CN102661856A - 一种绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台及实验方法，主要由机架、悬吊平台、钢丝绳、导向轮、绕绳装置、平板和检测控制系统组成。导向轮安装在机架的顶端，钢丝绳一端缠绕在绕绳装置上，另一端绕过导向轮连接在悬吊平台上，绕绳装置安装在平板上，平板安装在机架两侧的平板支架上；检测控制系统由张力传感器、拉线位移传感器、旋转编码器、姿态角传感器、无线数据采集发射器、无线数据接收器、PLC控制器、变频器和工控机组成。该实验平台能够模拟悬吊平台质心偏心和钢丝绳运行速度不同步时悬吊平台的动力学行为和钢丝绳张力变化过程，并能够检验所设计的悬吊平台平稳运行控制器的控制性能，其结构紧凑，占用空间小，自动化程度高。

Description

一种绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台及实验方法

技术领域

本发明涉及一种绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台及实验方法，尤其适用于模拟四根绳索悬吊的并联机构在绳索驱动速度不同步或悬吊平台质心偏心时的运行状态，以研究绳索悬吊并联机构的运动学、动力学行为以及悬吊平台的平稳运行的控制策略。

背景技术

在工程应用领域广泛存在着由四根绳索悬吊一个平台的并联机构，如立井施工的悬吊平台稳车系统、烟囱内施工悬吊平台系统以及航空航天领域贵重航天器的四绳悬吊系统等。绳索悬吊并联机构的主要功能是实现悬吊平台在竖直方向的升降，且保证悬吊平台在升降过程中保持水平状态，悬吊的钢丝绳张力分布比较均衡。由于四根钢丝绳由四台绕绳装置独立驱动，绕绳装置旋转速度的不同步以及悬吊平台的质心偏心都会导致平台在升降过程发生倾斜，严重时甚至发生倾翻事故。为了实现悬吊平台的平稳升降，有必要深入研究绳索悬吊并联机构的动力学理论，并提出悬吊平台平稳运行的控制策略。为了验证绳索悬吊并联机构动力学理论的正确性，验证悬吊平台平稳运行控制策略的有效性，有必要发明一种绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构紧凑、能模拟绳索运行不同步和悬吊平台质心偏心时平台的动力学行为和钢丝绳张力分布变化过程的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台及实验方法。

本发明的索悬吊并联机构运动模拟实验平台，包括机架、悬吊平台、钢丝绳、导向轮、绕绳装置、平板和检测控制系统；所述的导向轮安装在机架的顶端，绕绳装置安装在平板上，平板安装在机架上部的两侧；所述的钢丝绳一端缠绕在绕绳装置上，另一端绕过导向轮与悬吊平台连接在一起，悬吊平台通过钢丝绳悬吊在机架内。

所述的机架包括子机架和连接在子机架上的顶层机架；所述的悬吊平台包括平行相对的顶层盘和底层盘，顶层盘和底层盘之间设有将其连为一体的支撑柱，顶层盘上设有吊耳，底层盘上设有配重盘；所述的绕绳装置由绕绳器和与绕绳器相连的减速电机构成；所述的检测控制系统包括四个均匀布置在悬吊平台上并与钢丝绳连接的张力传感器、三个安装在平板上并与悬吊平台连接的拉线位移传感器、四个安装在减速电机上的旋转编码器、一个设置在悬吊平台上的姿态角传感器、无线数据采集发射器，放置在地面机架旁的无线数据接收器、PLC控制器、变频器和工控机；所述的底层盘上分布有多个安装配重盘的圆孔；所述的绕绳器包括排绳器、卷筒、导向板、轴承座、垫块、支撑轴和驱动轴；排绳器设在卷筒上，驱动轴和支承轴分别设在卷筒的两侧，轴承座经垫块固定在平板上，导向板固定在轴承座上；所述的卷筒外表面上开有与排绳器内表面相互配合的螺纹槽。

