六自由度液压运动平台的自动控制.docx

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六自由度液压运动平台的自动控制

编号

无锡太湖学院

毕业设计（论文）

题目:

六自由度液压运动平台的自动控制

信机系机械工程及自动化专业

学号：

0923280

学生姓名：

赖坤楠

指导教师:

龚常洪（职称：

副教授）

（职称：

）

2013年5月25日

无锡太湖学院本科毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人郑重声明:

所呈交的毕业设计（论文）六自由度液压运动平台的自动控制是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果.有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出,并与参考文献相对应.其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外,本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班级：

机械96

学号：

0923280

作者姓名：

2013年5月25日

无锡太湖学院

信机系机械工程及自动化专业

毕业设计论文任务书

一、题目及专题：

1、题目六自由度液压运动平台的自动控制

2、专题

二、课题来源及选题依据

六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，六自由度运动平台是由六支油缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只油缸的伸缩运动,完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α,β，γ）的运动,从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中.在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。

由于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、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

1．查阅资料，了解国内外多自由度运动平台的现状和发展趋势.

2．确定总体方案，设计六自由度运动平台的本体结构和液压伺服系统并完成相关工程图的设计。

3．建立控制系统的数学模型，使用PID控制方式提高系统的运动性能。

运用虚拟样机技术，在ADMAS环境下，对六自由度运动平台进行运动学和动力学的仿真.

4．完善各个部分,撰写设计说明书.

四、接受任务学生：

机械96班姓名赖坤楠

五、开始及完成日期：

自2012年11月12日至2013年5月25日

六、设计（论文）指导（或顾问）：

指导教师签名

签名

签名

教研室主任

〔学科组组长研究所所长〕签名

系主任签名

2012年11月12日

摘要

六自由度运动平台,由于有极为广阔的应用前景,可以完成在空间六个自由度（X，Y，Z，α,β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器上.由于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、动态仿真等等一系列高科技领域,因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。

通过六自由度运动平台的机构特点及应用，可以在平台控制总体设计的基础上完成液压伺服系统的建模工作，在Matlab软件中对系统进行了仿真分析，将常规PID控制和基于神经网络算法的先进PID控制方法进行对比,仿真结果表明基于神经网络的PID控制方法对伺服系统具有良好的控制效果,同时也证明了电液伺服控制系统设计的合理性，将控制策略应用于样机平台，平台运行稳定,流畅。

为平台控制的进一步改进和完善奠定了基础。

关键词：

六自由度平台；液压;PID控制

Abstract

Sixdegreeoffreedommotionplatform，becausethereisaverybroadapplicationprospects，canbecompletedinthespaceofsixdegreesoffreedom（X，Y，Z,alpha，beta，gamma）movement，whichcansimulatevariousspatialmotion，canbewidelyappliedtovarioustrainingsimulator.Asthedevelopmentofsixdegreeoffreedommotionplatform，relatestothemechanical，hydraulic，electrical,control,computer,sensor，thespatialmovementmathematicalmodel,real-timesignaltransmissionandprocessing,graphicdisplay，dynamicsimulationandsoonaseriesofhigh—techfields,sothedevelopmentofsixdegreeoffreedommotionplatformintocollegesanduniversities,researchinstitutestohydraulicandcontrolfieldlevelsymbol。

Throughthemechanism，characteristicsandapplicationofsixdegreeoffreedommotionplatform，cancompletethemodelingofhydraulicservosystembasedonthegeneralcontrolplatformdesign，intheMatlabsoftwaretosimulatethesystemanalysis，theconventionalPIDcontrolandPIDneuralnetworkalgorithmbasedonadvancedcontrolmethodswerecompared，thesimulationresultsshowthatthePIDneuralnetworkthecontrolmethodhasgoodcontroleffectoftheservosystembasedon,italsoprovedthatthedesignofelectro—hydraulicservocontrolsystemisreasonable，thecontrolstrategyisappliedintheprototypeplatform，platformstableoperation,smooth.Asaplatformtocontrolthefurtherimprovementandlaidthefoundationfortheperfectionof.

