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實驗一：6SPT-1六自由度液壓伺服平臺綜合實驗 一、實驗?zāi)康模? 1、 掌握電液位置伺服控制系統(tǒng)的基本原理； 2、 掌握六自由度平臺的結(jié)構(gòu)解算的概念及其軟件實現(xiàn)； 3、 掌握VB6.0軟件與下位機(jī)PAC通過以太網(wǎng)通信的方法； 4、 掌握6SPT-1六自由度液壓伺服平臺復(fù)現(xiàn)指令信號的實施方法。 二、預(yù)備知識： 1、 熟練掌握PLC的梯形圖語言（LD）編程和結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）編程； 2、 熟練掌握VB6.0編程，能使用VB6.0實現(xiàn)以太網(wǎng)通信； 3、 有一定的矩陣計算能力。 三、試驗原理： 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)以液體作為動力傳輸和控制介質(zhì)，利用電信號進(jìn)行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就能啟動、快速并準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律?？刂葡到y(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 六自由度平臺又稱為Stewart平臺，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，Stewart平臺由上、下兩個平臺、六個驅(qū)動關(guān)節(jié)和連接球鉸組成，上平臺為運(yùn)動平臺，下平臺為基座，上、下平臺的六個鉸點(diǎn)分別組成一個六邊形，連接6個液壓缸作為驅(qū)動關(guān)節(jié)，每個液壓缸兩端各連接一個球鉸。六個驅(qū)動關(guān)節(jié)的伸縮運(yùn)動是獨(dú)立的，由液壓比例壓力閥控制各液壓缸作伸縮運(yùn)動，從而改變各個驅(qū)動缸的長度，使動平臺在空間的位置和姿態(tài)發(fā)生變化。因此該平臺是通過六個驅(qū)動桿的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)三個線性移動及三個轉(zhuǎn)動共六個自由度的運(yùn)動。 Stewart平臺機(jī)構(gòu)的空間位置關(guān)系是指運(yùn)動平臺的六個自由度與六個驅(qū)動桿長度的關(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、動力分析等的基礎(chǔ)。 對于6-SPS平臺機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是動靜平臺鉸點(diǎn)共面，考慮到工作空間的對稱性要求，將平臺的6個鉸點(diǎn)分成3組，三組鉸點(diǎn)沿圓周120均布，動、靜平臺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的空間位置關(guān)系，首先在靜、動平臺上分別建立靜、動坐標(biāo)系。如圖3.3所示，靜坐標(biāo)系XYZ原點(diǎn)O位于靜平臺的中心，X-Y平面與下平臺上各液壓缸鉸接點(diǎn)分布圓共面，動坐標(biāo)系X′Y′Z′的原點(diǎn)O′位于平臺上平臺中心，當(dāng)上平面位于中位時，動﹑靜坐標(biāo)系的Z′和Z軸重合，且靜坐標(biāo)系Z軸穿過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)為從動坐標(biāo)系原點(diǎn)至平臺鉸接點(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，得到六自由度平臺中各位置相互關(guān)系的矢量關(guān)系式： （1.1） 化簡得到平臺位姿與各驅(qū)動關(guān)節(jié)桿長矢量的關(guān)系式： （1.2） 位置逆解是由動平臺的位姿相對于其在中位時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，能夠用于實際系統(tǒng)的實時計算。 位置逆解的求解，關(guān)鍵是要求出動平臺上各關(guān)節(jié)鉸接點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)?？衫脛悠脚_的位姿及各鉸接點(diǎn)在動平臺上的位置，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)。 在動坐標(biāo)系中的任一向量可以通過坐標(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)給定平臺的結(jié)構(gòu)尺寸后，利用幾何關(guān)系，可以很容易寫出動、靜平臺各鉸接點(diǎn)（，，i=1,2,…,6）在各自坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，再由式(1.3)求出動平臺各鉸點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。這時6個驅(qū)動器桿長矢量（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)的位置反解計算公式： (1.5) 液壓缸i的伸縮量Si為： (1.6) 其中||neut為驅(qū)動桿i的中位長度，i=1,…,6。 