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大 型 數(shù) 字 式 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 開 發(fā) 楊 世 祥 ! ， 楊 濤 ! ， 徐 悅 桐 " #$% < :> 號 鵬 潤 ? 文 苑 @ 座 "ABC !BBBDE 電 話 ：（ B!B） CFFF!ACC） 中 圖 分 類 號 ： #9"GF 文 獻 標 識 碼 ： @ 文 章 編 號 ： !BBB4E>D>（ "BBF） B>4BBEC4B" ! 概 述 六 自 由 度 運 動 平 臺 ， 由 于 有 極 為 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景 ， 近 幾 年 ， 引 起 了 國 內(nèi) 外 科 研 、 院 校 廣 泛 的 研 究 興 趣 。 六 自 由 度 運 動 平 臺 是 由 C 只 液 壓 缸 ， 上 、 下 各 C 只 萬 向 鉸 鏈 和 上 、 下 " 個 平 臺 組 成 。 下 平 臺 固 定 在 基 礎(chǔ) 上 ， 借 助 C 只 液 壓 缸 的 伸 縮 運 動 ， 完 成 上 平 臺 在 空 間 C 個 自 由 度 （ !、 "、 # ! 、 " 、 # ） 的 運 動 ， 從 而 可 以 模 擬 出 各 種 空 間 運 動 姿 態(tài) ， 可 廣 泛 應(yīng) 用 到 各 種 訓 練 模 擬 器 ， 如 飛 行 模 擬 器 、 艦 艇 模 擬 器 、 海 軍 直 升 機 起 降 模 擬 平 臺 、 坦 克 模 擬 器 、 汽 車 駕 駛 模 擬 器 、 火 車 駕 駛 模 擬 器 、 地 震 模 擬 器 ， 以 及 動 感 電 影 、 娛 樂 設(shè) 備 等 領(lǐng) 域 ， 甚 至 可 用 到 空 間 宇 宙 飛 船 的 對 接 ， 空 中 加 油 機 的 加 油 對 接 中 。 在 加 工 業(yè) 可 制 成 六 軸 聯(lián) 動 機 床 、 靈 巧 機 器 人 等 。 由 于 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 研 制 涉 及 機 械 、 液 壓 、 電 氣 、 控 制 、 計 算 機 、 傳 感 器 ， 空 間 運 動 數(shù) 學 模 型 、 實 時 信 號 傳 輸 處 理 、 圖 形 顯 示 、 動 態(tài) 仿 真 等 一 系 列 高 科 技 領(lǐng) 域 ， 因 而 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 研 制 變 成 了 高 等 院 校 、 研 究 院 所 在 液 壓 和 控 制 領(lǐng) 域 中 水 平 的 標 志 性 象 征 。 國 外 某 大 型 液 壓 公 司 的 總 部 大 廳 里 ， 向 客 人 展 示 水 平 的 第 一 個 標 志 就 是 六 自 由 度 運 動 平 臺 ， 筆 者 認 為 ， 六 自 由 度 運 動 平 臺 是 液 壓 及 控 制 技 術(shù) 領(lǐng) 域 的 皇 冠 級 產(chǎn) 品 ， 掌 握 了 它 ， 在 液 壓 和 控 制 領(lǐng) 域 ， 基 本 上 就 沒 有 了 難 題 。 以 下 介 紹 它 的 開 發(fā) 過 程 。 " 傳 統(tǒng) 的 伺 服 液 壓 控 制 六 自 由 度 運 動 平 臺 到 目 前 為 止 ， 世 界 上 所 有 國 家 和 研 制 單 位 ， 大 型 平 臺 都 無 一 例 外 地 采 用 了 液 壓 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 。 國 內(nèi) 以 幾 所 名 牌 大 學 的 研 究 水 平 較 高 ， 其 控 制 原 理 基 本 相 同 ， 六 自 由 度 平 臺 單 缸 控 制 框 圖 如 圖 ! 所 示 。 從 圖 中 可 看 出 ， 主 控 計 算 機 是 完 成 空 間 狀 態(tài) 的 實 時 解 算 ， 然 后 將 解 算 結(jié) 果 送 到 C 個 單 缸 控 制 器 ， 經(jīng) 數(shù) H 模 轉(zhuǎn) 換 后 送 給 伺 服 放 大 器 、 伺 服 閥 、 伺 服 缸 推 動 平 臺 運 動 。 伺 服 缸 的 位 移 和 壓 力 通 過 " 只 傳 感 器 并 經(jīng) 模 H數(shù) 轉(zhuǎn) 換 后 送 給 計 算 機 ， 完 成 閉 環(huán) 控 制 。 該 伺 服 系 統(tǒng) 最 大 的 難 點 是 傳 遞 環(huán) 節(jié) 多 、 控 制 過 于 復(fù) 雜 、 調(diào) 試 困 難 、 可 靠 性 差 、 伺 服 閥 抗 干 擾 、 抗 污 染 能 力 弱 、 故 障 率 高 ， 因 而 國 內(nèi) 盡 管 許 多 單 位 進 行 了 研 制 ， 但 大 面 積 推 廣 的 卻 始 終 不 多 。 # 六 自 由 度 平 臺 控 制 的 空 間 狀 態(tài) 解 算 （ !） 順 解 （ 順 向 解 ） ： 即 己 知 C 只 液 壓 缸 的 長 度 ， 求 解 平 臺 姿 態(tài) ， 到 目 前 為 止 ， 還 沒 有 直 接 中 的 正 解 方 程 式 ， 只 能 采 用 疊 代 方 法 ， 利 用 計 算 機 快 速 運 算 的 特 點 和 收 稿 日 期 ： "BBF4BD4"E 作 者 簡 介 ： 楊 世 祥 （ !AF>— ） ， 男 ， 重 慶 人 ， 教 授 級 高 工 ， 主 要 從 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 事 數(shù) 字 液 壓 技 術(shù) 的 開 發(fā) 研 究 和 推 廣 應(yīng) 用 工 作 。 