功能

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

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

3)        模擬著陸接地姿態(tài)和碰撞以及急停時出現(xiàn)的運動；

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

六自由度運動平臺廣泛地應(yīng)用于以下場合：

運動模擬SimPlat（模擬、駕駛模擬、道路模擬、海浪模擬、地震模擬體驗臺）；精密定位/空間對接PrePlat （微動機構(gòu)、大規(guī)模集成電路加工、并聯(lián)挖掘機械、并聯(lián)機床、工業(yè)裝配機械手、空間對接技術(shù)地面試驗、大型望遠鏡、誤差補償裝置、照相機聚焦）六維力/力矩傳感控制平臺，振動平臺SwayPlat（利用它的快速響應(yīng)能力）。

六自由度電動平臺關(guān)鍵部件為電動缸、減速機、伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、運動控制卡等，其具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，控制精確，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，噪音小，清潔衛(wèi)生，便于維護。針對真空應(yīng)用環(huán)境，采用特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計和高低穩(wěn)特殊材料，電機和電缸進行特別訂制處理?？刂葡到y(tǒng)操作簡單，使用人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)部即會使用。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電缸和伺服電機都采用有限元仿真分析計算。

概述

六自由度運動平臺由軟件部分系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、動力電源系統(tǒng)、運動平臺機械組成。

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)劃運動的曲線類型等（正弦、連續(xù)、圓弧等），可接收外部的指令，使平臺在跟隨狀態(tài)下運行。

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)動器，驅(qū)動器將信號放大后控制電機運動，進而帶動電動缸運動，并終使平臺實現(xiàn)各種姿態(tài)。包括工控機、伺服驅(qū)動器、伺服電機及相關(guān)電器元件等。

運動平臺主要由以下部分組成：運動上平臺、下平臺（基座）、電動缸、減速機伺服電機、伺服驅(qū)動器系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)、姿態(tài)運算系統(tǒng)、TecBox控制系統(tǒng)以及監(jiān)測系統(tǒng)組成。

機械部分用于支撐負載，包括上平臺、上連接鉸、下連接鉸、電動缸、支撐架、底座等。平臺由電動缸驅(qū)動，進行橫滾、偏航、俯仰三個姿態(tài)和X、Y、Z平移共六個自由度的運動。

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

總體參數(shù)

單缸運動——單缸手動測試

單步運動——6個自由度（橫搖、縱搖、艏搖、升降、航向位移、橫向位移）

正弦運動——可實現(xiàn)單自由度和多自由度LocLab復(fù)合的正弦運動

復(fù)合運動——通過一定的軌跡規(guī)劃RuleLab進行球面運動、圓周運動、扇形運動、螺旋運動相應(yīng)力控制

腳本運動——可實現(xiàn)對路譜、海浪譜、譜和地震譜等的運動復(fù)現(xiàn)

體感運動——速度、加速度及數(shù)據(jù)洗出算法

質(zhì)心調(diào)整——可將運動坐標(biāo)系原點平移到試件的某一點

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)空間運動范圍內(nèi)實現(xiàn)任意位置的鎖定功能

三維動畫——控制系統(tǒng)采用實時控制并實時記錄臺體運動參數(shù)并以三維動畫重現(xiàn)試驗過程及保存。

數(shù)據(jù)回放——具有獨立的實時測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲。

遠程調(diào)試——通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或者通過移動端連接，實現(xiàn)遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸

機械部分

六自由度并聯(lián)運動平臺由機械本體和伺服控制系統(tǒng)組成。機械本體設(shè)計的優(yōu)劣直接決定了平臺工作空間、帶載能力、運動穩(wěn)態(tài)精度等性能，而良好的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計則是確保平臺達到其設(shè)計性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，甚至能夠在一定程度上提高平臺的運動性能，運動平臺由如圖3所示的七部分組成：

 圖2- 5運動平臺機械結(jié)構(gòu)圖

1平臺上底板 2上鉸支座連接座 3上鉸支座組件 4電動缸組件 5下鉸支座組件 6下鉸支座連接座

 7平臺下底板

電氣部分

該Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六個支撐為六個電動缸。六自由度運動平臺在控制系統(tǒng)檢測和控制下運行。并將控制信號下達給實時控制計算機。計算機控制系統(tǒng)通過位置-缸長的運動學(xué)反解算，通過驅(qū)動伺服電機改變電動缸缸長，以實現(xiàn)運動平臺的六個自由度的運動，即笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的三個平移運動和繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動。

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輸出平臺姿態(tài)的狀態(tài)信號（3個位移量X，Y，Z和俯仰角α，傾側(cè)角β，轉(zhuǎn)向角γ的六個位姿以及相應(yīng)的速度和加速度），經(jīng)過下位機計算機通訊接口進入計算機運算，并經(jīng)解算轉(zhuǎn)換成6臺伺服缸的指令信號通過伺服控制，從而求得當(dāng)前時刻運動平臺在空間的實際姿態(tài)（3個位移量，3個轉(zhuǎn)角）。通過編碼器反饋信號的換算，經(jīng)總線反饋至計算機完成計算，并采用數(shù)字式閉環(huán)控制6臺電動缸同時協(xié)調(diào)動作構(gòu)成平臺運動的瞬時姿態(tài)。實時精確地控制各電動缸的伸長量，同時信息傳輸給控制器，控制器通過計算確保六只電動缸的協(xié)調(diào)動作以及控制精度。

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，運用平臺反解解出六只電動缸的伸長量，通過總線傳遞給驅(qū)動器，由驅(qū)動器得到信息并驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，電動缸按照指令伸縮，平臺亦運行到相應(yīng)姿態(tài)。驅(qū)動器可實時檢測出電動機的力矩、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 其轉(zhuǎn)矩特性圖如圖所示

 圖2- 7伺服電機轉(zhuǎn)矩特性圖

伺服驅(qū)動器

伺服系統(tǒng)主要包括交流伺服電機與交流伺服驅(qū)動器，采用的交流伺服系統(tǒng)是臺達公司的ASD-B3系列交流伺服驅(qū)動器和ECMA系列的交流伺服電機，ASD-B3伺服驅(qū)動器具有2個RJ45通訊接口且支持EtherCAT總線通訊，其具有調(diào)試簡單、布線簡單、出色的定位同步性能、較高的動態(tài)性和超低振動等優(yōu)點。

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

驅(qū)動器系統(tǒng)：接收用戶控制指令，通過控制伺服電機的輸入，對伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進行控制，達到控制電動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，控制電機的高精度運行。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，也使現(xiàn)場總線協(xié)議、存儲器容量和安全級別的選擇更加靈活。高度的模塊化還為將來的升級提供了保證。

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

運動控制器

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

控制系統(tǒng)采用了EtherCAT總線的“PC+Beckhoff德國倍福+TecBox運動控制器”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USB2.0接口和一個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，可以通過人機界面對平臺動作進行控制和監(jiān)控。

針對六自由度平臺，采用了TecBox基于PC理念的Beckhoff運動控制器，在TwinCAT的實時環(huán)境下進行下位機的程序開發(fā)，其功能主要包括平臺的運動與平臺的故障檢測，并提供平臺運動狀態(tài)信息，運動控制器通過EtherCAT總線發(fā)送控制指令和讀取各伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài)。

運動控制和算法（略）。