CN116166052A - 一种两平动一转动三自由度平台的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涉及汽车维修设备领域，特别涉及一种两平动一转动三自由度平台的控制方法,用以解决平台定心旋转变量参数的控制问题，具体包括建立平台机构体系步骤，以三角函数运算的方式反求出所述动平台在不同位置对应的三组所述驱动机构的伸缩顶杆的变化量步骤，通过该多轴运动控制器控制对应的三组所述驱动机构的直线运动机构连续运行，实现动平台的转动精确度的控制。本发明的优点有硬件结构简单，可靠性高；控制算法实现容易，具有较好的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及涉及汽车维修设备领域，特别涉及一种两平动一转动三自由度平台的控制方法。
背景技术
现有技术中，驱动动平台实现两个自由度的平移和一个自由度的旋转，但是三部驱动机构顶杆的伸缩量与动平台的运动呈非线性关系，且单独操作任意驱动机构时，平台无法做到定心旋转；因此，需要借助多轴运动控制器基于一定的计算方法快速计算出三部驱动机构的伸缩量，多轴运动控制器基于计算出的伸缩量控制三部驱动机构协调工作，从而实现平台的精准控制。
发明内容
本发明要解决现有技术中的上述技术问题，提供一种两平动一转动三自由度平台的控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种两平动一转动三自由度平台的控制方法，包括：
步骤S1，建立平台机构体系，所述平台机构体系具有静平台和动平台；以及三组驱动机构；
三组所述驱动机构用于使得所述动平台能够相对于所述静平台进行以所述静平台的预设旋转中心点为转动中心的转动动作；
其中，所述设旋转中心点的构建方式为：
在所述静平台上建立固定坐标系；
在所述动平台上建立两条参考线；
两条所述参考线的交点为所述动平台的旋转中心点；
步骤S2，根据所述静平台、所述动平台的机械参数、用户输入的平移数据和旋转量，以三角函数运算的方式反求出所述动平台在不同位置对应的三组所述驱动机构的伸缩顶杆的变化量；
步骤S3，将三组所述驱动机构的伸缩顶杆的变化量输入一多轴运动控制器中，并通过该多轴运动控制器控制对应的三组所述驱动机构的直线运动机构连续运行，实现动平台的转动精确度的控制。
具体地，所述的静平台顶面上固定安装有第一立柱、第二立柱和第三立柱；
所述动平台上开设有三个矩形孔；
所述第一立柱、所述第二立柱和所述第三立柱分别从对应的三个矩形孔穿过；
所述动平台叠放在所述静平台上。
具体地，所述三个矩形孔布置的方式为：
两组所述矩形孔同位地布置在所述动平台的长度方向的一侧；
第三组所述矩形孔与其中一个所述矩形孔交错布置；
其中，所述第一立柱、所述第三立柱对应布置在同位的所述矩形孔上。
具体地，三组所述驱动机构分别为：
第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构；
所述动平台的底面安装有多个牛眼轴承，以使得所述动平台能够在所述静平台上滑动；
所述动平台顶面上固定安装有第一滑轨、第二滑轨和第三滑轨；
所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第三驱动机构
用于连接所述动平台和所述静平台，并驱动所述动平台的运动。
具体地，所述第一驱动机构，包括：第一缸体、第一伸缩顶杆、第一滑块和第一转轴；
所述第一缸体的尾端与第一滑块采用转轴连接，以使得所述第一缸体可绕所述第一转轴旋转；
所述第一滑块可在所述第一滑轨上滑动；
所述第一伸缩顶杆固定连接在所述的静平台第一立柱上；
所述第二驱动机构，包括：第二缸体、第二伸缩顶杆、第二滑块和第二转轴；
所述第二缸体的尾端与第二滑块采用转轴连接，以使得所述第二缸体可绕所述第二转轴旋转；
所述第二滑块可在所述第二滑轨上滑动；
所述第二伸缩顶杆固定连接在所述的静平台第二立柱上；
所述第三驱动机构，包括：第三缸体、第三伸缩顶杆、第三滑块和第三转轴；
所述第三缸体的尾端与第三滑块采用转轴连接，以使得所述第三缸体可绕所述第三转轴旋转；