開 啟 壓 力 ； 二 是 降 低 系 統(tǒng) 的 壓 力 并 減 小 系 統(tǒng) 的 流 量 。 由 于 充 液 閥 的 預(yù) 卸 荷 閥 很 小 ， 改 造 的 余 地 不 大 ， 所 以 選 擇 第 二 種 方 案 。 為 了 降 低 系 統(tǒng) 的 壓 力 ， 在 充 液 閥 的 控 制 油 路 中 安 裝 了 一 個 節(jié) 流 閥 ， 通 過 調(diào) 整 節(jié) 流 閥 來 降 低 壓 力 ， 實 踐 證 明 ， 這 種 方 法 是 可 行 有 效 的 。 $ 結(jié) 論 在 對 壓 裝 機 液 壓 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 缺 陷 與 故 障 現(xiàn) 象 進 行 分 析 的 基 礎(chǔ) 上 ， 對 壓 裝 機 液 壓 系 統(tǒng) 進 行 了 工 業(yè) 自 動 化 改 造 ， 降 低 了 能 耗 并 縮 短 了 工 作 周 期 。 而 且 ， 還 針 對 調(diào) 試 中 出 現(xiàn) 的 問 題 和 故 障 ， 通 過 系 統(tǒng) 與 元 件 的 原 理 分 析 ， 找 出 了 發(fā) 生 故 障 的 原 因 ， 并 加 以 解 決 ， 實 踐 證 明 改 造 是 很 成 功 的 。 參 考 文 獻 ： ［ !］ 雷 天 覺 I新 編 液 壓 工 程 手 冊 ［ J］ I北 京 ： 北 京 理 工 大 學 出 版 社 ， !AA>I ［ "］ 張 齊 生 ， 王 智 勇 ， 等 I充 液 閥 水 平 安 裝 時 的 故 障 分 析 及 排 除 ［ K］ I液 壓 與 氣 動 ， "BB"（ G） I """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" CE 液 壓 與 氣 動 "BBF 年 第 > 期 萬方數(shù)據(jù) 圖 ! 平 臺 單 缸 控 制 方 框 圖 上 鉸 鏈 的 結(jié) 構(gòu) 條 件 約 束 來 逼 近 求 解 平 臺 姿 態(tài) 。 此 為 順 解 。 （ !） 反 解 （ 逆 向 解 ） ： 描 述 一 個 剛 體 在 空 間 旋 轉(zhuǎn) 的 姿 勢 ， 最 常 使 用 的 方 法 是 定 義 " 個 歐 拉 角 來 表 達 ， 當 剛 體 旋 轉(zhuǎn) 至 某 一 姿 勢 下 ， 此 " 個 歐 拉 角 即 組 成 唯 一 的 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣 ， 并 借 由 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣 做 坐 標 轉(zhuǎn) 換 ， 便 可 求 得 剛 體 的 絕 對 位 置 。 " 六 自 由 度 的 速 度 協(xié) 聯(lián) 控 制 當 給 定 空 間 狀 態(tài) 后 ， 可 以 分 別 算 出 # 只 缸 的 不 同 長 度 ， 為 了 讓 平 臺 上 的 液 壓 缸 在 同 一 時 間 運 動 到 新 的 位 置 ， # 只 缸 的 運 動 速 度 是 不 相 同 的 ， 這 個 問 題 的 解 決 有 兩 種 方 法 ： 一 是 采 用 標 準 的 協(xié) 聯(lián) 控 制 器 ， 該 控 制 器 需 將 液 壓 缸 的 運 動 長 度 數(shù) 值 送 入 ， 控 制 器 能 按 所 要 求 的 時 間 ， 自 動 分 配 # 只 缸 的 運 動 速 度 ， 同 時 到 達 終 點 ； 第 二 種 方 法 是 自 己 編 制 運 動 速 度 方 程 ， 采 用 長 度 的 最 小 公 倍 數(shù) 方 法 分 配 速 度 ， 也 可 達 到 同 樣 目 的 。 # 六 自 由 度 平 臺 的 全 數(shù) 字 控 制 為 了 攻 克 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 應(yīng) 用 難 關(guān) ， 北 京 億 美 博 科 技 有 限 公 司 采 用 了 自 行 開 發(fā) 的 性 能 先 進 、 操 作 可 靠 的 新 型 數(shù) 字 液 壓 缸 （ 已 納 入 “ 十 五 ” 攻 關(guān) 和 國 家 重 點 新 產(chǎn) 品 項 目 ） ， 作 為 # 只 控 制 缸 。 該 數(shù) 字 缸 取 消 了 傳 統(tǒng) 控 制 中 的 伺 服 閥 、 傳 感 器 、 $% )-:! 橫 向 移 動 6 :-7 / 6 :-’ / 6 :-"# /% 3 ; :-#! 縱 向 擺 動 6 :-# / 6 :-’ / 6 :-"# /% 3 ; :-#! % 數(shù) 字 液 壓 技 術(shù) 在 其 他 領(lǐng) 域 的 成 功 應(yīng) 用 數(shù) 字 液 壓 技 術(shù) 的 出 現(xiàn) 為 液 壓 技 術(shù) 增 添 了 新 的 活 力 ， 數(shù) 字 液 壓 缸 與 專 門 配 套 研 制 的 數(shù) 字 控 制 器 相 配 合 ， 幾 乎 取 消 了 傳 統(tǒng) 液 壓 控 制 中 的 所 有 液 壓 閥 件 和 控 制 元 件 ， 它 拋 棄 了 傳 統(tǒng) 的 閥 口 控 制 ， 而 是 直 接 采 用 數(shù) 字 脈 沖 控 制 ， 把 現(xiàn) 場 調(diào) 試 搬 到 了 辦 公 室 ， 幾 乎 做 到 了 即 裝 即 用 ， 已 經(jīng) 成 功 地 應(yīng) 用 到 冶 金 、 機 械 、 水 電 、 國 防 軍 工 等 一 系 列 疑 難 控 制 領(lǐng) 域 ， 其 可 控 性 能 遠 遠 超 過 傳 統(tǒng) 的 液 壓 控 制 技 術(shù) ， 成 功 應(yīng) 用 的 實 例 有 ： 冶 金 領(lǐng) 域 中 的 鋼 水 連 鑄 