多通道机电液控制系统综合实验.doc

六自由度液压伺服平台综合实验六自由度液压伺服平台综合实验一、一、 实验目的实验目的1 、掌握电液位置伺服控制系统的工作原理及工作过程；2 、了解六自由度液压伺服平台动作原理及动作过程；3、 掌握六自由度液压伺服平台的结构解算方法及其软件实现过程二、二、 实验设备实验设备1 、相应六自由度平台一套；2 、装有相应软件的工控机一台三、三、 试验原理：试验原理：六自由度运动平台，因其具有极为广阔的应用前景，近几年，引起了众多国 内与国外科研院校广泛的研究兴趣其主要结构是由六根运动缸，上、下各六 只万向铰和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只运动缸的伸缩运动来完成上平台在空间六个自由度的运动，从而模拟出各种空间运动姿态由于六自由度运动平台的研制，涉及到机械、电气、控制、 计算机、传感器、空间运动数学模型、信号传输处理、图形显示、动态仿真等 等一系列高科技领域，六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在 控制领域水平的标志性象征六自由度运动平台是一个机电液一体化的综合产 品，在理论课的指导下，本实验课主要涉及以下三个基本原理： 1 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1所示：图1 电液位置伺服控制系统结构图2 2 六自由度运动平台工作原理及逆解算法六自由度运动平台工作原理及逆解算法 六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图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 例方向阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使运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图 2 六自由度机构位置关系示意图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自由度平台机构，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 过图3 空间矢量关系示意图以第i只液压缸为例描述该机构的空间位置关系设为从动坐标系原点至平台铰接点Pi的矢量在静坐标系的表示，为点至Pi的矢量在动坐标系的表示为从O点到Bi点的矢量在静坐标系的表示，为在静坐标系中从点O到点的矢量，为在静坐标系中从O点到Pi点的矢量，，也是Pi点在静坐标系中的坐标为静坐标系中从至的矢量，，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：化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式：位置逆解是由动作平台的位姿相对于其在中位时的中心位置及角姿态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可以通过坐标变换方法变换为固定坐标系中的，变换公式如下：其中：变换矩阵为：，，式中：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（，，i=1,2,…,6）在各自坐标系中的坐标值，再由上面相应公式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（i＝1,2,…,6）可在固定坐标系中表示为：（i＝1,2,…,6）从而得到并联机构的位置反解计算公式：液压缸i的伸缩量Si为：其中||neut为驱动杆i的中位长度，i=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 通过上面一系列的运算，就可以求出六个液压缸的杆长，这也就是六自由度 平台的逆解 3 3 六自由度运动平台轨迹规划过程六自由度运动平台轨迹规划过程 所谓平台的轨迹规划，就是根据平台的运动姿态的要求，计算出平台预期的 运动轨迹，轨迹规划主要包括以下三个方面的内容： (1)根据平台的运动要求，对其运动路径和轨迹进行描述；(2)根据所确定的轨迹参数，在计算机内部描述所要求的轨迹，这主要是选择 习惯规定以及合理的软件数据结构问题；(3)对内部描述的轨迹进行实时计算，生成转台运动的位置，速度和加速度实 时值。

在平台的控制中，运用平台位置反解得出平台某分支的杆的长度，又由物理学运动公式，可知其速度和加速度，所以知道平台的空atvvtvlliiiii11,间起点和终点坐标后，就可以对平台作运动轨迹规划但平台每个通道的特性 不同，会导致平台运动不平滑，震动较大，所以我们可以采用控制，离线 计算的方法解决这个问题按精度要求把规划出的轨迹分成很小的区段，然后 计算出对应轨迹点的杆长和速度值，并将这些结果作为一个信息表储存起来 转台运动时，通过查表求出所需要的位置和速度信息，以满足转台实时控制的 要求具体方法如下: 平台的运动过程是一个包括各种基本运动形式的复合运动所以，从起点开始下一点的取值可以是，相应的转角为ZZYYXX,,,如果沿某一轴向的移动或转角为零，则相应的增zzyyxx,,量为零的确定就非常的关键了，下面就是zyxZYX,,,,,的确定过程：zyxZYX,,,,,当知道了平台的上平面中心点的起点坐标，以及相对于平台下平000,,ZYX面的转角，终点坐标以及相对于平台下平面的转角000,,zyx///,,ZYX之后，上平台原点沿X,Y,Z三个方向移动的距离和转动的转角就可以///,,zyx通过下面的公式求得:; ; 0/ 1XXK0/ 2YYK0/ 3ZZK；；0/ 4xxK0/ 5yyK0/ 6zzK取，若,即平台运动存在平动，则取321/,,maxKKKK 0/K; ;/0/KXXX/0/KYYY/0/KZZZ; ；/0/Kyy y/0/Kzz z若；取，若, 则说明平台只有转动没0/K654//,,maxKKKK0//K有平动。

0ZYX；；//0/Kxx x//0/Kyy y//0/Kzz z这样每给定以及相应的转角，ZZYYXX,,zzyyxx,,就可求出相应的三个支撑液压缸活塞杆的伸长值，知道了支撑液压缸活塞杆的 伸长值以及运行时间，就可求得控制活塞杆的速度通过这种方法，在运动控 制前计算出对应各轨迹点控制各支撑伸缩杆的伸缩值和各杆伸缩时的速度值， 把计算出来的值保存起来，当控制平台运动时，通过查表得到所需要的位姿和 速度信息这样即可满足六自由度平台实时控制的要求四、四、 试验内容试验内容1、了解六自由度液压伺服平台液压系统及控制系统工作原理及工作过程； 2、了解六缸协调动作过程； 3、熟练操作六自由度平台调试软件，包括六自由度调试界面及地震模拟操作界 面五、五、六自由度调试软件界面介绍六自由度调试软件界面介绍1 1 六自由度调试界面介绍及操作过程六自由度调试界面介绍及操作过程 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4所示：图4 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5显示图5 位移传感器报警如图6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:6 计算值显示位于油温油压显示的下方，如图7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7位移显示位于软件界面的右下方，如图8所示，显示的是六根油缸当前的位移 值图8控制按钮位于软件下方，如图9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9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 2 地震模拟画面界面介绍及操作过程地震模拟画面界面介绍及操作过程 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“六自由度调试 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10所示：图10 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 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该运动平台的总体指标，该运动平台总体 指标如下： 1) 平台承重 1T； 2) 上平台面积 2000×1600mm²； 3) 平台起始高度：800mm； 4) 平台绕 X、Y、Z 旋转：±15°； 5) 平台沿 X、Y 轴向平移量：±200mm（最大）； 6) 平台沿 Z 轴向（垂直方向）平移量：±180mm（最大）； 7) 平台最大摇摆频率：2Hz 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 11 所示：图11 选中相应的模式，则平台以图10中对应的设置值开始运动，可以同时选中多个模式使平台在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12 所示：图12 开启：点击开启按钮则平台从中位开始按照图10的设置值和图11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、六、 自由度平台调试软件操作过程自由度平台调试软件操作过程 六自由度平台调试软件操作步骤如下： 1、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； 2、 打开软件“六自由度.exe”，界面如图13所示；图13 3、 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； 4、 试验结束后，退回到“六自由度操作界面”，依次点击“平台归位”按钮，待平 台运动到最低位后，点击“泵停”按钮，关闭电机并泄压，结束试验 七、七、 实验注意事项实。