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并联六自由度运动平台系统
1.概述
  并联六自由度运动平台通过六个驱动缸(伺服缸或电动缸)的协调伸缩来实现平台在空间六个自由度的运动,即平台沿x、y、z向的平移和绕x、y、z轴的旋转运动(包括垂直、水平、横向、俯仰、侧倾和旋转六个自由度的运动),以及这些自由度的复合运动。并联六自由度运动平台可用于机器人、飞行模拟器、车辆驾驶模拟器、新型加工机床、及卫星、导弹等飞行器、娱乐业的运动模拟(动感电影摇摆台)、多自由度振动摇摆台的精确运动仿真等。
 
图1:六自由度及其坐标系定义图
  我公司通过自行设计、安装调试,并开发控制软件,同时采用进口关键件对并联六自由度运动平台进行研究开发,目前已完成多套六自由度运动平台应用,典型应用有列车风档液压仿真试验台、F1国际赛车运动仿真台、汽车驾驶模拟器、飞机和飞碟运动模拟器、振动谱试验、海浪模拟试验等。
  六自由度运动平台的研制,涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器,空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等一系列高科技领域,是液压及控制技术领域的顶级产品。
 
2.系统组成
2.1 液压伺服类
  典型的液压式并联六自由度运动平台主要由机械系统、液压系统、控制系统硬件和控制系统软件四部分组成。
  机械系统主要包括:承载平台、上下连接铰链、固定座。
  液压系统主要包括:泵站系统、伺服阀、驱动器、伺服油缸和阀块管路。
  控制系统硬件主要包括:实时处理器、伺服控制单元、信号调理单元、监控单元和泵站控制单元。
  控制系统软件包括:实时信号处理单元、实时运算单元、伺服控制和特殊要求处理单元。

2.2 电动伺服类
  电动式并联六自由度运动平台则将伺服油缸用电动缸代替,而伺服阀、泵站系统及阀块管路等则相应取消,增加运动控制单元。具有系统简洁、响应速度快等优点,是多自由度平台今后重点发展的方向。
 
3.主要技术参数
  以下参数为液压类平台典型值,具体可按用户要求设计制造。
3. 1平台主要参数
  平台最大负载:静态≥2000KG,动态≥3000KG。
  上平台球铰分布园直径1400mm,相邻球心距离157mm;
  下平台球铰分布园直径1600mm,相邻球心距离167mm;
  伺服缸最小球铰球心距离800mm, 最大长度1200mm;(采用Φ63/45~400缸体)。
  平台初始高度约 700mm。

3.2 泵站技术指标
  额定流量:90L/min
  最大系统压力:12Mpa;
  泵站电机功率:22KW;
  空间尺寸:1400×1200×1320

3. 3 运动参数
  伺服缸运动速度 ≥200mm/S;有效行程≥400mm。
     主要运动参数如下表:  
运动型式 位  移 速  度 加 速 度
俯仰 ±16° ±20º/s  ±30º/s2
滚转 ±16° ±20º/s  ±30º/s2
偏航 ±16°  ±20º/s ±30º/s2
垂直升降 ±200mm ±200mm/s  ±4m/s2
 
纵向位移  ±150mm  ±150mm/s ±2m/s2
侧向位移 ±150mm  ±150mm/s ±2m/s2
           
3.4 电动伺服平台
  电动伺服平台省去了泵站系统及伺服阀、伺服油缸,而直接用电动缸、伺服电机和相应的伺服放大器代替。
  电动缸:电动缸可根据用户要求选用进口(Exlar系列)或国产产品(由本公司自行研发生产,采用进口滚珠丝杠成套)。
  伺服电机:伺服电机可选用三菱、安川、松下、台达等产品。
  伺服放大器:采用与伺服电机品牌对应的伺服放大器。
 
4.平台控制系统
4.1 伺服运动控制器
  平台控制系统由伺服运动控制器、控制计算机、其配电操作柜等组成。
  伺服运动控制器安装在配电操作柜内部,操作柜另配置触屏便于一些基本参数的设置和显示。
  伺服运动控制器是六自由度平台控制系统的核心,它是一种高性能闭环实时控制器,集成了高速模拟量采集、高速浮点处理器、高速DA端口,是针对Staward平台应用的专用控制器。
  伺服运动控制器包括相对独立的六组控制回路,对于每组回路由位置控制环组成,它和线性位移传感器、伺服比例阀和伺服缸构成快速高精度数字闭环控制系统,从而使单伺服缸控制稳态误差小于0.1毫米。

