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1、六自由度运动系统 集成设计姜洪洲 机电学院 流体控制及自动化系1.1最大有效载荷：最大有效载荷：15T30800Z30800Y200（15T）300.5（15T） 1（10T） 2（5T）800X角加速度(/ s2)角位移 ()加速度(g)位移 (mm)转动平移运动 参数 坐标轴1.2 单项极限运动参数单项极限运动参数1 主要设计要求1.3典型工况下的能力指标典型工况下的能力指标（有效载荷15T，正弦运动）角位移：7，周期：2s绕X、Y、Z轴转动（三自由度复合）角位移：10，角加速度：200/s2绕X、Y、Z轴转动（单自由度）角位移：30，周期：4s绕X、Y、Z轴转动（单自由度）位移：800，
2、加速度0.5gX、Y、Z向位移（单自由度）位移：800，周期：4sX、Y、Z向位移（单自由度）能力指标工况1 主要设计要求1.4 静态精度静态精度三个线坐标静态定位精度：1.6 mm 三个姿态角静态定位精度：0.06 精确零位锁定： 纵摇角：0.012 横摇角：0.012 航向角：0.03 在锁定情况下定位变化率： 姿态角2时，0.06/8h 姿态角2时，0.012/8h1 主要设计要求1.5 动态精度动态精度频率特性：系统频宽2.5Hz 位姿波形失真度2% 各自由度运动间耦合度1% 各自由度间相位滞后（正弦，在相同频率条件下）：2 零位漂移（正弦摇摆时）：0.1/h 激励信号： 正弦重复精度
3、：0.5% 运动谱复现精度：1%1 主要设计要求1.5 主要功能主要功能6个自由度（横摇、纵摇、偏航、升降、航向位移、横向位移） 可实现单自由度和多自由度复合的正弦运动 可实现对路谱和海浪谱的运动复现对路谱和海浪谱的运动复现 可将运动坐标系原点平移到试件的某一点 具有精确零位锁定和运动范围内的任意位置锁定功能任意位置锁定功能 控制系统采用实时控制。控制系统应能实时记录台体运动参数并以 三维动画三维动画重现试验过程。 具有独立的实时测量系统。1 主要设计要求? 六自由度摇摆台 ? 液压源 ? 控制系统2 系统组成摇摆台结构上连接铰上平台下连接铰液压缸组件工作零位时采用Stewart机构， 六个自
4、由度2 系统组成3.1基于位置反解的单系统控制模式（基于位置反解的单系统控制模式（最基本的控制模式最基本的控制模式）运动指令运动学反解 六个液压缸闭环控制运动学反解 六个液压缸闭环控制六个位移反馈六个伺服阀驱动运动状态操作员3 系统原理第一步：由姿态算出六个缸所需位移量3 系统原理3.1基于位置反解的单系统控制模式（基于位置反解的单系统控制模式（最基本的控制模式最基本的控制模式）运 动 学 反 解液 压 伺 服 系 统 1#-+Stewart 运 动 平 台液 压 伺 服 系 统 6#单 系 统 控 制 器6DOF 参 考 输 入参 考 输 入液 压 缸 长 度 参 考 输 入液 压 缸 长
5、度 参 考 输 入驱 动 力液 压 缸 实 际 长 度驱 动 力液 压 缸 实 际 长 度im iibaRcl+=优点：控制策略实现简单，易于实现分布式控制和设计安全保护 策略缸位移 输入 控制器伺服阀液压缸位移 传感器缸位移 输出缸实际位移偏差第二步：六个缸的闭环控制3 系统原理3.1基于位置反解的单系统控制模式（基于位置反解的单系统控制模式（最基本的控制模式最基本的控制模式）3.2幅相控制模式幅相控制模式 （正弦信号的精确跟踪）（正弦信号的精确跟踪）3 系统原理3.2幅相控制模式幅相控制模式 （正弦信号的精确跟踪）（正弦信号的精确跟踪）3 系统原理3.2幅相控制模式幅相控制模式 （正弦信号
