一種復(fù)合式6-SPS艦載抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

孫石磊, 劉芳華*, 梁 偉， 王天澤

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)(2.滬東重機(jī)有限公司，上海 200129)

艦船在海上航行，當(dāng)受到天氣、海浪、非接觸性爆炸等諸多不利因素影響產(chǎn)生多個(gè)自由度的搖蕩干擾運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)給艦船上直升機(jī)的起降、武器發(fā)射精度、艦船通信、攝像、海上作業(yè)以及船員的工作、生活等方面造成了極為不利的影響[1-2].而并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)可使艦載設(shè)備相對(duì)慣性空間保持穩(wěn)定.針對(duì)并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此展開了大量的研究，其中國(guó)內(nèi)研究如：南極考察船“雪龍”號(hào)上的“船載氣象衛(wèi)星云圖接收系統(tǒng)”，采用了并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)，提高了信號(hào)接收的準(zhǔn)確度[3]；由浙江大學(xué)研制一種并聯(lián)四自由度4TPS/1PS穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)5級(jí)海況下的穩(wěn)定跟蹤；中國(guó)電子科技集團(tuán)26所研制一種具有船載、車載、機(jī)載3個(gè)系列的CWWP、CJWP三軸監(jiān)視穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)[4]；國(guó)外研究如：挪威AAS MEK公司以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主體機(jī)構(gòu)研制了一種海上鉆井設(shè)備，極大地提高了工作效率[5]；德國(guó)以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為底座研制一種100 m射電望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)了射電望遠(yuǎn)鏡角度的精調(diào)[6].但目前研制的并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)大都是單一式的，雖然可使艦船多自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)得到有效地補(bǔ)償，但面對(duì)高頻率、大幅度的搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)補(bǔ)償效果不佳.所以研制一種可應(yīng)對(duì)高頻率、大幅度搖蕩運(yùn)動(dòng)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗沖、穩(wěn)定的并聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)極為重要.

針對(duì)單一式并聯(lián)艦載穩(wěn)定平臺(tái)存在的不足，文中設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合式6-SPS艦載抗沖穩(wěn)定平臺(tái)(下文簡(jiǎn)稱“抗沖穩(wěn)定平臺(tái)”)，基于主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)，分析該抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的抗沖效果和穩(wěn)定效果，得出該機(jī)構(gòu)可有效地應(yīng)對(duì)高頻率、大幅度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗沖、穩(wěn)定的目的，為抗沖穩(wěn)定平臺(tái)后續(xù)的動(dòng)力學(xué)分析及高精度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù).

1 抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抗沖穩(wěn)定平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括主動(dòng)式穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)和被動(dòng)式減振平臺(tái)的設(shè)計(jì).被動(dòng)式減振平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)抗沖的目的，包括主體機(jī)構(gòu)、彈性元件、可控阻尼幾個(gè)部分.主動(dòng)式的穩(wěn)定平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的目的，由主體機(jī)構(gòu)、液壓裝置、傳感器、控制系統(tǒng)和信息處理部分組成.減振平臺(tái)和穩(wěn)定平臺(tái)上下串聯(lián)，下平臺(tái)與艦船固聯(lián)，上平臺(tái)作為艦載設(shè)備的承載平臺(tái).

1.1 主體機(jī)構(gòu)的選擇

主體機(jī)構(gòu)的選擇在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中具有極為重要的地位，它是整體機(jī)構(gòu)的骨架，是主要運(yùn)動(dòng)的傳遞者和載荷的承擔(dān)者，直接決定了整體機(jī)構(gòu)的工作效果.

以并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的主體機(jī)構(gòu)，主要目的是能應(yīng)對(duì)高頻率、大幅度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多維減振.當(dāng)下平臺(tái)受到干擾刺激信號(hào)經(jīng)過各支鏈反向傳遞到中平臺(tái)和上平臺(tái)的過程中，各支鏈中的彈簧阻尼系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)吸收能量并進(jìn)行動(dòng)力自適應(yīng)平衡.因此要求主體機(jī)構(gòu)傳力性能好，正反向傳動(dòng)效率高且不能同時(shí)發(fā)生自鎖，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于解耦、易于控制和分析、制造等[6-8].最后根據(jù)需要確定機(jī)構(gòu)的自由度數(shù).