所述第三滑块可在所述第三滑轨上滑动；
所述第三伸缩顶杆固定连接在所述的静平台第三立柱上。
具体地，每个所述驱动机构布置的方式为：所述静平台和所述动平台具有重合状态，所述驱动机构的轴线垂直于所述直线运动机构的中线、且所述驱动机构位于所述直线运动机构和对应的所述矩形孔之间。
具体地，在所述重合状态下，所述第二伸缩顶杆垂直于所述第一伸缩顶杆和所述第三伸缩顶杆。
具体地，所述固定坐标系建立在静平台上时，需要满足过第一立柱和第三立柱的固定点建立X轴，且以向右为正方向；
另外需要过第三立柱的固定点且垂直与所述X轴建立Y轴，向上为正方向；
其中，在所述两条参考线建立在动平台上时，需要满足过过第一转轴和第三转轴建立M参考线；
另外需要过第二转轴、且垂直于所述M参考线、并建立N参考线；
所述的M参考线和N参考线的交点即为动平台的旋转点中心点。
具体地，所述多轴运动控制器采用嵌入式多轴运动控制器，控制程序运行于所述的嵌入式多轴运动控制器；
所述的嵌入式多轴运动控制器分别连接所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第三驱动机构；
所述嵌入式多轴运动控制器用于接收和处理控制信号，将处理后的控制信号传输给所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第三驱动机构，以分别控制伸缩顶杆的杆长，实现动平台运动模拟。
具体地，以三角函数运算的方式反求出所述动平台在不同位置对应的三组所述驱动机构的伸缩顶杆的变化量的方法包括如下步骤：
步骤S11，当所述M参考线平行于X轴时，可定义此时的状态为设备零位；
步骤S12，设定平移运动时，三组驱动机构的伸缩顶杆第一变化量；
步骤S13，当所述动平台以交点点为中心以逆时针方向为正方向旋转α角时；
设定旋转运动时，三组驱动机构的伸缩顶杆第二变化量；
步骤S14，所述动平台在二个平移自由度和一个旋转自由度的上的任意运动，可视为先将动平台以交点为参考平移到指定位置，再以F点为中心旋转任意α角；
设定平移加旋转后，能够得到三组驱动机构的的总伸缩变化量；
步骤S15，当动平台以交点为参考，沿固定坐标系移动预设坐标，并以交点为中心逆时针旋转α角时，由于旋转运动是基于平移后的数值计算得出；
其中，计算旋转伸缩量时，需考虑平移的变化量；
步骤S16，根据运动学分析，编写求解程序，输入动平台的平移量和旋转量，即可分别求得动平台在不同位置状态下三组驱动机构的伸缩顶杆分别对应的长度。
本发明具有以下的有益效果：
本发明的优点有硬件结构简单，可靠性高；控制算法实现容易，具有较好的推广价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的一种两平动一转动三自由度平台结构简图
图2为本发明的一种两平动一转动三自由度平台爆炸简图
图3为本发明的初始状态坐标系示意图
图4为本发明的旋转后状态坐标系示意图
图5为本发明的一种两平动一转动三自由度平台的硬件原理图。
图中的附图标记表示为：
1、静平台，11、第一立柱，12、第二立柱，13、第三立柱；
2、动平台，21、第一滑轨，22、第二滑轨，23、第三滑轨；
3、第一驱动机构，31、第一缸体，32、第一伸缩顶杆，33、第一滑块，34、第一转轴；
4、第二驱动机构，41、第二缸体，42、第二伸缩顶杆，43、第二滑块，44、第二转轴；
5、第三驱动机构，51、第三缸体，52、第三伸缩顶杆，53、第三滑块，54、第三转轴；
100驱动机构，XY固定坐标系，MN参考线，200多轴运动控制器，300矩形孔，
F交点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；需要说明的是，本申请中为了便于描述，以当前视图中“左侧”为“第一端”，“右侧”为“第二端”，“上侧”为“第一端”，“下侧”为“第二端”，如此描述的目的在于清楚的表达该技术方案，不应当理解为对本申请技术方案的不当限定。
一种两平动一转动三自由度平台的控制方法，如图1和图2所示，的平台机构，包括：静平台1、动平台2、第一驱动机构3、第二驱动机构4和第三驱动机构5。
