外文翻译--大型数字式六自由度运动平台的开发【中英文文献译文】
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大 型 数 字 式 六 自 由 度 运 动 平 台 的 开 发 杨 世 祥 ! , 杨 涛 ! , 徐 悦 桐 #$% 号 鹏 润 ? 文 苑 座 ABC !BBBDE 电 话 :( B!B) CFFF!ACC) 中 图 分 类 号 : #9GF 文 献 标 识 码 : 文 章 编 号 : !BBB4ED( BBF) B4BBEC4B ! 概 述 六 自 由 度 运 动 平 台 , 由 于 有 极 为 广 阔 的 应 用 前 景 , 近 几 年 , 引 起 了 国 内 外 科 研 、 院 校 广 泛 的 研 究 兴 趣 。 六 自 由 度 运 动 平 台 是 由 C 只 液 压 缸 , 上 、 下 各 C 只 万 向 铰 链 和 上 、 下 个 平 台 组 成 。 下 平 台 固 定 在 基 础 上 , 借 助 C 只 液 压 缸 的 伸 缩 运 动 , 完 成 上 平 台 在 空 间 C 个 自 由 度 ( !、 、 # ! 、 、 # ) 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 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 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 中 水 平 的 标 志 性 象 征 。 国 外 某 大 型 液 压 公 司 的 总 部 大 厅 里 , 向 客 人 展 示 水 平 的 第 一 个 标 志 就 是 六 自 由 度 运 动 平 台 , 笔 者 认 为 , 六 自 由 度 运 动 平 台 是 液 压 及 控 制 技 术 领 域 的 皇 冠 级 产 品 , 掌 握 了 它 , 在 液 压 和 控 制 领 域 , 基 本 上 就 没 有 了 难 题 。 以 下 介 绍 它 的 开 发 过 程 。 传 统 的 伺 服 液 压 控 制 六 自 由 度 运 动 平 台 到 目 前 为 止 , 世 界 上 所 有 国 家 和 研 制 单 位 , 大 型 平 台 都 无 一 例 外 地 采 用 了 液 压 伺 服 控 制 系 统 。 国 内 以 几 所 名 牌 大 学 的 研 究 水 平 较 高 , 其 控 制 原 理 基 本 相 同 , 六 自 由 度 平 台 单 缸 控 制 框 图 如 图 ! 所 示 。 从 图 中 可 看 出 , 主 控 计 算 机 是 完 成 空 间 状 态 的 实 时 解 算 , 然 后 将 解 算 结 果 送 到 C 个 单 缸 控 制 器 , 经 数 H 模 转 换 后 送 给 伺 服 放 大 器 、 伺 服 阀 、 伺 服 缸 推 动 平 台 运 动 。 伺 服 缸 的 位 移 和 压 力 通 过 只 传 感 器 并 经 模 H数 转 换 后 送 给 计 算 机 , 完 成 闭 环 控 制 。 该 伺 服 系 统 最 大 的 难 点 是 传 递 环 节 多 、 控 制 过 于 复 杂 、 调 试 困 难 、 可 靠 性 差 、 伺 服 阀 抗 干 扰 、 抗 污 染 能 力 弱 、 故 障 率 高 , 因 而 国 内 尽 管 许 多 单 位 进 行 了 研 制 , 但 大 面 积 推 广 的 却 始 终 不 多 。 # 六 自 由 度 平 台 控 制 的 空 间 状 态 解 算 ( !) 顺 解 ( 顺 向 解 ) : 即 己 知 C 只 液 压 缸 的 长 度 , 求 解 平 台 姿 态 , 到 目 前 为 止 , 还 没 有 直 接 中 的 正 解 方 程 式 , 只 能 采 用 叠 代 方 法 , 利 用 计 算 机 快 速 运 算 的 特 点 和 收 稿 日 期 : BBF4BD4E 作 者 简 介 : 杨 世 祥 ( !AF ) , 男 , 重 庆 人 , 教 授 级 高 工 , 主 要 从 ! 事 数 字 液 压 技 术 的 开 发 研 究 和 推 广 应 用 工 作 。 开 启 压 力 ; 二 是 降 低 系 统 的 压 力 并 减 小 系 统 的 流 量 。 