基于電動機(jī)驅(qū)動的六自由度平臺設(shè)計

1、基于電動機(jī)驅(qū)動的六自由度平臺設(shè)計摘要：六自由度并聯(lián)運動平臺具有剛度大，便于實時控制，精度高，誤差小，承載能力大等優(yōu)點,是近幾十年發(fā)展起來的新型產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，汽車制造領(lǐng)域，船舶，醫(yī)療診斷，生物工程及民用娛樂等領(lǐng)域逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。近些年來,對于六自由度并聯(lián)運動平臺實時控制方法的研究引起了世界上眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注,大多采用液壓驅(qū)動為主，但對于要求反應(yīng)快，動作靈敏的控制平臺，液壓控制系統(tǒng)無法達(dá)到要求，使用電動機(jī)驅(qū)動平臺，可以解決此問題。關(guān)鍵詞：六自由度平臺，實時控制，電動機(jī)1 緒論1.1 引言并聯(lián)六自由度平臺是具有重大經(jīng)濟(jì)價值和國防戰(zhàn)略意義的高精尖實驗設(shè)備，是一種以計算機(jī)

2、技術(shù)、控制理論、空間機(jī)構(gòu)學(xué)、圖像處理和人機(jī)工程學(xué)為基礎(chǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)。最早的空間六自由度并聯(lián)機(jī)器人是1965年D. Stewart提出并研制的,也稱為6-SPS機(jī)構(gòu)，即著名的Stewart平臺機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的串聯(lián)式多自由度運動機(jī)構(gòu)相比,它具有承載能力強(qiáng),剛度好,無積累誤差,精度高等優(yōu)點。根據(jù)上、下各六個萬向絞相對分布的不同,該機(jī)構(gòu)可分為多種類型,其運動學(xué)已有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。進(jìn)入80年代特別是90年代以來,六自由度運動平臺越來越廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、空間對接計術(shù)、航空航海設(shè)備、搖擺模擬以及娛樂設(shè)施上。目前我國的六自由度平臺設(shè)計水平和制造水平與西方發(fā)達(dá)國家相比差距還是相當(dāng)大,對六自由度平臺控

3、制理論、控制系統(tǒng)與技術(shù)研究的這些領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵課題所做的工作還很粗淺。因此對六自由度的關(guān)鍵組成部分進(jìn)行深入的理論分析和實驗研究,盡快研制出性能優(yōu)良的六自由度平臺,提高我國的仿真技術(shù)水平,具有重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。六自由度運動平臺是用于飛行器、運動器（如飛機(jī)、車輛）模擬訓(xùn)練的動感模擬裝置，是一種并聯(lián)運動機(jī)構(gòu)，它通過改變六個可以伸縮的作動筒來實現(xiàn)平臺的空間六自由度運動（垂直向、橫向、縱向、俯仰、滾轉(zhuǎn)、搖擺），即X、Y、Z方向的平移和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動，以及這些自由度的復(fù)合運動。1.2 六自由度平臺的結(jié)構(gòu)簡介并聯(lián)式六自由度電動平臺,簡稱六自由度平臺。如圖1-1所示,它主要由下平臺臺基、上

4、運動平臺、12個鉸(球鉸或萬向鉸)及6個電動推桿組成,其中電動推桿通過萬向絞鉸以并聯(lián)的方式將上運動平臺和下平臺臺基連接起來,成為一體。這樣的機(jī)構(gòu)在并聯(lián)式多自由度機(jī)械裝置研究中,又常常被稱為stewart平臺。電圖1-1 Stewart機(jī)構(gòu)簡圖動機(jī)驅(qū)動推桿的伸長長度和收縮長度,驅(qū)動六根推桿沿其方向伸縮作線性移動。通過六個電動推桿的協(xié)調(diào)動作,上運動平臺能夠靈活地實現(xiàn)六個自由度的運動,三個線性移動及三個轉(zhuǎn)動,即一個剛體在空間的全自由動。因此,六自由度平臺也可以看作是一種并聯(lián)式的機(jī)器人。與應(yīng)用廣泛、十分常見的六自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比,六自由度平臺不夠靈活,表明其靈活度的上運動平臺三維轉(zhuǎn)動的活動范圍一般小,

5、而且角度最大也達(dá)不到90。運動空間也不夠大,僅是其上方的一個厚度不算大的空間,但它同時具有以下十分突出的優(yōu)點：Ø 剛度大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這是由于上運動平臺經(jīng)由6個電動推桿的支撐；Ø 誤差小,位姿精度高。因為沒有串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差累積和放大；Ø 力性能好。串聯(lián)式機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電動機(jī)及傳動系統(tǒng)大都放在運動著的大臂上,增加了系統(tǒng)的慣性,惡化了動力性能,六自由度平臺將動力源放在機(jī)座上,減小了運動負(fù)載；Ø 反解容易。多自由度機(jī)構(gòu)運動過程中,需要進(jìn)行實時反解計算。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的反解十分困難,而對于并聯(lián)式機(jī)構(gòu),六自由度平臺的反解非常容易。因此作為一種并聯(lián)式的六自由度平臺,與串聯(lián)式機(jī)構(gòu)