根據(jù)抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，擇優(yōu)選擇了幾種合適的機(jī)型后，針對(duì)其耦合度和抗沖效果進(jìn)行了分析，并最終確定主體機(jī)構(gòu)的機(jī)型如圖1.

圖1 Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)Fig.1 Stewart parallel mechanism

圖1中的Stewart機(jī)構(gòu)由6條-S—P—S-單開鏈組成，在平衡位置時(shí)每條支鏈都和上、下平臺(tái)鉸點(diǎn)的連線組成近似的等邊三角形.且根據(jù)耦合度的計(jì)算方法求得該機(jī)型的耦合度為1，較其他Stewart機(jī)型耦合度都小.其中，耦合度k計(jì)算方法[9]如下：

(1)

式中：v為SOC單開鏈的個(gè)數(shù);Δj為第j個(gè)SOC單開鏈對(duì)機(jī)構(gòu)的約束度.

(2)

式中：mj為第j個(gè)SOC單開鏈的運(yùn)動(dòng)副數(shù);fj為第j個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度數(shù)；Ij為第j個(gè)SOC單開鏈的主動(dòng)副數(shù)；ξj為第j個(gè)SOC單開鏈構(gòu)成的所有可能回路中的秩的最小值.

1.2 主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在滿足要求的同時(shí)要便于加工，并符合相應(yīng)的裝配關(guān)系.

1.2.1 球鉸鏈的設(shè)計(jì)

球鉸鏈的運(yùn)動(dòng)性能對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)具有決定性的作用，結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括球頸、球鉸蓋和球鉸座3個(gè)部分.球頸可通過預(yù)設(shè)的孔伸入球鉸蓋中，球鉸蓋、球鉸座與平臺(tái)通過螺栓聯(lián)接，球頸與相應(yīng)的連桿通過螺紋聯(lián)接.該球鉸鏈的設(shè)計(jì)在滿足了使用要求的同時(shí)便于加工和裝配.

圖2 球鉸鏈的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of spherical hinge

1.2.2 隔沖器和液壓驅(qū)動(dòng)桿的設(shè)計(jì)

隔沖器是被動(dòng)式減振平臺(tái)發(fā)揮作用的主要部分，也是整體機(jī)構(gòu)能否應(yīng)對(duì)高頻率、大幅度搖蕩運(yùn)動(dòng)的決定性結(jié)構(gòu).文中設(shè)計(jì)的隔沖器基本滿足機(jī)構(gòu)的工作要求，符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其剖視圖的結(jié)構(gòu)如圖3.隔沖器上、下桿可構(gòu)成在一定范圍內(nèi)自由伸縮的伸縮桿.下桿中設(shè)有彈簧阻尼系統(tǒng)，阻尼缸內(nèi)根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置相應(yīng)的阻尼介質(zhì).可供上桿穿過的端蓋，與下桿通過螺紋聯(lián)接.上桿接近中間位置有一段圓形凸臺(tái)，主要作用是壓縮彈簧.根據(jù)要求合理地選擇彈簧的剛度系數(shù)和阻尼介質(zhì)，可使機(jī)構(gòu)更好的發(fā)揮作用.

圖3 隔沖器剖視圖的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of every punch sections

選擇合適型號(hào)的液壓驅(qū)動(dòng)元件，搭建相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)桿，結(jié)構(gòu)如圖4.液壓驅(qū)動(dòng)桿的上、下桿可構(gòu)成在一定范圍內(nèi)自由伸縮的伸縮桿，通過球鉸鏈分別與上、中平臺(tái)相聯(lián).位移傳感器和壓力傳感器主要作用是反饋液壓缸的位置信號(hào)和缸內(nèi)液壓油的壓力信號(hào).

