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实验指导书(六自由度)


实验一:6SPT-1 六自由度液压伺服平台综合实验
一、实验目的:
1、 2、 3、 4、 掌握电液位置伺服控制系统的基本原理; 掌握六自由度平台的结构解算的概念及其软件实现; 掌握 VB6.0 软件与下位机 PAC 通过以太网通信的方法; 掌握 6SPT-1 六自由度液压伺服平台复现指令信号的实施方法。

二、预备知识:
1、

熟练掌握 PLC 的梯形图语言(LD)编程和结构化文本语言(ST)编程; 2、 熟练掌握 VB6.0 编程,能使用 VB6.0 实现以太网通信; 3、 有一定的矩阵计算能力。

三、试验原理:
1、 电液位置伺服控制系统的基本原理 电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质, 利用电信号进行控 制输入和反馈。只要输入某一规律的输入信号,执行元件就能启动、快速并准确 地复现输入量的变化规律。控制系统结构图如图 3.1 所示:

图 3.1 电液位置伺服控制系统结构图

2、 六自由度平台逆解算法

图 3.2 空间机构位置关系示意图

六自由度平台又称为 Stewart 平台, 其结构如图 3.2 所示, Stewart 平台由上、

下两个平台、 六个驱动关节和连接球铰组成, 上平台为运动平台, 下平台为基座, 上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形,连接 6 个液压缸作为驱动关节,每 个液压缸两端各连接一个球铰。 六个驱动关节的伸缩运动是独立的,由液压比例 压力阀控制各液压缸作伸缩运动,从而改变各个驱动缸的长度,使动平台在空间 的位置和姿态发生变化。 因此该平台是通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线 性移动及三个转动共六个自由度的运动。 Stewart 平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆 长度的关系,是研究该并联机构最基本的任务,也是机构速度、加速度、误差分 析、工作空间分析、动力分析等的基础。 对于 6-SPS 平台机构,其特点是动静平台铰点共面,考虑到工作空间的对称 性要求,将平台的 6 个铰点分成 3 组,三组铰点沿圆周 120°均布,动、静平台 的相邻两边到中心的夹角分别为 30°和 90°。 为求解六自由度平台的空间位置关系,首先在静、动平台上分别建立静、动 坐标系。如图 3.3 所示,静坐标系 XYZ 原点 O 位于静平台的中心,X-Y 平面与下 平台上各液压缸铰接点分布圆共面,动坐标系 X′Y′Z′的原点 O′位于平台上 平台中心,当上平面位于中位时,动﹑静坐标系的 Z′和 Z 轴重合,且静坐标系 Z 轴穿过 O′。 以第 i 只液压缸为例描述该机构的空间位置关系。 设 Pi 为从动坐标系原点 O ' 至 平 台 铰 接 点 Pi 的 矢 量 在 静 坐 标 系 的 表 示 ,
T Pmi ? (P mix , P miy , P miz ) T Pi ? (P ix , P iy , P iz )



为 O ' 点至 Pi 的矢量在动坐标系的表示。 Bi 为从 O 点到 Bi

B ? (Bix , Biy , Biz )T 点的矢量在静坐标系的表示, i 。
R 为在静坐标系中从点 O 到点 O ' 的矢量,
T R ? (x, y , z ) 。 ri 为在静坐标系中从 O 点到 Pi

Z

O'

? Pi

Pi

点的矢量,

ri ? (rix , riy , riz )

T

? R

? ri

,也是 Pi 点在静坐标
O X
? Bi

? li

Y
Bi

系中的坐标。 li 为静坐标系中从 Bi 至 Pi 的矢量,

li ? (lix , liy , liz )T

,各矢量间的关系如图 3 所示。

以静坐标系为参考坐标系,得到六自由度平台 中各位置相互关系的矢量关系式:

图 3.3 空间矢量关系示意图

?ri ? Pi ? R ? ?ri ? Bi ? li
li ? ri ? Bi ? Pi ? R ? Bi
位置逆解是由动平台的位姿

(1.1)