由 于 充 液 阀 的 预 卸 荷 阀 很 小 , 改 造 的 余 地 不 大 , 所 以 选 择 第 二 种 方 案 。 为 了 降 低 系 统 的 压 力 , 在 充 液 阀 的 控 制 油 路 中 安 装 了 一 个 节 流 阀 , 通 过 调 整 节 流 阀 来 降 低 压 力 , 实 践 证 明 , 这 种 方 法 是 可 行 有 效 的 。 $ 结 论 在 对 压 装 机 液 压 系 统 的 设 计 缺 陷 与 故 障 现 象 进 行 分 析 的 基 础 上 , 对 压 装 机 液 压 系 统 进 行 了 工 业 自 动 化 改 造 , 降 低 了 能 耗 并 缩 短 了 工 作 周 期 。 而 且 , 还 针 对 调 试 中 出 现 的 问 题 和 故 障 , 通 过 系 统 与 元 件 的 原 理 分 析 , 找 出 了 发 生 故 障 的 原 因 , 并 加 以 解 决 , 实 践 证 明 改 造 是 很 成 功 的 。 参 考 文 献 : ! 雷 天 觉 I新 编 液 压 工 程 手 册 J I北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 , !AAI 张 齐 生 , 王 智 勇 , 等 I充 液 阀 水 平 安 装 时 的 故 障 分 析 及 排 除 K I液 压 与 气 动 , BB( G) I CE 液 压 与 气 动 BBF 年 第 期 万方数据 图 ! 平 台 单 缸 控 制 方 框 图 上 铰 链 的 结 构 条 件 约 束 来 逼 近 求 解 平 台 姿 态 。 此 为 顺 解 。 ( !) 反 解 ( 逆 向 解 ) : 描 述 一 个 刚 体 在 空 间 旋 转 的 姿 势 , 最 常 使 用 的 方 法 是 定 义 个 欧 拉 角 来 表 达 , 当 刚 体 旋 转 至 某 一 姿 势 下 , 此 个 欧 拉 角 即 组 成 唯 一 的 旋 转 矩 阵 , 并 借 由 旋 转 矩 阵 做 坐 标 转 换 , 便 可 求 得 刚 体 的 绝 对 位 置 。 六 自 由 度 的 速 度 协 联 控 制 当 给 定 空 间 状 态 后 , 可 以 分 别 算 出 # 只 缸 的 不 同 长 度 , 为 了 让 平 台 上 的 液 压 缸 在 同 一 时 间 运 动 到 新 的 位 置 , # 只 缸 的 运 动 速 度 是 不 相 同 的 , 这 个 问 题 的 解 决 有 两 种 方 法 : 一 是 采 用 标 准 的 协 联 控 制 器 , 该 控 制 器 需 将 液 压 缸 的 运 动 长 度 数 值 送 入 , 控 制 器 能 按 所 要 求 的 时 间 , 自 动 分 配 # 只 缸 的 运 动 速 度 , 同 时 到 达 终 点 ; 第 二 种 方 法 是 自 己 编 制 运 动 速 度 方 程 , 采 用 长 度 的 最 小 公 倍 数 方 法 分 配 速 度 , 也 可 达 到 同 样 目 的 。 # 六 自 由 度 平 台 的 全 数 字 控 制 为 了 攻 克 六 自 由 度 运 动 平 台 的 应 用 难 关 , 北 京 亿 美 博 科 技 有 限 公 司 采 用 了 自 行 开 发 的 性 能 先 进 、 操 作 可 靠 的 新 型 数 字 液 压 缸 ( 已 纳 入 “ 十 五 ” 攻 关 和 国 家 重 点 新 产 品 项 目 ) , 作 为 # 只 控 制 缸 。 该 数 字 缸 取 消 了 传 统 控 制 中 的 伺 服 阀 、 传 感 器 、 $% )-:! 横 向 移 动 6 :-7 / 6 :- / 6 :-# /% 3 ; :-#! 