Keywords:

6—DOFplatform；hydraulic；PIDcontrol

摘要III

AbstractIV

目录V

1绪论

1.1课题背景及意义

六自由度平台的研制对舰船运动规律的研究起着重要的作用平台可以在实验室中模拟舰船在海上航行时摇摆的情况将舰船在海洋中摇摆的姿态和运动真实地再现出来并能检测舰载直升机系统和各分系统在各种摇摆和位置姿态下的动态和静态技术性能。

该专用设备主要由机械运动系统、液压伺服控制系统、传感检测系统、信号采集处理系统、计算机控制系统和各种安全保护装置等组成可按试验要求实现六个自由度的旋转运动以及这些自由度的复合运动以达到模拟舰船在海上的垂荡、纵荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇各种摇摆状况的目的。

六自由度平台可以进行船舶运动和结构动力学研究同时也是驾驶员航海训练的一种良好设备可以将舰载武器和设备仪器放在平台上进行陆地实验减少海上实验次数这样就降低了实验成本和研究周期。

可见用平台在实验室作运动模拟试验具有明显的节能性、安全性、可控性、无破坏性、经济性、可操作性和训练效率高等优点对进行舰船运动模拟技术研究具有重要意义。

目前运动模拟技术己成为多快好省达到研究舰船运动和训练飞行目的的最佳途径六自由度平台是一种发展快、应用广的典型运动模拟器是一具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖试验设备而我国在这一领域的设计和制造水平与西方发达国家相比还有相当大的差距。

因此深入研究六自由度平台运动系统的基础理论对其关键技术进行理论分析和实验研制出性能优良能满足各方面需求的平台对提高我国的仿真技术水平增强国防实力具有重大的理论意义和实际应用价值.

1.2六自由度平台发展及应用

上世纪年代末特别是年代以来并联式机构被广为关注成为新的热点由于六自由度平台具有结构刚度大、承载能力强、位置精度高、哈尔滨工程大学硕十学位论文响应快的优点而且可以灵活地实现六个自由度的三维空间运动。

1965年六自由度平台是英国工程师Stewart于1965年在他的论文《APlatformwith6degreesfreedom》中作为一种六轴并联式空间机构的设计提出的，称为Stewart机构[1］。

在制作飞行模拟器后,Stewart机构逐渐成为飞行摸拟器的标准机构。

到70年代初，美国NASA等研究中心公布了6—DOF并联式平台的研究成果,相继出现了6-DOF并联机构运动平台的飞行模拟器。

1974年美国制定了空勤人员训练模拟器6—DOF并联式运动平台系统军用标准MIL-STD—1588。

此后6-DOF并联式运动平台己趋向标准化、系列化生产阶段。

1978年澳大利亚著名的机构学专家Hunt。

KH教授指出Stewart机构更接近于人体的结构,提出可将Stewart平台机构用作并联机器人的主要机构，至此并联机器人的研究受到许多学者的关注。

MacCallion和Pham在1979年首次利用这种机构设计出了用于装配的机器人，从此拉开了并联机器人研究的序幕，此后Stewart机构又被称为并联机器人。

Stewart机构在大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等方面得到进步的发展。

Stewart机构进一步的应用范围逐渐扩展到机床方面,即所谓的并联机床，但不论是并联机器人还是并联机床，要实现运动精确伺服控制是非常困难的,主要难点在于Stewart机构在运动学、动力学极其控制方面蕴涵的复杂性和大量的计算。

进入到上世纪80年代末以后,计算机工业的飞速发展为解决Stewart机构诸多难点提供了强有力的支持,对Stewart机构的研究和研究进入了一个新的时期。

Hunt应用空间机构自由度计算准则及螺旋理论对Stewart机构的机器人进行了机构综合研究,给出了多种6—DOF的并联机构的基本形式。

1988年Merlet教授提出了INRIA并联机构的样机。

1997年意大利研制出具有六个自由度的Turin并联机构。

六自由度平台的另一个重要的发展方向，是作为微动机构或微型机构,在三维空间微小移动,仍具有小的土作空间,这种微动机构正好发挥了六自由度摇摆台的特点，工作空间小大，但精度和分辨率都非常高。

