CN106873520A - 一种数字式6-dof运动平台控制*** - Google Patents

一种数字式6-dof运动平台控制*** Download PDF

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Abstract

一种数字式6-DOF运动平台控制***，采用基于PCI总线的高性能六轴伺服/步进控制卡，和主控计算机构成了双CPU***。该模拟器的运动平台完全是一种“数字开环控制”，具有抗干扰能力强、对油液的精度要求低、调试维护简单的特点，通过优化的多任务调度软件实现了平台的正常运行和故障保护，达到了控制***的可靠性要求。

Description

一种数字式6-DOF运动平台控制***
所属技术领域
本发明涉及一种数字式6-DOF运动平台控制***，适用于机械领域。
背景技术
六自由度Stewart平台并联机器人机构有着极为广阔的应用前景，它可以应用于飞机、船舶、坦克等各种仿真训练的运动模拟器，以及地震模拟台、动感电影等，也可用到宇宙飞船、潜艇救生、空中加油机的对接装置中，还可作为并联运动机床、医用机器人、精确定位机构等。大型并联运动平台一般要承载较大惯量的负载，由于电动、气动的驱动力相对较小，故绝大部分采用的是电液伺服控制***，虽然液压驱动具有响应速度快和控制精度高等优点，但也普遍存在一些缺点，特别是对油液质量要求严格，精度等级高达14/11(IS04406)，***调试周期长，维护比较困难。而且采用模拟信号的电液伺服***，必须采用许多D/A,A/D接口元件，以及光电隔离、滤波等防比干扰的手段，这样使控制***变得复杂。
发明内容
本发明提出了一种数字式6-DOF运动平台控制***，该模拟器的运动平台完全是一种“数字开环控制”，具有抗干扰能力强、对油液的精度要求低、调试维护简单的特点，通过优化的多任务调度软件实现了平台的正常运行和故障保护，达到了控制***的可靠性要求。
本发明所采用的技术方案是：所述数字式运动平台由六自由度运动机构、平台运动控制***、油源及其控制***构成。六自由度运动机构有上下平台、数字液压缸、铰链连接装置等几部分，它是复现模拟器动作的运动机构。平台运动控制***是整个并联运动平台***的中枢，它由主控计算机、运动控制卡、数据采集卡、细分驱动器、操作控制而板等构成;为方便操作与管理，将这套控制***集成为一个工作站，在工作站的控制而板上有运行模式的选择旋钮、平台起停按钮、急停按钮、以及单自由度调试按钮和单缸调试按钮，并且油源的可视触摸屏也安装在左下方，可实现油源的远程监控。油源及其控制***由油泵、水泵、加热器、溢流阀、油源控制PLC、油源控制箱、可视触摸屏等构成，它可实现油压、油温的自动控制与调节。
所述主控计算机是整个控制***的核心，它通过网络通讯接收上位机的信息生成运动平台六自由度姿态信息(包括位移、速度、加速度)，经过洗出滤波算法，转化为运动平台的平动和转动位移，并经过并联机器人机构的运动学反解得到每个液压缸的缸长，后通过PCI总线传送到运动控制卡上，运动控制卡经过位置、速度的插补运算后，发送脉冲指令到细分驱动器上，由步进电机带动阀芯移动，最后通过液压作用变成液压缸所需的缸长，从而实时产生模拟仿真的运动姿态。同时主控计算机通过串口(RS485)和油源PLC通讯，实时监测油源的油压、油温、油位、过滤器是否堵塞等油源情况，并视情产生相应动作，如在油泵没有起动的条件下，平台运行初始化条件不满足，当按下平台起动按钮时液压缸不会动作，相反会提示操作者存在的问题。
所述采用基于PCI总线的高性能六轴伺服/步进控制卡，实际上和主控计算机构成了双CPU***，接收主控计算机的指令后，它能迅速进行位移、速度的插补计算，并发送脉冲值和脉冲频率去驱动对应的步进电机，保证在相同的时间内使6个液压缸平滑地伸长或缩短不同的距离。而该控制卡具有位置可变环形，可在运动中随时改变速度，可使用连续插补等先进功能也使运动平台的控制更加准确方便。
所述运动控制卡的位置管理采用两个加/减速计数器，一个是内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数器，一个用于接收外部脉冲的反馈输入。在实际使用时，通过控制卡的自带指令，可实时返回逻辑位置计数器值，也即液压缸的理想位置。而液压缸的内部反馈机构可以附带一个高精度的码盘编码器，可通过控制卡实时返回液压缸的实际位置，这可以有效监视液压缸的运动。但事实上，由于液压缸的合理设计，其位置跟踪能力非常强，所以这种外部脉冲反馈输入是完全可以去掉的，即对控制者而言完全是一种“数字开环控制，省去了位移传感器、力传感器、压力传感器和加速度传感器等众多传感器，以及由此带来的D/A,A/D转换和复杂的控制器参数调节装置。而且在细分驱动器上电的情况下，步进电机处于自锁状态，即除非有驱动脉冲的作用，在一般的干扰信号作用下它是不会动作的，所以***具有很强的抗干扰能力。
所述油源PLC主要实现油源***的逻辑控制和监视。平台运行准备阶段，可利用控制台上的可视触摸屏起动油泵，同时PLC根据油温的高低，决定是否起动冷却水泵还是起动加热器，即油温过高时水泵运行，油温过低时起动加热器进行加热。在***正常运行时，将油压、油温、油位、过滤器是否堵塞等油源情况，实时传送给可视触摸屏和主控计算机，这样在触摸屏和显示器上都可显示油源信息，即使在主控计算机死机的情况下，操作者在控制台也能清楚的查看油源运行情况。
所述逻辑控制和保护功能主要是通过数字I/0采集卡和运动控制卡上的I/0口，管理运动控制及其附属设备之间的所有I/0操作，通过I/0接口采集***所有模拟转换和开关状态，在线监测***的运行状态，并进行故障分析和处理，通过安全保护模块对平台实施相应的保护动作。安全保护模块共设置了近30种故障，根据故障的种类和可能造成的危险，分为3个处理级别，分别是:报警、回复中性位置(6个液压缸均伸长行程的一半)、紧急退出。“报警”是***监测到一种非正常的但暂时不会对***造成太大影响的状态，此时通过控制软件发出声光报警，提示操作者采取相应措施消除之；“回复中性位置”是***监测到非致命的故障，则安全保护模块关闭正常的运动请求，直接控制平台回复到中性位置，并待机，直到故障消除；而“紧急退出”是***遇到停电、失压、油泵急停、大泄漏等危险情况时，安全保护模块使平台在任何位姿都能紧急回复初始零位。
