六自由度液压运动平台的自动控制教学文案.doc
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1、六自由度液压运动平台的自动控制精品文档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、
2、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 日收集于网络,如有侵权请联系管理员删除 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,)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
3、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
4、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,)的运动,从而可以模拟出各种空
5、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
6、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AbstractSix degree of freedom motion platform, because there is a very broad application prospects, can be completed in the space of six degrees of freedom (X, Y, Z, alpha, beta, gamma) movement, which can simulate various spatial motion, can b
7、e widely applied to various training simulator. As the development of six degree of freedom motion platform, relates to the mechanical, hydraulic, electrical, control, computer, sensor, the spatial movement mathematical model, real-time signal transmission and processing, graphic display, dynamic si
8、mulation and so on a series of high-tech fields, so the development of six degree of freedom motion platform into colleges and universities, research institutes to hydraulic and control field level symbol.Through the mechanism, characteristics and application of six degree of freedom motion platform
9、, can complete the modeling of hydraulic servo system based on the general control platform design, in the Matlab software to simulate the system analysis, the conventional PID control and PID neural network algorithm based on advanced control methods were compared, the simulation results show that
10、the PID neural network the control method has good control effect of the servo system based on, it also proved that the design of electro-hydraulic servo control system is reasonable, the control strategy is applied in the prototype platform, platform stable operation, smooth. As a platform to contr
11、ol the further improvement and laid the foundation for the perfection of.Key words:6-DOF platform;hydraulic;PID control目 录摘要IIIABSTRACTIV目录V1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 六自由度平台发展及应用11.3 六自由度平台国内外研究状况31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.4 课题主要研究内容42 六自由度运动平台本体结构设计52.1 平台主要性能指标52.2 平台结构52.3 平台驱动方式63 液压缸设计73.1简介73.2 液压
12、缸的设计73.3 液压缸的密封设计103.4 支承导向的设计103.5 防尘圈的设计113.6 液压缸材料的选用113.7 液压泵的选择123.8 电机的选择144 液压油路设计154.1 液压设备外接线路154.2 操作板154.3 程序地址分配164.4 芯片接线图174.5 PLC程序指令205 液压伺服系统的建模与仿真255.1 六自由度运动平台系统的总体设计255.2 数学模型的建立255.2.1 单个作动器的数学模型265.3 系统的控制及仿真265.3.1 基于常规PID的控制系统仿真研究265.3.2 基于BP神经网络的控制算法275.3.3 仿真实现286 液压运动平台的运动
13、仿真306.1 液压平台的基本结构设计306.2 虚拟样机的建立与仿真316.2.1 零件建模316.2.2 装配设计326.2.3 运动分析336.3 结束语367 结论与展望37致谢38参考文献391 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
14、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
15、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A Platform with 6 degrees free
16、dom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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、,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
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