結(jié) 晶 器 液 面 控 制 、 結(jié) 晶 器 液 壓 非 正 弦 振 動 （ 均 列 入 過 國 家 攻 關(guān) 項 目 ） ， 帶 鋼 厚 度 控 制 （ 微 米 級 精 度 ） ； 水 電 領(lǐng) 域 中 的 水 輪 機 調(diào) 速 控 制 ； 機 械 領(lǐng) 域 的 大 型 無 齒 鋸 多 點 速 度 控 制 和 位 置 控 制 ； 軍 工 領(lǐng) 域 的 大 型 導(dǎo) 彈 裝 彈 機 構(gòu) 的 多 缸 同 步 控 制 （ 任 意 多 缸 同 步 誤 差 可 達 :’!::" 年 第 ( 期 液 壓 與 氣 動 萬方數(shù)據(jù) 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者： 楊世祥， 楊濤， 徐悅桐 作者單位： 北京億美博科技有限公司,北京菜戶營東街甲88號鵬潤-文苑B座2906,100054 刊名： 液壓與氣動 英文刊名： CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 年，卷(期)： 2003(8) 被引用次數(shù)： 5次 本文讀者也讀過(7條) 1. 姜文剛.尚婕.李建華.鄧志良.汪電明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由 度動感電影系統(tǒng)研制[期刊論文]-電氣自動化2006,28(1) 2. 汪漢生 六自由度平臺設(shè)計及控制方法研究[學位論文]2008 3. 李峰 自行車仿真器中力反饋技術(shù)的研究與實現(xiàn)[學位論文]2007 4. 許世林 動感環(huán)幕電影控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[學位論文]2004 5. 甘紅勝.殷躍紅.劉偉偉.印松 虛擬環(huán)境中六維動感平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計[期刊論文]-機電工程2003,20(4) 6. 高峰 六自由度運動平臺伺服系統(tǒng)研究[學位論文]2004 7. 張代義 艦船運動模擬器技術(shù)研究[學位論文]2005 引證文獻(5條) 1.肖志權(quán).邢繼峰.彭利坤.朱石堅 數(shù)字式6-DOF運動平臺運動不平穩(wěn)現(xiàn)象分析[期刊論文]-機床與液壓 2006(8) 2.袁鴻.盛英.蘇勛家.仇原鷹 電液伺服Stewart平臺激振系統(tǒng)仿真研究[期刊論文]-機床與液壓 2009(2) 3.林礪宗.潘大亨.傅招國.倪小鵬 基于ADAMS的六自由度液壓動感平臺建模及運動學仿真[期刊論文]-機床與液壓 2012(13) 4.楊啟志.莊佳奇.尹小琴.謝俊.朱小兵.訾鵬飛 一種三自由度全柔性并聯(lián)微動激振臺的設(shè)計[期刊論文]-機械設(shè)計與研究 2011(4) 5.郭宏偉 三自由度重型搖擺試驗臺的設(shè)計與研究[學位論文]碩士 2005 本文鏈接： EC 液壓與氣動 "BBF 年第 > 期 ! ! " ! ! " 度（ 、 、 、、 ）的運動，從而可以模擬出各種空間 時解算，然后將解算結(jié)果送到 個單缸控制器，經(jīng)數(shù) 運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制 壓力，實踐證明，這種方法是可行有效的。 參考文獻： 結(jié)論 ［ 在對壓裝機液壓系統(tǒng)的設(shè)計缺陷與故障現(xiàn)象進行 分析的基礎(chǔ)上，對壓裝機液壓系統(tǒng)進行了工業(yè)自動化 " I 萬方數(shù)據(jù) """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 大 型 數(shù)字 式 六 自 由 度 運 動 平 臺 的 開 發(fā) 楊世祥 ，楊 濤 ，徐悅桐 #$% &%’%()*+%,- ). -$% &/0/-1( 2/34 &56 2-%718- 9(1-.)8+ :1,0 2$/43/1,0 :1,0 #1) ;< :<%4-),0 （! = 北京億美博科技有限公司，北京菜戶營東街甲 >> 號鵬 潤 ? 文苑 @ 座 "ABC !BBBDE 電話：B!B）CFFF!ACC） 中圖分類號：#9"GF 文獻標識碼：@ 文章編號：!BBB4E>D> "BBF B>4BBEC4B"（ ） ! 概述 " 傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景， 到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平 近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六 臺都無一例外地采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾 自由度運動平臺是由 C 只液壓缸，上、下各 C 只萬向鉸 所名牌大學的研究水平較高，其控制原理基本相同，六 鏈和上、下 " 個平臺組成。下平臺固定在基礎(chǔ)上，借助 自由度平臺單缸控制框圖如圖 ! 所示。 C 只液壓缸的伸縮運動，完成上平臺在空間 C 個自由 從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實 !" # 運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓練模擬器，如飛行模擬 模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運 器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬 動。