一个例子是用在眼科手术中,治疗视网膜静脉闭,另有一种微动双指并联机构,用于生物工程上的细微外科手术中的细胞操作。

由于六自由度并联机构的应用日益广泛，其领域不断扩展.按平台的工作特性，可以分为两个方面的应用操作器和运动仿真。

在国防军事上，随着高新技术在军事领域的广泛应用,现代化武器装备技术先进、价格昂贵的特点越来越突出.一艘先进战舰造价昂贵,如果全部实装训练不仅耗资巨大，同时也大大缩短了战舰的寿命。

为解决这一难题，许多发达国家采取花巨资研制模拟器的对策，并规定凡：

装备新武器，必须装备相应的模拟器。

美国于20世纪40年代就研制出了第一台飞行模拟器。

可见六自由度并联机构的应用就船舶模拟器而言，其制造和应用一方面是技术水平的反映,另一方面也具有极高的军事和经济意义。

在民用领域方面的情况也是如此。

六自由度并联机构除了在上述领域得到极大的重视外,也在许多新兴的领域引起广泛的注意，如在航天对接模拟器,娱乐（当前国内外一些游乐场所已有六自由度体感模拟器、大航海体验馆、太空穿梭机、动感电影等娱乐模拟器）,海上钻井平台以及主动隔震等方面。

由于六自由度并联机构的优点，可以预料到未来六自由度并联机构会广泛应用到更多的领域。

表1—1平台运用案例

飞行模拟训练器

六自由度运动

电动玩具

多自由度运动

铣床、钻床、立式或卧式三轴切削中心

平移运动

机械起重机

由于其二力杆的特性，可用来做需要高刚性的起重机

力与力矩测量仪

风动测试

快速成型机

由于其能够在高加速的情况下提供高精度，可降低开发的时间

轮胎测试

旋转及平移运动

坦克驾驶训练台

旋转及平移运动

管道喷漆机器人

旋转及平移运动

手术用微型机器人

利用其结构简单、刚性高的原理,可作出精巧的微型机器人

医用手术平台

可利用一个小的踏板来控制大的平台运动

1.3六自由度平台国内外研究状况

1。

3.1国外研究现状

目前世界上研制大型六自由度平台的国家较多，主要有加拿大、美国、英国、法国、德国、日本、俄罗斯、荷兰等国，大多用于飞机（包括战斗机、运输机和民航客机）模拟飞行训练，在舰船、装甲车辆、自行火炮等方面也有一些应用。

早期研制的六自由度平台系统主要用于军事目的，例如美国五十年代开始研制的摇摆模拟台就用于装各海军。

用于空间对接机构研究的六自由度半实物仿真实验系统,以俄罗斯和美国的系统最具代表性，其大型液压六自由度运动系统的性能，尤其是定位精度和频率响应特性已达到这类系统的极高水平.近几年来，六自由度平台系统也被应用到工业甚至娱乐场所，如美国Ford汽车公司研制的汽车行驶仿真器，美国Ingersoll机床公司生产的并联机床，德国Rexroth公司为德国奔驰汽车公司建造的大型汽车行驶模拟平台等等。

用于娱乐场所的六自由度游乐模拟平台则是一种模拟运动载体特征，给人视觉、听觉、触觉以全方位真实感受的现代化新潮游乐设施，美国、日本等国家的一些著名游乐场所有六自由度UFO体感模拟台、航空航海模拟台，这是当代科技向游乐业渗透的产物。

随着6—DOF并联机构研究的深入，对于自由度少于六的空间并联机构（称为少自由度机构）,也引起许多学者的注意。

加拿大著名学者Gosselin和Angeles提出了平面和球面三自由度并联机器人的优化设计问题.加拿大Laval大学用球面三自由度并联机器人研制出了灵巧眼。

Lee和Shah对空间三自由度并联机器人进行了运动学和动力学分析。

Clavel提出了并联式三维移动机构,即DELTA机器人，后来Tsai作了改进，发明了Tsai氏三维移动机构，机构简单了许多.L.W。

Lal等人也在此方面进行相应的研究。

虚拟轴机床在国外己出现的型式就有数十种之多，如6—SPS平台式、6-SPS球台式、6-PSS立式、6-PSS上置式等等,又有不同参数比例的变化.美国Hexel公司将6杆并联结构作成独立部件应用于转塔铣床。