6、形成鮮明的對比,它們在結(jié)構(gòu)和性能特點上是對偶關(guān)系,在應(yīng)用上不是替代作用,而是互補(bǔ)關(guān)系。六自由度平臺的出現(xiàn),擴(kuò)大了很多機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。1.3 Stewart機(jī)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用1.3.1 Stewart機(jī)構(gòu)的發(fā)展Stewart 于 1965 年在他的論文 A Platform With 6 Degrees of Freedom 中提出六自由度平臺的概念，由于其自身的優(yōu)點，一經(jīng)提出便在業(yè)界引起了轟動。不久，Cappel 便發(fā)明了第一架基于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的飛行模擬器。1972 年 Minskey 提出將六自由度平臺用于操作裝置的運動結(jié)構(gòu)。圖 1-2 所示為荷蘭Delft 大學(xué)研制的用于訓(xùn)練飛行員的飛行

7、模擬器。1978 年澳大利亞的教授 Hunt 提出可以將六自由度平臺應(yīng)用到并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，但是并沒用得到足夠重視； 圖1-2 Delft大學(xué)飛行模擬器1986 年 Marconi 設(shè)計了第一臺商用六自由度并聯(lián)操作裝置GADEFLY；1987 年 Pierrot 等人提出了一種空間六自由度并聯(lián)機(jī)器人 HEXA，作為三自由度并聯(lián)機(jī)器人 DELTA 的擴(kuò)展，并在日本制造出了實驗室樣機(jī)。20 世紀(jì) 80 年代中期，六自由度平臺在空間交會對接(RVD)仿真技術(shù)方面得到了應(yīng)用，應(yīng)用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行 RVD 仿真的國家有美國、俄羅斯、日本等國家和機(jī)構(gòu)，我國目前也正在進(jìn)行該方面的研究工作。1994 年在美國芝加哥

8、國際機(jī)床展覽會上，Giddings &Lewis 公司展出了第一臺利用 Stewart 平臺機(jī)構(gòu)的虛擬軸機(jī)床，引起廣泛關(guān)注，被為“21 世紀(jì)的機(jī)床”，它是一臺以六自由度平臺為基礎(chǔ)的五坐標(biāo)立式加工中心。1999年，德國波鴻魯爾大學(xué)天文研究所欲卡爾蔡司光學(xué)公司合作建造成功了一臺基于六自由度平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)的大型天文望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡在 2000 年的漢諾威世界博覽會上展出時引起天文界的廣泛關(guān)注。2001 年日本大隈株式會社推出了基于六自由度平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 PM-600 型立式加工中心。我國最早為了民航飛行員的培訓(xùn)，于 1975 年引進(jìn)了波音 707 的飛行模擬器；1988年引進(jìn)了 MD-82 飛

9、行模擬器；1992 年引進(jìn)波音 737 和 757 飛行模擬器。此外，1984 年北京航空模擬器技術(shù)聯(lián)合開發(fā)公司開始研制六自由度平臺系統(tǒng)，并于1987 年研制成功；1994 年燕山大學(xué)研制成功機(jī)器人位置補(bǔ)償器用于補(bǔ)償串聯(lián)機(jī)器人手臂誤差；1998 年清華大學(xué)與天津大學(xué)合作研制出六自由度機(jī)床樣機(jī) VAMITY，2000 年華中科技大學(xué)為中船重工 707 研究所研制出六自由度潛艇模擬器。1.3.2 Stewart機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1979年 MaeCallion 根據(jù) Stewart機(jī)構(gòu)設(shè)計出第一架作為機(jī)械手臂的并聯(lián)機(jī)器人,將其用于自動化裝配上,此后 Stewart機(jī)構(gòu),又被稱為并聯(lián)機(jī)器人。 Stewart

10、機(jī)構(gòu)在大功率裝配機(jī)器人、步行機(jī)器人、機(jī)器人手腕等方面得到進(jìn)一步的發(fā)展。Stewart機(jī)構(gòu)進(jìn)一步的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到機(jī)床方面,即所謂的并聯(lián)機(jī)床,但不論是并聯(lián)機(jī)器人還是并聯(lián)機(jī)床,要實現(xiàn)運動精確伺服控制是非常困難的,主要難點在于Stewart機(jī)構(gòu)在運動學(xué)、動力學(xué)極其控制方面蘊涵的復(fù)雜性和大量的計算。進(jìn)入到上世紀(jì)80年代末以后,計算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展為解決Stewart機(jī)構(gòu)諸多難點提供了強(qiáng)有力的支持,對Stewart機(jī)構(gòu)的研究和研究進(jìn)入了一個新的時期。以下列舉了一些Stewalt機(jī)構(gòu)的應(yīng)用案例。1. 六自由度的飛行模擬器并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以做空間的復(fù)雜運動，從而模擬各種運動姿勢，可以模擬空間的任意運動。所以并聯(lián)

11、機(jī)構(gòu)最早就被應(yīng)用于各種運動模擬器，主要應(yīng)用于訓(xùn)練、研究、開發(fā)和娛樂等方面。飛行模擬器的制造和應(yīng)用一方面是技術(shù)水平的反映,另一方面也具有極高的軍事和經(jīng)濟(jì)意義。在國防軍事上,隨著高新技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)代化武器裝備技術(shù)先進(jìn)、價格昂貴的特點越來越突出。一架先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)造價昂貴,如果全部實裝訓(xùn)練,不僅耗資巨大,同時也大大縮短了戰(zhàn)機(jī)的壽命。為解決這一難題,許多發(fā)達(dá)國家采取花巨資研制模擬器的對策,并規(guī)定,凡裝備新武器,必須裝備相應(yīng)的模擬器。美國于20世紀(jì)40年代就研制出了第一臺飛行模擬器。在民用領(lǐng)域方面的情況也是如此。70年代初,美國NASA等研究中心公布了6一DOF并聯(lián)式平臺的研究成果,相繼出現(xiàn)了