本发明的绳索悬吊并联机构运动模拟实验方法：

（1）将悬吊平台下放到距离地面设定的位置；

（2）在工控机中设置四台减速电机的运行速度；

（3）在悬吊平台上安装配重块，改变悬吊平质心位置；

（4）通过单独调节四根悬吊的钢丝绳长度将悬吊平台调节在水平位置；

（5）按下工控机的“提升”按钮，四台减速电机同时正转，按照各自设定的速度运行，提升悬吊平台；

（6）将悬吊平台提升至设定的高度后，按下工控机的停止按钮，停止提升悬吊平台；

（7）用张力传感器、旋转编码器、拉线位移传感器、姿态角传感器分别测量出悬吊平台提升过程中钢丝绳的张力、减速电机速度、悬吊平台的位置和姿态角的变化过程；

（8）PLC控制器分析传感器的信号，并实时的调节减速电机，从而实现绳索悬吊并联机构运动的模拟；模拟过程中，悬吊平台质心的位置通过圆孔安装在底层盘上的配重盘来改变。

有益效果：本发明可以模拟绳索运行不同步和悬吊平台质心偏心时平台的动力学行为和钢丝绳张力分布变化过程，也可以验证所提出的悬吊平台平稳运行控制策略的有效性。主要优点有：

（1）模拟悬吊平台质心偏心和钢丝绳运行速度不同步时悬吊平台的动力学行为和钢丝绳张力变化过程，验证所建立绳索悬吊并联机构的动力学理论的正确性，并为自动平衡技术提供实验手段；

（2）能够检验所设计的悬吊平台平稳运行控制器的控制性能；

（3）结构紧凑，占用空间小，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的模拟实验平台结构示意图。

图2是本发明的机架结构示意图。

图3是本发明的悬吊平台结构示意图。

图4是本发明的绕绳装置结构示意图。

图5是本发明的检测控制系统结构示意图。

图6是本发明的检测控制系统连接示意图。

图中：机架-1，悬吊平台-2，钢丝绳-3，导向轮-4，绕绳装置-5，平板-6，检测控制系统-7，旋转编码器-7-1, 张力传感器-7-2, 姿态角传感器-7-3, 拉线位移传感器-7-4，无线数据采集发射器-7-5，无线数据接收器-7-6，工控机-7-7，变频器-7-8，PLC控制器-7-9，子机架-8，稳固角铁-9，顶层机架-10， 平板支架-11，导向轮支架-12，顶层盘-13，支撑柱-14，底层盘-15，吊耳-16，配重块-17，圆孔-18，排绳器-19，卷筒-20，导向板-21，轴承座-22，垫块-23，支撑轴-24，驱动轴-25，三相异步电机-26，蜗轮蜗杆减速器-27，空心输出轴-28。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台主要由机架1、悬吊平台2、钢丝绳3、导向轮4、绕绳装置5、平板6组成。导向轮4安装在机架1的顶端；绕绳装置5安装在平板6上，平板6安装在机架1上方的两侧；钢丝绳3一端缠绕在绕绳装置5上，另一端绕过导向轮4与悬吊平台2连接在一起，悬吊平台2被钢丝绳3悬吊在机架1内部。

如图2所示，机架1由子机架8、连接在子机架8上方的顶层机架10构成，整个机架1由下向上依次叠加的三个几何结构和尺寸完全相同的子机架8和一个安装在第三层子机架8的上面的顶层机架10构成。每个子机架8由十二根三角铁通过螺栓螺母连接组装成长方体结构，子机架8的四个侧面安装稳固角铁9。顶层机架10除具有子机架8的结构特征外，其左右两侧设有平板支架11，平板支架11上面设有导向轮支架12。

如图3所示，悬吊平台2由顶层盘13，支撑柱14，底层盘15，吊耳16和配重盘17组成。顶层盘13和底层盘15为几何尺寸相同的圆形钢板构成，两层盘中间固定有四根几何尺寸相同呈矩形分布的支撑柱14；支撑柱14和底层盘15之间通过螺栓螺母连接，支撑柱14和顶层盘13之间通过吊耳16和螺母连接；底层盘15上分布有多个圆孔18，配重盘17可以通过圆孔18安装在底层盘15上，以改变悬吊平台质心的位置。

