實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(六自由度).doc
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實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(六自由度).doc
實(shí)驗(yàn)一:6SPT-1六自由度液壓伺服平臺(tái)綜合實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?
1、 掌握電液位置伺服控制系統(tǒng)的基本原理;
2、 掌握六自由度平臺(tái)的結(jié)構(gòu)解算的概念及其軟件實(shí)現(xiàn);
3、 掌握VB6.0軟件與下位機(jī)PAC通過(guò)以太網(wǎng)通信的方法;
4、 掌握6SPT-1六自由度液壓伺服平臺(tái)復(fù)現(xiàn)指令信號(hào)的實(shí)施方法。
二、預(yù)備知識(shí):
1、 熟練掌握PLC的梯形圖語(yǔ)言(LD)編程和結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言(ST)編程;
2、 熟練掌握VB6.0編程,能使用VB6.0實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信;
3、 有一定的矩陣計(jì)算能力。
三、試驗(yàn)原理:
1、 電液位置伺服控制系統(tǒng)的基本原理
電液位置伺服控制系統(tǒng)以液體作為動(dòng)力傳輸和控制介質(zhì),利用電信號(hào)進(jìn)行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號(hào),執(zhí)行元件就能啟動(dòng)、快速并準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示:
圖3.1電液位置伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2、 六自由度平臺(tái)逆解算法
圖3.2 空間機(jī)構(gòu)位置關(guān)系示意圖
六自由度平臺(tái)又稱(chēng)為Stewart平臺(tái),其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示,Stewart平臺(tái)由上、下兩個(gè)平臺(tái)、六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和連接球鉸組成,上平臺(tái)為運(yùn)動(dòng)平臺(tái),下平臺(tái)為基座,上、下平臺(tái)的六個(gè)鉸點(diǎn)分別組成一個(gè)六邊形,連接6個(gè)液壓缸作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),每個(gè)液壓缸兩端各連接一個(gè)球鉸。六個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的伸縮運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的,由液壓比例壓力閥控制各液壓缸作伸縮運(yùn)動(dòng),從而改變各個(gè)驅(qū)動(dòng)缸的長(zhǎng)度,使動(dòng)平臺(tái)在空間的位置和姿態(tài)發(fā)生變化。因此該平臺(tái)是通過(guò)六個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)線性移動(dòng)及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)的空間位置關(guān)系是指運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的六個(gè)自由度與六個(gè)驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度的關(guān)系,是研究該并聯(lián)機(jī)構(gòu)最基本的任務(wù),也是機(jī)構(gòu)速度、加速度、誤差分析、工作空間分析、動(dòng)力分析等的基礎(chǔ)。
對(duì)于6-SPS平臺(tái)機(jī)構(gòu),其特點(diǎn)是動(dòng)靜平臺(tái)鉸點(diǎn)共面,考慮到工作空間的對(duì)稱(chēng)性要求,將平臺(tái)的6個(gè)鉸點(diǎn)分成3組,三組鉸點(diǎn)沿圓周120均布,動(dòng)、靜平臺(tái)的相鄰兩邊到中心的夾角分別為30和90。
為求解六自由度平臺(tái)的空間位置關(guān)系,首先在靜、動(dòng)平臺(tái)上分別建立靜、動(dòng)坐標(biāo)系。如圖3.3所示,靜坐標(biāo)系XYZ原點(diǎn)O位于靜平臺(tái)的中心,X-Y平面與下平臺(tái)上各液壓缸鉸接點(diǎn)分布圓共面,動(dòng)坐標(biāo)系X′Y′Z′的原點(diǎn)O′位于平臺(tái)上平臺(tái)中心,當(dāng)上平面位于中位時(shí),動(dòng)﹑靜坐標(biāo)系的Z′和Z軸重合,且靜坐標(biāo)系Z軸穿過(guò)O′。
圖3.3 空間矢量關(guān)系示意圖
