六自由度液壓伺服運動系統(tǒng)研究

肖志堅，廖峰

(中國民航飛行學(xué)院模擬中心，四川廣漢618307)

飛行模擬機(jī)是一個復(fù)雜的實時仿真系統(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、聽覺、動感和力感。飛行模擬器液壓伺服運動系統(tǒng)是一個六自由度運動平臺，它能夠作繞空間坐標(biāo)3 個軸的俯仰、橫滾、偏航角運動和沿3 軸的升降、橫移、縱移直線運動［1－4］。平臺有6 套獨立的液壓伺服系統(tǒng)，計算機(jī)通過控制6個作動筒的伸縮，來實現(xiàn)運動平臺在6 個自由度上的運動［5－6］。

1 六自由度運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

六自由度運動系統(tǒng)主要包括以下部分:萬向鉸鏈下支座、液壓作動筒、儲能器、萬向鉸鏈上支座、油源、控制電纜以及運動控制計算機(jī)［7］，其中的運行系統(tǒng)基座框圖如圖1所示。

圖1 運行系統(tǒng)基座框圖

1.1 萬向鉸鏈支座組件

每一個萬向鉸鏈上、下支座組件包括兩個接頭，它與運動平臺的底部或地面相連，平臺可以在最大偏移包線內(nèi)自由運動，而沒有任何機(jī)械阻礙。萬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)載情況下可無間隙地轉(zhuǎn)動。

1.2 伺服作動筒組件

運動伺服作動筒是一個活塞桿以及活塞上帶有靜壓軸承的不對稱液缸，6 個作動筒控制整個運動平臺6 個自由度的運行。其中液壓作動筒的設(shè)計比較特別，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［8］。

1.3 油源

油源被設(shè)計為一個完整獨立的分系統(tǒng)，包括運動及油冷卻所需的泵、驅(qū)動電機(jī)、控制裝置、油箱、相關(guān)設(shè)備以及閥門。運動泵由一臺110 kW 的電機(jī)驅(qū)動，泵容量可變并進(jìn)行壓力補償。在系統(tǒng)壓力為19 MPa 時，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25 MPa。運動泵從油箱中吸油。油箱的入口和出口被隔開，以更好地散熱。高壓儲能器直接安裝在油源上。正常工作時，泵、控制閥或者其他的液壓系統(tǒng)組成部分不會發(fā)生氣穴現(xiàn)象，閥門也不會震顫。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 伺服作動筒液壓控制原理

伺服作動筒液壓控制原理圖如圖2所示，伺服作動筒與系統(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，若電液換向閥5 不工作，此時該換向閥處于常開位，液壓油通過節(jié)流閥6 直接回油箱;若在計算機(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，液壓油通過點M進(jìn)入作動筒下室F，此時作動筒伸長;當(dāng)AT、BP 位連通時，作動筒下室F 形成負(fù)壓，油箱里的液壓油通過節(jié)流閥6 回油，此時作動筒伸出部分回縮。

圖2 伺服作動筒液壓控制圖

在作動筒伸出和縮回兩種偏移極限時，作動筒有75 mm 的緩沖行程。在整個作動筒油路控制上，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，以防止緩沖過程中過載。

作動筒內(nèi)部頂端固定著一個磁位移傳感器，傳感器的電纜從作動筒活塞桿的上端連接傳感器電路盒。運動伺服作動筒裝有壓力傳感器以測量作動筒底部的壓力，該壓力信號作為安全信號以及作為控制系統(tǒng)的反饋信號。作動筒還安裝了一個微型限位開關(guān)來檢測活塞桿的完全縮進(jìn)位置。在作動筒邊上裝有連接器，用于伺服閥、壓力傳感器和位移傳感器的電纜鋪設(shè)。

3 作動筒伺服控制原理與安全保護(hù)

