鞠新星，勝永民，李明章，高 祥

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛行器極性測試是科研階段飛行器的一項重要測試項目，其目的在于驗證飛行器舵機及舵面裝配的正確性，以及飛行器控制系統(tǒng)各部件在任務(wù)計算機控制下的協(xié)同工作能力。

飛行器極性測試方法主要有兩種，第一種為“數(shù)學(xué)測試法”，測試設(shè)備向飛行器發(fā)送極性測試命令，飛行器收到后自主生成控制命令，控制各舵機按既定順序、方向和角度進行運動，測試設(shè)備采集舵機角度反饋值，實現(xiàn)舵機極性測試；第二種為“物理測試法”，即測試設(shè)備向飛行器發(fā)送極性測試命令，飛行器收到后進入制導(dǎo)率閉環(huán)測試程序，此時測試人員采用各種方法將機體按三軸坐標系進行逐向擺動，同時觀察舵機偏轉(zhuǎn)方向是否與既定方向相同，測試設(shè)備采集舵機反饋值進行數(shù)字、物理雙重校驗，最終判定極性正確性。

物理測試法相比數(shù)學(xué)測試法更為完善和真實，但必須具備相應(yīng)的運動支撐設(shè)備。較為常見的設(shè)備有三軸轉(zhuǎn)臺及測試支撐車，三軸轉(zhuǎn)臺常用于機載成件級裝前測試仿真驗證環(huán)節(jié)，受重量、體積和外部電纜影響，整機總裝后再架設(shè)到三軸轉(zhuǎn)臺中具有諸多困難；測試支撐車相對更靈活，但承重能力和運動角度一般都較小，不具備通用性。

本文針對飛行器裝后極性測試需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種六自由度運動模擬平臺，實現(xiàn)對飛行器裝后極性測試時機體角運動、線運動的模擬，其不僅具有三軸轉(zhuǎn)臺的運動自由性，還具有測試支撐車的靈活性，是極性測試的理想平臺。

1 六自由度并聯(lián)臺研究背景與目的

20世紀60年代，并聯(lián)式六自由度運動平臺發(fā)展歷史上出現(xiàn)了最具代表性的人物——英國科學(xué)家Stewart，他于1965年提出了一套并聯(lián)式六連桿空間運動機構(gòu)，之后不久該機構(gòu)被成功應(yīng)用到飛行器模擬中，成為飛行模擬器的標準機構(gòu)并被命名為“Stewart平臺”[1-3]，如圖1所示。

圖1 Stewart平臺原始模型

Stewart平臺是一種空間六自由度機器人，可實現(xiàn)空間6自由度運動，包括3自由度的平移和3自由度的角位移，可應(yīng)用到各種姿態(tài)模擬及運動學(xué)仿真領(lǐng)域。

本文研究的六自由度并聯(lián)臺是Stewart平臺在飛行器測試領(lǐng)域的一次探索應(yīng)用和嘗試，對解決大載荷大角度飛行器裝后極性測試難題具有重要意義。該項研究來源于某課題項目，其要解決的基本命題為：使2000kg（含工裝）重的飛行器負載在平臺上自由運動，包括完成航向、俯仰、滾轉(zhuǎn)三個姿態(tài)不小于±10°的角運動，角精度不超過0.08°，以及上下、左右、前后不小于±10cm的平移運動。

2 六自由度并聯(lián)臺設(shè)計

2.1 并聯(lián)臺總體設(shè)計

本項目設(shè)計的六自由度并聯(lián)臺，主要由控制系統(tǒng)和機械本體兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要由平臺運動控制器（見圖3）、伺服電機驅(qū)動器、高低壓配電元器件和控制柜結(jié)構(gòu)件組成。機械本體主要由動平臺、靜平臺、定位工裝組件以及連接動平臺和靜平臺的6條UCU支鏈組成（見圖2）。每條支鏈通過伺服電機帶動的伸縮電動缸提供動力，利用電動缸沿直線的伸縮運動實現(xiàn)動平臺沿x、y、z坐標軸方向的移動和繞x、y、z坐標軸的轉(zhuǎn)動。

圖2 機械本體部分示意圖

圖3 控制器部分示意圖

2.2 機械本體設(shè)計

2.2.1 構(gòu)型設(shè)計

1）支鏈構(gòu)型選擇

選用UCU支鏈作為六自由度并聯(lián)臺的支鏈基本結(jié)構(gòu)，套用自由度核算公式：

式中，n為機構(gòu)總構(gòu)件數(shù)；g為運動副數(shù)；fi為第i個運動副的相對自由度數(shù)。選用UCU支鏈的六自由度并聯(lián)臺中n=14，g=18,=36。因此，UCU支鏈自由度數(shù)為：