伺服缸的位移和壓力通過 " 只傳感器并經(jīng)模 H 數(shù) 器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器，以 轉(zhuǎn)換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該伺服系統(tǒng)最大 及動感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛 的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復(fù)雜、調(diào)試困難、可靠 船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制 性差、伺服閥抗干擾、抗污染能力弱、故障率高，因而國 成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動 內(nèi)盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終 平臺的研制涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感 不多。 器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、 # 六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算 動態(tài)仿真等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動平 （!）順解（順向解）：即己知 C 只液壓缸的長度，求 臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng) 解平臺姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的 正解方程 域中水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部 式，只能采用疊代方法，利用計算機快速運算的特點和 大廳里，向客人展示水平的第一個標志就是六自由度 "BBF4BD4"E 技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn) 品，掌握了它，在液壓和控 制領(lǐng) 作者簡介 ：楊世祥（!AF>—），男，重 慶人，教授級 高工，主要 從 域，基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程。 事數(shù)字液壓技術(shù)的開發(fā)研究和推廣應(yīng)用工作。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 開啟壓力；二是降低系統(tǒng)的 壓力并減小系統(tǒng) 的流量。 試中出現(xiàn)的問題和故障，通過系統(tǒng)與元件的原理分析， 由于充液閥的預(yù)卸荷閥很小，改造的余地不大，所以選 找出了發(fā)生故障的原因，并加以解決，實踐證明改造是 擇第二種方案。為了降低系統(tǒng)的壓力，在充液閥的控 很成功的。 制油路中安裝了一個節(jié)流閥，通過調(diào)整節(jié)流閥來降低 !AA>I 改造，降低了能耗并縮短了工作周期。而且，還針對調(diào) 除［K］I液壓與氣動，"BB" G（ ）I !::" 年第 ( 期 液壓與氣動 ’> """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 圖 平臺單缸控制方框圖 圖 $ 實際平臺 萬方數(shù)據(jù) ! 上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順 解。 （!）反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉(zhuǎn)的 姿勢，最常使用的方法是定義 " 個歐拉角來表達，當剛 體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢下，此 " 個歐拉角即組成唯一的旋 轉(zhuǎn)矩陣，并借由旋轉(zhuǎn)矩陣做坐標轉(zhuǎn)換，便可求得剛體的 絕對位置。 " 六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制 當給定空間狀態(tài)后，可以分別算出 # 只缸的不同 長度，為了讓平臺上的液壓缸在同一時間運動到新的 位置，# 只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決 有兩種方法：一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需 將液壓缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的 時間，自動分配 # 只缸的運動速度，同時到達終點；第 二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小 公倍數(shù)方法分配速度，也可達到同樣目的。 # 六自由度平臺的全數(shù)字控制 為了攻克六自由度運動平臺的應(yīng)用難關(guān)，北京億 美博科技有限公司采用了自行開發(fā)的性能先進、操作 可靠的新型數(shù)字液壓缸（已納入“十五”攻關(guān)和國家重 點新產(chǎn)品項目），作為 # 只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳 統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、$ % & 轉(zhuǎn)換和 & % $ 轉(zhuǎn)換等 諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到液壓缸內(nèi) 部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接 接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈 沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運 動行程，一一對應(yīng)，將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開 環(huán)控制。我們與某軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量 ’ 噸和 ( 噸的數(shù)字式六自由度運動平臺，它的控制框 圖和實際平臺圖照片見圖 )* 和圖 !。 比較圖 )+ 和圖 )* 可知，控制原理大大簡化，不但 系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得 ! ! 以提高。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件 和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)成十分簡單。平臺運動的錄像可在 ,,,- +./.0.1- 12/ % 345 網(wǎng)站觀看。它的性能指標如表 ) 所示。 表 ! 性能指標 自由度 位移（聯(lián)合運動） 位移（單自由度） 速度 加速度 6 "7 8.9 6 ": 8.9 6 !: 8.9% 3 6 "7: 8.9 % 3 6 ’: 8.9 6 "7 8.9 6 !’ 8.9% 3 6 )’: 8.9 % 3 升降 6 :- #: / 6 : - #: / 6 : - ’: / % 3 ; ) - :! 橫向移動 6 : - 7 / 6 : - ’ / 6 : - "# / % 3 ; : - #! 縱向擺動 6 : - # / 6 : - ’ / 6 : - "# / % 3 ; : - #! % 數(shù)字液壓技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用 數(shù)字液壓技術(shù)的出現(xiàn) 為液壓技術(shù)增 添了新的活 力，數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合， 幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元 件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，而是直接采用數(shù)字脈沖 控制，把現(xiàn)場調(diào)試搬到了辦 公室，幾乎做 到了即裝即 用，已經(jīng)成功地應(yīng)用到冶金、機械、水電、國防軍工等一 系列疑難控制領(lǐng)域，其可控性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓 控制技術(shù)，成功應(yīng)用的實例有：冶金領(lǐng)域中的鋼水連鑄 結(jié)晶器液面控制、結(jié)晶器液壓非正弦振動（均列入過國 家攻關(guān)項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）；水電領(lǐng)域 中的水輪機調(diào)速控制；機械領(lǐng)域的大型無齒鋸多點速 度控制和位置控制；軍工領(lǐng)域的大型導(dǎo)彈裝彈機構(gòu)的 多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達 :<)= ）、軍艦 舵機控制、減搖稽控制；模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺控 制等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。 & 結(jié)論 用數(shù)字技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的比例技術(shù)和伺服技術(shù)，用 在六自由度平臺和其他許多系統(tǒng)上，都取得了很好的 結(jié)果，數(shù)字技術(shù)具有簡單、可靠、方便、實用等一系列優(yōu) 點，特別適合惡劣的工作環(huán)境。 ! 刊名： 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者： 楊世祥， 楊濤， 徐悅桐 作者單位： 北京億美博科技有限公司,北京菜戶營東街甲88號鵬潤-文苑B座2906,100054 液壓與氣動 英文刊名： CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 年，卷(期)： 2003(8) 被引用次數(shù)： 5次 本文讀者也讀過(7條) 1. 姜文剛.尚婕.李建華.鄧志良.汪電明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由 度動感電影系統(tǒng)研制[期刊論文]-電氣自動化2006,28(1) 2. 汪漢生 六自由度平臺設(shè)計及控制方法研究[學位論文]2008 3. 李峰 自行車仿真器中力反饋技術(shù)的研究與實現(xiàn)[學位論文]2007 4. 許世林 動感環(huán)幕電影控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[學位論文]2004 5. 甘紅勝.殷躍紅.劉偉偉.印松 虛擬環(huán)境中六維動感平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計[期刊論文]-機電工程2003,20(4) 6. 