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實驗一：6SPT-1六自由度液壓伺服平臺綜合實驗 一、實驗目的： 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構解算的概念及其軟件實現； 3、 掌握VB6.0軟件與下位機PAC通過以太網通信的方法； 4、 掌握6SPT-1六自由度液壓伺服平臺復現指令信號的實施方法。 二、預備知識： 1、 熟練掌握PLC的梯形圖語言（LD）編程和結構化文本語言（ST）編程； 2、 熟練掌握VB6.0編程，能使用VB6.0實現以太網通信； 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，利用電信號進行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就能啟動、快速并準確地復現輸入量的變化規(guī)律。控制系統(tǒng)結構圖如圖3.1所示： 圖3.1電液位置伺服控制系統(tǒng)結構圖 2、 六自由度平臺逆解算法 圖3.2 空間機構位置關系示意圖 六自由度平臺又稱為Stewart平臺，其結構如圖3.2所示，Stewart平臺由上、下兩個平臺、六個驅動關節(jié)和連接球鉸組成，上平臺為運動平臺，下平臺為基座，上、下平臺的六個鉸點分別組成一個六邊形，連接6個液壓缸作為驅動關節(jié)，每個液壓缸兩端各連接一個球鉸。六個驅動關節(jié)的伸縮運動是獨立的，由液壓比例壓力閥控制各液壓缸作伸縮運動，從而改變各個驅動缸的長度，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動桿的協(xié)調動作來實現三個線性移動及三個轉動共六個自由度的運動。 Stewart平臺機構的空間位置關系是指運動平臺的六個自由度與六個驅動桿長度的關系，是研究該并聯機構最基本的任務，也是機構速度、加速度、誤差分析、工作空間分析、動力分析等的基礎。 對于6-SPS平臺機構，其特點是動靜平臺鉸點共面，考慮到工作空間的對稱性要求，將平臺的6個鉸點分成3組，三組鉸點沿圓周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系，首先在靜、動平臺上分別建立靜、動坐標系。如圖3.3所示，靜坐標系XYZ原點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分布圓共面，動坐標系X′Y′Z′的原點O′位于平臺上平臺中心，當上平面位于中位時，動﹑靜坐標系的Z′和Z軸重合，且靜坐標系Z軸穿過O′。 圖3.3 空間矢量關系示意圖 以第i只液壓缸為例描述該機構的空間位置關系。設為從動坐標系原點至平臺鉸接點Pi的矢量在靜坐標系的表示，。為點至Pi的矢量在動坐標系的表示。為從O點到Bi點的矢量在靜坐標系的表示，。為在靜坐標系中從點O到點的矢量，。為在靜坐標系中從O點到Pi點的矢量，，也是Pi點在靜坐標系中的坐標。為靜坐標系中從至的矢量，，各矢量間的關系如圖3所示。以靜坐標系為參考坐標系，得到六自由度平臺中各位置相互關系的矢量關系式： （1.1） 化簡得到平臺位姿與各驅動關節(jié)桿長矢量的關系式： （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，關鍵是要求出動平臺上各關節(jié)鉸接點在靜坐標系中的坐標。可利用動平臺的位姿及各鉸接點在動平臺上的位置，進行坐標變換，求得各鉸接點在靜坐標系中的坐標。 在動坐標系中的任一向量可以通過坐標變換方法變換為固定坐標系中的： (1.3) 其中：變換矩陣： ，， 式中：。 當給定平臺的結構尺寸后，利用幾何關系，可以很容易寫出動、靜平臺各鉸接點（，，i=1,2,…,6）在各自坐標系中的坐標值，再由式(1.3)求出動平臺各鉸點在靜坐標系中的坐標值。這時6個驅動器桿長矢量（i＝1,2,…,6）可在固定坐標系中表示為： i＝1,2,…,6 (1.4) 從而得到并聯機構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為驅動桿i的中位長度，i=1,…,6。 上式是6個獨立的顯式方程，當已知該并聯機構的基本尺寸和動平臺的位置和姿勢后，就可以求出6個驅動桿的桿長。 這就是六自由度平臺的逆解。 四、試驗內容 1. 根據六自由度平臺系統(tǒng)原理圖和相關電氣元器件接線說明設計電控系統(tǒng)，設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試軟件； 五、六自由度調試軟件界面介紹 1. “六自由度調試界面”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置值，界面如圖1： 圖1 設置值顯示：顯示的是當前平臺設置值是多少 設置值：填寫需要設置的值是多少 設置“設置值”：分別點擊這8個按鈕可以將界面上對應的一個參數設置到PLC中。 參數全寫入：點擊將8個參數一同設置到PLC中 界面正上方顯示的是液壓站電機和溢流閥的工作狀態(tài)，綠色表示電機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，顯示的是經過平臺逆解，六根油缸的伸縮值，也是六根油缸的位移設置值， 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前的位移值 圖5 控制按鈕位于軟件下方，如圖6顯示，電機可以控制液壓站電機啟動、停止，還可以控制平臺上升到中位和下降到最低位。 圖6 點擊軟件下方的“地震模擬”按鈕就會關閉“六自由度操作界面”，同時打開“模擬畫面”界面。 電機軟件下方的“退出畫面”按鈕就可以退出本軟件。 2. “模擬畫面”界面介紹 點擊“六自由度操作界面”界面下方的“地震模擬”按鈕就會關閉“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”、“側翻運動”、“俯仰運動”和“扭轉運動”的零位，即平臺上升到中位時這六個姿態(tài)值為應該設置為零。平臺的初幅值就是以中位為基準設定的。 初幅值：平臺以初幅值為中間位置往返運動 幅值：平臺往返運動的幅度 注：初幅值和幅值的設置范圍可以參考文檔“六自由度地址表.xlsx”中的相關姿態(tài)的設置范圍。 頻率：平臺往返運動的頻率 注：這三個值的設置范圍可以參考文檔“六自由度地址表.xlsx”中的相關姿態(tài)的設置范圍。 舉例：設置“上下平移”的初幅值為10，幅值為100，頻率為0.5，其他值均設置為0，震動模式選擇選中“上下震動”，其他不選，點擊“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的往返運動。 震動模式選擇如圖8所示 圖8 選中相應的模式，則平臺以圖7中對應的設置值開始運動，可以同時選中多個模式使平臺兩個或兩個以上自由度復合運動，但幅值不宜過大，避免超出平臺的運動范圍。 界面下方有4個操作按鈕，如圖9 所示 圖9 開啟：點擊開啟按鈕則平臺從中位開始按照圖7的設置值和圖8選中的模式開始往返運動 關閉：平臺從當前位置回到最低位 調試畫面:關閉當前界面，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，確認后進入下一步； b) 打開軟件“平臺動作軟件.exe”，界面下圖所示； c) 點擊界面上“開泵”按鈕，啟動液壓站電機，等待約5秒后系統(tǒng)加壓； d) 然后點擊“平臺數據路徑選擇”按鈕選擇平臺所要播放的動作文件； e) 點擊“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) 結束影片播放后，按下界面上的“關泵”按鈕，關閉液壓站電機并泄壓。 2. 六自由度平臺調試軟件操作 a) 檢查電源是否已經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，確認后進入下一步； b) 打開軟件“六自由度.exe”，界面如下圖所示； c) 根據第五步中對該軟件界面的介紹，設置相應的參數，平臺就會依照設置值動作； d) 試驗結束后，退回到“六自由度操作界面”，一次點擊“平臺歸位”按鈕，待平臺運動到最低位后，點擊“泵?！卑粹o，關閉點擊并泄壓，結束試驗。