本发明的有益效果是：该模拟器的运动平台完全是一种“数字开环控制”，具有抗干扰能力强、对油液的精度要求低、调试维护简单的特点，通过优化的多任务调度软件实现了平台的正常运行和故障保护，达到了控制***的可靠性要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的运动平台控制***框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，数字式运动平台由六自由度运动机构、平台运动控制***、油源及其控制***构成。六自由度运动机构有上下平台、数字液压缸、铰链连接装置等几部分，它是复现模拟器动作的运动机构。平台运动控制***是整个并联运动平台***的中枢，它由主控计算机、运动控制卡、数据采集卡、细分驱动器、操作控制而板等构成;为方便操作与管理，将这套控制***集成为一个工作站，在工作站的控制而板上有运行模式的选择旋钮、平台起停按钮、急停按钮、以及单自由度调试按钮和单缸调试按钮，并且油源的可视触摸屏也安装在左下方，可实现油源的远程监控。油源及其控制***由油泵、水泵、加热器、溢流阀、油源控制PLC、油源控制箱、可视触摸屏等构成，它可实现油压、油温的自动控制与调节。
主控计算机是整个控制***的核心，它通过网络通讯接收上位机的信息生成运动平台六自由度姿态信息(包括位移、速度、加速度)，经过洗出滤波算法，转化为运动平台的平动和转动位移，并经过并联机器人机构的运动学反解得到每个液压缸的缸长，后通过PCI总线传送到运动控制卡上，运动控制卡经过位置、速度的插补运算后，发送脉冲指令到细分驱动器上，由步进电机带动阀芯移动，最后通过液压作用变成液压缸所需的缸长，从而实时产生模拟仿真的运动姿态。同时主控计算机通过串口(RS485)和油源PLC通讯，实时监测油源的油压、油温、油位、过滤器是否堵塞等油源情况，并视情产生相应动作，如在油泵没有起动的条件下，平台运行初始化条件不满足，当按下平台起动按钮时液压缸不会动作，相反会提示操作者存在的问题。
采用基于PCI总线的高性能六轴伺服/步进控制卡，实际上和主控计算机构成了双CPU***，接收主控计算机的指令后，它能迅速进行位移、速度的插补计算，并发送脉冲值和脉冲频率去驱动对应的步进电机，保证在相同的时间内使6个液压缸平滑地伸长或缩短不同的距离。而该控制卡具有位置可变环形，可在运动中随时改变速度，可使用连续插补等先进功能也使运动平台的控制更加准确方便。
运动控制卡的位置管理采用两个加/减速计数器，一个是内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数器，一个用于接收外部脉冲的反馈输入。在实际使用时，通过控制卡的自带指令，可实时返回逻辑位置计数器值，也即液压缸的理想位置。而液压缸的内部反馈机构可以附带一个高精度的码盘编码器，可通过控制卡实时返回液压缸的实际位置，这可以有效监视液压缸的运动。但事实上，由于液压缸的合理设计，其位置跟踪能力非常强，所以这种外部脉冲反馈输入是完全可以去掉的，即对控制者而言完全是一种“数字开环控制，省去了位移传感器、力传感器、压力传感器和加速度传感器等众多传感器，以及由此带来的D/A,A/D转换和复杂的控制器参数调节装置。而且在细分驱动器上电的情况下，步进电机处于自锁状态，即除非有驱动脉冲的作用，在一般的干扰信号作用下它是不会动作的，所以***具有很强的抗干扰能力。
油源PLC主要实现油源***的逻辑控制和监视。平台运行准备阶段，可利用控制台上的可视触摸屏起动油泵，同时PLC根据油温的高低，决定是否起动冷却水泵还是起动加热器，即油温过高时水泵运行，油温过低时起动加热器进行加热。在***正常运行时，将油压、油温、油位、过滤器是否堵塞等油源情况，实时传送给可视触摸屏和主控计算机，这样在触摸屏和显示器上都可显示油源信息，即使在主控计算机死机的情况下，操作者在控制台也能清楚的查看油源运行情况。
为使平台在主控计算机死机等严重故障中安全回复到零位，专门设计了脉冲发生器，其原理是利用定时器在相同的时间间隔内产生一定频率的脉冲，利用此脉冲可手动调试每个数字缸的动作，除在主控计算机死机时起到保护作用外，也极大地方便了平台的安装和调试。脉冲发生器和主控计算机构成的冗余控制***，保证了平台上操纵设备和人员的安全。3数字式运动平台控制软件在VC++编程环境中开发，并综合运用了多媒体定时器、普通定时器，以及多线程编程技术，实现了平台控制的多任务调度。该软件包括运动学反解模块、洗出滤波算法模块、内控模块、自检模块、外控模块、逻辑控制模块、安全保护模块、平台起停模块、实时动态显示模块等部分。其中洗出滤波算法利用Matlab工具箱编制，使其在后台运行，通过动态链接库调用。
因为不同的需要，将运行方式设置为三种模式：自检、内控、外控。自检时平台作单自由度正弦运动，用于***运行前的检查。内控可以进行单自由度调试，此时可通过“单自由度调节按钮”控制平台作单自由度正或反方向运动。外控是平台的主要工作方式，此时平台通过网络通讯接收上位机的运动信号，自动跟随上位机输出信号运动。
逻辑控制和保护功能主要是通过数字I/0采集卡和运动控制卡上的I/0口，管理运动控制及其附属设备之间的所有I/0操作，通过I/0接口采集***所有模拟转换和开关状态，在线监测***的运行状态，并进行故障分析和处理，通过安全保护模块对平台实施相应的保护动作。安全保护模块共设置了近30种故障，根据故障的种类和可能造成的危险，分为3个处理级别，分别是:报警、回复中性位置(6个液压缸均伸长行程的一半)、紧急退出。“报警”是***监测到一种非正常的但暂时不会对***造成太大影响的状态，此时通过控制软件发出声光报警，提示操作者采取相应措施消除之；“回复中性位置”是***监测到非致命的故障，则安全保护模块关闭正常的运动请求，直接控制平台回复到中性位置，并待机，直到故障消除；而“紧急退出”是***遇到停电、失压、油泵急停、大泄漏等危险情况时，安全保护模块使平台在任何位姿都能紧急回复初始零位。