静平台1顶面上固定安装有第一立柱11、第二立柱12和第三立柱13；
动平台2上开有三个矩形孔，静平台1上第一立柱1、第二立柱2和第三立柱3，分别从的三个矩形孔穿过；动平台2叠放在静平台上1；
动平台2，底面装有多个牛眼轴承，可在静平台1上滑动，顶面上固定安装有第一滑轨21、第二滑轨22、第三滑轨23；
第一驱动机构3、第二驱动机构4和第三驱动机构5用于连接动平台2和静平台1，并驱动动平台2运动。
第一驱动机构3，包括：第一缸体31、第一伸缩顶杆32、第一滑块33，第一转轴34；第一缸体31的尾端与第一滑块33采用转轴连接，可绕第一转轴34旋转；第一滑块33可在第一滑轨21上滑动；第一伸缩顶杆32固定连接在的静平台1第一立柱11上；
第二驱动机构4，包括：第二缸体41、第二伸缩顶杆42、第二滑块43，第二转轴44；第二缸体41的尾端与第二滑块43采用转轴连接，可绕第二转轴44旋转；第二滑块43可在第二滑轨22上滑动；第二伸缩顶杆42固定连接在的静平台1第二立柱12上；
第三驱动机构5，包括：第三缸体51、第三伸缩顶杆52、第三滑块53，第三转轴54；第三缸体51的尾端与第三滑块53采用转轴连接，可绕第三转轴54旋转；第三滑块53可在第三滑轨23上滑动；第三伸缩顶杆52固定连接在的静平台1第三立柱13上；
第一滑轨21与第三滑轨23为平行关系，与第二滑轨22为垂直关系；
第一驱动机构3与第三驱动机构5为平行关系，布置于动平台2的两端；
第二驱动机构4与第一驱动机构3为垂直关系，布置于第一驱动机构3和第三驱动机构5之间；
进一步的，如图3所示，在静平台1上建立固定坐标系，过第一立柱11和第三立柱13的固定点建立X轴，向右为正方向，过第二立柱12的固定点且垂直与X轴建立Y轴，向上为正方向；在的动平台2上建立两条参考线，过第一转轴34和第三转轴54建立参考线M，过第二转轴44且垂直于参考线M建立参考线N；的M参考线和N参考线的交点F即为动平台2的旋转中心点；的旋转中心点F可根据实际需求，调整第一驱动机构3、第二驱动机构4和第三驱动机构5的安装位置，从而定位在动平台2上的任意位置；
进一步的，当M参考线平行于X轴时，可定义此时的状态为设备零位；
设：平移运动时，第一驱动机构3、第二驱动机构4、第三驱动机构5的伸缩顶杆的变化量分别为ΔS1平、ΔS2平、ΔS3平；当动平台2以F点为参考，在固定坐标系上平移(A，B)时：显而易见的：
ΔS1平＝B
ΔS2平＝A
ΔS3平＝B
进一步的，如图4所示，当所述动平台2以F点为中心旋转α角时(以逆时针方向为正方向)，设：旋转运动时，第一驱动机构3、第二驱动机构4、第三驱动机构5的伸缩变化量分别为ΔS1转、ΔS2转、ΔS3转；可得出以下算式：
ΔS1转＝-tanα×(D1+L2)
ΔS2转＝tanα×(L1-L3)
ΔS3转＝tanα×D3
进一步的，所述动平台2在二个平移自由度和一个旋转自由度的上的任意运动，可视为先将动平台2以F点为参考平移到指定位置，再以F点为中心旋转任意α角；
设：平移加旋转后，第一驱动机构3、第二驱动机构4、第三驱动机构5的总伸缩变化量分别为ΔS1总、ΔS2总、ΔS3总；择根据运动叠加原理，可知：
ΔS1总＝ΔS1平+ΔS1转
ΔS2总＝ΔS2平+ΔS2转
ΔS3总＝ΔS3平+ΔS3转
当动平台2以F点为参考，沿固定坐标系移动(A，B)，并以F点为中心逆时针旋转α角时，由以上分析可得以下公式：
ΔS1平＝B
ΔS2平＝A
ΔS3平＝B
由于旋转运动是基于平移后的数值计算得出，因此计算旋转伸缩量时，需考虑平移的变化量，可得计算公式：
ΔS1转＝-tanα×(D1+(L2+A))
ΔS2转＝tanα×((L1+B)-L3)
ΔS3转＝tanα×D3
两部分运动叠加后，可得计算公式：
ΔS1总＝B-tanα×(D1+(L2+A))
ΔS2总＝A+tanα×((L1+B)-L3)
ΔS3总＝B+tanα×D3
根据运动学分析，编写求解程序，输入动平台2的平移量A、B和旋转量α，即可分别求得动平台2在不同位置状态下第一驱动机构3、第二驱动机构4、第三驱动机构5的伸缩顶杆长度。