以第i只液壓缸為例描述該機(jī)構(gòu)的空間位置關(guān)系。設(shè)為從動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)至平臺(tái)鉸接點(diǎn)Pi的矢量在靜坐標(biāo)系的表示,。為點(diǎn)至Pi的矢量在動(dòng)坐標(biāo)系的表示。為從O點(diǎn)到Bi點(diǎn)的矢量在靜坐標(biāo)系的表示,。為在靜坐標(biāo)系中從點(diǎn)O到點(diǎn)的矢量,。為在靜坐標(biāo)系中從O點(diǎn)到Pi點(diǎn)的矢量,,也是Pi點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。為靜坐標(biāo)系中從至的矢量,,各矢量間的關(guān)系如圖3所示。以靜坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系,得到六自由度平臺(tái)中各位置相互關(guān)系的矢量關(guān)系式:
(1.1)
化簡(jiǎn)得到平臺(tái)位姿與各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)矢量的關(guān)系式:
(1.2)
位置逆解是由動(dòng)平臺(tái)的位姿相對(duì)于其在中位時(shí)的中心位置及角姿態(tài)求解各液壓缸的伸縮量,位置逆解的精確算法目前已經(jīng)很成熟,能夠用于實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算。
位置逆解的求解,關(guān)鍵是要求出動(dòng)平臺(tái)上各關(guān)節(jié)鉸接點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。可利用動(dòng)平臺(tái)的位姿及各鉸接點(diǎn)在動(dòng)平臺(tái)上的位置,進(jìn)行坐標(biāo)變換,求得各鉸接點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
在動(dòng)坐標(biāo)系中的任一向量可以通過(guò)坐標(biāo)變換方法變換為固定坐標(biāo)系中的:
(1.3)
其中:變換矩陣:
,,
式中:。
當(dāng)給定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸后,利用幾何關(guān)系,可以很容易寫(xiě)出動(dòng)、靜平臺(tái)各鉸接點(diǎn)(,,i=1,2,…,6)在各自坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,再由式(1.3)求出動(dòng)平臺(tái)各鉸點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。這時(shí)6個(gè)驅(qū)動(dòng)器桿長(zhǎng)矢量(i=1,2,…,6)可在固定坐標(biāo)系中表示為:
i=1,2,…,6 (1.4)
從而得到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解計(jì)算公式:
(1.5)
液壓缸i的伸縮量Si為:
(1.6)
其中||neut為驅(qū)動(dòng)桿i的中位長(zhǎng)度,i=1,…,6。
上式是6個(gè)獨(dú)立的顯式方程,當(dāng)已知該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本尺寸和動(dòng)平臺(tái)的位置和姿勢(shì)后,就可以求出6個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的桿長(zhǎng)。
這就是六自由度平臺(tái)的逆解。
四、試驗(yàn)內(nèi)容
1. 根據(jù)六自由度平臺(tái)系統(tǒng)原理圖和相關(guān)電氣元器件接線說(shuō)明設(shè)計(jì)電控系統(tǒng),設(shè)計(jì)好的電氣原理圖詳見(jiàn)附件“六自由度電氣原理圖.dwg”;
2. 了解影片動(dòng)作文件的編輯,熟練操作六自由度影片播放軟件;
3. 熟練操作六自由度平臺(tái)調(diào)試軟件;
五、六自由度調(diào)試軟件界面介紹
1. “六自由度調(diào)試界面”界面介紹
打開(kāi)軟件,彈出“六自由度操作界面”,界面上左邊一列為六個(gè)自由度的姿態(tài)、線速度和角速度的設(shè)置值,界面如圖1:
圖1
設(shè)置值顯示:顯示的是當(dāng)前平臺(tái)設(shè)置值是多少
設(shè)置值:填寫(xiě)需要設(shè)置的值是多少
設(shè)置“設(shè)置值”:分別點(diǎn)擊這8個(gè)按鈕可以將界面上對(duì)應(yīng)的一個(gè)參數(shù)設(shè)置到PLC中。
參數(shù)全寫(xiě)入:點(diǎn)擊將8個(gè)參數(shù)一同設(shè)置到PLC中
界面正上方顯示的是液壓站電機(jī)和溢流閥的工作狀態(tài),綠色表示電機(jī)打開(kāi)和溢流閥加壓工作,如圖2顯示
圖2
位移傳感器報(bào)警如圖3顯示,紅色表示報(bào)警,共12個(gè)報(bào)警顯示的是六根油缸的上下限位極限報(bào)警
圖3
計(jì)算值顯示位于油溫油壓顯示的下方,如圖4所示,顯示的是經(jīng)過(guò)平臺(tái)逆解,六根油缸的伸縮值,也是六根油缸的位移設(shè)置值,
圖4
位移顯示位于軟件界面的右下方,如圖5所示,顯示的是六根油缸當(dāng)前的位移值
圖5