纵 向 摆 动 6 :-# / 6 :- / 6 :-# /% 3 ; :-#! % 数 字 液 压 技 术 在 其 他 领 域 的 成 功 应 用 数 字 液 压 技 术 的 出 现 为 液 压 技 术 增 添 了 新 的 活 力 , 数 字 液 压 缸 与 专 门 配 套 研 制 的 数 字 控 制 器 相 配 合 , 几 乎 取 消 了 传 统 液 压 控 制 中 的 所 有 液 压 阀 件 和 控 制 元 件 , 它 抛 弃 了 传 统 的 阀 口 控 制 , 而 是 直 接 采 用 数 字 脉 冲 控 制 , 把 现 场 调 试 搬 到 了 办 公 室 , 几 乎 做 到 了 即 装 即 用 , 已 经 成 功 地 应 用 到 冶 金 、 机 械 、 水 电 、 国 防 军 工 等 一 系 列 疑 难 控 制 领 域 , 其 可 控 性 能 远 远 超 过 传 统 的 液 压 控 制 技 术 , 成 功 应 用 的 实 例 有 : 冶 金 领 域 中 的 钢 水 连 铸 结 晶 器 液 面 控 制 、 结 晶 器 液 压 非 正 弦 振 动 ( 均 列 入 过 国 家 攻 关 项 目 ) , 带 钢 厚 度 控 制 ( 微 米 级 精 度 ) ; 水 电 领 域 中 的 水 轮 机 调 速 控 制 ; 机 械 领 域 的 大 型 无 齿 锯 多 点 速 度 控 制 和 位 置 控 制 ; 军 工 领 域 的 大 型 导 弹 装 弹 机 构 的 多 缸 同 步 控 制 ( 任 意 多 缸 同 步 误 差 可 达 :!: 年 第 ( 期 液 压 与 气 动 万方数据 大型数字式六自由度运动平台的开发 作者: 杨世祥, 杨涛, 徐悦桐 作者单位: 北京亿美博科技有限公司,北京菜户营东街甲88号鹏润-文苑B座2906,100054 刊名: 液压与气动 英文刊名: CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS 年,卷(期): 2003(8) 被引用次数: 5次 本文读者也读过(7条) 1. 姜文刚.尚婕.李建华.邓志良.汪电明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由 度动感电影系统研制期刊论文-电气自动化2006,28(1) 2. 汪汉生 六自由度平台设计及控制方法研究学位论文2008 3. 李峰 自行车仿真器中力反馈技术的研究与实现学位论文2007 4. 许世林 动感环幕电影控制系统研究与设计学位论文2004 5. 甘红胜.殷跃红.刘伟伟.印松 虚拟环境中六维动感平台控制系统的设计期刊论文-机电工程2003,20(4) 6. 高峰 六自由度运动平台伺服系统研究学位论文2004 7. 张代义 舰船运动模拟器技术研究学位论文2005 引证文献(5条) 1.肖志权.邢继峰.彭利坤.朱石坚 数字式6-DOF运动平台运动不平稳现象分析期刊论文-机床与液压 2006(8) 2.袁鸿.盛英.苏勋家.仇原鹰 电液伺服Stewart平台激振系统仿真研究期刊论文-机床与液压 2009(2) 3.林砺宗.潘大亨.傅招国.倪小鹏 基于ADAMS的六自由度液压动感平台建模及运动学仿真期刊论文-机床与液压 2012(13) 4.杨启志.庄佳奇.尹小琴.谢俊.朱小兵.訾鹏飞 一种三自由度全柔性并联微动激振台的设计期刊论文-机械设计与研究 2011(4) 5.郭宏伟 三自由度重型摇摆试验台的设计与研究学位论文硕士 2005 本文链接: EC液压与气动BBF年第期! ! ! ! 度( 、 、 、 )的运动,从而可以模拟出各种空间 时解算,然后将解算结果送到 个单缸控制器,经数运动平台,笔者认为,六自由度运动平台是液压及控制压力,实践证明,这种方法是可行有效的。参考文献:结论在对压装机液压系统的设计缺陷与故障现象进行分析的基础上,对压装机液压系统进行了工业自动化 I万方数据大 型 数字 式 六 自 由 度 运 动 平 台 的 开 发杨世祥 ,杨 涛 ,徐悦桐#$% &%()*+%,- ). -$% &/0/-1( 2/34 &56 2-%718- 9(1-.)8+:1,0 2$/43/1,0 :1,0 #1) ; : 号鹏 润 ? 文苑 座 ABC !BBBDE 电话:B!B)CFFF!ACC)中图分类号:#9GF 文献标识码: 文章编号:!BBB4ED BBF B4BBEC4B( )! 概述 传统的伺服液压控制六自由度运动平台六自由度运动平台,由于有极为广阔的应用前景, 到目前为止,世界上所有国家和研制单位,大型平近几年,引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。六 台都无一例外地采用了液压伺服控制系统。