这可将低价的普通铣床升级为轴联动铣床。

其主要技术参数为工作台直径710mm、行程范围为直径305mm的圆，Z轴178mm,最大进给速度为5.1m/min，重91kg。

瑞士技术院（ETH）、机床与制造技术院（IWF）和机器人院（IFR）也联合研制出了名为IWF的Hexaglide虚拟轴机床。

迄今为止，我们了解的虚拟轴并联机床有二自由度、三自由度、三自由度、纯移动三自由度四自由度、对称五自由度和六自由度等类型。

虚拟轴数控并联机床多用于虚拟轴六自由度数控机床，瑞典NeosRobotics公司则采用了并联加串联的方案,从低层次应用做起,逐步积累经验和财力，向高层次应用发展，以及采用了三杆中央的中心管等正确的措施,其并联机床产品早已进入实用至今已创200余台的惊世销售业绩。

该公司展出的Tricept845加工中心，其体积定位精度达±50µm，重复定位精度达±10µm，这两个指标距离传统机床虽还有较大的差距,但对并联机床已属重大的突破,具有实用价值。

其进给速度已达90m/min，加速度已达2g,主轴功率为30～45KW，24，000~30,000r/min，采用瑞士IBAG公司电主轴、Siemens840D数控系统和Heidenhain的测量系统。

该加工中心采用模块化结构。

三杆结构组件有0º、45º、90º.三种布局可任选（即分别组成卧式、倾斜和立式加工中心）.德国Fraunhofer机床和成型技术研究所开发的6x型机床适于模具的高速加工，其主要技术参数为：

工作台：

630X630，X,Y，Z行程均为630mm,两个转动自由度范围为30º,主轴最高速度为3000r/min，功率为16KW,腿的最大进给速度为30m/min，加速度为10m/s.

1.3。

2国内研究现状

我国并联机器人出现的较晚,起先出现在引进的6—DOF飞行模拟器上。

我国民航于1975年引进Beoing707,1988年引进MD-82飞机飞行模拟器,1992年引进Beoing737和757飞机飞行模拟器，近年来还引进了最新的Beoing777飞机飞行模拟器,都用于民航飞行员的培训。

1984年北京航空模拟器技术联合开发公司按照航空部“七五”预研课题计划,开始研制6-DOF并联式飞行模拟器,三年后研制成功。

现在该公司正进行国内生产机型的飞机飞行模拟器的研制与生产。

近几年来我国的一些高等院校和科研院所也相继投入人力物力。

在微动器或称作微动机构研究方面，杨宜民教授等研制出仿生型直线驱动器，哈尔滨工业大学研制成了压电陶瓷驱动的6—DOF并联微动机器人,其重复精度可达20纳米；北京航空航天大学机器人所在自然科学基金资助下提出了用于微动操作的由两个3—DOF并联机构串联而成“串并联”机构以及PP—R-S型并联机构微动机器人等；燕山大学1994年研制了基于并联机构的误差补偿器，将其安装于机器人手腕处可以补偿手臂的误差；陈垦、李嘉等研究分析了6-PSS型6—DOF并联微操作手的运动学和工作空间。

另外天津大学与天津第一机床厂联合研制了九杆三自由度并联机床Linapod,沈阳自动化所研制了五自由度并联机床样机，哈尔滨工业大学和东北大学分别研制了以Stewart平台为原型的6-DOF并联机床的样机和带有平行机构的三自由度Stewart并联机床样机，燕山大学也在这方面作了一些基础性工作。

1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会,对并联机床的发展现状，未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨，对并联机床在我国的发展起到了一定的促进作用。

由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河一2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的，在保持原并联机构的诸多优点,如高刚度，高精度和高的运动速度外,用变异机构扩大了机床的运动范围.2005年哈尔滨工业大学流体传动于控制研究所与武汉719研究所研制了一种六自由度航海模拟器，用于训练潜艇驾乘人员和检测各种仪表的性能，.