化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式:
(1.2)

( x, y, z, ?x , ? y , ?z )

相对于其在中位时的中心位

置 ( x, y, z ) 及角姿态

??x , ?y , ?z )

求解各液压缸的伸缩量,位置逆解的精确算法目

前已经很成熟,能够用于实际系统的实时计算。 位置逆解的求解, 关键是要求出动平台上各关节铰接点在静坐标系中的坐标。 可利用动平台的位姿
( x, y, z, ?x , ? y , ?z )

及各铰接点在动平台上的位置,进行坐

标变换,求得各铰接点在静坐标系中的坐标。 在动坐标系中的任一向量 Pi 可以通过坐标变换方法变换为固定坐标系中的

ri : ri ? TPi ? R
其中:变换矩阵 T :
?C ? z C ? y ? T ? TX TY TZ ? ? S ? z C ? y ? ?S ? y ? C? z S ? y S ? x ? S ? zC? x S ? z S ? x S ? y ? C? zC? x C? y S ? x 0 C? zC? x S ? y ? S ? z S ? x ? ? S ? zC? x S ? y ? C? z S ? x ? ? C? yC? x ?
(1.3)

0 ?1 TX ? ? ?0 C ? x ? ?0 S ? x

? C? y ? ? TY ? ? 0 ?S ? x ? ? ??S ? y C? x ? ?, ?

0

S? y ? ?C ? z ? 1 0 ? TZ ? ? S ? z ? 0 C? y ? ? ? 0 ?,

?S ? z C? z 0

0? 0? ? 1? ?

式中: C? x ? cos(? x ), S ? x ? sin(? x ) 。 当给定平台的结构尺寸后,利用几何关系,可以很容易写出动、静平台各铰 接点( Pi , Bi ,i=1,2,…,6)在各自坐标系中的坐标值,再由式(1.3)求出动平台各 铰点在静坐标系中的坐标值。这时 6 个驱动器杆长矢量 li (i=1,2,…,6)可在固定 坐标系中表示为:

li ? ri ? Bi ? TPi ? R ? Bi

i=1,2,…,6

(1.4)

从而得到并联机构的位置反解计算公式:
2 2 2 li =| li |= lix +liy +liz

(1.5)

液压缸 i 的伸缩量 Si 为:

Si ?| li | ? | li |neut
其中| l i |neut 为驱动杆 i 的中位长度,i=1,…,6。

(1.6)

上式是 6 个独立的显式方程, 当已知该并联机构的基本尺寸和动平台的位置 和姿势后,就可以求出 6 个驱动杆的杆长。 这就是六自由度平台的逆解。

四、试验内容
1. 根据六自由度平台系统原理图和相关电气元器件接线说明设计电控系统, 设计好的 电气原理图详见附件“六自由度电气原理图.dwg” ; 2. 了解影片动作文件的编辑,熟练操作六自由度影片播放软件; 3. 熟练操作六自由度平台调试软件;

五、六自由度调试软件界面介绍
1. “六自由度调试界面”界面介绍 打开软件,弹出“六自由度操作界面” ,界面上左边一列为六个自由度的姿态、线速度 和角速度的设置值,界面如图 1:

图1 设置值显示:显示的是当前平台设置值是多少 设置值:填写需要设置的值是多少

设置“设置值” :分别点击这 8 个按钮可以将界面上对应的一个参数设置到 PLC 中。 参数全写入:点击将 8 个参数一同设置到 PLC 中 界面正上方显示的是液压站电机和溢流阀的工作状态, 绿色表示电机打开和溢流阀加压 工作,如图 2 显示