如图4所示，绕绳装置5主要由减速电机和绕绳器组成；所述的减速电机主要由三相异步电动机26和蜗轮蜗杆减速器27构成；三相异步电机26安装在蜗轮蜗杆减速器27上，蜗轮蜗杆减速器27直接安装在平板6上。所述的绕绳器主要由排绳器19、卷筒20、导向板21、轴承座22、垫块23、支撑轴24和驱动轴25构成；卷筒20通过左右两侧的驱动轴25和支撑轴24安装在轴承座22上，轴承座22通过垫块23安装在平板6上。蜗轮蜗杆减速器27的空心输出轴28与卷筒的驱动轴25通过平键连接，驱动卷筒20转动。钢丝绳3的一端固定在卷筒20边沿，钢丝绳3在卷筒20上缠绕一段距离后从排绳器19出绳口穿出；卷筒20的外表面和排绳器19的内表面加工有相互配合的螺纹槽，排绳器19安装在卷筒20外圈，用安装轴承座22上的导向板21限制排绳器19的转动，当卷筒20转动时，排绳器19沿着卷筒20轴向移动，这样可以保证缠绕在卷筒20上的钢丝绳3整齐排列，防止乱绳。

如图5和图6所示，检测控制系统7包括四个安装在悬吊平台2上并与钢丝绳3连接的张力传感器7-2，三个安装在平板6并与悬吊平台2连接的拉线位移传感器7-4，四个安装在减速电机的输出轴上的旋转编码器7-1，一个设置在悬吊平台2上的姿态角传感器7-3、无线数据采集发射器7-5、放置在机架1旁的无线数据接收器7-6、PLC控制器7-8、变频器7-8和工控机7-7组成；三个拉线位移传感器7-4安装在顶层机架的三个底边，形成等边三角形，拉线传感器7-4的拉线输出头都连接在悬吊平台的固定点P上；四个钢丝绳张力传感器7-2一端固定在悬吊平台2的顶层盘上，另一端通过吊耳与钢丝绳相连；姿态角传感器7-3通过强力双面胶粘贴在悬吊平台2的顶层盘13上面；旋转编码器7-1通过连接轴和弹性联轴器安装在减速电机的空心输出轴上。PLC控制器7-8由CPU模块和扩展模块组成，CPU模块包括西门子224XP和224CN，224XP是主控制器，224CN是从控制器，两者之间通过串口总线进行PPI通信；扩展模块包括一个CP243-1以太网模块、一个EM221数字量输入模块和两个EM232模拟量输出模块。CP243-1以太网模块连接工控机的以太网接口。224XP的数字量输出端和模拟量模块EM232分别与四个变频器7-8的数字量、模拟量输入端相连，控制变频器7-8运行，进而控制减速电机的运行状态。四个旋转编码器7-1的输出信号线与224XP相连，224CN连接三个拉线位移传感器7-4的信号线。张力传感器7-3的输出的毫伏级信号和姿态角传感器输出的信号通过信号放大器放大成标准的0-5V电压信号后送入无线数据采集发射器7-5的模拟信号输入端，无线数据采集发射器7-5以无线以太网通信方式将采集的数据发送给无线数据接收器7-6，并传输给工控机7-7。

本发明的绳索悬吊并联机构运动模拟实验方法：

（1）将悬吊平台2下放到距离地面设定的位置；

（2）在工控机7-7中设置四台减速电机的运行速度；

（3）在悬吊平台2上安装配重块17，改变悬吊平2质心位置；

（4）通过单独调节四根悬吊的钢丝绳3长度将悬吊平台2调节在水平位置；

（5）按下工控机7-7的“提升”按钮，四台减速电机同时正转，按照各自设定的速度运行，提升悬吊平台2；

（6）将悬吊平台2提升至设定的高度后，按下工控机7-7的“停止”按钮，停止提升悬吊平台2；

（7）用张力传感器7-2、旋转编码器7-1、拉线位移传感器7-4、姿态角传感器7-3分别测量出悬吊平台2提升过程中钢丝绳3的张力、减速电机速度、悬吊平台2的位置和姿态角的变化过程；