12、6一DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動平臺的飛行模擬器，如圖1-3。例如波音707、737、757和777等飛行模擬器；以及各種汽車、輪船、潛艇駕駛訓(xùn)練模擬器；利用訓(xùn)練模擬器來訓(xùn)練駕駛員，可以大大節(jié)省了訓(xùn)練的成本，提高了訓(xùn)練的安全性，并且不會受到場地和氣候等因素的限制；還可以應(yīng)用于娛樂設(shè)施，例如動感電影的三維座位裝置、航海體驗館、太空穿梭機(jī)、六自由度UFO體感模擬器等等。圖1-3 Steward飛行模擬器2. 電磁跟蹤定位系統(tǒng)六自由度電磁跟蹤定位系統(tǒng)是一種新型的跟蹤定位裝（圖1-4）,可實時地確定目標(biāo)的6個參數(shù),其中,3個為目標(biāo)位置參數(shù),3個為目標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)目前已在機(jī)載火控系統(tǒng)、精密醫(yī)療器械中獲得應(yīng)用,

13、。圖1-4 跟蹤反饋裝置3. 飛船的空間交會對接仿真技術(shù)自80年代起,六自由度平臺機(jī)構(gòu)開始應(yīng)用于空間交會對接(RVD)仿真技術(shù)。目前用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行RVD仿真的有美國、前蘇聯(lián)、歐空局、日本等國家和機(jī)構(gòu)。在我國,921工程也已將研制采用六自由度平臺機(jī)構(gòu)的RVD仿真設(shè)施列入議事日程。RVD也是六自由度平臺應(yīng)用的典型范例，如圖1-5。兩個航天器在宇宙空間進(jìn)行交會對接時要進(jìn)行最多達(dá)12個自由度的軌道和姿態(tài)控制,所涉及的理論和技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜。目前空間RVD的研究多采用模擬方法,即在地面上通過半物理模擬進(jìn)行RVD的可行性研究,力求在盡量減少空間飛行實驗的條件下確保RVD的技術(shù)性能達(dá)到一定要求。用于RVD仿真器的

14、六自由度平臺既有運動仿真器的功能,又有操作器的功能。作為運動仿真器,可以仿真兩個航天器在交會對接過程中相接觸時的對接動力學(xué)行為；作為操作器,在交會對接時需要六自由度平臺的精確位姿控制。因此,這種六自由度平臺的設(shè)計、研制的難度更大。圖1-5 12自由度對接動力學(xué)仿真器4. 醫(yī)用機(jī)器人近年來，歐美對醫(yī)用機(jī)器人給予了極大的重視，已經(jīng)從制藥工業(yè)發(fā)展到手術(shù)輔助治療。由德國工業(yè)控制公司提供控制系統(tǒng)，URS公司負(fù)責(zé)計算機(jī)輔助外科手術(shù)的軟件開發(fā)和集成系統(tǒng)。模擬患者手術(shù)臺和微動定位機(jī)器人的外觀。從圖1-6中可以看出，Stewart平臺并聯(lián)機(jī)器人的上下平臺固定在可擺動的支架上，在它的動平臺上安裝手術(shù)器械。該手術(shù)器

15、械可在空間內(nèi)六姿態(tài)運動，運動精度極高，患者臥于手術(shù)臺上，頭部可以采用位置調(diào)整的頭部固定。該系統(tǒng)具有與CT或X光機(jī)的數(shù)據(jù)交換接口，醫(yī)生在計算機(jī)屏幕圖像的引導(dǎo)下，操控并聯(lián)機(jī)器人動作。它主要是用于神經(jīng)外科的頭顱檢查和活組織切片，定位精度高達(dá)0.01mm，完全避免了人工放置內(nèi)窺鏡時可能出現(xiàn)的顫抖，能夠保證手術(shù)方能夠精確的完成，使內(nèi)窺鏡周圍解剖組織損傷到最小限度。此外，并聯(lián)機(jī)器人動作靈敏，對任何傳感器的信號可在0.25ms之內(nèi)作出反應(yīng)。圖1-6 醫(yī)用并聯(lián)機(jī)器人及模擬手術(shù)臺1.4 我國六自由度機(jī)構(gòu)的研究情況我國六自由度并聯(lián)研究起步相對較晚,1982年,國內(nèi)燕山大學(xué)的黃真教授最早對并聯(lián)機(jī)器人學(xué)理論展開了系統(tǒng)

16、的研究，經(jīng)過黃真教授十幾年的努力研究,相繼研制出國內(nèi)首臺六自由度并聯(lián)機(jī)器人(圖1.4)和柔性鉸鏈并聯(lián)式六自由度機(jī)器人誤差補(bǔ)償器，并在1997年,黃真教授出版了我國首部并聯(lián)機(jī)器人理論及技術(shù)相關(guān)的著作。隨后有國內(nèi)近10個高校和科研單位等也在積極從事并聯(lián)機(jī)床領(lǐng)域的研究工作,研制出多臺樣機(jī),加速了我國并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域的研究進(jìn)程，如圖1.6至圖1.13所示,并聯(lián)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用正日益廣泛。1.5六自由度并聯(lián)平臺的發(fā)展前景六自由度并聯(lián)平臺的研發(fā)與控制是多個學(xué)科的技術(shù)融合,如機(jī)器人技術(shù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，多軸協(xié)調(diào)數(shù)控技術(shù)，光電感應(yīng)技術(shù)和計算機(jī)編程技術(shù)等,現(xiàn)已成為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)