图2 位移传感器报警如图 3 显示,红色表示报警,共 12 个报警显示的是六根油缸的上下限 位极限报警

图3 计算值显示位于油温油压显示的下方,如图 4 所示,显示的是经过平台逆解,六根油缸 的伸缩值,也是六根油缸的位移设置值,

图4 位移显示位于软件界面的右下方,如图 5 所示,显示的是六根油缸当前的位移值

图5 控制按钮位于软件下方,如图 6 显示,电机可以控制液压站电机启动、停止,还可以控 制平台上升到中位和下降到最低位。

图6

点击软件下方的“地震模拟”按钮就会关闭“六自由度操作界面” ,同时打开“模拟画 面”界面。 电机软件下方的“退出画面”按钮就可以退出本软件。 2. “模拟画面”界面介绍 点击 “六自由度操作界面” 界面下方的 “地震模拟” 按钮就会关闭 “六自由度操作界面” , 同时打开“模拟画面”界面。 在“模拟画面”界面上有平台六个自由度的初幅值、幅值和频率的设置界面,如图 7 所示

图7 平台以中位为平台六个姿态“上下平移” 、 “前后平移” 、 “左右平移” 、 “侧翻运动” 、 “俯 仰运动”和“扭转运动”的零位,即平台上升到中位时这六个姿态值为应该设置为零。 平台的初幅值就是以中位为基准设定的。 初幅值:平台以初幅值为中间位置往返运动 幅值:平台往返运动的幅度 注:初幅值和幅值的设置范围可以参考文档“六自由度地址表.xlsx”中的相关姿态的设 置范围。 频率:平台往返运动的频率 注:这三个值的设置范围可以参考文档“六自由度地址表.xlsx”中的相关姿态的设置范 围。 举例:设置“上下平移”的初幅值为 10,幅值为 100,频率为 0.5,其他值均设置为 0, 震动模式选择选中“上下震动” ,其他不选,点击“开启”按钮,则平台将会在 110 至 -90 之间(中间值是 10,幅值是 100)做频率为 0.5 的往返运动。 震动模式选择如图 8 所示

图8 选中相应的模式, 则平台以图 7 中对应的设置值开始运动, 可以同时选中多个模式使平 台两个或两个以上自由度复合运动,但幅值不宜过大,避免超出平台的运动范围。

界面下方有 4 个操作按钮,如图 9 所示

图9 开启: 点击开启按钮则平台从中位开始按照图 7 的设置值和图 8 选中的模式开始往返运 动 关闭:平台从当前位置回到最低位 调试画面:关闭当前界面,打开“六自由度操作界面” 。 退出画面:退出本软件

六、试验步骤
1. 六自由度平台影片播放 a) 检查电源是否已经安全接入电控操作台,检查液压油箱中液压油是否足 够,检查液压系统是否有漏油、渗油情况,确认后进入下一步; b) 打开软件“平台动作软件.exe” ,界面下图所示;

c) d) e) f) g) h)

点击界面上“开泵”按钮,启动液压站电机,等待约 5 秒后系统加压; 然后点击“平台数据路径选择”按钮选择平台所要播放的动作文件; 点击“影片选择”按钮选择平台所要播放的影音文件; 按下键盘上的“Q”键,影片开始播放,平台开始跟随影片动作; 影片播放结束时,平台会自动慢慢回到最低位; 影片播放过程中,按下键盘上的“0”键,影片停止播放,平台停止动作 并慢慢回到最低位;

i) 结束影片播放后, 按下界面上的 “关泵” 按钮, 关闭液压站电机并泄压。 2. 六自由度平台调试软件操作 a) 检查电源是否已经安全接入电控操作台,检查液压油箱中液压油是否足 够,检查液压系统是否有漏油、渗油情况,确认后进入下一步; b) 打开软件“六自由度.exe” ,界面如下图所示;

c) 根据第五步中对该软件界面的介绍,设置相应的参数,平台就会依照设 置值动作; d) 试验结束后, 退回到 “六自由度操作界面” , 一次点击 “平台归位” 按钮, 待平台运动到最低位后,点击“泵停”按钮,关闭点击并泄压,结束试 验。


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