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1、大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)
一、概述
六自由度運動平臺（用于加工業(yè)被稱為“虛擬軸機床”），由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，近幾年，引起了國外科研、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中，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、汽車駕駛員模擬器、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)域中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、機器人等。由于六自由度運動
2、平臺的研制，涉及機械、液壓、電器、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
3、基本相同，見六自由度平臺單缸控制框圖：
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從圖中可看出，主控計算機是完成空間狀態(tài)的時時解算，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。該系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、控制過于復雜、調(diào)試困難、可*性差、伺服閥抗干擾污染能力弱、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、六自由度控制的空間狀態(tài)解算
要想控制平臺姿態(tài)，首先必須掌握它的運動方程。六自由度控制的空間位置狀態(tài)有二種解析方法。
1、正解：即已知六根液
4、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，求解平臺姿態(tài)。
2、反解：即已知平臺的空間姿態(tài)（X，Y，Z，α，β，γ），求解六只液壓缸的長度，這個方法非常適用，且相對比較簡單。采用空間坐標和坐標變換的方法，代入六個未知數(shù)，可以分別求解出六支油缸的長度，雖然計算繁雜，但利用計算機的快速運算特性，可以實時跟蹤姿態(tài)模擬操作器發(fā)出的姿態(tài)信號，快速計算出每只油缸的長度，從而實時跟蹤對平臺的操縱要求，達到快速響應(yīng)的目的。
四、六自由度的速度協(xié)聯(lián)控制
由前面可知，當給定空間狀后，可以分別算出六只缸的不同長度，為了
5、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，一種是采購標準的協(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*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
6、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*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。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，它的控制框圖如下：
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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，而且故障率也大大降低，可*性得以大為增加。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。實際情況如右側(cè)照片所示。平臺運動的錄像可在http://www.china-
運動技術(shù)指標：
自由度
7、 位移（聯(lián)合運動） 位移（單自由度） 速度 加速度
俯仰 30 deg 25deg 20 deg/s 350 deg/s2
滾轉(zhuǎn) 35 deg 30deg 24 deg/s 140 deg/s2
升降 0.60 m 0.60m 0.40 m/s + 1.0G
縱向擺動 0.60 m 0.40m 0.36 m/s 0.6G
液壓系統(tǒng)指標：
系統(tǒng)壓力：14MPa
系統(tǒng)最大供油量：650L/分
數(shù)字缸：
直徑：110mm/75mm；
行程：1200mm
液壓系統(tǒng)圖：
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大型數(shù)字式六自由度運動平臺的開發(fā)