圖4 液壓驅(qū)動(dòng)桿的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of hydraulic drive

1.3 機(jī)構(gòu)的總成

圖5是抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的總成圖.為了安全起見，在被動(dòng)式減振平臺(tái)中間加設(shè)過沖擊保護(hù)裝置，該過沖擊保護(hù)裝置內(nèi)部同樣設(shè)有彈簧阻尼系統(tǒng)，上桿通過萬(wàn)向節(jié)與中平臺(tái)相聯(lián)，下桿與下平臺(tái)固聯(lián).當(dāng)發(fā)生高頻率、大幅度的搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)機(jī)構(gòu)整體具有一定的保護(hù)作用.

圖5 抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的總成圖Fig.5 Diagram of resistance and stabilized platform

抗沖穩(wěn)定平臺(tái)整個(gè)工作過程可分為被動(dòng)減振和主動(dòng)穩(wěn)定兩大工步，其中主動(dòng)穩(wěn)定采用交叉耦合控制的思想[10],當(dāng)船艦受到外界干擾時(shí)，機(jī)構(gòu)與船艦固聯(lián)的下平臺(tái)會(huì)隨船艦產(chǎn)生相應(yīng)的搖蕩運(yùn)動(dòng).下平臺(tái)傳來(lái)的位姿信號(hào)經(jīng)過被動(dòng)式減振平臺(tái)傳到中平臺(tái)時(shí)頻率和幅度已大大降低,此時(shí)與中平臺(tái)和上平臺(tái)固聯(lián)的慣性測(cè)量組件會(huì)實(shí)時(shí)將中平臺(tái)和上平臺(tái)的位姿信號(hào)傳到上位機(jī)，上位機(jī)發(fā)出信號(hào)控制6個(gè)液壓缸聯(lián)動(dòng)，間接的控制上平臺(tái)穩(wěn)定,機(jī)構(gòu)的控制原理如圖6.

圖6 抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的控制原理Fig.6 Control principle diagram of resistance andstabilized platform

2 抗沖、穩(wěn)定性能分析

文中針對(duì)設(shè)計(jì)的抗沖穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行多方向抗沖性能及穩(wěn)定性能的分析.首先在Creo2.0中建立精確的模型，并將三維模型導(dǎo)入Adams建立抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的虛擬樣機(jī)，對(duì)其添加相應(yīng)的約束，忽略摩擦力的影響，在被動(dòng)式減振平臺(tái)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副上添加合適的彈簧剛度系數(shù)(柔性鏈接)和阻尼系數(shù).在主動(dòng)式穩(wěn)定平臺(tái)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副上添加合適的驅(qū)動(dòng)函數(shù)從而比較精確地仿真出機(jī)構(gòu)多方向的抗沖、穩(wěn)定性能[11-14].與仿真和建模相關(guān)的部分參數(shù)如表1.

表1 多方向減振、穩(wěn)定效果仿真及部分建模參數(shù)Table 1 More direction effect of shock absorption、stability simulation and some modeling parameters

2.1 抗沖性能分析

借助Adams虛擬樣機(jī)強(qiáng)大的仿真和測(cè)量功能，采用動(dòng)力學(xué)逆解法，保證上平臺(tái)不動(dòng)，對(duì)下平臺(tái)施加相應(yīng)的沖擊載荷，得到的6個(gè)液壓缸的位移函數(shù)以樣條函數(shù)“splinei”的形式導(dǎo)入Adams中，并將驅(qū)動(dòng)函數(shù)定義為：

Motioni:CUBSPL(time,0,splinei,0)

設(shè)仿真時(shí)間t=1 s，仿真步數(shù)Steps=1 000步.文中坐標(biāo)系為Adams環(huán)境下的坐標(biāo)系，Y軸位于豎直方向，抗沖穩(wěn)定平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型如圖7.

圖7 抗沖穩(wěn)定平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型Fig.7 Virtual prototype model of resistance and stabilized platform

選取平行于下平臺(tái)(橫向沖擊載荷)、垂直于下平臺(tái)(縱向沖擊載荷)和繞X軸(X軸平行于下平臺(tái))3個(gè)方向進(jìn)行抗沖、穩(wěn)定性能的驗(yàn)證.在3個(gè)方向上施加的沖擊載荷形式如圖8.施加的沖擊載荷給抗沖穩(wěn)定平臺(tái)模擬了一種高頻率、大幅度的搖蕩運(yùn)動(dòng).