附图图5是一种两平动一转动三自由度平台的硬件原理图。所述平台机构的控制程序，运行于嵌入式多轴运动控制器；软件接收用户输入的控制量后，将解算出的控制信号经多轴运动控制器分别输出至第一驱动机构3、第二驱动机构4、第三驱动机构5，所述第一驱动机构3、第二驱动机构4、第三驱动机构5带动动平台2运动至设定位置，实现准确控制。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，建立平台机构体系，所述平台机构体系具有静平台(1)和动平台(2)；以及三组驱动机构(100)；
三组所述驱动机构(100)用于使得所述动平台(2)能够相对于所述静平台(1)进行以所述静平台(1)的预设旋转中心点为转动中心的转动动作；
其中，所述设旋转中心点的构建方式为：
在所述静平台(1)上建立固定坐标系(XY)；
在所述动平台(2)上建立两条参考线(MN)；
两条所述参考线(MN)的交点为所述动平台(2)的旋转中心点；
步骤S2，根据所述静平台(1)、所述动平台(2)的机械参数、用户输入的平移数据和旋转量，以三角函数运算的方式反求出所述动平台(1)在不同位置对应的三组所述驱动机构(100)的伸缩顶杆(101)的变化量；
步骤S3，将三组所述驱动机构(100)的伸缩顶杆(101)的变化量输入一多轴运动控制器(200)中，并通过该多轴运动控制器(200)控制对应的三组所述驱动机构(100)的直线运动机构连续运行，实现动平台(2)的转动精确度的控制。
2.如权利要求1所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，所述的静平台(1)顶面上固定安装有第一立柱(11)、第二立柱(12)和第三立柱(13)；
所述动平台(2)上开设有三个矩形孔(300)；
所述第一立柱(11)、所述第二立柱(12)和所述第三立柱(13)分别从对应的三个矩形孔(300)穿过；
所述动平台(2)叠放在所述静平台(1)上。
3.如权利要求2所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，所述三个矩形孔(300)布置的方式为：
两组所述矩形孔(300)同位地布置在所述动平台(2)的长度方向的一侧；
第三组所述矩形孔(300)与其中一个所述矩形孔(300)交错布置；
其中，所述第一立柱(11)、所述第三立柱(13)对应布置在同位的所述矩形孔(300)上。
4.如权利要求3所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，三组所述驱动机构(100)分别为：
第一驱动机构(3)、第二驱动机构(4)和第三驱动机构(5)；
所述动平台(2)的底面安装有多个牛眼轴承，以使得所述动平台(2)能够在所述静平台(1)上滑动；
所述动平台(2)顶面上固定安装有第一滑轨(21)、第二滑轨(22)和第三滑轨(23)；
所述第一驱动机构(3)、所述第二驱动机构(3)和所述第三驱动机构(5)
用于连接所述动平台(2)和所述静平台(1)，并驱动所述动平台(2)的运动。
5.如权利要求4所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，所述第一驱动机构(3)，包括：第一缸体(31)、第一伸缩顶杆(32)、第一滑块(33)和第一转轴(34)；
所述第一缸体(31)的尾端与第一滑块(33)采用转轴连接，以使得所述第一缸体(31)可绕所述第一转轴(34)旋转；
所述第一滑块(33)可在所述第一滑轨(21)上滑动；
所述第一伸缩顶杆(32)固定连接在所述的静平台(1)第一立柱(11)上；
所述第二驱动机构(4)，包括：第二缸体(41)、第二伸缩顶杆(42)、第二滑块(43)和第二转轴(44)；
所述第二缸体(41)的尾端与第二滑块(43)采用转轴连接，以使得所述第二缸体(41)可绕所述第二转轴(34)旋转；
所述第二滑块(43)可在所述第二滑轨(22)上滑动；
所述第二伸缩顶杆(42)固定连接在所述的静平台(1)第二立柱(13)上；
