關(guān)于六自由度液壓伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)研究論文
飛行模擬機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，它能夠模擬飛機(jī)的各種飛行狀態(tài)，給飛行員提供逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、動(dòng)感和力感。飛行模擬器液壓伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，它能夠作繞空間坐標(biāo)3 個(gè)軸的俯仰、橫滾、偏航角運(yùn)動(dòng)和沿3 軸的升降、橫移、縱移直線運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)有6 套獨(dú)立的液壓伺服系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)控制6個(gè)作動(dòng)筒的伸縮，來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在6 個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。
1 六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括以下部分: 萬(wàn)向鉸鏈下支座、液壓作動(dòng)筒、儲(chǔ)能器、萬(wàn)向鉸鏈上支座、油源、控制電纜以及運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)。
1. 1 萬(wàn)向鉸鏈支座組件
每一個(gè)萬(wàn)向鉸鏈上、下支座組件包括兩個(gè)接頭，它與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的底部或地面相連，平臺(tái)可以在最大偏移包線內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有任何機(jī)械阻礙。萬(wàn)向鉸鏈上支座接頭的主軸和輔助軸上裝有楔形的滾珠軸承，萬(wàn)向鉸鏈下支座接頭的主軸和輔助軸上裝有滾柱軸承，所有的軸承都被調(diào)整到在指定負(fù)載情況下可無(wú)間隙地轉(zhuǎn)動(dòng)。
1. 2 伺服作動(dòng)筒組件
運(yùn)動(dòng)伺服作動(dòng)筒是一個(gè)活塞桿以及活塞上帶有靜壓軸承的不對(duì)稱液缸，6 個(gè)作動(dòng)筒控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)6 個(gè)自由度的運(yùn)行。其中液壓作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)比較特別，它包括液壓缸、液壓管、電液伺服閥、溢流閥、單向閥、節(jié)流閥以及位移傳感器。
1. 3 油源
油源被設(shè)計(jì)為一個(gè)完整獨(dú)立的.分系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)及油冷卻所需的泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制裝置、油箱、相關(guān)設(shè)備以及閥門。運(yùn)動(dòng)泵由一臺(tái)110 kW 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，泵容量可變并進(jìn)行壓力補(bǔ)償。在系統(tǒng)壓力為19MPa 時(shí)，系統(tǒng)最大流量可調(diào)節(jié)到將近422 L /min，連續(xù)流量為292 L /min。泵的最小額定工作壓力為25MPa。運(yùn)動(dòng)泵從油箱中吸油。油箱的入口和出口被隔開(kāi)，以更好地散熱。高壓儲(chǔ)能器直接安裝在油源上。正常工作時(shí)，泵、控制閥或者其他的液壓系統(tǒng)組成部分不會(huì)發(fā)生氣穴現(xiàn)象，閥門也不會(huì)震顫。在具體工程中，油源的流量和壓力根據(jù)需要發(fā)生改變。
2 伺服作動(dòng)筒液壓控制原理
伺服作動(dòng)筒液壓控制原理，伺服作動(dòng)筒與系統(tǒng)壓力油管相連的上室是導(dǎo)通的。油由下室F 流入流出，由電液換向閥控制。當(dāng)進(jìn)油液輸入壓力大于12. 2 MPa 時(shí)，若電液換向閥5 不工作，此時(shí)該換向閥處于常開(kāi)位，液壓油通過(guò)節(jié)流閥6 直接回油箱; 若在計(jì)算機(jī)控制下，換向閥3、4 工作，電液換向閥A 工作，當(dāng)AP、BT 位連通時(shí)，液壓油通過(guò)點(diǎn)M進(jìn)入作動(dòng)筒下室F，此時(shí)作動(dòng)筒伸長(zhǎng); 當(dāng)AT、BP 位連通時(shí)，作動(dòng)筒下室F 形成負(fù)壓，油箱里的液壓油通過(guò)節(jié)流閥6 回油，此時(shí)作動(dòng)筒伸出部分回縮。
在作動(dòng)筒伸出和縮回兩種偏移極限時(shí)，作動(dòng)筒有75 mm 的緩沖行程。在整個(gè)作動(dòng)筒油路控制上，包括帶有故障顯示功能的電液伺服閥、溢流閥、單向閥、節(jié)流閥等組件。活塞的上下速度由硬件限制到0. 688 m/s，以防止緩沖過(guò)程中過(guò)載。