高峰 六自由度運動平臺伺服系統(tǒng)研究[學位論文]2004 7. 張代義 艦船運動模擬器技術(shù)研究[學位論文]2005 引證文獻(5條) 1.肖志權(quán).邢繼峰.彭利坤.朱石堅 數(shù)字式6-DOF運動平臺運動不平穩(wěn)現(xiàn)象分析[期刊論文]-機床與液壓 2006(8) 2.袁鴻.盛英.蘇勛家.仇原鷹 電液伺服Stewart平臺激振系統(tǒng)仿真研究[期刊論文]-機床與液壓 2009(2) 3.林礪宗.潘大亨.傅招國.倪小鵬 基于ADAMS的六自由度液壓動感平臺建模及運動學仿真[期刊論文]-機床與液壓 2012(13) 4.楊啟志.莊佳奇.尹小琴.謝俊.朱小兵.訾鵬飛 一種三自由度全柔性并聯(lián)微動激振臺的設(shè)計[期刊論文]-機械設(shè)計與研究 2011(4) 5.郭宏偉 三自由度重型搖擺試驗臺的設(shè)計與研究[學位論文]碩士 2005 本文鏈接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_yyyqd200308020.aspx 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）登記表 分院 機電工程分院 專業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 班級 06232 學生姓名 張潔 指導(dǎo)教師 張廣杰 設(shè)計（論文）起止日期 2010年 3月8日-6月18日 教研室主任 題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及要求 1.題目名稱：六自由度并聯(lián)機構(gòu) 2.要求：六自由度并聯(lián)機構(gòu)是由動平臺、固定平臺等組成，以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)平臺的各種動作。對已有結(jié)構(gòu)并結(jié)合ADAMS仿真軟件對六自由度并聯(lián)機構(gòu)進行設(shè)計。 論文開題報告（設(shè)計方案論證） 應(yīng)該包括以下幾方面內(nèi)容： 1、 本課題研究的意義；2、調(diào)研（社會調(diào)查）情況總結(jié)；3、查閱文獻資料情況（列出主要文獻清單；4、擬采取的研究路線； 1. 本課題研究的意義： 六面自由度結(jié)構(gòu)具有運行可靠特點能滿足現(xiàn)代工業(yè)的應(yīng)用。整個控制系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的可靠性。機構(gòu)的運行控制精度較高，能夠滿足系統(tǒng)運行的需要。采用速度運行方式可以解決軟件驅(qū)動的手動指令進給中的機構(gòu)抖動問題。近年來受到很大的重視，已經(jīng)成為現(xiàn)代機構(gòu)學發(fā)展的主要方向之一是創(chuàng)新的主要方面。 2. 調(diào)研情況總結(jié)： 為更好的完成本課題，在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下，我們參觀了機械加工廠并隨同工人一起見習了加工過程，與此同時還把我們課題設(shè)計思路和要解決的問題向技術(shù)人員介紹，請他們提出寶貴意見受益匪淺。 3.參考文獻： [1]蘇長贊，鄒殿貴. 紅外線與超聲波遙控[M]. 北京：北京人民郵電出版社，2001. [2]楊立民. 單片機技術(shù)及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1997. [3]蔡自興. 機器人學[M]. 北京：清華大學出版社， 2000. [4]鄒慧君. 機械運動方案設(shè)計手冊[M]. 上海：上海交通大學出版社， 1994. [5] 詹啟賢. 自動機械設(shè)計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社， 1994. [6]呂仲文. 機械創(chuàng)新設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [7]梁崇高等. 平面連桿機構(gòu)的計算設(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社， 1993. [8]郁明山等. 現(xiàn)代機械傳動手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996. [9] 王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京：高等教育出版社，1988. [10] Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985. [11] Patton W .J .Mechanical Power Transmission[M]. New Jersey: Printice-Hall. 1980. [12]Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach[M]. New York:Wiley,1983. 4. 擬采取的研究路線： 指導(dǎo)教師下達任務(wù)→充分理解課題要解決的問題→查閱文件和素材→翻譯英文資料→到工廠參觀實習→寫論文→指導(dǎo)教師審查→修改完善，定稿→準備答辯。 5.進程安排 3月 8日—3月 26日 查閱文件，書籍材料。 3月 29日—4月 09日 翻譯英文材料。 4月 11日—5月 14日 寫課題論文，寫初稿。 5月 17日—5月 21日 完善論文，定稿。 5月 23日—6月 11日 繪制設(shè)計草圖、打印。 