上式是6個獨(dú)立的顯式方程，當(dāng)已知該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本尺寸和動平臺的位置和姿勢后，就可以求出6個驅(qū)動桿的桿長。 這就是六自由度平臺的逆解。 四、試驗內(nèi)容 1. 根據(jù)六自由度平臺系統(tǒng)原理圖和相關(guān)電氣元器件接線說明設(shè)計電控系統(tǒng)，設(shè)計好的電氣原理圖詳見附件“六自由度電氣原理圖.dwg”； 2. 了解影片動作文件的編輯，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 打開軟件，彈出“六自由度操作界面”，界面上左邊一列為六個自由度的姿態(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)前平臺設(shè)置值是多少 設(shè)置值：填寫需要設(shè)置的值是多少 設(shè)置“設(shè)置值”：分別點(diǎn)擊這8個按鈕可以將界面上對應(yīng)的一個參數(shù)設(shè)置到PLC中。 參數(shù)全寫入：點(diǎn)擊將8個參數(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)打開和溢流閥加壓工作，如圖2顯示 圖2 位移傳感器報警如圖3顯示，紅色表示報警，共12個報警顯示的是六根油缸的上下限位極限報警 圖3 計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)過平臺逆解，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、停止，還可以控制平臺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”按鈕就會關(guān)閉“六自由度操作界面”，同時打開“模擬畫面”界面。 電機(jī)軟件下方的“退出畫面”按鈕就可以退出本軟件。 2. “模擬畫面”界面介紹 點(diǎn)擊“六自由度操作界面”界面下方的“地震模擬”按鈕就會關(guān)閉“六自由度操作界面”，同時打開“模擬畫面”界面。 在“模擬畫面”界面上有平臺六個自由度的初幅值、幅值和頻率的設(shè)置界面，如圖7所示 圖7 平臺以中位為平臺六個姿態(tài)“上下平移”、“前后平移”、“左右平移”、“側(cè)翻運(yùn)動”、“俯仰運(yùn)動”和“扭轉(zhuǎn)運(yùn)動”的零位，即平臺上升到中位時這六個姿態(tài)值為應(yīng)該設(shè)置為零。平臺的初幅值就是以中位為基準(zhǔn)設(shè)定的。 初幅值：平臺以初幅值為中間位置往返運(yùn)動 幅值：平臺往返運(yùn)動的幅度 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：平臺往返運(yùn)動的頻率 注：這三個值的設(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，震動模式選擇選中“上下震動”，其他不選，點(diǎn)擊“開啟”按鈕，則平臺將會在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。 震動模式選擇如圖8所示 圖8 選中相應(yīng)的模式，則平臺以圖7中對應(yīng)的設(shè)置值開始運(yùn)動，可以同時選中多個模式使平臺兩個或兩個以上自由度復(fù)合運(yùn)動，但幅值不宜過大，避免超出平臺的運(yùn)動范圍。 界面下方有4個操作按鈕，如圖9 所示 圖9 開啟：點(diǎn)擊開啟按鈕則平臺從中位開始按照圖7的設(shè)置值和圖8選中的模式開始往返運(yùn)動 關(guān)閉：平臺從當(dāng)前位置回到最低位 調(diào)試畫面:關(guān)閉當(dāng)前界面，打開“六自由度操作界面”。 退出畫面：退出本軟件 六、試驗步驟 1. 六自由度平臺影片播放 a) 檢查電源是否已經(jīng)安全接入電控操作臺，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) 打開軟件“平臺動作軟件.exe”，界面下圖所示； c) 點(diǎn)擊界面上“開泵”按鈕，啟動液壓站電機(jī)，等待約5秒后系統(tǒng)加壓； d) 然后點(diǎn)擊“平臺數(shù)據(jù)路徑選擇”按鈕選擇平臺所要播放的動作文件； e) 點(diǎn)擊“影片選擇”按鈕選擇平臺所要播放的影音文件； f) 按下鍵盤上的“Q”鍵，影片開始播放，平臺開始跟隨影片動作； g) 影片播放結(jié)束時，平臺會自動慢慢回到最低位； h) 影片播放過程中，按下鍵盤上的“0”鍵，影片停止播放，平臺停止動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，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) 打開軟件“六自由度.exe”，界面如下圖所示； c) 根據(jù)第五步中對該軟件界面的介紹，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，平臺就會依照設(shè)置值動作； d) 試驗結(jié)束后，退回到“六自由度操作界面”，一次點(diǎn)擊“平臺歸位”按鈕，待平臺運(yùn)動到最低位后，點(diǎn)擊“泵?！卑粹o，關(guān)閉點(diǎn)擊并泄壓，結(jié)束試驗。