度摇摆台总装31基地三自由度摇摆台6409三自由度摇摆台2765三自由度摇摆台,已经成功应用于多个项目中,安全保护,关键技术问题,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,硬件看门狗,无奇异位形、无干涉,硬件保护,伺服阀应急退出功能,软件保护,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,兵工207所六自由度运动模拟器兵工447厂机载武器站综合模拟台（六自由度）上海805所空间对接半物理仿真系统的六自由度运动模拟器兵工203所六自由度摇摆台总装31基地三自由度摇摆台6409三自由度摇摆台2765三自由度摇摆台,已经成功应用于多个项目中,静态定位精度,关键技术问题,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,L2,Ra,Rb,设计参数,实际参数,加工与安装误差,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,标定与误差补偿,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,上海805所空间对接半物理仿真系统的六自由度运动模拟器兵工203所六自由度摇摆台211工程学科建设六自由度摇摆台,已经成功应用于多个项目中,各自由度相位滞后2,关键技术问题,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,幅相控制技术,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,核九院研制的三向六自由度液压振动试验台绍兴理工同步加载试验台上海805所空间对接半物理仿真系统的六自由度运动模拟器,已经成功应用于多个项目中,运动谱复现,关键技术问题,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,负载,台体上某点实现随机波/谱的复现,负载上某点实现随机波的复现,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,10关键技术问题、解决途径、技术成熟度,核九院研制的三向六自由度液压振动试验台兵工207所六自由度运动模拟器上海805所空间对接半物理仿真系统的六自由度运动模拟器,已经成功应用于多个项目中,基于工具的设计思想,先进的基于工具的设计过程产品的设计或开发过程实际上就是设计信息被加工传递的过程，正确快速地加工信息，并使其完整顺畅地流向下个设计阶段，是产品设计成功的关键基于工具的设计就是在开发过程的各个阶段，都采用先进的自动化软件工具，组成一个接口一致的软件工具链，从而形成设计流水线，达到快速、高质量地完成产品开发的目的。要点：工具链、接口一致性基于工具的设计原则，不仅适用于控制系统软件开发过程，而且适用于机电一体化系统的整个开发过程，其中包括总体、机械、液压系统开发过程。,快速控制原型技术,快速控制原型技术就是指快速高效地开发控制系统的过程、方法和工具。它包括：,从建模、系统分析到控制策略设计，贯穿整个开发过程的控制工程方法和理论基于商用现货(CommercialOff-The-Shelf)思想的通讯和物理设备接口模块，使得控制工程师可以更灵活更快速构造控制系统的硬件方案。自动代码生成功能，使控制工程师不再需要程序员就能把以自己熟悉的方块图表示的控制策略生成可以执行的代码，建立实时应用，控制策略得以快速实施,控制系统统一开发框架,以通用仿真软件Matlab（Simulink/RTW/Stateflow/dsp/simMechanics)作为统一开发框架的基础与核心以图形化编程语言LabVIEW作为用户图形接口的开发平台以快速控制原型工具xPCTarget/SIT作为控制系统实时应用的快速开发平台利用xPC-API/SITInterfaces应用程序接口对用户图形接口软件与实时应用软件进行集成其他工具的配置应符合工具链接口一致的原则,采用分级、分布式控制策略,为了提高系统的可靠性和可维护性，根据控制系统各个子系统的实时性要求的强弱，控制系统的结构采用了多级分布控制模式，如右图所示。系统共分为三个级别：用户级、控制级、现场级。每个子系统都有独立的软件运行在单独的计算机上，它们之间通过通讯网络实现信息的交换。任务管理子系统软件运行在任务管理计算机上，是实时性要求最弱，属于控制系统的最上级监控和管理级。运动控制子系统软件运行在运动控制计算机上，实时性最强，属于控制系统的控制级。液压系统管理子系统软件运行在液压系统PLC上。,利用I/O接口对分系统进行集成,集成方法：分系统之间进行信息和数据传递的方式有物理I/O接口，如数字量或模拟量输入输出；通讯接口，如以太网、现场总线等；应用程序接口API。,控制系统集成：六自由度运动平台系统与运动控制系统的集成采用数字量和模拟量输入输出运动控制系统与任务管理系统的集成采用以太网、TCP/IP通讯协议和xPCAPI油源管理系统与任务管理系统的集成采用RS485和PLC专用数据传输协议,控制系统软件设计,技术要求（一）,应具有伺服控制功能，能够完成技术规格书要求的单自由度静态、单自由度动态运动和各种组合运动控制系统应能实时显示、记录通过测量以及根据测量结果实时计算台体的运动参数，并能够输出至被测试系统应既能够利用自身的信号发生器产生的波形控制台体作相应的运动，也可以利用外部输入的时程曲线或功率谱曲线控制台体作相应的运动应具有故障诊断、系统保护和紧急停机的功能，并能与被测系统进行连锁控制系统应能对液压源进行状态检测、状态显示、逻辑控制和安全保护。,技术要求（二）,与被试系统之间通过TTL时钟实现时钟同步能够利用记录数据以三维动画重现试验过程控制系统需要具有幅相控制功能，保证试验台跟踪正弦信号的精度达到技术规格书的要求控制系统需要具有随机波复现能力，保证随机波复现精度达到技术规格书的要求,需求分析,时钟同步随机波复现幅相控制在线三维动画（全数字原型系统）其他功能为六自由度运动平台的基本功能配置,软件结构,模块划分系统互联数据流向,采用多级分布式控制策略提高系统可靠性采用经过严格测试的商用的专用实时操作系统美国Ardence公司的ETS实时操作系统采用快速控制原型技术进行控制系统控制策略的原型设计,软件开发环境,软件开发工具的运行环境：WindowsXP开发监控软件、全数字原型系统：Labview7.0（包括LabviewRT、SIT2.0）开发逻辑控制软件和运动控制软件：MATLAB13.0、SIMULINK4.0、SIT2.0VisualStudio6.0实时应用的编译环境。三维动画建模开发环境：Vrmlpad2.0，三维动画实时驱动引擎ParallelGraphicsCortaonaClient,伺服控制,数据采集信号发生器逻辑控制安全保护运动学分析伺服控制数据传输的模块,监控管理,用户权限