功能

1)        模擬六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，包括俯仰、（左傾右傾）滾轉(zhuǎn)、垂直升降運(yùn)動(dòng)；

2)        模擬各種條件的變化引起的運(yùn)動(dòng)，如大氣擾動(dòng)和武器發(fā)射等；

3)        模擬著陸接地姿態(tài)和碰撞以及急停時(shí)出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)；

4)        模擬在接近真實(shí)頻率處的振動(dòng)和抖振以及大氣紊流在對(duì)應(yīng)自由度上引起的抖振。

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)廣泛地應(yīng)用于以下場(chǎng)合：

運(yùn)動(dòng)模擬SimPlat（模擬、駕駛模擬、道路模擬、海浪模擬、地震模擬體驗(yàn)臺(tái)）；精密定位/空間對(duì)接PrePlat （微動(dòng)機(jī)構(gòu)、大規(guī)模集成電路加工、并聯(lián)挖掘機(jī)械、并聯(lián)機(jī)床、工業(yè)裝配機(jī)械手、空間對(duì)接技術(shù)地面試驗(yàn)、大型望遠(yuǎn)鏡、誤差補(bǔ)償裝置、照相機(jī)聚焦）六維力/力矩傳感控制平臺(tái)，振動(dòng)平臺(tái)SwayPlat（利用它的快速響應(yīng)能力）。

六自由度電動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵部件為電動(dòng)缸、減速機(jī)、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡等，其具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，控制精確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，噪音小，清潔衛(wèi)生，便于維護(hù)。針對(duì)真空應(yīng)用環(huán)境，采用特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高低穩(wěn)特殊材料，電機(jī)和電缸進(jìn)行特別訂制處理?？刂葡到y(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用人員經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)部即會(huì)使用。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電缸和伺服電機(jī)都采用有限元仿真分析計(jì)算。

概述

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由軟件部分系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、動(dòng)力電源系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)械組成。

嵌入式軟件部分主要包括用戶界面程序、伺服算法程序、PID參數(shù)設(shè)置程序等。用戶界面程序采用VS C#編寫，界面友好，使用方便，可接收用戶的鼠標(biāo)和鍵盤輸入，設(shè)置工作模式，RuleLab軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的曲線類型等（正弦、連續(xù)、圓弧等），可接收外部的指令，使平臺(tái)在跟隨狀態(tài)下運(yùn)行。

電控部分接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù)，并將其傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)放大后控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，并終使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)。包括工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及相關(guān)電器元件等。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要由以下部分組成：運(yùn)動(dòng)上平臺(tái)、下平臺(tái)（基座）、電動(dòng)缸、減速機(jī)伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、傳感器測(cè)量系統(tǒng)、姿態(tài)運(yùn)算系統(tǒng)、TecBox控制系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

機(jī)械部分用于支撐負(fù)載，包括上平臺(tái)、上連接鉸、下連接鉸、電動(dòng)缸、支撐架、底座等。平臺(tái)由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行橫滾、偏航、俯仰三個(gè)姿態(tài)和X、Y、Z平移共六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

六個(gè)電動(dòng)缸通過萬向節(jié)鉸鏈（或球鉸鏈）將上、下兩個(gè)平臺(tái)連接而成。下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)面上，借助六個(gè)電動(dòng)缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在三維空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

總體參數(shù)

單缸運(yùn)動(dòng)——單缸手動(dòng)測(cè)試

單步運(yùn)動(dòng)——6個(gè)自由度（橫搖、縱搖、艏搖、升降、航向位移、橫向位移）

正弦運(yùn)動(dòng)——可實(shí)現(xiàn)單自由度和多自由度LocLab復(fù)合的正弦運(yùn)動(dòng)

復(fù)合運(yùn)動(dòng)——通過一定的軌跡規(guī)劃RuleLab進(jìn)行球面運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、扇形運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)相應(yīng)力控制

腳本運(yùn)動(dòng)——可實(shí)現(xiàn)對(duì)路譜、海浪譜、譜和地震譜等的運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)

體感運(yùn)動(dòng)——速度、加速度及數(shù)據(jù)洗出算法

質(zhì)心調(diào)整——可將運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)平移到試件的某一點(diǎn)

初值標(biāo)定——具有精確零位校準(zhǔn)

位置鎖定——根據(jù)模擬出的包絡(luò)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意位置的鎖定功能

三維動(dòng)畫——控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)控制并實(shí)時(shí)記錄臺(tái)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)并以三維動(dòng)畫重現(xiàn)試驗(yàn)過程及保存。

數(shù)據(jù)回放——具有獨(dú)立的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

遠(yuǎn)程調(diào)試——通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或者通過移動(dòng)端連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸

機(jī)械部分

六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由機(jī)械本體和伺服控制系統(tǒng)組成。機(jī)械本體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了平臺(tái)工作空間、帶載能力、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)精度等性能，而良好的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是確保平臺(tái)達(dá)到其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，甚至能夠在一定程度上提高平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由如圖3所示的七部分組成：

 圖2- 5運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1平臺(tái)上底板 2上鉸支座連接座 3上鉸支座組件 4電動(dòng)缸組件 5下鉸支座組件 6下鉸支座連接座

 7平臺(tái)下底板

電氣部分

該Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六個(gè)支撐為六個(gè)電動(dòng)缸。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在控制系統(tǒng)檢測(cè)和控制下運(yùn)行。并將控制信號(hào)下達(dá)給實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過位置-缸長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算，通過驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)改變電動(dòng)缸缸長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2- 6控制系統(tǒng)示意圖