（8）PLC控制器7-9分析传感器的信号，并实时的调节减速电机，从而实现绳索悬吊并联机构运动的模拟；模拟过程中，悬吊平台2质心的位置通过圆孔18安装在底层盘15上的配重盘17来改变。

Claims (9)

1.一种绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：模拟实验平台包括机架（1）、悬吊平台（2）、钢丝绳（3）、导向轮（4）、绕绳装置（5）、平板（6）和检测控制系统（7）；所述的导向轮（4）安装在机架（1）的顶端，绕绳装置（5）安装在平板（6）上，平板（6）安装在机架（1）上部的两侧；所述的钢丝绳（3）一端缠绕在绕绳装置（5）上，另一端绕过导向轮（4）与悬吊平台（2）连接在一起，悬吊平台（2）通过钢丝绳（3）悬吊在机架（1）内。

2.根据权利要求1所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的机架（1）包括子机架（8）和连接在子机架（8）上的顶层机架（10）。

3.根据权利要求1所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的悬吊平台（2）包括平行相对的顶层盘（13）和底层盘（15），顶层盘（13）和底层盘（15）之间设有将其连为一体的支撑柱（14），顶层盘（13）上设有吊耳（16），底层盘（15）上设有配重盘（17）。

4.根据权利要求1所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的绕绳装置（5）由绕绳器和与绕绳器相连的减速电机构成。

5.根据权利要求1所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的检测控制系统（7）包括四个均匀布置在悬吊平台（2）上并与钢丝绳（3）连接的张力传感器（7-2），三个安装在平板（6）上并与悬吊平台（2）连接的拉线位移传感器（7-4），四个安装在减速电机上的旋转编码器（7-1），设置在悬吊平台（2）上的姿态角传感器（7-3）、无线数据采集发射器（7-5），放置在地面机架（1）旁的无线数据接收器（7-6）、PLC控制器（7-8）、变频器（7-8）和工控机（7-7）。

6.根据权利要求3所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的底层盘（15）上分布有多个安装配重盘（17）的圆孔（18）。

7.根据权利要求4所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的绕绳器包括排绳器（19）、卷筒（20）、导向板（21）、轴承座（22）、垫块（23）、支撑轴（24）和驱动轴（25）；排绳器（19）设在卷筒（20）上，驱动轴（25）和支承轴（24）分别设在卷筒（20）的两侧，轴承座（22）经垫块（23）固定在平板（6）上，导向板（21）固定在轴承座（22）上。

8.根据权利要求7所述的绳索悬吊并联机构运动模拟实验平台，其特征在于：所述的卷筒（20）外表面上开有与排绳器（19）内表面相互配合的螺纹槽。

9.一种如上述权利要求所述实验平台的绳索悬吊并联机构运动模拟实验方法，其特征在于：

（1）将悬吊平台（2）下放到距离地面设定的位置；

（2）在工控机（7-7）中设置四台减速电机的运行速度；

（3）在悬吊平台（2）上安装配重块（17），改变悬吊平（2）质心位置；

（4）通过单独调节四根悬吊的钢丝绳（3）长度将悬吊平台（2）调节在水平位置；

（5）按下工控机（7-7）的“提升”按钮，四台减速电机同时正转，按照各自设定的速度运行，提升悬吊平台（2）；

（6）将悬吊平台（2）提升至设定的高度后，按下工控机（7-7）的停止按钮，停止提升悬吊平台（2）；

（7）用张力传感器（7-2）、旋转编码器（7-1）、拉线位移传感器（7-4）、姿态角传感器（7-3）分别测量出悬吊平台（2）提升过程中钢丝绳（3）的张力、减速电机速度、悬吊平台（2）的位置和姿态角的变化过程；

（8）PLC控制器（7-9）分析传感器的信号，并实时的调节减速电机，从而实现绳索悬吊并联机构运动的模拟；模拟过程中，悬吊平台（2）质心的位置通过圆孔（18）安装在底层盘（15）上的配重盘（17）来改变。

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