国内以几自由度运动平台是由 C 只液压缸,上、下各 C 只万向铰 所名牌大学的研究水平较高,其控制原理基本相同,六链和上、下 个平台组成。下平台固定在基础上,借助 自由度平台单缸控制框图如图 ! 所示。C 只液压缸的伸缩运动,完成上平台在空间 C 个自由 从图中可看出,主控计算机是完成空间状态的实! #运动姿态,可广泛应用到各种训练模拟器,如飞行模拟 模转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟 动。伺服缸的位移和压力通过 只传感器并经模 H 数器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器,以 转换后送给计算机,完成闭环控制。该伺服系统最大及动感电影、娱乐设备等领域,甚至可用到空间宇宙飞 的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可靠船的对接,空中加油机的加油对接中。在加工业可制 性差、伺服阀抗干扰、抗污染能力弱、故障率高,因而国成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动 内尽管许多单位进行了研制,但大面积推广的却始终平台的研制涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感 不多。器,空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、 # 六自由度平台控制的空间状态解算动态仿真等一系列高科技领域,因而六自由度运动平 (!)顺解(顺向解):即己知 C 只液压缸的长度,求台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领 解平台姿态,到目前为止,还没有直接中的 正解方程域中水平的标志性象征。国外某大型液压公司的总部 式,只能采用叠代方法,利用计算机快速运算的特点和大厅里,向客人展示水平的第一个标志就是六自由度BBF4BD4E技术领域的皇冠级产 品,掌握了它,在液压和控 制领 作者简介 :杨世祥(!AF),男,重 庆人,教授级 高工,主要 从域,基本上就没有了难题。以下介绍它的开发过程。 事数字液压技术的开发研究和推广应用工作。!开启压力;二是降低系统的 压力并减小系统 的流量。 试中出现的问题和故障,通过系统与元件的原理分析,由于充液阀的预卸荷阀很小,改造的余地不大,所以选 找出了发生故障的原因,并加以解决,实践证明改造是择第二种方案。为了降低系统的压力,在充液阀的控 很成功的。制油路中安装了一个节流阀,通过调整节流阀来降低!AAI改造,降低了能耗并缩短了工作周期。而且,还针对调 除KI液压与气动,BB G( )I!:年第(期液压与气动图平台单缸控制方框图图$实际平台万方数据!上铰链的结构条件约束来逼近求解平台姿态。此为顺解。(!)反解(逆向解):描述一个刚体在空间旋转的姿势,最常使用的方法是定义 个欧拉角来表达,当刚体旋转至某一姿势下,此 个欧拉角即组成唯一的旋转矩阵,并借由旋转矩阵做坐标转换,便可求得刚体的绝对位置。 六自由度的速度协联控制当给定空间状态后,可以分别算出 # 只缸的不同长度,为了让平台上的液压缸在同一时间运动到新的位置,# 只缸的运动速度是不相同的,这个问题的解决有两种方法:一是采用标准的协联控制器,该控制器需将液压缸的运动长度数值送入,控制器能按所要求的时间,自动分配 # 只缸的运动速度,同时到达终点;第二种方法是自己编制运动速度方程,采用长度的最小公倍数方法分配速度,也可达到同样目的。# 六自由度平台的全数字控制为了攻克六自由度运动平台的应用难关,北京亿美博科技有限公司采用了自行开发的性能先进、操作可靠的新型数字液压缸(已纳入“十五”攻关和国家重点新产品项目),作为 # 只控制缸。该数字缸取消了传统控制中的伺服阀、传感器、$ % & 转换和 & % $ 转换等诸多环节,它是将传感器、数字阀等全部做到液压缸内部,形成自动位置反馈和速度反馈。数字缸可以直接接受计算机发出的数字脉冲信号进行可靠的工作。脉冲频率代表数字缸运动速度,脉冲总数代表数字缸运动行程,一一对应,将复杂的闭环控制变成了简单的开环控制。