圖8 橫向、縱向和繞X軸沖擊載荷形式Fig.8 Lateral、longitudinal and around the X axis forms of impact load

從單獨(dú)施加3個(gè)方向的沖擊載荷和同時(shí)施加3個(gè)方向的沖擊載荷對(duì)艦載抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的性能進(jìn)行分析.

(1) 單獨(dú)施加縱向沖擊載荷時(shí)抗沖性能分析.

如圖9(a)中，單獨(dú)施加縱向沖擊載荷時(shí)抗沖穩(wěn)定平臺(tái)沿Y軸方向，下平臺(tái)加速度波動(dòng)幅度很大，而中平臺(tái)相對(duì)下平臺(tái)加速度的波動(dòng)幅度較小.下平臺(tái)最大加速度為185 m/s2，中平臺(tái)對(duì)應(yīng)的加速度約為18.5 mm/s2，減振倍率接近10倍，效果明顯；圖9(b)中，下平臺(tái)繞X軸、Y軸和Z軸的角加速度波動(dòng)較大，而中平臺(tái)的角加速度沿X軸、Z軸在0附近波動(dòng)，且趨于平緩，沿Y軸有較大幅度波動(dòng)，但相比下平臺(tái)繞Y軸的角加速度也有減小.

(2) 單獨(dú)施加橫向沖擊載荷時(shí)抗沖性能分析.

如圖10(a)中，單獨(dú)施加橫向沖擊載荷時(shí)抗沖穩(wěn)定平臺(tái)沿X軸方向，下/中平臺(tái)加速度波動(dòng)幅度都較大，但中平臺(tái)的波動(dòng)幅度相對(duì)下平臺(tái)已減緩；圖10(b)中，下平臺(tái)繞X軸、Y軸和Z軸的角加速度波動(dòng)較大，而中平臺(tái)的角加速度繞X軸、Z軸在0附近波動(dòng)，且趨于平緩，繞Y軸有較大幅度波動(dòng)，但相比下平臺(tái)繞Y軸的角加速度也有減小.

圖9 單獨(dú)施加縱向沖擊載荷下/中平臺(tái)相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.9 Related parameters change curve of separately applied to longitudinal impact load for the down/ middle platform

圖10 單獨(dú)施加橫向沖擊載荷下/中平臺(tái)相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.10 Related parameters change curve of separately applied to transverse impact load for the down/ middle platform

(3) 單獨(dú)施加繞X軸方向沖擊載荷時(shí)抗沖性能分析.

如圖11，單獨(dú)施加繞X軸沖擊載荷時(shí)，下平臺(tái)繞X軸角加速度波動(dòng)幅度較大，中平臺(tái)的角加速度在零附近波動(dòng)且趨于平緩，下平臺(tái)的最大正角加速度為3 000°/s2，中平臺(tái)對(duì)應(yīng)的角加速度為150°/s2，減振倍率接近20倍，效果明顯.

圖11 單獨(dú)施加繞X軸沖擊載荷時(shí)下/中平臺(tái)角加速度變化曲線Fig.11 Related parameters change curve of separately applied to around X axis impact load for the down/middle platform

(4) 同時(shí)施加橫向、縱向和繞X軸3個(gè)方向沖擊載荷時(shí)抗沖性能分析(圖12).

圖12 同時(shí)施加橫、縱向和繞X軸沖擊載荷時(shí)下/中/上平臺(tái)相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.12 Related parameters change curve of together applied to longitudinal/ transverse and around X axis impact load for thedown/middle platform

如圖12(a)中，同時(shí)施加橫/縱向和繞X軸方向沖擊載荷時(shí)，抗沖穩(wěn)定平臺(tái)沿X軸方向，下/中平臺(tái)加速度都有較大幅度波動(dòng)，但由于減振平臺(tái)的作用，中平臺(tái)的加速度波動(dòng)幅度相對(duì)下平臺(tái)有所減緩.沿Y軸方向下平臺(tái)加速度幅度波動(dòng)較大，中平臺(tái)的加速度波動(dòng)趨于平緩，下平臺(tái)最大加速度為100 m/s2,中平臺(tái)對(duì)應(yīng)的加速度為10 m/s2，減振倍率接近10倍，效果明顯；圖12(b)中，下平臺(tái)繞X軸、Y軸和Z軸的角加速度波動(dòng)較大，而中平臺(tái)的角加速度繞X軸、Z軸在零附近波動(dòng)，且趨于平緩，繞Y軸有較大幅度波動(dòng)，但相比下平臺(tái)繞Y軸的角加速度也有減小.