17、展以及科研投入的加大,六自由度并聯(lián)平臺的研究有了長足進(jìn)步,各方面的研究工作已全面展開,并取得了大量成果,目前國內(nèi)外都在繼續(xù)深入六自由度平臺相關(guān)工作的研究。在接下來的十余年里,六自由度并聯(lián)平臺機(jī)構(gòu)學(xué)理論，控制和應(yīng)用研究將更加完善和成熟。以下幾個方面將是六自由度并聯(lián)平臺研究的熱點:(l)六自由度并聯(lián)平臺的結(jié)構(gòu)形式研究依然是重要的研究內(nèi)容,更加合理的機(jī)構(gòu)形式將會使六自由度并聯(lián)平臺的運動學(xué)分析和動力學(xué)模型建立更加簡單,并且有助于克服目前六自由度并聯(lián)平臺工作空間狹小，構(gòu)件易產(chǎn)生干涉等缺點。(2)六自由度并聯(lián)平臺的動力學(xué)理論和實驗研究依然還是薄弱環(huán)節(jié)，而對于此方面難點的攻克對于設(shè)計，開發(fā)具有良好動力學(xué)性能

18、的六自由度并聯(lián)機(jī)器人具有非常重要的意義，隨著六自由度并聯(lián)機(jī)器人研究的進(jìn)一步深入，這方面的研究已成為大家關(guān)心的熱點,并將有所突破。(3)各種類型六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解研究仍將進(jìn)一步深入,有望得到解決具有一般機(jī)構(gòu)形式的六自由度并聯(lián)機(jī)器人的位置,隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，消元法及高效數(shù)值方法等方面為六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解將開辟新途徑，六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制的研究，包括動力學(xué)控制及運動學(xué)控制等將更加完善，為六自由度并聯(lián)機(jī)器人在更多領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供更好的技術(shù)支持。(5)多種傳感器將很好地應(yīng)用于六自由度并聯(lián)機(jī)器人，從而推動六自由度并聯(lián)機(jī)器人向智能化發(fā)展。(6)研制機(jī)器人的最終目的是面

19、向?qū)嵱?六自由度并聯(lián)機(jī)器人也不例外,人們己經(jīng)開始了并聯(lián)機(jī)器人在許多領(lǐng)域的應(yīng)用研究,但目前大多依然處于實驗研究階段,真正付諸于實際應(yīng)用的并不多，并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用研究將進(jìn)一步開展并將取得長足進(jìn)步,將在許多領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。2 六自由度度平臺的總體設(shè)計（你的設(shè)計思路，總體框架，從那些方面來做 機(jī)械、電路、軟件）5頁合理的運動機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)平臺良好的動、靜態(tài)品質(zhì)的前提，因此可以說運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計是研制的關(guān)鍵步驟之一。運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計在保證驅(qū)動系統(tǒng)和電動系統(tǒng)設(shè)置功率最小的條件，充分實現(xiàn)平臺的所有運動學(xué)參數(shù)指標(biāo)要求。實際運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計就是滿足條件下的多目標(biāo)優(yōu)化問題，可以選擇多個優(yōu)化指標(biāo)，比如運動空間最大、電動推桿

20、行程最小、剛度最大等。2.1 六自由度平臺運動機(jī)構(gòu)的選型及概述3維空間中剛體最多6個自由度，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)一般有2-6個自由度。我們把具有6個自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為完全并聯(lián)就夠。目前，6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)型比較多，按聯(lián)接形式分為純并聯(lián)型和混聯(lián)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，按驅(qū)動方式分為內(nèi)副驅(qū)動、外副驅(qū)動和內(nèi)外副混合驅(qū)動類并聯(lián)機(jī)構(gòu)，按照各種空間運動鏈，可以方面地組成各種典型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖2-1，其中S代表球面副，P代表移動副，R代表球面副，U代表萬向鉸鏈。圖2-1 典型的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在給定自由度條件下，考慮到 6個自由度純并聯(lián)型機(jī)構(gòu)的理論和工程研究比較深入，平臺要求的工作空間不大而姿態(tài)實現(xiàn)能力要比較強(qiáng)，且容易控

21、制精度，因此本論文采用6-UPU型電動推桿驅(qū)動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，實際上就是Stewart平臺，實際和經(jīng)典的6-SPS平臺一樣，只是把球絞換成了雙端虎克鉸，虎克鉸鉸鏈比球絞承受力更大。2.2 六自由度運動平臺的驅(qū)動方式并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動桿件的驅(qū)動方式主要有氣動驅(qū)動，電動驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種方式。并聯(lián)運動平臺的驅(qū)動方式在很大程度上決定了運動平臺的運動精度、承載能力和快速響應(yīng)特性等性能指標(biāo)。氣壓驅(qū)動方式的主要優(yōu)點是動作迅速、價格便宜、維護(hù)簡單，使用安全、可靠，其工作介質(zhì)為空氣，空氣可以從大氣中直接獲得，又可以直接排放到大氣中去，不需要回流裝置。但是由于空氣具有可壓縮性，使運動平臺的速度不夠穩(wěn)定，承載能力低，定位精

22、度低，外負(fù)載變化對速度影響較大。電動驅(qū)動方式主要有伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠螺母副和直線電機(jī)驅(qū)動等方式。其主要的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)較高的運動速度，且運動精度高，技術(shù)相對較簡單，但是缺點是系統(tǒng)承載能力較小。本論文采用的驅(qū)動方式是電動驅(qū)動方式，電動驅(qū)動具有的突出優(yōu)點有以下幾點：2.3 六自由度平臺的工作原理分析圖2-1 雙端虎克鉸的六自由度平臺 主要由兩個平臺組成，一個是由上平臺也稱動平臺，另一個是由下平臺也稱基座，兩個平臺由6根可伸縮的桿通過虎克鉸連接起來，可伸縮桿通過步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制。3 六自由度平臺的機(jī)構(gòu)分析3.1 六自由度平臺的自由度分析圖3-1 六自由度結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示,是推桿與基座平臺