我们与某军事院校合作,联合开发了载重量 吨和 ( 吨的数字式六自由度运动平台,它的控制框图和实际平台图照片见图 )* 和图 !。比较图 )+ 和图 )* 可知,控制原理大大简化,不但系统响应速度加快,而且故障率也大为降低,可靠性得!以提高。整个六自由度运动平台无任何液压控制元件和传感器,系统构成十分简单。平台运动的录像可在,- +./.0.1- 12/ % 345 网站观看。它的性能指标如表 )所示。表 ! 性能指标自由度 位移(联合运动) 位移(单自由度) 速度 加速度6 7 8.9 6 : 8.9 6 !: 8.9% 3 6 7: 8.9 % 36 : 8.9 6 7 8.9 6 ! 8.9% 3 6 ): 8.9 % 3升降 6 :- #: / 6 : - #: / 6 : - : / % 3 ; ) - :!横向移动 6 : - 7 / 6 : - / 6 : - # / % 3 ; : - #!纵向摆动 6 : - # / 6 : - / 6 : - # / % 3 ; : - #!% 数字液压技术在其他领域的成功应用数字液压技术的出现 为液压技术增 添了新的活力,数字液压缸与专门配套研制的数字控制器相配合,几乎取消了传统液压控制中的所有液压阀件和控制元件,它抛弃了传统的阀口控制,而是直接采用数字脉冲控制,把现场调试搬到了办 公室,几乎做 到了即装即用,已经成功地应用到冶金、机械、水电、国防军工等一系列疑难控制领域,其可控性能远远超过传统的液压控制技术,成功应用的实例有:冶金领域中的钢水连铸结晶器液面控制、结晶器液压非正弦振动(均列入过国家攻关项目),带钢厚度控制(微米级精度);水电领域中的水轮机调速控制;机械领域的大型无齿锯多点速度控制和位置控制;军工领域的大型导弹装弹机构的多缸同步控制(任意多缸同步误差可达 :)= )、军舰舵机控制、减摇稽控制;模拟器领域的六自由度平台控制等一系列疑难控制,均取得了十分理想的效果。& 结论用数字技术代替传统的比例技术和伺服技术,用在六自由度平台和其他许多系统上,都取得了很好的结果,数字技术具有简单、可靠、方便、实用等一系列优点,特别适合恶劣的工作环境。 !刊名:大型数字式六自由度运动平台的开发作者: 杨世祥, 杨涛, 徐悦桐作者单位: 北京亿美博科技有限公司,北京菜户营东街甲88号鹏润-文苑B座2906,100054液压与气动英文刊名: CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS年,卷(期): 2003(8)被引用次数: 5次本文读者也读过(7条)1. 姜文刚.尚婕.李建华.邓志良.汪电明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由度动感电影系统研制期刊论文-电气自动化2006,28(1)2. 汪汉生 六自由度平台设计及控制方法研究学位论文20083. 李峰 自行车仿真器中力反馈技术的研究与实现学位论文20074. 许世林 动感环幕电影控制系统研究与设计学位论文20045. 甘红胜.殷跃红.刘伟伟.印松 虚拟环境中六维动感平台控制系统的设计期刊论文-机电工程2003,20(4)6. 高峰 六自由度运动平台伺服系统研究学位论文20047. 张代义 舰船运动模拟器技术研究学位论文2005引证文献(5条)1.肖志权.邢继峰.彭利坤.朱石坚 数字式6-DOF运动平台运动不平稳现象分析期刊论文-机床与液压 2006(8)2.袁鸿.盛英.苏勋家.仇原鹰 电液伺服Stewart平台激振系统仿真研究期刊论文-机床与液压 2009(2)3.林砺宗.潘大亨.傅招国.倪小鹏 基于ADAMS的六自由度液压动感平台建模及运动学仿真期刊论文-机床与液压2012(13)4.杨启志.庄佳奇.尹小琴.谢俊.朱小兵.訾鹏飞 一种三自由度全柔性并联微动激振台的设计期刊论文-机械设计与研究2011(4)5.郭宏伟 三自由度重型摇摆试验台的设计与研究学位论文硕士 2005本文链接:http:/d.wanfangdata.com.cn/Periodical_yyyqd200308020.aspx
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