關於六自由度液壓伺服運動系統研究論文

飛行模擬機是一個複雜的實時仿真系統，它能夠模擬飛機的各種飛行狀態，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是一個六自由度運動平臺，它能夠作繞空間座標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。平臺有6 套獨立的液壓伺服系統，計算機透過控制6個作動筒的伸縮，來實現運動平臺在6 個自由度上的運動。

1 六自由度運動系統結構

六自由度運動系統主要包括以下部分: 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。

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自由運動，而沒有任何機械阻礙。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，所有的軸承都被調整到在指定負載情況下可無間隙地轉動。

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 個自由度的執行。其中液壓作動筒的設計比較特別，它包括液壓缸、液壓管、電液伺服閥、溢流閥、單向閥、節流閥以及位移傳感器。

1. 3 油源

油源被設計爲一個完整獨立的分系統，包括運動及油冷卻所需的泵、驅動電機、控制裝置、油箱、相關設備以及閥門。運動泵由一臺110 kW 的電機驅動，泵容量可變並進行壓力補償。在系統壓力爲19MPa 時，系統最大流量可調節到將近422 L /min，連續流量爲292 L /min。泵的最小額定工作壓力爲25MPa。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組成部分不會發生氣穴現象，閥門也不會震顫。在具體工程中，油源的流量和壓力根據需要發生改變。

2 伺服作動筒液壓控制原理

伺服作動筒液壓控制原理，伺服作動筒與系統壓力油管相連的上室是導通的。油由下室F 流入流出，由電液換向閥控制。當進油液輸入壓力大於12. 2 MPa 時，若電液換向閥5 不工作，此時該換向閥處於常開位，液壓油透過節流閥6 直接回油箱; 若在計算機控制下，換向閥3、4 工作，電液換向閥A 工作，當AP、BT 位連通時，液壓油透過點M進入作動筒下室F，此時作動筒伸長; 當AT、BP 位連通時，作動筒下室F 形成負壓，油箱裏的液壓油透過節流閥6 回油，此時作動筒伸出部分回縮。

在作動筒伸出和縮回兩種偏移極限時，作動筒有75 mm 的緩衝行程。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，以防止緩衝過程中過載。

作動筒內部頂端固定着一個磁位移傳感器，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，該壓力信號作爲安全信號以及作爲控制系統的反饋信號。作動筒還安裝了一個微型限位開關來檢測活塞桿的完全縮進位置。在作動筒邊上裝有連接器，用於伺服閥、壓力傳感器和位移傳感器的電纜鋪設。

3 作動筒伺服控制原理與安全保護

3. 1 作動筒伺服控制原理

作動筒伺服控制工作原理: 飛行模擬機主計算機透過採集飛行操縱等參數，計算出3 個方向的軸向線加速度、角速度、角加速度及3 個姿態角等數據，經過浮點運算等一系列複雜的變換，透過濾波得到能夠反映飛行員在飛機座椅上產生的力及其他動感信號作爲伺服作動筒的運動驅動信號，驅動信號再經過D/A 轉換變成模擬信號輸入至作動筒液壓伺服迴路，在迴路中，信號經過隔離放大、前置濾波、伺服放大後控制電液伺服閥門的開關量，從而控制液壓油的進出量，最終達到控制作動筒的伸縮量。同時，作動筒內的傳感器也會提供壓力及位置反饋信號，結合控制信號，共同控制電液伺服閥以使作動筒到達精確的位置。

3. 2 作動筒安全保護機制

(1) 位置檢測及保護

作動筒數字控制系統以位置控制爲基礎，當模擬機運動系統工作時，運動控制計算機透過磁位移傳感器實時採集作動筒的位置信號，然後將作動筒位置反饋給運動計算機; 計算機把作動筒位置的給定值和實際值進行比較，並將差值發送給控制閥，由控制閥來調節油量的進出多少。在作動筒運動的臨界位置安裝了一個微型限位開關來檢測活塞桿的完全縮進位置，一旦超過最大行程，將觸發限位開關，運動系統立即啓動安全保護，中斷作動筒執行，並將運動平臺緩慢放下。

(2) 壓力檢測及保護

當模擬機運動系統工作時，運動控制計算機採集作動筒壓力傳感器信號，當檢測到壓力傳感器超過最大壓力範圍時，計算機觸發報警系統，運動系統立即啓動安全保護，運動泵停止工作，作動筒泄壓，中斷作動筒執行，並將運動平臺放下。另外，液壓控制系統內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，以保障系統安全執行。

4 結束語

6 自由度液壓伺服運動系統是飛行模擬機的關鍵部件，計算機透過對6 個液壓伺服作動筒的控制來實現飛機俯仰、橫滾、偏航、升降、縱向平移和側向平移的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行了詳細分析，對6 自由度運動系統的開發和應用具有一定的指導意義。