通過自由度分析，選用UCU支鏈后機構(gòu)具備6個自由度，可以實現(xiàn)3自由度的平移和3自由度的角位移運動。

2）支鏈布局設(shè)計

支鏈布局與動、靜平臺為類似三角形形狀。

3）外形尺寸設(shè)計

靜平臺尺寸：以U1（固定平臺）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心點構(gòu)成的六邊形外接圓半徑Rb=1060mm；

動平臺尺寸：以U2（移動平臺）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心點構(gòu)成的六邊形外接圓半徑Ra=660mm

2.2.2 電動缸、伺服電機選型

根據(jù)UCU三類運動副的特點，選定伺服電動缸作為六自由度并聯(lián)臺的驅(qū)動副?？紤]到伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，可方便地將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，且具有高強度、高速度、高精度定位、運動平穩(wěn)、低噪音、易維護等優(yōu)點。伺服電動缸初步選型從以下方面進行：

1）負載選型

根據(jù)技術(shù)要求規(guī)定六自由度并聯(lián)臺最大負載mload=2000kg。設(shè)定動平臺質(zhì)量mplant=1500kg。設(shè)定平臺最大運動速度為vmax=50mm/s，平臺最大平移行程smax=200mm，平臺運動一個周期時間設(shè)定為T=5s。設(shè)定平臺依據(jù)3-4-5次多項式加速度規(guī)律運動，計算得平臺最大運動加速度為αmax=25mm/s2。則平臺運動中的最大負載總和為

根據(jù)機構(gòu)傳動設(shè)計規(guī)范，六自由度并聯(lián)臺支鏈與豎直方向的夾角應(yīng)越小，傳動性能越優(yōu)越，該角度設(shè)計中應(yīng)符合傳動角的一般概念，角度β≤50°，因此，可以計算每條支鏈中的最大負載為

設(shè)定安全系數(shù)為2倍，則單支電動缸的最大有效負載不低于18604N

電機最高輸出轉(zhuǎn)速為nmotor=vmax*60/10*i=3000rpm

2）行程選型

六自由度并聯(lián)臺沿x、y、z向平移范圍需求為±100mm。經(jīng)運動學(xué)計算分析，可以初步設(shè)定電動缸行程為

3）電動缸、伺服電機選型

根據(jù)以上計算，本項目最終選擇北京某公司DMB40系列電動缸、德國某公司BMH140伺服電機，主要參數(shù)如下：

2.2.3 運動副設(shè)計

六自由度并聯(lián)臺中最重要的部分就是UCU支鏈中的U運動副的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其直接影響平臺的運動精度和運動范圍。

如圖4所示，U副采用典型的雙軸承支點軸系結(jié)構(gòu)。軸承選用可同時承載較大軸向力和徑向力的圓錐滾子軸承。利用兩端的軸承端蓋可以輕松實現(xiàn)軸承的預(yù)緊，從而消除運動間隙。該U副可以實現(xiàn)繞x軸和y軸兩個方向的轉(zhuǎn)動。通過詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，初步確定U副最大允許轉(zhuǎn)動角度。

圖4 U副結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 靜、動平臺設(shè)計

靜平臺均勻分布6個吊環(huán)安裝孔，方便設(shè)備吊裝，保證設(shè)備吊裝時保持平衡，下方設(shè)置三個支座，靜平與固定基準平臺通過螺栓連接，保證連接可靠穩(wěn)定且易于拆裝（見圖5）。

圖5 靜平臺示意圖

動平臺采用平板和框架一體焊接而成，保證強度的同時降低了重量，平臺上設(shè)有的導(dǎo)軌固定槽和安裝螺紋孔，用于安裝上部定位工裝等組件（見圖6）。

圖6 動平臺示意圖

2.2.5 定位工裝設(shè)計

定位工裝采用安裝于支撐座上，動平臺與兩組的導(dǎo)軌滑塊相連，通過底部伺服驅(qū)動的滾珠絲杠可以使上部的定位工裝整體移動（見圖7）。

圖7 定位工裝示意圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要包括上位機PLC以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上位機PLC選用高性能觸控面板型PC+，如圖3所示。采用TwinCAT 2.0自動化軟件將PC轉(zhuǎn)變成為PLC系統(tǒng)和NC/CNC軸控制系統(tǒng)的實時控制器。TwinCAT將軟件NC與軟件PLC結(jié)合在一起，形成功能強大的控制器。兩個軟件包之間的通訊是一種純軟件之間的通訊，其延遲時間非常短。NC功能通過經(jīng)PLCopen組織認證的標準化功能塊從PLC程序調(diào)用。TwinCAT、NC/NC、I/CNC中用于實現(xiàn)軸控制的算法考慮到了軸的動態(tài)參數(shù)：轉(zhuǎn)速、加速度和加加速度。通過這種方式，軸隨時可在允許的動態(tài)限值范圍內(nèi)運動，并且進行分析協(xié)調(diào)。有許多不同的控制算法可以降低實際應(yīng)用中會出現(xiàn)的與理想軌跡的偏差。