所述第三驱动机构(3)，包括：第三缸体(51)、第三伸缩顶杆(52)、第三滑块(53)和第三转轴(54)；
所述第三缸体(51)的尾端与第三滑块(53)采用转轴连接，以使得所述第三缸体(51)可绕所述第三转轴(54)旋转；
所述第三滑块(53)可在所述第三滑轨(23)上滑动；
所述第三伸缩顶杆(52)固定连接在所述的静平台(1)第三立柱(13)上。
6.如权利要求5所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，每个所述驱动机构(100)布置的方式为：所述静平台(1)和所述动平台(2)具有重合状态，所述驱动机构(100)的轴线垂直于所述直线运动机构的中线、且所述驱动机构(100)位于所述直线运动机构和对应的所述矩形孔(300)之间。
7.如权利要求6所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，在所述重合状态下，所述第二伸缩顶杆(42)垂直于所述第一伸缩顶杆(32)和所述第三伸缩顶杆(52)。
8.如权利要求7所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，所述固定坐标系(XY)建立在静平台(1)上时，需要满足过第一立柱(11)和第三立柱(13)的固定点建立X轴，且以向右为正方向；
另外需要过第三立柱(12)的固定点且垂直与所述X轴建立Y轴，向上为正方向；
其中，在所述两条参考线(MN)建立在动平台(2)上时，需要满足过过第一转轴(34)和第三转轴(54)建立M参考线；
另外需要过第二转轴(44)、且垂直于所述M参考线、并建立N参考线；
所述的M参考线和N参考线的交点(F)即为动平台的旋转点中心点。
9.如权利要求8所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，所述多轴运动控制器采用嵌入式多轴运动控制器，控制程序运行于所述的嵌入式多轴运动控制器；
所述的嵌入式多轴运动控制器分别连接所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第三驱动机构；
所述嵌入式多轴运动控制器用于接收和处理控制信号，将处理后的控制信号传输给所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第三驱动机构，以分别控制伸缩顶杆的杆长，实现动平台运动模拟。
10.如权利要求9所述的两平动一转动三自由度平台的控制方法，其特征在于，以三角函数运算的方式反求出所述动平台(1)在不同位置对应的三组所述驱动机构(100)的伸缩顶杆(101)的变化量的方法包括如下步骤：
步骤S11，当所述M参考线平行于X轴时，可定义此时的状态为设备零位；
步骤S12，设定平移运动时，三组驱动机构(100)的伸缩顶杆第一变化量；
步骤S13，当所述动平台(2)以交点(F)点为中心以逆时针方向为正方向旋转α角时；
设定旋转运动时，三组驱动机构(100)的伸缩顶杆第二变化量；
步骤S14，所述动平台(2)在二个平移自由度和一个旋转自由度的上的任意运动，可视为先将动平台(2)以交点(F)为参考平移到指定位置，再以F点为中心旋转任意α角；
设定平移加旋转后，能够得到三组驱动机构(100)的的总伸缩变化量；
步骤S15，当动平台(2)以交点(F)为参考，沿固定坐标系移动预设坐标，并以交点(F)为中心逆时针旋转α角时，由于旋转运动是基于平移后的数值计算得出；
其中，计算旋转伸缩量时，需考虑平移的变化量；
步骤S16，根据运动学分析，编写求解程序，输入动平台(2)的平移量和旋转量，即可分别求得动平台(2)在不同位置状态下三组驱动机构的伸缩顶杆分别对应的长度。
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2022
- 2022-12-20 CN CN202211640313.4A patent/CN116166052B/zh active Active
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