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ART TEST DYNAMICS

六自由度平台解决方案

1.设备简介

本系统主要由以下部分组成:上平台、下平台(基座)、电动缸、伺服电机、伺服驱动器系统、传感器测量系统、平台上方座椅踏板连杆伸缩机构及电气控制系统、平台左右两边通道的伸缩机构及电气控制系统、姿态运算系统、控制系统以及监测系统组成

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左右倾斜角度

 

 

 

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前后倾斜角度图片4

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垂直升降高度

 

 

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扭转角度

 

 

 

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(初始位置)

前后平移姿态

1.1动感平台

动感平台主要由下框架、上框架、电动缸、等组成。

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  1. 主要参数

1.1平台主要参数

  1. 平台总体参数自由度                   6DOF
  2. 有效负荷                            100 kg
  3. 垂直升降                          100mm
  4. 平台最低高度:                       295mm
  5. 平台最高高度:                       850mm
  6. 电缸           ACEC-80-100
  7. 形式           折返式
  8. 丝杆导程(mm)        5mm
  9. 限位开关           2,NPN, 常开
  10. 电动缸行程           100mm

1.2平台伺服电机参数

  1. 额定转速:3000rpm
  2. 电机额定功率:1kW*6

1.3主体结构及材料构成

1)平台结构组成:上框架,下框架,6个铰接件,6个伺服电机,6根电缸

2)原材料的选择:6个铰接件选用标准品可承受2吨压力;上下框架的四周主体结构选用50*30*2.5mm的矩形方管,内部链接的方管为50*30*2.5mm的矩形方管,材质为Q235A

  1. 代码部分

2.1 代码实现
  在运动的设备上,加装方向传感器、速度传感器、陀螺仪等实时监测运动设备运动姿态的装置,我司软件接收来自这些装置发送的数据命令,并通过自带的算法进行实时反解,通过Can总线的方式,将反解得到的平台运动命令反馈给Can型控制板卡,通过控制板让六自由度动感平台实现上部的自平衡。

2.2 部分代码实现图片9

  1. 控制部分

3.1概述

该并联机构的6个支撑为6个电动缸。三自由度运动平台在控制系统检测和控制下运行。并将控制信号下达给实时控制计算机。计算机控制系统通过位置-缸长解算,通过驱动伺服电机改变电动缸缸长,以实现运动平台的三个自由度的运动,即笛卡尔坐标系内的3个平移运动和绕3个坐标轴的转动。

现简述系统控制原理。来自上位机平台姿态的状态信号(3个位移量XYZ和俯仰角α,倾侧角β,扭转γ),经过下位机计算机通讯接口进入计算机运算,并经D/A转换成6台伺服缸的指令信号通过伺服控制,从而求得采样时刻运动平台在空间的实际姿态(3个位移量,3个转角),通过编码器反馈信号的解算,经高速采集至计算机完成计算,并实施数字式闭环控制。6台电动缸同时协调动作构成平台运动的瞬时姿态。

平台控制系统采用全数字伺服控制系统,根据姿态指令,运用平台反解解出6只电动缸的伸长量,通过总线传递给驱动器,由驱动器内部 PC 得到信息并驱动电动机转动,电动缸按照指令伸缩,平台亦运行到水平姿态。而安装在电动机上的编码器实时检测出电动机的力矩,速度,位置信息并发送到驱动器,构成闭环控制系统,以实时精确地控制各电动缸的伸长量,同时信息传输给微型控制器,微型控制器通过计算确保三只电动缸的协调动作以及控制精度。

3.2 运动控制系统组成

南京灵境自动化的电动三自由度平台运动控制系统,采用上位控制器PC+运动控制卡的形式,基于东菱的DMCNET高速运动控制协议,以其A01运动控制卡为核心,整合ASDA-B2伺服驱动器马达、GA01网关模组、GE16集合式数字量输入输出模组、GE01PI脉冲输出模组等一系列运动控制产品,构成完整的运动平台控制解决方案。可以提供高速精准的运动控制。提供高速稳定、控制精准的摇摆仿真技术应用。

DMCNET(Delta Motion Control Network),简称DMC Net,是一种工业自动化标准运动控制协议。DMCNET通信速率高达20Mbps,最远通信距离可达30米。同时采用双路不同CRC校验码进行通信,极大地提高了通信的可靠度和稳定性。