Claims (6)

1.一种数字式6-DOF运动平台控制***，其特征是：所述数字式运动平台由六自由度运动机构、平台运动控制***、油源及其控制***构成。
2.根据权利要求1所述的一种数字式6-DOF运动平台控制***，其特征是：所述主控计算机是整个控制***的核心，它通过网络通讯接收上位机的信息生成运动平台六自由度姿态信息(包括位移、速度、加速度)。
3.根据权利要求1所述的一种数字式6-DOF运动平台控制***，其特征是：所述采用基于PCI总线的高性能六轴伺服/步进控制卡，实际上和主控计算机构成了双CPU***，接收主控计算机的指令后，它能迅速进行位移、速度的插补计算，并发送脉冲值和脉冲频率去驱动对应的步进电机，保证在相同的时间内使6个液压缸平滑地伸长或缩短不同的距离。
4.根据权利要求1所述的一种数字式6-DOF运动平台控制***，其特征是：所述运动控制卡的位置管理采用两个加/减速计数器，一个是内部管理驱动脉冲输出的逻辑位置计数器，一个用于接收外部脉冲的反馈输入。
5.根据权利要求1所述的一种数字式6-DOF运动平台控制***，其特征是：所述油源PLC主要实现油源***的逻辑控制和监视，平台运行准备阶段，可利用控制台上的可视触摸屏起动油泵，同时PLC根据油温的高低，决定是否起动冷却水泵还是起动加热器，即油温过高时水泵运行，油温过低时起动加热器进行加热。
6.根据权利要求1所述的一种数字式6-DOF运动平台控制***，其特征是：所述逻辑控制和保护功能主要是通过数字I/0采集卡和运动控制卡上的I/0口，管理运动控制及其附属设备之间的所有I/0操作，通过I/0接口采集***所有模拟转换和开关状态，在线监测***的运行状态，并进行故障分析和处理，通过安全保护模块对平台实施相应的保护动作。
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