23、的六個虎克鉸接點,是推桿與動平臺的六個虎克鉸接點。由機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)約束關(guān)系可知:共面,，亦分別共面?？臻g自由度的計算公式為：公式中,表示空間機(jī)構(gòu)的自由度,n表示空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù),表示空間機(jī)構(gòu)第i個運動副的約束數(shù)?；⒖算q具有兩個相互獨立的相對轉(zhuǎn)動，具有2個相對的自由度，但是虎克鉸不是獨立的運動副，它完全等效于軸線相交的兩個轉(zhuǎn)動副，當(dāng)是雙端虎克鉸連接是，機(jī)構(gòu)就增加1個自由度。該機(jī)構(gòu)有14個構(gòu)件數(shù)，6個螺旋副，12個虎克鉸，因此機(jī)構(gòu)的自由度為：3.2 坐標(biāo)系與坐標(biāo)變換概述3.2.1 齊次坐標(biāo)設(shè)空間直角坐標(biāo)系中任一點M的位置矢量是現(xiàn)在用四維坐標(biāo)來表示M點的位置 其中n維空間中的點的坐標(biāo)用n+1維空間坐標(biāo)表

24、示,這種表示方法,稱之為齊次坐標(biāo)表示法。H稱為比例因子。引入齊次坐標(biāo)的目的在于齊次坐標(biāo)可以幫助解決各種圖形變換及透視變換等問題。3.2.2 平移變換設(shè)空間點的平移量投影到坐標(biāo)軸上分別是則平移，則平移變換公式為：3.2.3 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)設(shè)點M的坐標(biāo)是當(dāng)當(dāng)M點繞x軸旋轉(zhuǎn)角時,其變換矩陣為當(dāng)M點繞y軸旋轉(zhuǎn)角時,其變換矩陣為當(dāng)M點繞z軸旋轉(zhuǎn)角時,其變換矩陣為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)分為兩種情況。這里當(dāng)物體逆時針方向旋轉(zhuǎn)時(相當(dāng)于坐標(biāo)軸順時針方向旋轉(zhuǎn)),旋轉(zhuǎn)角取正值。第一種情況,當(dāng)物體依次繞固定坐標(biāo)軸X、Y、Z旋轉(zhuǎn)角時,坐標(biāo)變換為用矩陣表示為第二種情況,當(dāng)物體繞自身的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)動順序是物體依次繞角，其變換公式與上述情

25、況就不同了用矩陣表示為3.2.4 坐標(biāo)變換在工程上,為了確定自由剛體在空間的位置,可以取定坐系和與剛體固結(jié)的動坐標(biāo)系，如圖所示,只要確定了動坐標(biāo)系的位置,剛體的位置也就確定了。圖3-2動坐標(biāo)系的原點是任意選取的,稱為基點。在基點上安放一個始終保持平動的坐標(biāo)系,則自由剛體的運動可以分解為隨基點的平動和繞基點的轉(zhuǎn)動。這樣,在動坐標(biāo)系中的任一向量能夠通過坐標(biāo)變換方法變換到定坐標(biāo)系中的。3.3 Stewart機(jī)構(gòu)的位置逆解3.3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)一般情況下,Stewart機(jī)構(gòu)存在三個坐標(biāo)系:慣性坐標(biāo)系（也可稱為參考坐標(biāo)系)、動平臺坐標(biāo)系(也稱為參考坐標(biāo)系)、推桿坐標(biāo)系,分別建立在基座平臺、運動平臺和各個運

26、動推桿上,見圖3-3。圖3-3各個坐標(biāo)系之間可以相互變換,一般形式的公式為：慣性坐標(biāo)系向動平臺坐標(biāo)系的變換:慣性坐標(biāo)系向推桿坐標(biāo)系的變換: 推桿坐標(biāo)系向動平臺坐標(biāo)系的換: 其中是變換矩陣,分別是空間矢量在慣性坐標(biāo)系、動平臺坐標(biāo)系和推桿坐標(biāo)系中的表示。具體的表達(dá)式根據(jù)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的先后順序而有所不同。3.3.2 位置的逆解 根據(jù)機(jī)構(gòu)運動的具體要求,此處在Stewart機(jī)構(gòu)中建立兩個笛卡兒坐標(biāo)系:慣性坐標(biāo)系和動坐標(biāo)系,如圖3-3所示。慣性坐標(biāo)系了位于基座平臺上,也稱為參考坐標(biāo)系,是正交的右手坐標(biāo)系,其原點位于基座的質(zhì)心；動坐標(biāo)系位于運動平臺上,原點位于運動平臺的質(zhì)心上。在動坐標(biāo)系中的任一向量可以通過