6、的精确跟踪）（正弦信号的精确跟踪）位姿 控制位姿 控制在线迭代 补偿在线迭代 补偿比较偏差比较偏差输入 响应输入 响应实时 正解实时 正解幅相控制幅相控制负 载负 载3 系统原理3.2幅相控制模式幅相控制模式 （正弦信号的精确跟踪）（正弦信号的精确跟踪）3 系统原理多输入多输出多输入多输出迭代收敛条件迭代收敛条件实时性实时性安全保护安全保护挑战挑战3.3运动谱复现模式运动谱复现模式GRY由于由于G1，因此，因此YR道路谱和海浪谱道路谱和海浪谱3 系统原理3.3运动谱复现模式运动谱复现模式RYGG-1R1RYR 实现完全复现实现完全复现新的 驱动3 系统原理3.3运动谱复现模式运动谱复现模式虚线
7、表示离线部分3 系统原理结构参数优化结构参数优化上铰点分布圆的半径Ra 下铰点分布圆的半径Rb 上铰相邻铰之间的距离da 下铰相邻铰之间的距离db 中位时液压缸的长度， L2L2RaRb4 总体优化设计优化目标优化目标： 刚度高（频宽、性能保证） 功率低、成本低 无奇异位形 无干涉4 总体优化设计无奇异位形设计无奇异位形设计摇摆台速度和液压缸速度间关系，为雅克比矩阵雅克比矩阵。在发生或接近奇异位形时， 摇摆台增加了一个或多个自由度而变得不可控 在连接铰和液压缸处产生了超过极限的力 摇摆台失去稳定性 失去承载能力 可能产生严重破坏因此摇摆台存在奇异位形时是非常危险的。4 总体优化设计xJlxl&
8、 ,=fJFT xl,=无奇异位形设计无奇异位形设计奇异分三种：构型奇异；位形奇异；公式奇异；4 总体优化设计无奇异位形设计无奇异位形设计典型奇异位形典型奇异位形4 总体优化设计无奇异位形设计无奇异位形设计G A轴轴4 总体优化设计无奇异位形设计无奇异位形设计较小力很大力绳子4 总体优化设计无奇异位形设计无奇异位形设计全空间搜索，保证无奇异 位形4 总体优化设计无机械干涉设计无机械干涉设计摇摆台容易发生干涉的两种情形结构干涉！结构干涉！干涉上平台与作动器的干涉铰与作动器的干涉4 总体优化设计无机械干涉设计无机械干涉设计各种极限位姿，保证无干涉上平台结构设计上铰4 总体优化设计无机械干涉设计无机
9、械干涉设计各种极限位姿，保证无干涉空间大无干涉无干涉上铰伸出轴向下倾斜45布置4 总体优化设计无机械干涉设计无机械干涉设计各种极限位姿，保证无干涉给出吊篮高度4 总体优化设计?平台“矮”的好处水平运动能力差横向刚度差水平运动出力能力大横向刚度好横向分力小横向分力大4 总体优化设计?平台“矮” 的缺点X、Y旋转力臂大旋转刚度好X、Y旋转力臂小，旋转 能力降低旋转刚度差r1r2r1r24 总体优化设计最佳负载匹配最佳负载匹配伺服阀和液压缸特性伺服阀和液压缸特性负载特性负载特性驱动系统液压缸行程液压缸行程 液压缸有效面积液压缸有效面积 伺服阀流量伺服阀流量 液压源压力液压源压力4 总体优化设计液压源
10、 压力压力 流量流量 功率运动所需瞬时流量液压源额定流量运动所需平均流量4 总体优化设计总体结构参数上铰点分布圆的半径： Ra=1.85m 下铰点分布圆的半径： Rb=2.3m 上铰相邻铰之间的距离： da=0.26m 下铰相邻铰之间的距离： db=0.35m 中位时作动器的长度： L2=3.6mL2RaRb试验台高度5 总体设计结果3.607m2.6135m4.5826mm最低位中位（工作零位）最高位5 总体设计结果作动器作动器： 有效行程：1605mm 缓冲长度：伸出35mm，缩回30mm 总行程：1670mm 活塞直径：125cm2 活塞杆直径：90cm2 速度：1.33m/s伺服阀伺服
11、阀：流量630 l/min(阀压降7.0 MPa)液压源液压源： 低压大流量：21MPa 流量：2400 l/min系统总功率系统总功率：1140KW5 总体设计结果机械系统：机械系统： 上平台重量上平台重量 上平台刚度、变形量上平台刚度、变形量 上平台基本外形限制上平台基本外形限制 上、下铰的运动范围上、下铰的运动范围液压系统液压系统： 具有任意液压锁紧回路具有任意液压锁紧回路 伺服阀具有安全保护功能伺服阀具有安全保护功能 液压缸行程、作用面积；液压缸行程、作用面积； 伺服阀流量伺服阀流量 液压源：压力、流量液压源：压力、流量控制系统控制系统： 实时控制 三种控制模式 三维动画： 实时控制
