肖志堅(jiān)，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(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、聽覺、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，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)［1－4］。平臺有6 套獨(dú)立的液壓伺服系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過控制6個(gè)作動(dòng)筒的伸縮，來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺在6 個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)［5－6］。

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:萬向鉸鏈下支座、液壓作動(dòng)筒、儲能器、萬向鉸鏈上支座、油源、控制電纜以及運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)［7］，其中的運(yùn)行系統(tǒng)基座框圖如圖1所示。

圖1 運(yùn)行系統(tǒng)基座框圖

1.1 萬向鉸鏈支座組件

每一個(gè)萬向鉸鏈上、下支座組件包括兩個(gè)接頭，它與運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(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稱液缸，6 個(gè)作動(dòng)筒控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺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［8］。

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19 MPa 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25 MPa。運(yùn)動(dòng)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(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)筒液壓控制原理圖如圖2所示，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)該換向閥處于常開位，液壓油通過節(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)，液壓油通過點(diǎn)M進(jìn)入作動(dòng)筒下室F，此時(shí)作動(dòng)筒伸長;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節(jié)流閥6 回油，此時(shí)作動(dòng)筒伸出部分回縮。

圖2 伺服作動(dòng)筒液壓控制圖

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?；钊纳舷滤俣扔捎布拗频?.688 m/s，以防止緩沖過程中過載。

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量作動(dòng)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(dòng)筒還安裝了一個(gè)微型限位開關(guān)來檢測活塞桿的完全縮進(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如圖3所示:飛行模擬機(jī)主計(jì)算機(jī)通過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)過浮點(diǎn)運(yùn)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(dòng)感信號作為伺服作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)信號再經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換變成模擬信號輸入至作動(dòng)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(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，結(jié)合控制信號，共同控制電液伺服閥以使作動(dòng)筒到達(dá)精確的位置。

圖3 作動(dòng)筒伺服控制圖

3.2 作動(dòng)筒安全保護(hù)機(jī)制

(1)位置檢測及保護(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)通過磁位移傳感器實(shí)時(shí)采集作動(dòng)筒的位置信號，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(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)平臺緩慢放下。

(2)壓力檢測及保護(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，當(dāng)檢測到壓力傳感器超過最大壓力范圍時(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

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)通過對6 個(gè)液壓伺服作動(dòng)筒的控制來實(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6 自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

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