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六自由度平台形成及分类介绍
发布时间:2019-11-04 10:07

 

  六自由度平台,是在1965年由英国工程师 Stewart 设计提出,因此也称为Stewart 平台,它最初主要是用作训练飞机驾驶员的飞行模拟器。并联机构相对串联机构具有结构刚度大、承载能力强、位置精度高、动态响应快等特点。1978 年 Hunt教授针对串联机械手刚度差、承载能力弱、有累积误差、反解求解困难等缺点,提出并联构型的概念,并将 Gough-Stewart 机构应用到工业机器人领域。从此并联机构开始越来越广泛地应用于误差补偿装置、工业机械手、空间对接技术、飞行模拟驾驶舱、地震模拟体验台等重载荷和大加速度的应用场合。
  仿真模拟平台按驱动方式分为三种:气动平台、液压平台、电动平台;按自由度可分为三自由度平台和六自由度平台。
 

  气压平台

  关键部件为气压缸、气动电磁阀和空压机。其具有结构简单,耗电适中,价格低廉,无污染,动作响应速度快,工作可靠,便于维护,寿命长,适应温度范围广。缺点是动力较小、噪声大、平台运行速度不均匀等。

  液压平台

  关键部件为液压缸、液压电磁阀(可分为开关阀和比例阀两类)和液压泵站。动力在三者中最大,适用于高载的情况。其价格中等、动作相对气动平台来说要缓和,噪音低;

  电动平台

  关键部件为电动缸、减速机、伺服电机、伺服电机驱动器、运动控制卡等,一般有三自由度和六自由度两种。动力大小仅次于液压平台。其具有响应速度快,灵敏度高,控制精确,结构简单,可靠性高,噪音小,清洁卫生,便于维护。唯一缺点就是控制电路复杂,成本较高。

   六自由度仿真平台


2.4 平台驱动方式比较表

  自由度种类 成本 噪音 动力大小 动作响应 环境适应性 耗电情况 其他
气压平台 三自由度、六自由度 便宜 噪音大 动力最小 动作响应快 温度范围广,普通220V即可 中等 清洁卫生
液压平台 三自由度、六自由度 中等 噪音适中 最大 动作平稳,动作响应慢 不适合低温环境,一般情况下需要380V供电 耗电 体积重量较大
电动平台 三自由度、六自由度 昂贵 较大仅次于液动 动作响应快慢可调节、灵敏度高 温度范围广,普通220V即可 省电 清洁卫生、灵巧、所用部件较少

 

  在六自由度平台的驱动系统中,电动驱动由于省去了能量的中间转换环节,电动机直接产生力和力矩,运动过程确定性好,效率高,没有复杂的管路系统具有高紧凑型,反应灵敏使用方便且成本较低。电动驱动方式具有以上较多的优点,所以该驱动方式在工业控制领域使用较为广泛。

  电动驱动控制系统中电动机的类型较多,包括步进电动机、交流伺服电动机、无刷直流伺服电动机等。交流伺服同步电动机是由正弦波信号控制,转矩脉动小;同时电机的体积较小,惯量小,转动平滑,而且电机快速响应性好、输出转矩大、反应灵敏、易于实现精确控制,所以本方案采用电动驱动方式,动力装置选用交流伺服同步电机。

 

 

  六自由度平台详细介绍

  Stewart六自由度并联平台最初是由德国学者Stewart提出的,相比串联机构其有以下优点:具有高刚度且结构比串联式稳定;并联机构定位准确,承载能力强,动态特性好;在实时计算控制时,并列式结构反解容易实现。Stewart六自由度并联平台从诞生以来其各种形式及结构被广泛用于减振及精确定位领域。由于Stewart平台结构的复杂性,国内外学者对其运动学和动力学特性进行了广泛研究。Afzali-Far等人研究了对称式结构的Stewart并联平台的阻尼减振控制,并设计和研究了Stewart的动力学特性。Zhao等人研究了并联平台的逆向运动学和刚体动力学特性,通过仿真平台得到了平台的速度、加速度、力矩等特性。

  六自由度运动平台系统由测试软件部分系统、电气控制系统、动力电源系统、运动平台机械本体组成。运动平台部分的组成结构示意图如图3.1所示。

 

  系统组成框图

  软件部分主要包括用户界面程序、伺服算法程序、PID参数设置程序等。用户界面程序采用VS C#编写,界面友好,使用方便,可以接收用户的鼠标和键盘输入,设置工作的模式,运动的曲线类型等(正弦、连续、圆弧等),可以接收外部的指令,使平台在跟随状态下运行。

  电控部分的作用是接收控制系统输出的指令数据,并将其传输给伺服驱动器,驱动器将信号放大后控制电机运动,进而带动电动缸运动,并最终使平台实现各种姿态。包括工控机、伺服驱动器、伺服电机及相关电器元件等。

  机械部分用于支撑负载,包括上平台、上连接铰、下连接铰、电动缸、支撑架、底座等。平台由电动缸驱动,进行横滚、偏航、俯仰三个姿态和X、Y、Z平移共六个自由度的运动。

 


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