一种多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统

1.本发明属于航天医学实验领域，涉及一种多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统。


背景技术：

2.随着现代先进战机的大量服役以及空战环境的复杂化，在飞行过程中所产生的高g值可引起飞行人员的意识丧失g
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loc，从而威胁飞行安全。因此，加速度对人体的影响更加受到重视。多转臂做自由度实验平台动物离心机控制系统的研制以模拟高g值、不同g值增长率、单相和多相峰值加速度组合的飞行环境。在地面以更安全、更低廉成本的方式模拟飞行员在高过载环境下的飞行状态。通过动物实验为飞行人员对加速度耐力不足、加速度引起意识丧失等问题加以参考。
3.多轴运动控制器技术已经广泛应用于航天医学设备领域。在医学实验中，对于多组同步实验或多组对照实验，传统的单臂单自由度的离心机普遍采用单个对象及单组实验参数进行实验，不仅实验人员耗时耗力、效率低下而且频繁更换实验对象导致离心机参数设定存在误差，进而影响实验数据的准确性。
4.目前市场中已有载人离心机、工业离心机等装置，计算机程序控制技术也很发达，并逐渐应用于离心机设备，技术相对成熟。但市场至今却无多转臂多自由度实验平台的动物离心机。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统，多转臂多自由度平台的动物离心机以代替现有的单个实验对象和单组实验数据的离心机。以解决现有无法同时进行多组实验和无法进行多组对照试验的技术问题。
7.技术方案
8.一种多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统，其特征在于包括安装于离心机主旋转轴的主轴伺服电机、安装四个旋转臂上的自转步进电机和俯仰步进电机、控制主轴伺服电机的伺服驱动器、8轴运动控制器和上位pc机；伺服驱动器的r、s和t端子通过空气开关k连接380v电源，u、v和w端子连接主轴伺服电机的三相电路；8轴运动控制器的8个轴脉冲端子分别于4个自转步进电机的pul
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端子，4个俯仰步进电机的pul
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端子连接，8个轴方向端子分别于4个自转步进电机的dir
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端子，4个俯仰步进电机的dir
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端子连接，4个自转步进电机的pul+和dir+端子并联后与8轴运动控制器的一个输出+5v端子连接，4个俯仰步进电机的pul+和dir+端子并联后与8轴运动控制器的另一个输出+5v端子连接；8轴运动控制器输入+24v端子与0v端子并联后通过开关与+24v电源连接，rs485
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gnd与地连接；8轴运动控制器与伺服驱动器的rs485
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a并联后与pc机的rs485
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a连接，rs485
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b并联后与pc机的rs485
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b连接，两线之间跨接120欧姆电阻。
9.一种利用所述多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统进行四臂多自由度动物离心机的控制方法，其特征在于步骤如下：
10.步骤1：上位机通过rs485串口与下位机建立通讯，且将运动控制指令以数据帧的形式传递给运动控制器并通过驱动器进而控制各部分电机完成指定的运动动作。
11.步骤2：伺服电机将此刻电机的运行状态通过绝对式编码器反馈给上位机，实现对伺服电机实时运行状态的监测。
12.步骤3：通过交互界面对主轴伺服电机及自转电机、俯仰电机的参数进行设置；
13.步骤4：程序启动后，控制指令以数据帧的形式通过串口传递给运动控制器，再通过驱动器驱动各部分电机完成指定动作
14.步骤5：数据转换函数得出x、y、z三轴加速度，自转电机实现沿载物台切线方向180
°
/s运动，即y轴
15.步骤6：俯仰电机实现沿载物台法线方向运动，即x轴
16.步骤7：主轴伺服电机实现围绕其中心轴360
°
回转运动，其中沿离心方向为z轴。
17.有益效果
18.本发明提出的一种多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统，控制系统包括安装于离心机主旋转轴的主轴伺服电机、安装四个旋转臂上的自转步进电机和俯仰步进电机、控制主轴伺服电机的伺服驱动器、8轴运动控制器和上位pc机；系统控制的4个实验平台可以逐个设定不同的实验参数，也可以通过多轴联动实现同一实验参数多个实验对象的同时实验和以对角线为一组的方式实现“两两一组”对照实验。相对单转臂单自由度离心机，多转臂多自由度实验平台的实验效率和实验数据准确性得到较大的提升。