作動(dòng)筒內(nèi)部頂端固定著一個(gè)磁位移傳感器，傳感器的電纜從作動(dòng)筒活塞桿的上端連接傳感器電路盒。運(yùn)動(dòng)伺服作動(dòng)筒裝有壓力傳感器以測(cè)量作動(dòng)筒底部的壓力，該壓力信號(hào)作為安全信號(hào)以及作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)。作動(dòng)筒還安裝了一個(gè)微型限位開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)活塞桿的完全縮進(jìn)位置。在作動(dòng)筒邊上裝有連接器，用于伺服閥、壓力傳感器和位移傳感器的電纜鋪設(shè)。
3 作動(dòng)筒伺服控制原理與安全保護(hù)
3. 1 作動(dòng)筒伺服控制原理
作動(dòng)筒伺服控制工作原理: 飛行模擬機(jī)主計(jì)算機(jī)通過(guò)采集飛行操縱等參數(shù)，計(jì)算出3 個(gè)方向的軸向線加速度、角速度、角加速度及3 個(gè)姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)運(yùn)算等一系列復(fù)雜的變換，通過(guò)濾波得到能夠反映飛行員在飛機(jī)座椅上產(chǎn)生的力及其他動(dòng)感信號(hào)作為伺服作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)再經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)輸入至作動(dòng)筒液壓伺服回路，在回路中，信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大、前置濾波、伺服放大后控制電液伺服閥門的開(kāi)關(guān)量，從而控制液壓油的進(jìn)出量，最終達(dá)到控制作動(dòng)筒的伸縮量。同時(shí)，作動(dòng)筒內(nèi)的傳感器也會(huì)提供壓力及位置反饋信號(hào)，結(jié)合控制信號(hào)，共同控制電液伺服閥以使作動(dòng)筒到達(dá)精確的位置。
3. 2 作動(dòng)筒安全保護(hù)機(jī)制
(1) 位置檢測(cè)及保護(hù)
作動(dòng)筒數(shù)字控制系統(tǒng)以位置控制為基礎(chǔ)，當(dāng)模擬機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)磁位移傳感器實(shí)時(shí)采集作動(dòng)筒的位置信號(hào)，然后將作動(dòng)筒位置反饋給運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī); 計(jì)算機(jī)把作動(dòng)筒位置的給定值和實(shí)際值進(jìn)行比較，并將差值發(fā)送給控制閥，由控制閥來(lái)調(diào)節(jié)油量的進(jìn)出多少。在作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)的臨界位置安裝了一個(gè)微型限位開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)活塞桿的完全縮進(jìn)位置，一旦超過(guò)最大行程，將觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)立即啟動(dòng)安全保護(hù)，中斷作動(dòng)筒運(yùn)行，并將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)緩慢放下。
(2) 壓力檢測(cè)及保護(hù)
當(dāng)模擬機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)采集作動(dòng)筒壓力傳感器信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到壓力傳感器超過(guò)最大壓力范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)立即啟動(dòng)安全保護(hù)，運(yùn)動(dòng)泵停止工作，作動(dòng)筒泄壓，中斷作動(dòng)筒運(yùn)行，并將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)放下。另外，液壓控制系統(tǒng)內(nèi)裝有壓力安全閥以防超壓，運(yùn)動(dòng)泵的出口處也裝有一個(gè)安全閥，由電磁線圈控制，若壓力傳感器損壞，一旦超壓，壓力安全閥會(huì)自動(dòng)泄壓，以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。
4 結(jié)束語(yǔ)
6 自由度液壓伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是飛行模擬機(jī)的關(guān)鍵部件，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)6 個(gè)液壓伺服作動(dòng)筒的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)俯仰、橫滾、偏航、升降、縱向平移和側(cè)向平移的6 自由度運(yùn)動(dòng)仿真。文中對(duì)液壓伺服作動(dòng)筒的工作和控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)6 自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
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