采集系統(tǒng)由信息感知單元、設(shè)備狀態(tài)信息感知單元、人機交互單元、過程可視化監(jiān)控單元組成。

通過采集伺服電機編碼器的值，通過位置、速度、加速度正解，即可實施獲得姿態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)，并將姿態(tài)數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線輸出，同時可將數(shù)據(jù)離散上傳。

3 關(guān)鍵指標仿真校驗

3.1 動平臺強度校驗

為了確保六自由度并聯(lián)臺結(jié)構(gòu)剛度符合要求，針對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進行強度校驗。結(jié)構(gòu)件采用Q235作為主要材料，材料的屈服強度為235MPa，利用仿真軟件校驗各零件如圖8所示。

圖8 動平臺受力變形圖(受力前)

動平臺連接工件表面施加20000N正壓力，動平臺最大變形量為0.103mm，如圖9所示，動平臺結(jié)構(gòu)強度滿足材料要求。

圖9 動平臺受力變形圖（受力后）

3.2 鉸鏈強度校驗

根據(jù)上文受力計算，在鉸鏈受力面施加力Flimb,鉸鏈最大變形量為0.022mm（見圖10），滿足材料要求。

3.3 極限位姿校驗

按照1500kg的產(chǎn)品重量，對平臺施加力，得到零點狀態(tài)時和繞x軸轉(zhuǎn)10度兩個狀態(tài)下的平臺變形圖，如圖11和圖12所示，平臺受力變形最大為0.241mm，滿足材料強度要求。

圖11 零點狀態(tài)下，平臺受力變形圖

圖12 繞x軸轉(zhuǎn)10度，平臺受力變形圖

3.4 運動學(xué)仿真

以平臺從運動位置運動到繞x軸旋轉(zhuǎn)10°為典型運動過程，設(shè)定運動周期，平臺安裝1500kg重的產(chǎn)品，將經(jīng)過計算得出此過程的六個伺服電動缸的運動距離S作為參數(shù)，按照多項式加速度運動規(guī)律，利用仿真軟件計算得出6個伺服驅(qū)動缸的推力曲線和速度曲線如下：

分析圖13中數(shù)據(jù)得出，運動過程中所需單個伺服缸的最大推力Fmax=8346N，根據(jù)伺服缸的參數(shù)，已知伺服缸導(dǎo)程l=10mm,按公式

圖13 伺服缸的推力時間曲線

求得T=16.6N·m，取安全系數(shù)為3，已知減速機速比為1:10，可計算出需要的電機輸出扭矩為

小于伺服電機額定轉(zhuǎn)矩7.22N·m，可滿足使用條件。

分析圖14中數(shù)據(jù)得出，運動過程中所需單個伺服缸的最大運動速度v_max=41.5mm/s，計算得出所需伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速

圖14 伺服缸的速度時間曲線

小于伺服電機的額定轉(zhuǎn)度3500r/min，可滿足使用條件。

3.5 角精度校驗

平臺角精度要求為Δθ≤0.08°。動平臺運動副安裝半徑r=660mm,運動副安裝平面的平面度取9級加工精度Δdplate=0.40mm,鉸鏈的間隙和變形量Δdu=0.40mm,電動缸的繩索重復(fù)定位精度Δdg=0.02mm，則最大誤差角可按下式計算：Δθmax=(Δdplate+2Δdu+Δdg)/2rπ*180=0.053°

根據(jù)以上計算結(jié)果，則Δθmax＜Δθ，滿足精度指標。

4 結(jié)語

本文針對飛行器裝后極性測試的特點，開展了六自由度并聯(lián)臺的應(yīng)用研究，分析了傳統(tǒng)裝后極性測試方法的局限性以及六自由度并聯(lián)臺在極性測試中的應(yīng)用優(yōu)勢，對六自由度并聯(lián)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度校驗分析、運動學(xué)仿真、精度分析進行了闡述，為重型飛行器負載裝后極性測試輔助設(shè)施提供了設(shè)計方法。