控制系統(tǒng)原理是通過來自上位機(jī)輸出平臺(tái)姿態(tài)的狀態(tài)信號(hào)（3個(gè)位移量X，Y，Z和俯仰角α，傾側(cè)角β，轉(zhuǎn)向角γ的六個(gè)位姿以及相應(yīng)的速度和加速度），經(jīng)過下位機(jī)計(jì)算機(jī)通訊接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)運(yùn)算，并經(jīng)解算轉(zhuǎn)換成6臺(tái)伺服缸的指令信號(hào)通過伺服控制，從而求得當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在空間的實(shí)際姿態(tài)（3個(gè)位移量，3個(gè)轉(zhuǎn)角）。通過編碼器反饋信號(hào)的換算，經(jīng)總線反饋至計(jì)算機(jī)完成計(jì)算，并采用數(shù)字式閉環(huán)控制6臺(tái)電動(dòng)缸同時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作構(gòu)成平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)姿態(tài)。實(shí)時(shí)精確地控制各電動(dòng)缸的伸長(zhǎng)量，同時(shí)信息傳輸給控制器，控制器通過計(jì)算確保六只電動(dòng)缸的協(xié)調(diào)動(dòng)作以及控制精度。

控制系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，根據(jù)姿態(tài)指令，運(yùn)用平臺(tái)反解解出六只電動(dòng)缸的伸長(zhǎng)量，通過總線傳遞給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器得到信息并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)缸按照指令伸縮，平臺(tái)亦運(yùn)行到相應(yīng)姿態(tài)。驅(qū)動(dòng)器可實(shí)時(shí)檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的力矩、速度、位置信息通過總線發(fā)送到控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

伺服電機(jī) 其轉(zhuǎn)矩特性圖如圖所示

 圖2- 7伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性圖

伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服系統(tǒng)主要包括交流伺服電機(jī)與交流伺服驅(qū)動(dòng)器，采用的交流伺服系統(tǒng)是臺(tái)達(dá)公司的ASD-B3系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器和ECMA系列的交流伺服電機(jī)，ASD-B3伺服驅(qū)動(dòng)器具有2個(gè)RJ45通訊接口且支持EtherCAT總線通訊，其具有調(diào)試簡(jiǎn)單、布線簡(jiǎn)單、出色的定位同步性能、較高的動(dòng)態(tài)性和超低振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

本平臺(tái)的伺服控制系統(tǒng)中，所選用的交流伺服驅(qū)動(dòng)器具體型號(hào)為ASD-A2-3023-E，與之配套的交流伺服電機(jī)是ECMA系列的ECMA-CA1330R4型。該伺服電機(jī)為三項(xiàng)380V的交流伺服電機(jī)，其額定輸出功率為3kW，額定轉(zhuǎn)速3000 rad/min。

驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)：接收用戶控制指令，通過控制伺服電機(jī)的輸入，對(duì)伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，達(dá)到控制電動(dòng)缸活塞桿出速度和行程的目的。通過速度反饋，力矩反饋及位置反饋監(jiān)控，控制電機(jī)的高精度運(yùn)行。該系統(tǒng)在硬件的快速拆裝性、控制的精確性和安全性，以及通訊協(xié)議的兼容性等方面都有了跨越式的進(jìn)步，其中向?qū)讲僮骱蛨D形化界面可以大大方便用戶編程和調(diào)試。此外，伺服系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，也使現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、存儲(chǔ)器容量和安全級(jí)別的選擇更加靈活。高度的模塊化還為將來的升級(jí)提供了保證。

伺服系統(tǒng)的指令給定方式，除了使用內(nèi)置于的IO點(diǎn)和總線接口之外，可以根據(jù)用戶需求擴(kuò)展通信模塊。

運(yùn)動(dòng)控制器

使用的是TecPlat Stewart六自由度并聯(lián)平臺(tái)，平臺(tái)擁有完整的空間六自由度運(yùn)動(dòng)能力，六臺(tái)交流伺服驅(qū)動(dòng)器與主站之間采用EtherCAT總線進(jìn)行通信，相比于傳統(tǒng)的脈沖式驅(qū)動(dòng)器，EtherCAT不存在脈沖丟步的問題，控制精度更高，接線簡(jiǎn)單，故障率低。

控制系統(tǒng)采用了EtherCAT總線的“PC+Beckhoff德國倍福+TecBox運(yùn)動(dòng)控制器”的控制方案，倍福的TwinCAT3主站內(nèi)置了Windows7E嵌入式專業(yè)版操作系統(tǒng)，兼容絕大多數(shù)Windows桌面應(yīng)用，主站還配備一個(gè)USB2.0接口和一個(gè)USB3.0接口，可以外界鼠標(biāo)和鍵盤，顯示器可以通過DP接口連接主站，操作時(shí)，可以通過人機(jī)界面對(duì)平臺(tái)動(dòng)作進(jìn)行控制和監(jiān)控。

針對(duì)六自由度平臺(tái)，采用了TecBox基于PC理念的Beckhoff運(yùn)動(dòng)控制器，在TwinCAT的實(shí)時(shí)環(huán)境下進(jìn)行下位機(jī)的程序開發(fā)，其功能主要包括平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與平臺(tái)的故障檢測(cè)，并提供平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，運(yùn)動(dòng)控制器通過EtherCAT總線發(fā)送控制指令和讀取各伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)控制和算法（略）。