总之，与国外相比,我国运动模拟器的研制工作起步较晚,以后由于种种原因又未能得到迅速发展,与国外的运动模拟技术相比还存在较大距离.因此目前面临的任务是如何迎头赶上技术先进国家并缩小与他们的距离。

1.4课题主要研究内容

通过查阅资料，了解国内外多自由度运动平台的现状和发展趋势,根据相关资料设计六自由度运动平台的结构，设计与其配套的液压缸等零件。

通过三维软件画出三维实体图，并通过建立模型，使用PID控制方式提高系统的运动性能，利用虚拟样机等技术对模型进行运动仿真，对其的可靠性等相关性能进行分析比较，来证明其方法的可行性。

2六自由度运动平台本体结构设计

六自由度平台作为一种实验设备，在地面物理仿真过程中起着重要作用。

平台有机械台体、液压系统、检测系统和计算机控制四个主要组成部分，其中机械台体主要由上台面、下基座、关节铰链和伺服液压缸组成。

液压系统主要由液压油源和液压伺服控制系统组成，主要用于为运动系统提供液压油源和驱动力。

2.1平台主要性能指标

承载能力（含上平台及其附件）0.5吨

平台的运动范围有机构的结构参数、液压油缸的长度、铰链转动角度等因素决定。

合理的平台结构是六自由度运动平台设计的基础,是保证实现性能指标的关键。

运动机构的设计，应保证平台工作过程中，出现人为的误操作和系统发生故障是，所有机械部件不得出现机械干涉现象。

为了使运动平台能够获得较大的位置变化，液压缸长度较大，这进一步降低了活塞杆的稳定性。

因此设计时应优化布置运动机构的结构尺寸，使得液压缸的正常工作位置尽可能的短，提高平台安全性。

因此,优化各个参数，确定平台系统的几何尺寸参数如下:

上平台外圆直径:

0.3m

下平台外圆直径：

0.6m

2.2平台结构

平台主要由下台基、上运动台面、12个铰（球铰或万向铰）及6个液压缸组成，其中液压缸通关铰以并联的方式将上运动台面和下台基连接起来，成为一体，如图2。

1所示.这样的机构在并联式多自由度机械装置研究中又常常被称为Stewart平台。

电液比例方向阀控制液压油流量的大小、方向,驱动六个液压缸沿缸长方向伸缩作线性移动.通过六个液压缸的协调动作，上运动台面能够灵活地实现六个自由度的运动，三个线性移动及三个转动,即一个刚体在空间的全自由度运动。

因此，六自由度平台也可以看作是一种并联式的机器人。

图2。

2为实验室样子实物图。

图2。

1平台结构示意图

图2.2实验室平台样机

2.3平台驱动方式

六自由度运动平台的驱动方式在很大程度上决定了运动系统的承载能力、运动精度、快速性等性能指标，也是运动系统中关键技术之一。

通常并联式机构的驱动方式主要有电动、气动和液压三种基本方式,从理论上讲，用电气、气动和液压这三种动力系统都可以，但每种系统都有其各自的优缺点，因而各有其最为适合的承载范围.

对于电动系统来说,电动机启动容易且可设计成低转动惯量，加减速特性都很好，但要获得大的功率输出，电动机的质量和体积都较大。

由于电气传动和其他形式相比，在高速、高精度、小型节能方面更能满足并联式机构驱动的要求，因而在轻载情况下，国外的并联式机构多采用电气传动。

气动系统以空气作为介质，响应速度较快,且空气可直接从大气中获得,又可排放到大气中去，不需要回流系统，与液压系统相比，其系统构成简单、价格便宜，但其工作压力低,因而承载能力低,定位刚度低.工作载荷在几百牛顿是,气动系统最为有效。

液压传动从动力性能方面看占有很大优势,一个体积与能搬送14~24Kg载荷的气动或电气系统相当的液压系统，就可搬送120～140Kg的载荷，而且还有气动和电气系统相当的精度和响应速度。

另一方面，液压系统的油液能起到对运动部件润滑的作用，并通过油液的流动把热量带走，实现系统的自冷却，以延长元件和系统的使用寿命。

采用液压驱动机构还可得到很大的速度范围，其低速特性比电动机要好，当液压执行器泄漏较小时，液压弹簧刚度大，因而闭环系统的定位刚度较大，位置误差较小。

另外，利用液压系统的继承回路可以把液压系统设计的相当紧凑,减少系统所占空间。

综上所述，由于此次研究的六自由度并联