实验指导书(六自由度)

实验一：6SPT-1六自由度液压伺服平台综合实验、实验目的：

1、掌握电液位置伺服控制系统的基本原理；

2、掌握六自由度平台的结构解算的概念及其软件实现；

3、掌握VB6.0软件与下位机PAC通过以太网通信的方法；

4、掌握6SPT-1六自由度液压伺服平台复现指令信号的实施方法。

、预备知识：

1、熟练掌握PLC的梯形图语言（LD）编程和结构化文本语言（ST）编

程；

2、熟练掌握VB6.0编程，能使用VB6.0实现以太网通信；

3、有一定的矩阵计算能力。

二、试验原理：

1、电液位置伺服控制系统的基本原理

电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并

准确地复现输入量的变化规律。控制系统结构图如图3.1所示:

图3.1电液位置伺服控制系统结构图

2、六自由度平台逆解算法

图3.2 空间机构位置关系示意图

六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图3.2所示，Stewart平台由

上、下两个平台、六个驱动关节和连接球铰组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球铰。六个驱动关节的伸缩运动是独立的由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使

动平台在空间的位置和姿态发生变化。因此该平台是通过六个驱动杆的协调动

作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。

S tewart平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆长度的关系，是研究该并联机构最基本的任务，也是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动力分析等的基础。

对于6-SPS平台机构，其特点是动静平台铰点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个铰点分成3组，三组铰点沿圆周120。均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30。和90° o

为求解六自由度平台的空间位置关系，首先在静、动平台上分别建立静、动坐标系。如图3.3所示，静坐标系XYZ原点0位于静平台的中心，X-Y平面

与下平台上各液压缸铰接点分布圆共面,动坐标系X YZ的原点0位于平台上平台中心，当上平面位于中位时，动、静坐标系的Z和Z轴重合，且静坐标系Z 轴穿过0 '。

以第i 只液压缸为例描述该机构的空间位置关系 。设P

为从动坐标系原点 标。可

利用动平台的位姿(X, y,

乙 W 「y,?z

)及各铰接点在动平台上的位置，进 行坐标变换，求得各铰接点在静坐标系中的坐标。

在动坐标系中的任一向量 P i

可以通过坐标变换方法变换为固定坐标系中的

r i

0'至平台铰接点Pi 的矢量在静坐标系的表示，

P = (R x , R y , R z )

P mi

=(R mix

,R miy

,R niz

)

为0

'点至Pi 的矢量在动坐标系的表示

B i

为从

点到Bi

点的矢量在 静坐标系的表示，

B =(B x ,B iy ,B z )T

R 为在静坐标系中从点

到点0

'的矢量， R 二(x,y,z)T 。r

为在静坐标

T

系中从0点到Pi 点的矢量，

r

= (r ix

, r iy

, r iz

)

，

也是Pi 点在静坐标系中的坐标。h 为静坐标系 中从B i

至R

的矢量，h

=

(l

ix

，h y ，l iz

)

T ，各矢量间

的关系如图3所示。以静坐标系为参考坐标系， 得到六自由度平台中各位置相互关系的矢量关系式 ：

尸P+ R

r

i = B i l i

d.i )

l i

- B i = P i

R B i

(1.2)

位置逆解是由动平台的位姿

(x,y, z,

? x,

? y,

? z )相对于其在中位时的中心位

前已经很成熟，能够用于实际系统的实时计算

位置逆解的求解，关键是要求出动平台上各关节铰接点在静坐标系中的坐 图3.3空间矢量关系示意图

化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式

置(x ，y ，z )及角姿态 mu 求解各液压缸的伸缩量，位置逆解的精确算法目

r i二TR R

其中：变换矩阵T :

式中:C?x 二cos(?x),S?x =sin(?x)

当给定平台的结构尺寸后，利用几何关系，可以很容易写出动、静平台各铰接点(P i，B i, i=1,2, ,6)…在各自坐标系中的坐标值，再由式(1.3)求出动平台各铰点在静坐标系中的坐标值。这时6个驱动器杆长矢量l i(i = 1,2，…,6)可在固定坐标系中表示为：

l i - I] ■ B j - T P i R ■ B i

从而得到并联机构的位置反解计算公式：

i i =ih I=」2

+I；+i iZ

液压缸i的伸缩量Si为：

S 屮i ITh I neut

其中|li|neut为驱动杆i的中位长度，i=1,…,6

上式是6个独立的显式方程，当已知该并联机构的基本尺寸和动平台的位(1.3)

C7z C7y T =T x T Y T z = S 普z C 甲y

-S甲y

1 0 0

T x = 0 C甲x卞巒x

0 S霞C普x j

C?z S?y S?x —S?z C?x

S?z S?x Sy y CV z C 宇x

CVySVx

_ C甲y 0 S普y ]

T Y = I 0 1 0

-S普y 0 C普y_

c?a x sy y s?z s?x

S普z C甲x S普y — C甲z时x

C甲y C甲x

一

C?z -S f z 0

T资c甲0

(1.4)

(1.6)

置和姿势后，就可以求出6个驱动杆的杆长。

这就是六自由度平台的逆解。

四、试验内容

1.根据六自由度平台系统原理图和相关电气元器件接线说明设计电控系统

的电气原理图详见附件六自由度电气原理图.dwg ”；

2.了解影片动作文件的编辑，熟练操作六自由度影片播放软件；

3.熟练操作六自由度平台调试软件；

五、六自由度调试软件界面介绍

1.六自由度调试界面”界面介绍

打开软件，弹出六自由度操作界面”，界面上左边一列为六个自由度的姿态

和角速度的设置值，界面如图1:

设计好、线速度

word 格式

设置值显示：显示的是当前平台设置值是多少

设置值：填写需要设置的值是多少

设置 设置值”：分别点击这8个按钮可以将界面上对应的一个参数设置到 参数全写入：点击将8个参数一同设置到 PLC 中

「显示僖

卅由值:

no

rr nn

￥轴值*

000 00

m m 込轴值;

000 m m

单位

a 夹角1

倩：

■V

夹吊值;

线速度值:

角速度值:

000 000

000 000 000

00 00 00

40

養数全取

界面正上方显示的是液压站电机和溢流阀的工作状态 ，绿色表示电机打开和溢流阀加

PLC 中。