27、坐標(biāo)變換方法變換到慣性坐標(biāo)系中的,繞相對坐標(biāo)系進(jìn)行變換。設(shè),則 其中，是動平臺姿態(tài)的方向余旋矩陣,是動坐標(biāo)系的原點在慣性坐標(biāo)系中的位置矢量。由下圖可以求出各動桿的矢量，其中，是動平臺半徑在動坐標(biāo)系中的矢量表示,分別是動平臺半徑、基座平臺半徑、動坐標(biāo)系原點在慣性坐標(biāo)系中的矢量表示。對于給定參數(shù)的機(jī)構(gòu)，和相對于動坐標(biāo)系和慣性坐標(biāo)系而言是固定不變的。用矩陣表示所以個各根電動推桿長度 以上是六個獨立的顯式方程，當(dāng)已知機(jī)構(gòu)的基本尺寸和上平臺的位置和姿態(tài)后，就可以通過上式公式求出6個電動推桿的位移，通過控制器，控制電機(jī)帶動電動推桿移動副移動相應(yīng)的位移，就可以控制平臺到達(dá)所需要的位置和姿態(tài)，實現(xiàn)對上平臺的控

28、制。4 六自由度的三維建模和部件圖 機(jī)械（proe、autucad）10頁目前，能進(jìn)行三維建模的軟件有 3ds max、AutoCAD、Pro/E、UG 等，通過三維建模，可以直觀地表達(dá)六自由度平臺模型，建模軟件選擇為 Pro/E 野火版，用 Pro/E 建好模型如圖，六自由度平臺機(jī)械部分是由是由下平臺(固定基座)、虎克鉸、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的電動推桿、上平臺組成。其Pro/E三維的裝配總圖如圖4-1。圖4-1 三維圖4.1 電動推桿選擇4.1.1 電動推桿的原理電動推桿是一種電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)經(jīng)渦輪蝸桿或者齒輪改變?yōu)橹本€運動，通過推拉往返，來達(dá)到使某一設(shè)備裝置完成往復(fù)動作，可以實

29、現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制、自動控制，電動推桿結(jié)構(gòu)如圖4-1。近年來，電動推桿廣泛應(yīng)用于各種簡單復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備制造當(dāng)中。電動推桿的主要構(gòu)成是：驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪（渦輪蝸桿）、絲杠。配件：行程開關(guān)、電位器、安裝支架等。電動推桿的行程開關(guān)用以控制推桿的行程，當(dāng)行程達(dá)到設(shè)定值時，電機(jī)自動斷電，電位器用來顯示推桿的運行行程值，可以達(dá)到對推桿隨時可控可調(diào)的自動化目的。電動推桿的優(yōu)點很多，電動推桿安裝簡便，安裝方式一般可以根據(jù)客戶的要求加工。電動推桿的特性是體積小、安裝方便、環(huán)保無污染、運行平穩(wěn)、負(fù)載大、精度高、反應(yīng)靈敏以及可實現(xiàn)同步自動化控制等，這些產(chǎn)品特性使得其在機(jī)械設(shè)備加工制造行業(yè)應(yīng)用特別廣泛，近年來，

30、已在冶金，軍工，航天，太陽能，工業(yè)自動化等方面得到了大量應(yīng)用。4-1 電動推桿結(jié)構(gòu)圖4.1.2 電動推桿選型 根據(jù)六自由度平臺的工作負(fù)載，對每根桿在動平臺工作空間內(nèi)進(jìn)行受力分析，需要的推力，速度要求，行程要求，控制精度要求等來選用適合的電動推桿，根據(jù)要求，我們選用了無錫艾爾特線性運動機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DTZ系列的電動推桿（圖4-2），其安裝尺寸如圖4-3。該公司生產(chǎn)的DT、DTZ系列電動推桿，推力從25KG5000KG,速度：42mm/s,50mm/s,84mm/s,100mm/s等，各系列不同行程、速度客戶可以自己選擇，也可以外形定做，為了實現(xiàn)自動化控制可以配伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，根據(jù)需要，

31、選擇DTZ300，其主要參數(shù)：推力為300Kg，行程為100800mm，電機(jī)功率為0.37KW，重量為23KG。圖4-2 DTZ電動推桿圖4-3 DTZ電動推桿的外形尺寸 該電動推桿中使用的電機(jī)的型號為1103RB175-503三相混合式步進(jìn)電機(jī)（圖4-4），其主要參數(shù)：步距角為1.2°，機(jī)身長為121mm，額定電流為5A，保持轉(zhuǎn)矩為12N.m，重量為4.5KG，該步步進(jìn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)軸徑15mm，4×30平鍵，可按用戶要求訂做軸徑16mm、17mm、19mm，1103RB系列三相混合式步進(jìn)電機(jī)與同規(guī)格1103HB三相混合式步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)成本相同，而方形1103HB系列步進(jìn)電機(jī)力矩

32、更大，目前在數(shù)控機(jī)床等行業(yè)已廣泛改用1103HB系列步進(jìn)電機(jī)替代1103RB系列步進(jìn)電機(jī)。 圖4-4 1103RB175-503三相異步電機(jī)4.2 虎克鉸的設(shè)計4.2.1 虎克鉸的立體圖 六自由度電動平臺的關(guān)節(jié)處采用虎克鉸作為活動絞鏈，圖4-5是虎克鉸的立體圖。4-5 虎克鉸立體圖4.2.2 虎克鉸與上、下平臺的連接通過計算，在Pro/E環(huán)境下對平臺及虎克鉸進(jìn)行建模，上、下平臺和虎克鉸的安裝位置關(guān)系如圖4-6，圖4-7所示：圖4-6 下平臺圖4-7上平臺4.2.3 虎克鉸模型虎克鉸兩個自由度等效于中間十字軸的兩條軸線方向的轉(zhuǎn)動，其Pro/E建模模型如圖4-8。圖4-8虎克鉸 虎克鉸的工作空間是