綜上所述，該抗沖穩(wěn)定平臺(tái)在Y軸方向抗沖效果明顯，減振倍率接近10倍，在X軸方向相對(duì)Y軸方向抗沖效果較弱；整個(gè)機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)角方面有良好的抗沖效果，減振倍率可達(dá)20倍.

2.2 穩(wěn)定效果分析

對(duì)于抗沖穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定性能的分析，從同時(shí)施加橫向、縱向和繞X軸3個(gè)方向沖擊載荷，不采用任何控制算法時(shí)，對(duì)上平臺(tái)的姿態(tài)角變化規(guī)律進(jìn)行研究.根據(jù)上平臺(tái)姿態(tài)角的變化規(guī)律得出該抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定效果.圖13為液壓缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線圖，圖14為不采用任何控制算法時(shí)上平臺(tái)繞X/Y/Z軸的姿態(tài)角的變化曲線.

圖13 液壓缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線圖Fig.13 Drive function curve of hydraulic cylinder

圖14 上平臺(tái)沿X/Y/Z軸姿態(tài)角變化曲線Fig.14 Angle change curve along the X/Y/Z axis attitude for the up platform

如圖14，同時(shí)施加3種沖擊載荷且不采用任何控制算法時(shí)，上平臺(tái)繞X軸的最大正轉(zhuǎn)角為7.51°，最大負(fù)轉(zhuǎn)角為1.19°；繞Y軸的最大正轉(zhuǎn)角接近0°，最大負(fù)轉(zhuǎn)角為3.25°；繞Z軸的最大正轉(zhuǎn)角為0.52°，最大負(fù)轉(zhuǎn)角為5.13°.繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度保持在10°之內(nèi)，與艦船的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度相比已減少很多，穩(wěn)定效果明顯.

為了增加可信度，對(duì)艦船在正常行駛(受艦船環(huán)境及正常波浪沖擊影響)時(shí)抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的工作狀況進(jìn)行分析.給下平臺(tái)施加一組波浪模擬信號(hào)，在未采用控制算法時(shí)上平臺(tái)的姿態(tài)變化情況如圖15.

圖15 未加大沖擊時(shí)上平臺(tái)沿X/Y/Z軸姿態(tài)角變化曲線Fig.15 Angle change curve without largeimpact along the X/Y/Z axis attitude for the up platform

由圖15可以看出，在只受艦船環(huán)境及正常波浪影響時(shí)，抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的轉(zhuǎn)角范圍基本保持在10°左右，與受到大沖擊載荷時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況接近，進(jìn)一步說明了該抗沖穩(wěn)定平臺(tái)抗沖、穩(wěn)定效果良好.

3 結(jié)論

(1) 針對(duì)單一式并聯(lián)艦載穩(wěn)定平臺(tái)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合式艦載抗沖穩(wěn)定平臺(tái)，并詳細(xì)地介紹了該抗沖穩(wěn)定平臺(tái)主要構(gòu)件的設(shè)計(jì).

(2) 基于Adams建立抗沖穩(wěn)定平臺(tái)的虛擬樣機(jī)，分析其下/中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況，研究機(jī)構(gòu)的抗沖性能和穩(wěn)定性能，得出結(jié)論:沿Y軸方向(豎直方向)的減振倍率可達(dá)10倍，沿X軸方向(水平方向)抗沖效果相對(duì)Y軸方向較差，在轉(zhuǎn)角方面的減振倍率可達(dá)20倍；不采用任何控制算法時(shí)，上平臺(tái)繞X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度保持在10°之內(nèi)，穩(wěn)定效果明顯.文中分析結(jié)果為后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析和高精度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù).