六自由度液压伺服平台实验报告

六自由度液压伺服平台实验报告
一、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。

二、实验方式：演示实验。

三、实验内容。

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，演示模拟地震实验；
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；
四、实验原理。

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。

Stewart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°。

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O 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 ′Y ′Z ′的原点O ′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O ′。

以第i 只液压缸为例描述该机构的空间位置关系。

设i P 为从动坐
标系原点'O 至平台铰接点Pi 的矢量在静坐标系的表示，(,,)T i ix iy iz P P P =P 。

(,,)T mi mix miy miz P P P =P 为'O 点至Pi 的矢量在动坐标系的表示。

i B 为从O 点
到Bi 点的矢量在静坐标系的表示，
(,,)T i ix iy iz B B B =B 。

R 为在静坐标系中从点
O 到点'O 的矢量，(,,)T x y z =R 。

i r 为在静
坐标系中从O 点到Pi 点的矢量，
(,,)
T i ix iy iz r r r =r ，也是Pi 点在静坐标系中的坐标。

i l 为静坐标系中从i B 至i P 的矢量，
(,,)T i ix iy iz l l l =l ，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：
i i i i i =+⎧⎨=+⎩r P R r B l （1.1）
化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式：
i i i i i =-=+-l r B P R B （1.2）
位置逆解是由动平台的位姿(,,,,,)x y z x y z ψψψ
相对于其在中位时
的中心位置(,,)x y z 及角姿态,,)x y z (ψψψ求解各液压缸的伸缩量，位置逆解的精确算法目前已经很成熟，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标。

可利用动平台的位姿(,,,,,)x y z x y z ψψψ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i P 可以通过坐标变换方法变换为固定坐标系中的i r ：
i i =+T r P R (1.3)
其中：变换矩阵T ：
z y z y x z x z x y z x X Y Z z y
z x y z x z x y z x y y x
y x C C C S S S C C C S S S S C S S S C C S C S C S S C S C C ⎡⎤ψψψψψ-ψψψψψ+ψψ⎢⎥==ψψψψψ+ψψψψψ-ψψ⎢⎥⎢⎥-ψψψψψ⎣⎦T T T T 10000X x
x x x C S S C ⎡⎤⎢⎥=ψ-ψ⎢⎥⎢⎥ψψ⎣⎦T ，0
0100y y Y y y C S S C ⎡⎤ψψ⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-ψψ⎣⎦T ，00001z z Z z z C S S C ψ-ψ⎡⎤⎢⎥=ψψ⎢⎥⎢⎥⎣⎦T 式中：cos(),sin()x x x x C S ψ=ψψ=ψ。

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（i P ，i B ，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i l （i ＝1,2,…,6）可在固定坐标系中表示为：
i i i i i =-=+-T l r B P R B i ＝1,2,…,6 (1.4)
从而得到并联机构的位置反解计算公式：
i l i =|l |=
(1.5)
液压缸i 的伸缩量Si 为：
||||i i neut S =-i l l (1.6)
其中|i l |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。

五、对模拟地震实验的问题分析及改进意见？
1、问题分析：模拟地震实验所使用的是液压系统，即通过液压泵对液压油的抽取进行工进和工退，但是在这个过程中液压油在抽取过程中会进行升温，利用风扇对液压油降温效率太低；
改进意见：在液压油的油管中加入冷却回路，通过冷却回路带走液压油的温度，形成一个闭环回路，并且在冷却回路的终端进行冷却液的集中降温；
2、问题分析：液压系统存在非线性，导致小量级预实验识别出的系统传递函数与实际值相差较大；
改进意见：对液压系统油路以及各种控制阀进行精度的矫正，尽量采用制造精度高的控制阀以及液压泵和各种执行元件；
3、问题分析：虽然大量级预实验对零件的损伤较大会导致实验的精度出现失真；
改进意见：对实验器材的使用以及维护就显得至关重要，正常使用，定期维护。