33、動平臺工作空間的決定因數(shù)，根據(jù)平臺的工作空間范圍，設(shè)計虎克鉸兩徑向極限角成為參數(shù)設(shè)計中的重點。下虎克鉸的徑向極限角為，上虎克鉸的徑向極限角為，它們的工作空間如圖4-9，由圖可知，虎克鉸的工作空間在封閉實線之內(nèi)，即I，II，III，IV。圖4-9 虎克鉸工作空間5六自由度平臺的控制系統(tǒng) 電路（protel、DXP）10頁隨著六自由度并聯(lián)運動平臺在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,六自由度并聯(lián)運動平臺的控制技術(shù)也成為了大家研究的熱點，實現(xiàn)對六自由度電動平臺的運動控制,本質(zhì)上是對伺服電機(jī)的控制，就伺服電動機(jī)控制技術(shù)而言,包括數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬量控制系統(tǒng)，模擬量控制,其控制信號是連續(xù)的,具有受來自內(nèi)部漸變噪聲的影響較

34、小,對控制信號的響應(yīng)速度快等優(yōu)點，而數(shù)字量控制,則具有可靠性高,不易發(fā)生飛車事故,信號抗干擾性能好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于位置控制系統(tǒng)中。本文采用數(shù)字量控制系統(tǒng),用單片機(jī)控制電動推桿,實現(xiàn)對六自由度的位置控制。本章給出了六自由度平臺控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)體系,并對各組成部件的功能及參數(shù)做出了較詳細(xì)的介紹。5.1控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)在自動控制系統(tǒng)中,輸出量以一定準(zhǔn)度隨著輸入目標(biāo)值的變化而變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)，六自由度電動平臺硬件控制系統(tǒng)的目標(biāo)是:輸入預(yù)定的目標(biāo)位姿曲線,驅(qū)動伺服電機(jī)使電動推桿按照位姿曲線進(jìn)行伸縮運動，因此本文要搭建的六自由度電動平臺控制系統(tǒng)就是伺服系統(tǒng)，要實現(xiàn)對六自由度平臺良好的控制,構(gòu)建一

35、個精度高,響應(yīng)快速,穩(wěn)定性好的伺服系統(tǒng)顯然尤為關(guān)鍵，電動平臺硬件系統(tǒng)由單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)及檢測原件組成。5.2 控制系統(tǒng)組件選型5.2.1 AT89S52單片機(jī)AT89S52與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz33MHz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識符 。At89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存

36、儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？?/p>

37、閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 。P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。

38、P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能。 P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信

39、號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，

40、P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳第二功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3

41、.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時/計數(shù)器0) P3.5 T1(定時/計數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。

42、對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。 PSEN:程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP:外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFF

43、FH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。 FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。圖4.8 單片機(jī)5.2.2 并行接口芯片8255 8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。 8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯

44、片，必須提供與主機(jī)相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。 引腳功能如下：RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。 CS:芯片選擇信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸. RD:讀信號線，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,

45、允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。 WR:寫入信號，當(dāng)這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。 D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。 PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器。PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器

46、一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口， 每 個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。' A0,A1:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器. 當(dāng)A0=0,A1=0時,PA口被選擇; 當(dāng)A0=0,A1=1時,PB口被選擇; 當(dāng)A0=1,A1=0時,PC口被選擇; 當(dāng)A0=1.A1=1時,控制寄存器被選擇.八進(jìn)制3 態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器74HC573，本體是8數(shù)據(jù)鎖存器。主要用于數(shù)碼管、按鍵等等的控制 。SL74HC573器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn)CMOS 輸出兼容的；加上拉電

47、阻，他們能和LS/ALSTTL 輸出兼容。當(dāng)鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。圖4.9 并行接口芯片4.2.3 擴(kuò)展鍵盤74HC573SL74HC573 跟LS/AL573 的管腳一樣。器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn)CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和LS/ALSTTL 輸出兼容。當(dāng)鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。輸出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接上。操作電壓范圍：2.0V6.0V；低輸入電流：1.0uA

48、；CMOS 器件的高噪聲抵抗特性。這個器件帶有保護(hù)電路，以免被高的靜態(tài)電壓或電場損壞。然而，對于高阻抗電路，必須要采取預(yù)防以免工作在任何高于最大值范圍的條件下工作。VIN 和VOUT應(yīng)該被約束在GND（VIN 或VOUT）VCC。不用的輸入管腿必須連接總是連接到一個適合的邏輯電壓電平（也就是GND或者VCC）。不用的輸出管腿必須懸空。本例中因為操作按鍵的不夠，74HC573作為擴(kuò)展鍵盤使用圖4.10 擴(kuò)展鍵盤4.2.4 程序存儲器29C01064KB程序存儲器，用以存放運行編寫的程序。圖4.11 程序存儲器4.2.5數(shù)據(jù)存儲器HY6225664KB的數(shù)據(jù)存儲器，用以存放數(shù)據(jù)圖4.12 數(shù)據(jù)存儲

49、器4.2.6 PLD片選信號16V8D可編程邏輯器件PLD是作為一種通用集成電路生產(chǎn)的，他的邏輯功能按照用戶對器件編程來搞定。一般的PLD的集成度很高，足以滿足設(shè)計一般的數(shù)字系統(tǒng)的需要。這樣就可以由設(shè)計人員自行編程而把一個數(shù)字系統(tǒng)“集成”在一片PLD上，而不必去請芯片制造廠商設(shè)計和制作專用的集成電路芯片了。目前使用的PLD產(chǎn)品主要有：1、現(xiàn)場可編程邏輯陣列FPLA；2、可編程陣列邏輯PAL3、通用陣列邏輯GAL4；可擦除的可編程邏輯器件EPLD；5、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA。其中EPLD和FPGA的集成度比較高。有時又把這兩種器件稱為高密度PLD。早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器(PR