4.2 控制系统主要功能:
  1)操作监控计算机,可以进行运动函数编程,与运动控制器接口,完成各种命令和参数设定。
  2) 所有输入输出均具有硬件保护电路,具有故障定位和冻结能力。
  3) 控制器在即使在复杂控制条件下,仍能保证闭环控制周期小于10ms。
  4) 控制器具有保护算法,当超出模拟台运动范围的指令给出时会发出报警信号并进行运动限制。
  5) 控制器能自动判断识别非法命令,避免设备误动作。
  6) 实现泵站的基本起停控制,状态监视。

4.3 数据接口:
  伺服运动控制器可以通过Modbus TCP协议与用户控制操作计算机连接,控制器提供上位机应用函数接口,便于第三方应用软件连接。
  伺服运动控制器可以通过RS232/485与具有串行通讯能力的设备进行通讯,通讯协议为Modbus RTU 或自行定义的自由协议。
 
5.主要应用示例
5.1 列车风档液压仿真试验台
  列车运动仿真测试系统实现对列车各种工况下的运动轨迹进行计算仿真、模拟运动,同时对列车产品如折棚式风档等进行产品性能测试。
  
图2:列车风档液压仿真试验台现场实景图
  系统能够根据给定的列车轨迹参数,计算出列车运动轨迹及其他相关参数。
  列车轨迹计算主要参数如下:
   a) S曲线半径  R 
   b) S曲线直线段长度 W 
   c) 平台正三角形边长  A
   d) 列车长度   L
   e) 列车轮距   N
   f) 连杆长度   P
   g) 连杆绞点至轮轴距   M
   h) 列车速度  v 
 
图3:列车风档液压仿真试验台HMI界面
  试验台能够仿真如下运动轨迹:
   a) 含直线段S曲线水平运动
   b) 园曲线水平运动
   c) 切园曲线水平运动
   d) 含直线段S曲线垂直运动
   e) 园曲线垂直运动
   f) 切园曲线垂直运动
   g) 翻转运动
   h) 混合运动
 
5.2  F1赛车运动仿真台
 
  F1赛车运动仿真台用于上海F1国际赛车场,操作者可以坐到仿真平台上,平台前方放置一液晶显示屏,显示赛车动画场景,操作者可以通过操纵杆进行起动、加速、左右拐、侧滑、刹车、颠簸行使等动作,同时仿真台根据这些动作进行动态模拟,让操作者亲身体验赛车动感。
图4:F1赛车运动仿真台现场实景图
  F1赛车运动仿真台为六自由度运动平台的开发应用,主要由计算机操作动画系统、六缸液压伺服运动系统和实时控制系统组成。
  计算机操作动画系统采用高性能服务器主机与34”液晶显示屏,动态模拟赛车场景。
  六缸液压伺服运动系统采用进口比例伺服阀控制,频响时间小于20ms,液压缸内置高精度位移传感器。另单独配有提供动力的泵站单元。
  实时控制系统根据计算机系统的动作指令信号动态运算并调节控制液压缸动作,实现与动画场景动作同步。

5.3  特种机车驾驶模拟器
  特种机车驾驶模拟器主要由六自由度平台、实物驾驶室、模型小车、地貌沙盘、视景影像系统等组成。实现了特种机车驾驶视觉、听觉、操纵、环境、不同路况、不同气候等的综合模拟。
  实物驾驶室内主要部件如档位、方向盘、仪表板、座椅等均采用实车部件。方向盘力矩按实车模拟,力求在操纵上有实车感觉。
 
图5:特种机车驾驶模拟器现场实景图
  模型小车按照实物驾驶室内发出的各种指令(加减速、左右转向、刹车、颠簸等),在地貌沙盘上行驶,同时将地貌状况传输给影像虚拟场景系统,模型小车实际空间坐标参数(中心点空间位置X,Y,Z及欧拉夹角α,β,γ) 反馈给六自由度控制器,控制系统计算并仿真出模型小车实际动感状态。

5.4  海浪模拟器
 
  六自由度平台可以模拟海浪动作,以验证舰艇、船舶等在实际航行时的各项参数指标。
图6:海浪模拟器现场实景图

5.5  飞机和飞碟模拟器
  飞机和飞碟模拟器主要应用于娱乐行业,如科技馆、游乐场等。可以模拟飞行器的空中各种飞行姿态,辅以空间魔幻场景,给人一种身临其境的美感。
图7:飞机模拟现场实景图
 
图8:飞碟模拟现场实景图


 

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