6月 14日—6月 18日 整理，熟悉文件。 指導(dǎo)教師審閱意見： 年 月 日 記事： 指導(dǎo)教師審閱意見： 年 月 日 3 長春理工大學光電信息學院 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目申報表 院 別 機 電 工 程 分 院 教 研 室 機 械 工 程 教 研 室 指導(dǎo)教師 張 廣 杰 職稱 講 師 職稱 2010年 3 月8日 題目名稱 六自由度并聯(lián)機構(gòu) 題目類別 設(shè)計類 √ 題目性質(zhì) 結(jié)合實際 √ 專業(yè) 機 械 設(shè) 計 參加本題目學生人數(shù) 1人 論文類 虛擬題目 題目來源、教師準備情況、主要培養(yǎng)學生哪些能力 1．本題目來源于指導(dǎo)教師的命題。 2．指導(dǎo)教師對此課題有深厚的理論基礎(chǔ)及實際經(jīng)驗，在師生共同努力下定能順利、按期完成該課題設(shè)計。 3．本課題主要培養(yǎng)學生對已有知識的運用能力、查找資料和閱讀能力、英譯漢的能力、工程機械的設(shè)計、制造能力。 題 目 內(nèi) 容 及 要 求 一、內(nèi)容： 六自由度并聯(lián)機構(gòu)是由動平臺、固定平臺等組成，以液壓缸為執(zhí)行元件、以電液伺服閥為控制元件，來控制實現(xiàn)平臺的各種動作。對已有結(jié)構(gòu)并結(jié)合ADAMS仿真軟件對六自由度并聯(lián)機構(gòu)進行設(shè)計。 二、要求： 1.寫出1～1.5萬字的論文，繪制總裝圖、部裝圖及零件圖。 論文內(nèi)容包括: （1）并聯(lián)機構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀。 （2）并聯(lián)機構(gòu)的特點及分類。 （3）并聯(lián)機構(gòu)的自由度計算及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。 （4）液壓系統(tǒng)的分析及確定。 （5）六自由度及液壓系統(tǒng)控制合理調(diào)配。 2.將一篇與本課題有關(guān)的英文資料，翻譯成中文（約5000字）。 實 踐 環(huán) 節(jié) 安 排 實習 長春客車廠 實驗 金工實習基地 計算機應(yīng)用 計算機繪圖 中、外文參考資料： [1]蘇長贊. 紅外線與超聲波遙控[M]. 北京：北京人民郵電出版社， 2001. [2]楊立民. 單片機技術(shù)及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1997. [3]蔡自興. 機器人學[M]. 北京：清華大學出版社， 2000. [4]鄒慧君. 機械運動方案設(shè)計手冊[M]. 上海：上海交通大學出版社， 1994. [5]詹啟賢. 自動機械設(shè)計[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社， 1994. [6]呂仲文. 機械創(chuàng)新設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004. [7]梁崇高等. 平面連桿機構(gòu)的計算設(shè)計[M]. 北京：高等教育出版社， 1993. [8]郁明山等. 現(xiàn)代機械傳動手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996. [9]王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京：高等教育出版社， 1988. [10] Rajput R K. Elements of Mechanical Engineering. Katson Publ. House, 1985. [11] Patton W .J .Mechanical Power Transmission[M]. New Jersey: Printice-Hall ,1980. [12]Hindhede I,Uffe. Machine Design Fundamentals:A Practical Approach[M]. New York:Wiley,1983. 教研室主任 審 批 簽 字 分 院 院 長 審 批 簽 字 注：題目類別和題目性質(zhì)請用符號√填在相應(yīng)欄內(nèi)。 大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā) 作者：楊世祥 楊濤 徐悅桐 一、概述 六自由度運動平臺，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國內(nèi)外科研、院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎(chǔ)上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)，可廣泛應(yīng)用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里，向客人展示水平的第一個標志就是六自由度運動平臺，筆者認為，六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在液壓和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程 二、傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺 到目前為止，世界上所有國家和研制單位，大型平臺都無一例外的采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾所名牌大學的研究水平較高，其控制原理基本相同，六自由度平臺單缸控制框圖如下： 從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算，然后將解算結(jié)果送到六個單缸控制器，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥、伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過兩只傳感器并經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計算機，完成閉環(huán)控制。