附图说明
19.图1为本发明的多转臂多自由度动物离心机与控制系统连接示意图
20.图2为本发明的多转臂多自由度动物离心机的动物平台结构示意图
21.图3为本发明的多转臂多自由度动物离心机控制系统示意图
22.图4为本发明的多转臂多自由度动物离心机实验平台细节示意图
23.图1中：pc机1，控制柜12，8轴运动控制器3，步进电机驱动器4，空气开关(5)，24v电源6，380v电源开关7，220v电源开关(8)，伺服驱动器9，实验平台(10)，绝对值编码器11，转臂12，控制柜213，主轴伺服电机14,步进电机电动推杆15,自转步进电机(16)。
24.图4中：1.运动曲线显示区、2.自动控制区、3.手动控制区，其中包括主轴控制区、实验平台控制区。
具体实施方式
25.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
26.控制系统包括安装于离心机主旋转轴的主轴伺服电机、安装四个旋转臂上的自转步进电机和俯仰步进电机、控制主轴伺服电机的伺服驱动器、8轴运动控制器和上位pc机；伺服驱动器的r、s和t端子通过空气开关k连接380v电源，u、v和w端子连接主轴伺服电机的三相电路；8轴运动控制器的8个轴脉冲端子分别于4个自转步进电机的pul
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端子，4个俯仰步进电机的pul
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端子连接，8个轴方向端子分别于4个自转步进电机的dir
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端子，4个俯仰步
进电机的dir
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端子连接，4个自转步进电机的pul+和dir+端子并联后与8轴运动控制器的一个输出+5v端子连接，4个俯仰步进电机的pul+和dir+端子并联后与8轴运动控制器的另一个输出+5v端子连接；8轴运动控制器输入+24v端子与0v端子并联后通过开关与+24v电源连接，rs485
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gnd与地连接；8轴运动控制器与伺服驱动器的rs485
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a并联后与pc机的rs485
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a连接，rs485
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b并联后与pc机的rs485
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b连接，两线之间跨接120欧姆电阻。
27.多转臂多自由度动物离心机控制系统控制的4个实验平台可以逐个设定不同的实验参数，也可以通过多轴联动实现同一实验参数多个实验对象的同时实验和以对角线为一组的方式实现“两两一组”对照实验。相对单转臂单自由度离心机，多转臂多自由度实验平台的实验效率和实验数据准确性得到较大的提升。
28.进一步地，所述硬件控制系统由运动控制模块、驱动模块、执行模块、反馈模块组成。
29.进一步地，所述的多转臂多自由度实验平台动物离心机控制系统，可以通过设定多轴运动控制器3参数和伺服驱动器9的参数，实现对实验平台沿自身切线方向的自转运动速度和沿法线方向的俯仰运动角度的调整和对主轴伺服电机14的速度控制，以满足不同实验的要求。
30.进一步地，所述空气开关5是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。
31.进一步地，所述多轴运动控制器3通过不同的实验要求对相对应的实验平台自转速度和俯仰角度的步进电机进行控制。
32.进一步地，所述主轴控制是伺服驱动器9带有绝对值编码器11的闭环控制，能够反馈主轴伺服电机14的运行转速和当前位置，同时可以精确控制加减速度设置和快速启停。
33.如图1所示，打开380v电源开关7后伺服驱动器9和主轴伺服电机14上电。打开220v电源开关8，再打开空气开关5，24v电源6上电，分别给多轴运动控制器3、步进电机驱动器4、自转步进电机16和步进电机电动推杆15供电。
34.根据具体实验要求，在pc机1端的人机交互界面，如图2所示，设定实验参数比如主轴旋转速度、主轴伺服电机启停加减速度、实验平台自转运动速度及位移、实验平台俯仰运动速度及角度、多个实验平台是否联动通过rs485串口将实验参数数据信号传输到多轴运动控制器2和伺服驱动器9，再由多轴运动控制器3配合步进电机驱动器4，如图3所示，驱动与控制器轴号相对应的实验平台自转步进电机16和步进电机电动推杆15，进而实现实验平台沿切线方向的自转运动和沿法线方向的俯仰运动，也可通过pc机1设置多轴运动控制器3不同轴号的实验参数实现实验平台的组合运动和多轴联动；同时多轴运动控制器3的上下限位端口对自转步进电机16的转动角度和步进电机电动推杆15的位移量进行了限定。
35.伺服驱动器9驱动主轴伺服电机14实现主轴带动转臂12的旋转运动。主轴伺服电机14带有绝对值编码器11。其中绝对值编码器11作为反馈元件，将主轴伺服电机14的转速和当前位置信号反馈到pc机1，进而可以对主轴旋转速度和当前位置进行调整，使主轴的运行速度满足实验要求，实现了对主轴旋转状态的实时监测。