12、三种控制模式 三维动画6 总体对各分系统的主要要求机械系统机械系统设计输入（对上平台要求）设计输入（对上平台要求）： 平台几何尺寸，满足用户负载安装接口要求； 重量 不大于3500kg； 最大变形：小于0.5mm 结构刚度：大于15Hz 各种极限位姿下，与液压缸不发生干涉7 分系统设计机械系统机械系统上平台设计参数： 内环直径2200mm， 厚度280mm； 重量 2700kg3500kg 负载连接法兰水平仪安装面机械系统机械系统上平台第一振型28 Hz 最大变形量0.213mm上平台有限元分析有限元分析有限元模型变形图7 分系统设计机械系统机械系统上连接铰要求上连接铰要求： 上铰支座铰轴间距
13、：260mm 下铰轴与作动器间最小夹角：77上连接铰要求上连接铰要求： 下铰支座铰轴间距：350mm 下铰轴与作动器间最小夹角：687 分系统设计分系统设计液压驱动系统液压驱动系统 设计要求设计要求液压缸：单出杆非对称（行程、面积、缓冲）液压缸：单出杆非对称（行程、面积、缓冲） 伺服阀：应急退出功能伺服阀：应急退出功能 压力传感器：测量上下腔压力，以便进行动压反馈，提高系统性能压力传感器：测量上下腔压力，以便进行动压反馈，提高系统性能具有液压锁紧回路，以便实现摇摆台的任意位置锁定。具有液压锁紧回路，以便实现摇摆台的任意位置锁定。液压驱动系统液压驱动系统锁紧阀伺服阀伺服阀压力传感器7 分系统设计
14、分系统设计液压驱动系统液压驱动系统锁紧回路作动器作动器阀A阀B换向阀伺服阀液压源任意位置锁定的实现7 分系统设计分系统设计液压驱动系统液压驱动系统上腔通高压油预设小开口供油回油伺服阀伺服阀的应急退出功能伺服阀使能端驱动端伺服阀应急时断开使能后这是这是MOOG公司专门为我们设计的公司专门为我们设计的7 分系统设计液压源液压源 设计要求液压源流量液压源流量：2290L/min 液压源压力液压源压力：21MPa供油方式供油方式：恒压变量泵与蓄能器组联合供油7 分系统设计液压源液压源流量流量：2400L/min 压力压力：21MPa由4套标准子液压源组成总功率：1140kW控制系统硬件控制系统硬件1.
15、 监控单元2. 实时控制单元3. PLC油源控制器4. 全数字原型系统5. 伺服控制柜6. 信号转接柜7. 油源控制柜8. 油源启动柜7 分系统设计分系统设计控制系统软件控制系统软件7 分系统设计分系统设计任务管理（上位机）任务管理（上位机）1. 油源控制2. 试验控制3. 运动参数设置4. 运行状态显示5. 报警显示6. 数据存储7 分系统设计分系统设计伺服控制伺服控制1. 逻辑控制2. 闭环控制3. 故障诊断与处理4. 数据采集signaldata transmissioncyl_positionspeed_valuepressure_uppressure_downval position
16、statusset_pointerror_codeswitchready_startposition_cutMotion controllerdeltappositionstatussetpointerror_codeswitchready_startposi brokeposition_setpointControllersignalsdeltappositionspeedpressureuppressdownvalve_positioinAcqusittion board7 分系统设计分系统设计7 分系统设计油源控制油源控制1. 自动控制2. 手动控制3. 逻辑保护4. 状态显示5. PLC控制全数字原型系统全数字原型系统1. 在线动画2. 试验过程回放3. 实时姿态显示4. 试验预演5. 可实现独立测量7 分系统设计分系统设计8