該框圖表示的是主動編程控制，如果是實時模擬控制，還需要在主控計算機前增加姿態(tài)信號輸入裝置，即用各種信號發(fā)生器模擬人的操作，輸出表示空間狀態(tài)的XYZ和αβγ信號。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復(fù)雜、調(diào)試困難、可靠性差、伺服閥抗干擾抗污染能力弱、故障率高，因而國內(nèi)盡管許多單位進行了研制，但大面積推廣的卻始終不多。 三、六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算 1．順向解）：即已知六根液壓缸的長度，求解平臺姿態(tài)，到目前為止，還沒有直接中的的正解方程式，只能采用疊代方法，利用計算機快速運算的特點和上鉸鏈的結(jié)構(gòu)條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解， 2．反解（逆向解）：描述一個剛體在空間旋轉(zhuǎn)的姿勢，最常使用的方法是定義三個歐拉角來表達，當剛體旋轉(zhuǎn)至某一姿勢下，此三個歐拉角即組成唯一的旋轉(zhuǎn)矩陣，并借由旋轉(zhuǎn)矩陣作坐標轉(zhuǎn)換，便可求得剛體的絕對位置。 四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制 當給定空間狀態(tài)后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了讓平臺上的油缸在同一時間運動到新的位置，六只缸的運動速度是不相同的，這個問題的解決有兩種方法，一是采用標準的協(xié)聯(lián)控制器，該控制器需將油缸的運動長度數(shù)值送入，控制器能按所要求的時間，自動分配六只缸的運動速度，同時到達終點。第二種方法是自己編制運動速度方程，采用長度的最小公倍數(shù)方法分配速度，也可達到同樣目的。 五、六自由度平臺的全數(shù)字控制 為了攻克六自由度運動平臺的應(yīng)用難關(guān)，北京億美博科技有限公司采用了自己開發(fā)的性能先進、操作可靠的新型數(shù)字（液壓）缸（已納入“十五”攻關(guān)和國家重點新產(chǎn)品項目），作為六只控制缸。該數(shù)字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換等諸多環(huán)節(jié)，它是將傳感器、數(shù)字閥等全部做到油缸內(nèi)部，形成自動位置反饋和速度反饋。數(shù)字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數(shù)字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數(shù)字缸運動速度，脈沖總數(shù)代表數(shù)字缸運動行程，一一對應(yīng)，將復(fù)雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。億美博公司與我國××軍事院校合作，聯(lián)合開發(fā)了載重量3噸和8噸的數(shù)字式六自由度運動平臺，它的控制框圖和實際平臺圖照片所示如下： 從上圖與伺服系統(tǒng)的框圖比較可知，控制原理大大簡化，不但系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，而且故障率也大為降低，可靠性得以增加。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器，系統(tǒng)構(gòu)成十分清爽。平臺運動的錄像可在www.aemetec.com/sim網(wǎng)站觀看。它的性能指標如下： 六自由度數(shù)字運動平臺技術(shù)指標 六．數(shù)字液壓技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用 數(shù)字液壓缸與專門配套研制的數(shù)字控制器相配合，幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件，它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制，把討厭的現(xiàn)場調(diào)試搬到了辦公室，幾乎做到了即裝即用，已經(jīng)成功的應(yīng)用到冶金、機械、水電、國防軍工等一系列疑難控制領(lǐng)域，其控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)，成功應(yīng)用的實例有：冶金領(lǐng)域中的鋼水連鑄結(jié)晶器液面控制、結(jié)晶器液壓非正弦振動（均列入過國家攻關(guān)項目），帶鋼厚度控制（微米級精度）。水電領(lǐng)域中的水輪機調(diào)速控制；機械領(lǐng)域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制，軍工領(lǐng)域的大型導(dǎo)彈裝彈機構(gòu)的多缸同步控制（任意多缸同步誤差可達0.1%）、軍艦舵機控制、減搖稽控制，模擬器領(lǐng)域的六自由度平臺控制等等一系列疑難控制，均取得了十分理想的效果。