3.3性能指标

  1. 可通过上位机的各种命令和参数标定。使用RS232的通讯接口,用户可通过接口调节控制参数(需要配合标定软件),用于调节平台运动的速度/柔和度
  2. 产品支持欧拉角和四元数的通讯协议
  3. 控制器进一步增加了系统容错能力,能够实时检测各传感器状态,当任意关键传感器损坏时,控制器会自动冻结控制输出,避免出现非法具有破坏性的误动作,为工程师的设备维护提供了帮助
  4. 所有输出均具有硬件保护电路
  5. 控制软件采用了智能的模糊神经网络控制算法。控制器即使在复杂的控制条件下,仍然能够保证闭环控制周期小于10ms
  6. 控制器具有保护算法,当超出平台运动范围的指令给出时会发出报警信号并进行运动限制
  7. 控制能自动判断识别非法命令,避免设备误动作
  8. 实现伺服电机驱动器的基本启停控制和状态监视

3.4 电气控制系统

综合控制监测系统:硬件为用户计算机,软件为研制方配合开发;同时,它还对平台的运动过程进行监测,预防和处理系统的异常情况。

运动控制卡采用本公司的电动平台控制板LJ3D-5.3版本。

3.5 伺服电机和驱动器系统

驱动器系统:接收用户控制指令,通过控制伺服电机的输入,对伺服电机的输出转速和转角进行控制,达到控制电动缸活塞杆出速度和行程的目的,共 6 套。

方法,通过速度反馈,力矩反馈及位置反馈监控,控制电机的高精度运行。该系统在硬件的快速拆装性、控制的精确性和安全性,以及通讯协议的兼容性等方面都有了跨越式的进步,其中向导式操作和图形化界面可以大大方便用户编程和调试。此外,伺服系统的模块化设计,也使现场总线协议、存储器容量和安全级别的选择更加灵活。高度的模块化还为将来的升级提供了保证。

3.6 计算机软件控制系统

  1. 运动控制器是通过串口与用户控制操作计算机连接,控制器提供上位机应用函数接口,便于第三方应用软件连接。
  2. 控制系统采用上、下位机控制模式:上位机(即监控计算机,由用户提供)用于状态监控、信号接收与处理、运动指令下达;下位机(微型控制器)为伺服电机运动控制系统,用于接收上位机位移指令,并快速执行位移动作;控制软件包括上位机软件和下
  3. 位机软件两部分:

上位机软件:上位机软件基于实时操作系统设计,主要进行运动指令的发送以及系统状态的监控,主要由运动控制模块、通讯模块、检测程序模块、用户接口(API)等组成;上位机控制软件对用户具有开放性,用户可进行升级及二次开发;

下位机软件:下位机软件基于嵌入式操作系统设计,主要进行平台模型运算。三支电动缸执行位移命令,采用独立驱动方式,且单支缸运动控制方式为闭环控制,以保证

  1. 运动精度。下位机软件被封装于微型控制器中,对用户不开放。

3.7软件系统架构

软件系统分图形界面、路径优化、运动指令转换、运动执行、状态监视和系统配置等模块。

  1. 图形界面是人机沟通的接口,通过图形化显示,提供了直观便捷的设备操作方式,并对设备运行的信息进行实时回馈。
  2. 路径优化,将解析后的路径,通过数学运算,进行优化,以减少xyz轴的不必要运动,提高设备效率。
  3. 运动指令转换,将优化后的命令转变成运动控制系统的运动命令,命令执行系统进行相应的点到点,直线插补,圆弧插补,速度运动等。
  4. 运动执行,运动控制卡对运动指令进行解析,透过DMCNET协议,控制伺服驱动器,输入输出模组等子站动作。
  5. 状态监视,实时监控设备的整体运行状态,即时获取异常讯息,通过图形界面告知操作者。
  6. 系统配置,管理整个系统的所有参数,如伺服加减速时间,最大速度,输入输出模块的初始状态等。

3.8软件控制指标

运动控制器是通过串口与用户控制操作计算机连接,控制器提供上位机应用函数接口,便于第三方应用软件连接。

性能指标:

  1. 提供数据接口用于实时显示系统工作状态,伺服电机起停等
  2. 提供数据接口用于实时显示六自由度平台工作状态,当前电缸位移、模拟运动坐标、模拟运动速度等
  3. 提供数据接口为了平台能够更加安全可靠的运行,控制器设置了平台归位和初始化程序,使得平台在任意工况下能够顺利的回到安全状态。