3.1 作動筒伺服控制原理

作動筒伺服控制工作原理如圖3所示:飛行模擬機(jī)主計算機(jī)通過采集飛行操縱等參數(shù)，計算出3 個方向的軸向線加速度、角速度、角加速度及3 個姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，經(jīng)過浮點運算等一系列復(fù)雜的變換，通過濾波得到能夠反映飛行員在飛機(jī)座椅上產(chǎn)生的力及其他動感信號作為伺服作動筒的運動驅(qū)動信號，驅(qū)動信號再經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換變成模擬信號輸入至作動筒液壓伺服回路，在回路中，信號經(jīng)過隔離放大、前置濾波、伺服放大后控制電液伺服閥門的開關(guān)量，從而控制液壓油的進(jìn)出量，最終達(dá)到控制作動筒的伸縮量。同時，作動筒內(nèi)的傳感器也會提供壓力及位置反饋信號，結(jié)合控制信號，共同控制電液伺服閥以使作動筒到達(dá)精確的位置。

圖3 作動筒伺服控制圖

3.2 作動筒安全保護(hù)機(jī)制

(1)位置檢測及保護(hù)

作動筒數(shù)字控制系統(tǒng)以位置控制為基礎(chǔ)，當(dāng)模擬機(jī)運動系統(tǒng)工作時，運動控制計算機(jī)通過磁位移傳感器實時采集作動筒的位置信號，然后將作動筒位置反饋給運動計算機(jī);計算機(jī)把作動筒位置的給定值和實際值進(jìn)行比較，并將差值發(fā)送給控制閥，由控制閥來調(diào)節(jié)油量的進(jìn)出多少。在作動筒運動的臨界位置安裝了一個微型限位開關(guān)來檢測活塞桿的完全縮進(jìn)位置，一旦超過最大行程，將觸發(fā)限位開關(guān)，運動系統(tǒng)立即啟動安全保護(hù)，中斷作動筒運行，并將運動平臺緩慢放下。

(2)壓力檢測及保護(hù)

當(dāng)模擬機(jī)運動系統(tǒng)工作時，運動控制計算機(jī)采集作動筒壓力傳感器信號，當(dāng)檢測到壓力傳感器超過最大壓力范圍時，計算機(jī)觸發(fā)報警系統(tǒng)，運動系統(tǒng)立即啟動安全保護(hù)，運動泵停止工作，作動筒泄壓，中斷作動筒運行，并將運動平臺放下。另外，液壓控制系統(tǒng)內(nèi)裝有壓力安全閥以防超壓，運動泵的出口處也裝有一個安全閥，由電磁線圈控制，若壓力傳感器損壞，一旦超壓，壓力安全閥會自動泄壓，以保障系統(tǒng)安全運行。

4 結(jié)束語

6 自由度液壓伺服運動系統(tǒng)是飛行模擬機(jī)的關(guān)鍵部件，計算機(jī)通過對6 個液壓伺服作動筒的控制來實現(xiàn)飛機(jī)俯仰、橫滾、偏航、升降、縱向平移和側(cè)向平移的6 自由度運動仿真。文中對液壓伺服作動筒的工作和控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，對6 自由度運動系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］顏旗權(quán).6 自由度飛行模擬器的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

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［3］吳東蘇.飛行模擬器運動平臺關(guān)節(jié)空間自適應(yīng)模糊控制［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2008，40(5):670－676.

［4］高峰.六自由度運動平臺伺服系統(tǒng)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2004.

［5］廖峰.六自由度伺服作動筒及安全保護(hù)的研究［J］.液壓與氣動，2009(12):38－40.

［6］王輝，陳學(xué)森.飛行模擬器六自由度運動平臺的仿真研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31(5):778－782.

［7］肖志堅.CJ1 飛行模擬器運動系統(tǒng)與故障分析［J］.機(jī)電技術(shù)，2013，36(5):8－12.

［8］YNTEMA R.6 DOF Motion System HSE-6-MS-60-C-5/D［M］.Netherlands.