50、OM)、紫外線可按除只讀存貯器(EPROM)和電可擦除只讀存貯器(EEPROM)三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。 其后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件，它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的PLD由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達(dá)式來描述，所以， PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。這一階段的產(chǎn)品主要有PAL和GAL。PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。PAL器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM

51、技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。PLA器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。在PAL的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯GAL，如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工藝，實現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。為了彌補(bǔ)這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期Altera和Xilinx分別推

52、出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型 CPLD和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的FPGA，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它ASIC相比，它們又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。一個二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了PLD器件的邏輯組成核心。 輸入輸出塊作為連接邏輯塊的互連資源

53、。 連線資源由各種長度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開關(guān)，它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入輸出塊之間的連接。所謂片選信號，指的是傳統(tǒng)南北橋架構(gòu)的主板中，地址線和數(shù)據(jù)線分開的BIOS芯片里的22腳的那個信號。它是由CPU發(fā)出，經(jīng)北橋，南橋到達(dá)的。它的有無，可以初步判斷南北橋的及CPU的是否開始工作，是否BIOS資料被破壞。 這個信號，要想看到，必須取下BIOS芯片，在開機(jī)的瞬間，在22腳用示波器觀察得到。 不過不好描述它，簡單說，就是你在上好CPU后，開機(jī)瞬間，可以看到22腳在示波器上表現(xiàn)出，電壓上升的過程中，大約在1V處，（電壓起始點為0V,即沒有電壓時的橫線為0V）,有個明顯的小光

54、點，閃過，這個光點，就是片選信號。 一般這個過程非常短暫，從0V到3V或5V.只有不到半秒鐘，那么光點閃過時，就更短暫了。所以必須要反復(fù)多次，用觸發(fā)開關(guān)，來觸發(fā)電源，才可能看到這個一閃而過的信號。 正常的主板的片選，（南北橋架構(gòu)的才有，也就是老主板，不是現(xiàn)在810以上的HUB-LINK架構(gòu)的），怎么樣去判斷呢，教你一個方法，其實，實際維修中，很少人去直接測它，而是在開機(jī)瞬間去測PCI槽上的任意一根AD線，如果有瞬間雙杠波，就說明已經(jīng)有片選了，或者在觸發(fā)過程中，BIOS的A線，D線，或者CS信號，如果有瞬間的雙波跳變，也證明有片選了。就不必去取下BIOS芯片了，特別是那些焊接在板上的BIOS。

55、如果在這個瞬間，波形一直是單條的直流電壓，則是片選信號沒有到達(dá)，有可能是CPU沒有工作或者南北橋的內(nèi)部問題。 片選可以理解成選片，很多芯片掛在同一總線上的時候，需要有一個信號來區(qū)別總線上的數(shù)據(jù)和地址由哪個芯片處理，這時就需要一個片選信號CS（chip select），一般是在劃分地址空間時，有邏輯電路產(chǎn)生的。在數(shù)字電路設(shè)計中，一般開路輸入管腳呈現(xiàn)為高電平，因此片選信號絕大多數(shù)情況下是一個低電平。標(biāo)準(zhǔn) RS232 的 電平 EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。 在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V-15V 邏輯0(SPACE)=+315V 在RTS、C

56、TS、DSR、DTR和DCD等控制線上： 信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V 信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3V-15V TTL輸出高電平>2.4V，輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。 圖4.13 片選信號4.3檢測系統(tǒng)組件選型4.3.1 位移傳感器位置測量元件的性能影響著運動平臺位置分析的準(zhǔn)確性和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，位置測量元件可采用超聲脈沖磁致伸縮式位移傳感器，直線位移傳感器，光電碼盤等，本課題中六自由度運動

57、平臺使用的位置測量元件是FXB一V71型差動變壓器式位移傳感器。差動變壓器式位移傳感器是利用差動變壓器原理制造的，它可以把直線位移的機(jī)械量變化變換為電量的變化,廣泛的應(yīng)用于各種位移量的測量或能轉(zhuǎn)換為位移的各種物理量如:伸長、膨脹、壓力等量的測量。雖然目前實現(xiàn)尺寸測量的傳感器有多種,但差動變壓器式位移傳感器(以下簡稱為LVDT)由于自身的特點在多種領(lǐng)域的位移測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的是FXB一V71型差動變壓器式位移傳感器。2.7.1位移傳感器的作用(l)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性六自由度運動平臺主要由運動平臺，電動伺服系統(tǒng)，平臺控制計算機(jī)，接口電路，運動系統(tǒng)應(yīng)用軟件和控制及顯示設(shè)備等組成。當(dāng)平臺正常工作時,由平臺控制計算機(jī)實時接收主控制計算機(jī)送來的表示動平臺運動狀態(tài)的各種參數(shù),經(jīng)計算產(chǎn)生驅(qū)動平臺運動的電指令信號后,通過點單片機(jī)控制六個電動推桿的伸縮,實時產(chǎn)生平臺姿態(tài)，運動信息,并提供給計算機(jī)從而達(dá)到提高模擬逼真度，電動推桿的伸長量經(jīng)位移傳感器送給比較放大器,形成硬件閉環(huán)負(fù)反饋控制,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(2)利用測量值求解六個自由度六根電動推桿的位移傳感器能將測量到的推桿的實際伸長量，通過A/D變換送入到平臺控制計算機(jī),計算機(jī)根據(jù)這個長度值求出活動平臺對應(yīng)的姿態(tài)的空間坐標(biāo)。位移傳感器