配置及参数性能指标

  1. 提供数据接口用于实时显示系统工作状态,电机起停等
  2. 提供数据接口用于实时显示六自由度平台工作状态,当前电缸位移、模拟运动坐标、模拟运动速度等
  3. 提供数据接口为了平台能够更加安全可靠的运行,控制器设置了平台归位和初始化程序,使得平台在任意工况下能够顺利的回到安全状态

通讯接口

参见《南京灵境自动化科技有限公司运动平台控制板_六自由度姿态_通讯协议.pdf》。

控制方式和故障处理

在平台的控制方式中主要有原点搜索(REFERENCE)、绝对位置定位(ABS)和点动控制(JOG)几种方式。其中,

  1. 点动控制(JOG)用于平台测试时的手动调试,在正常运行中将被禁止使用;
  2. 原点搜索(REFERENCE)用于建立各轴运动的坐标原点;
  3. 绝对位置定位(ASS)用于在原点建立后完成运动定位。
  4. 由于各轴有着相同的基本运动方式,在编写控制程序时可以采用相同的程序结构。按照功能的不同将程序划分为4个模块:初始化、通信校验、运动控制及故障处理。在初始化中,程序回到初始状态,各参数恢复到初始值;通信校验中,对从上位机接受到的命令进行校验,并对错误命令进行处理;运动控制包括上述三种基本运动方式的实现;故障处理中对运行过程中发生的故障进行处理。
  5. 平台的运动控制系统,具有架构完善、高速通信、控制精准、配线简单和维护方便等诸多优点。应用于电动六自由度平台设备,可以方便系统的整体规划配置,极大提高设备的整理运行效能。

3.9 安全功能

  1. 系统设计安全系数:机械设计安全系数不小于 3.0,驱动裕度不小于 3.0
  2. 电气安全特性:电源波动±20%或突然断电,平台系统能不受损坏,恢复供电重新启动后保证可正常工作。

3.10 可靠性和可维修性

  1. 平台系统一次连续工作时间不低于 48 小时。
  2. 使用寿命不小于 10000 小时。
  3. 平均无故障时间 MTBF2200 小时。
  4. 平均维修时间 MTBF<4 小时。

3.11 供电条件要求

  1. 单相 220VAC,波动范围:-10%~+10%
  2. 容量 50KVA
  1. 质量保证与售后服务、培训及其它服务

4.1 售后服务及保障能力

我公司具有多年从事伺服系统的理论基础和生产经验,在产品生产过程中,作到精心设计、精心施工、精心调试,设备的关键部件采用进口件,国内件也选用质量好的元器件。这就保证我公司的产品具有好的质量。

质保期为自全部设备现场测试合格交货后12个月,公司会在在产品的全寿命期提供良好服务。凡质保期内正常使用产生的故障,我方免费维修、更换零部件;对其它原因造成的器件损坏,我公司也本着负责任态度进行维修,收取合理价格。保修期过后,以优惠价格收取工本费。

4.2 用户培训及二次开发说明

我公司负责对用户的有关人员(具有计算机、机械、电气基本知识)针对交付的设备进行技术培训,使上述人员正确掌握设备的操作、运行及维修方法。

平台交付后,按用户需要,辅助用户对平台指令、平台软件接口等进行二次开发,下位机通讯采用 UDP/IP 协议或者 485 串口协议,需供货方与用户最终商议确定。

4.3 软件升级服务

控制软件采用先进面向对象的模块化设计方式,软件功能设计模块化,可快速替换及升级。

在平台保质期内,承诺平台软件功能免费升级。对用户提出新功能、新要求,经双方协商可行性及方案后,尽快完成。

4.4硬件升级服务

控平台中大量的硬件采用通用接口的模块化设计,相关硬件便于升级设计,可快速维护及升级。

  1. 运输、安装及验收
  1. 乙方负责在乙方厂区进行出厂安装及调试,并提供相应的检测报告。
  2. 乙方负责将设备运至甲方安装现场,安装并配合甲方进行调试,需甲方提供必要配合,如水、电等。
  3. 设备安装调试完成后,由甲方组织设备功能的终验收。
  4. 预验收标准依据合同、技术协议规定的各项条款进行验收。
  5. 根据合同及技术协议检查各系统的供货是否与合同相符。
  6. 根据合同及技术协议检查主要机械、性能、技术参数等是否与合同相符。
  7. 终验收以前设备应经过试运行,如果发生故障,试运行应重新进行。
  8. 终验收标准按技术协议及合同规定的各项条款进行验收。