控制按鈕位于軟件下方,如圖6顯示,電機(jī)可以控制液壓站電機(jī)啟動(dòng)、停止,還可以控制平臺(tái)上升到中位和下降到最低位。
圖6
點(diǎn)擊軟件下方的“地震模擬”按鈕就會(huì)關(guān)閉“六自由度操作界面”,同時(shí)打開(kāi)“模擬畫(huà)面”界面。
電機(jī)軟件下方的“退出畫(huà)面”按鈕就可以退出本軟件。
2. “模擬畫(huà)面”界面介紹
點(diǎn)擊“六自由度操作界面”界面下方的“地震模擬”按鈕就會(huì)關(guān)閉“六自由度操作界面”,同時(shí)打開(kāi)“模擬畫(huà)面”界面。
在“模擬畫(huà)面”界面上有平臺(tái)六個(gè)自由度的初幅值、幅值和頻率的設(shè)置界面,如圖7所示
圖7
平臺(tái)以中位為平臺(tái)六個(gè)姿態(tài)“上下平移”、“前后平移”、“左右平移”、“側(cè)翻運(yùn)動(dòng)”、“俯仰運(yùn)動(dòng)”和“扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”的零位,即平臺(tái)上升到中位時(shí)這六個(gè)姿態(tài)值為應(yīng)該設(shè)置為零。平臺(tái)的初幅值就是以中位為基準(zhǔn)設(shè)定的。
初幅值:平臺(tái)以初幅值為中間位置往返運(yùn)動(dòng)
幅值:平臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)的幅度
注:初幅值和幅值的設(shè)置范圍可以參考文檔“六自由度地址表.xlsx”中的相關(guān)姿態(tài)的設(shè)置范圍。
頻率:平臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)的頻率
注:這三個(gè)值的設(shè)置范圍可以參考文檔“六自由度地址表.xlsx”中的相關(guān)姿態(tài)的設(shè)置范圍。
舉例:設(shè)置“上下平移”的初幅值為10,幅值為100,頻率為0.5,其他值均設(shè)置為0,震動(dòng)模式選擇選中“上下震動(dòng)”,其他不選,點(diǎn)擊“開(kāi)啟”按鈕,則平臺(tái)將會(huì)在110至-90之間(中間值是10,幅值是100)做頻率為0.5的往返運(yùn)動(dòng)。
震動(dòng)模式選擇如圖8所示
圖8
選中相應(yīng)的模式,則平臺(tái)以圖7中對(duì)應(yīng)的設(shè)置值開(kāi)始運(yùn)動(dòng),可以同時(shí)選中多個(gè)模式使平臺(tái)兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng),但幅值不宜過(guò)大,避免超出平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍。
界面下方有4個(gè)操作按鈕,如圖9 所示
圖9
開(kāi)啟:點(diǎn)擊開(kāi)啟按鈕則平臺(tái)從中位開(kāi)始按照?qǐng)D7的設(shè)置值和圖8選中的模式開(kāi)始往返運(yùn)動(dòng)
關(guān)閉:平臺(tái)從當(dāng)前位置回到最低位
調(diào)試畫(huà)面:關(guān)閉當(dāng)前界面,打開(kāi)“六自由度操作界面”。
退出畫(huà)面:退出本軟件
六、試驗(yàn)步驟
1. 六自由度平臺(tái)影片播放
a) 檢查電源是否已經(jīng)安全接入電控操作臺(tái),檢查液壓油箱中液壓油是否足夠,檢查液壓系統(tǒng)是否有漏油、滲油情況,確認(rèn)后進(jìn)入下一步;
b) 打開(kāi)軟件“平臺(tái)動(dòng)作軟件.exe”,界面下圖所示;
c) 點(diǎn)擊界面上“開(kāi)泵”按鈕,啟動(dòng)液壓站電機(jī),等待約5秒后系統(tǒng)加壓;
d) 然后點(diǎn)擊“平臺(tái)數(shù)據(jù)路徑選擇”按鈕選擇平臺(tái)所要播放的動(dòng)作文件;
e) 點(diǎn)擊“影片選擇”按鈕選擇平臺(tái)所要播放的影音文件;
f) 按下鍵盤(pán)上的“Q”鍵,影片開(kāi)始播放,平臺(tái)開(kāi)始跟隨影片動(dòng)作;
g) 影片播放結(jié)束時(shí),平臺(tái)會(huì)自動(dòng)慢慢回到最低位;
h) 影片播放過(guò)程中,按下鍵盤(pán)上的“0”鍵,影片停止播放,平臺(tái)停止動(dòng)作并慢慢回到最低位;
i) 結(jié)束影片播放后,按下界面上的“關(guān)泵”按鈕,關(guān)閉液壓站電機(jī)并泄壓。
2. 六自由度平臺(tái)調(diào)試軟件操作
a) 檢查電源是否已經(jīng)安全接入電控操作臺(tái),檢查液壓油箱中液壓油是否足夠,檢查液壓系統(tǒng)是否有漏油、滲油情況,確認(rèn)后進(jìn)入下一步;
b) 打開(kāi)軟件“六自由度.exe”,界面如下圖所示;
c) 根據(jù)第五步中對(duì)該軟件界面的介紹,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),平臺(tái)就會(huì)依照設(shè)置值動(dòng)作;
d) 試驗(yàn)結(jié)束后,退回到“六自由度操作界面”,一次點(diǎn)擊“平臺(tái)歸位”按鈕,待平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到最低位后,點(diǎn)擊“泵?!卑粹o,關(guān)閉點(diǎn)擊并泄壓,結(jié)束試驗(yàn)。