大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)設(shè)計【六自由度并聯(lián)機械手運動平臺機構(gòu)】
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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#$% &%()*+%,- ). -$% &/0/-1( 2/34&56 2-%718- 9(1-.)8+:1,0 2$/43/1,0!, :1,0 #1)!, ; : 號鵬潤 ? 文苑 座 ABC!BBBDE電話:(B!B) CFFF!ACC)中圖分類號: #9GF文獻標識碼: 文章編號: !BBB4ED (BBF) B4BBEC4B!概述六自由度運動平臺, 由于有極為廣闊的應(yīng)用前景,近幾年, 引起了國內(nèi)外科研、 院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由 C 只液壓缸, 上、 下各 C 只萬向鉸鏈和上、 下 個平臺組成。下平臺固定在基礎(chǔ)上, 借助C 只液壓缸的伸縮運動, 完成上平臺在空間 C 個自由度 (!、 、 #!、#) 的運動, 從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài), 可廣泛應(yīng)用到各種訓練模擬器, 如飛行模擬器、 艦艇模擬器、 海軍直升機起降模擬平臺、 坦克模擬器、 汽車駕駛模擬器、 火車駕駛模擬器、 地震模擬器, 以及動感電影、 娛樂設(shè)備等領(lǐng)域, 甚至可用到空間宇宙飛船的對接, 空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、 靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制涉及機械、 液壓、 電氣、 控制、 計算機、 傳感器, 空間運動數(shù)學模型、 實時信號傳輸處理、 圖形顯示、動態(tài)仿真等一系列高科技領(lǐng)域, 因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、 研究院所在液壓和控制領(lǐng)域中水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里, 向客人展示水平的第一個標志就是六自由度運動平臺, 筆者認為, 六自由度運動平臺是液壓及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品, 掌握了它, 在液壓和控制領(lǐng)域, 基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程。傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺到目前為止, 世界上所有國家和研制單位, 大型平臺都無一例外地采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內(nèi)以幾所名牌大學的研究水平較高, 其控制原理基本相同, 六自由度平臺單缸控制框圖如圖 ! 所示。從圖中可看出, 主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算, 然后將解算結(jié)果送到 C 個單缸控制器, 經(jīng)數(shù)H模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、 伺服閥、 伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過 只傳感器并經(jīng)模H數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計算機, 完成閉環(huán)控制。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、 控制過于復(fù)雜、 調(diào)試困難、 可靠性差、 伺服閥抗干擾、 抗污染能力弱、 故障率高, 因而國內(nèi)盡管許多單位進行了研制, 但大面積推廣的卻始終不多。#六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算(!)順解 (順向解) : 即己知 C 只液壓缸的長度, 求解平臺姿態(tài), 到目前為止, 還沒有直接中的正解方程式, 只能采用疊代方法, 利用計算機快速運算的特點和收稿日期: BBF4BD4E作者簡介: 楊世祥 (!AF) , 男, 重慶人, 教授級高工, 主要從!事數(shù)字液壓技術(shù)的開發(fā)研究和推廣應(yīng)用工作。開啟壓力; 二是降低系統(tǒng)的壓力并減小系統(tǒng)的流量。由于充液閥的預(yù)卸荷閥很小, 改造的余地不大, 所以選擇第二種方案。為了降低系統(tǒng)的壓力, 在充液閥的控制油路中安裝了一個節(jié)流閥, 通過調(diào)整節(jié)流閥來降低壓力, 實踐證明, 這種方法是可行有效的。$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, !AAI 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、 $%& 轉(zhuǎn)換和 &%$ 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, 可靠性得圖 $實際平臺以提高。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)速度加速度俯仰6 7 8.96 : 8.96 !: 8.9%3 6 7: 8.9%3!滾轉(zhuǎn)6 : 8.96 7 8.96 ! 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)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)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20083. 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20074. 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20045. 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20047. 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)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:/
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