飛行器極性測(cè)試六自由度并聯(lián)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(cè)試是科研階段飛行器的一項(xiàng)重要測(cè)試項(xiàng)目，其目的在于驗(yàn)證飛行器舵機(jī)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(jì)算機(jī)控制下的協(xié)同工作能力。

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

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

本文針對(duì)飛行器裝后極性測(cè)試需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器裝后極性測(cè)試時(shí)機(jī)體角運(yùn)動(dòng)、線運(yùn)動(dòng)的模擬，其不僅具有三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)自由性，還具有測(cè)試支撐車的靈活性，是極性測(cè)試的理想平臺(tái)。

1 六自由度并聯(lián)臺(tái)研究背景與目的

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

圖1 Stewart平臺(tái)原始模型

Stewart平臺(tái)是一種空間六自由度機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)空間6自由度運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)學(xué)仿真領(lǐng)域。

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

2 六自由度并聯(lián)臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的六自由度并聯(lián)臺(tái)，主要由控制系統(tǒng)和機(jī)械本體兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器（見(jiàn)圖3）、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高低壓配電元器件和控制柜結(jié)構(gòu)件組成。機(jī)械本體主要由動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)、定位工裝組件以及連接動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)的6條UCU支鏈組成（見(jiàn)圖2）。每條支鏈通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)的伸縮電動(dòng)缸提供動(dòng)力，利用電動(dòng)缸沿直線的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)沿x、y、z坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)和繞x、y、z坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 機(jī)械本體部分示意圖

圖3 控制器部分示意圖

2.2 機(jī)械本體設(shè)計(jì)

2.2.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

1）支鏈構(gòu)型選擇

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

式中，n為機(jī)構(gòu)總構(gòu)件數(shù)；g為運(yùn)動(dòng)副數(shù)；fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)自由度數(shù)。選用UCU支鏈的六自由度并聯(lián)臺(tái)中n=14，g=18,=36。因此，UCU支鏈自由度數(shù)為：

通過(guò)自由度分析，選用UCU支鏈后機(jī)構(gòu)具備6個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)3自由度的平移和3自由度的角位移運(yùn)動(dòng)。

2）支鏈布局設(shè)計(jì)

支鏈布局與動(dòng)、靜平臺(tái)為類似三角形形狀。

3）外形尺寸設(shè)計(jì)

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

動(dòng)平臺(tái)尺寸：以U2（移動(dòng)平臺(tái)）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)構(gòu)成的六邊形外接圓半徑Ra=660mm

2.2.2 電動(dòng)缸、伺服電機(jī)選型

根據(jù)UCU三類運(yùn)動(dòng)副的特點(diǎn)，選定伺服電動(dòng)缸作為六自由度并聯(lián)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)副。考慮到伺服電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，可方便地將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，且具有高強(qiáng)度、高速度、高精度定位、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低噪音、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。伺服電動(dòng)缸初步選型從以下方面進(jìn)行：

1）負(fù)載選型

根據(jù)技術(shù)要求規(guī)定六自由度并聯(lián)臺(tái)最大負(fù)載mload=2000kg。設(shè)定動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量mplant=1500kg。設(shè)定平臺(tái)最大運(yùn)動(dòng)速度為vmax=50mm/s，平臺(tái)最大平移行程smax=200mm，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期時(shí)間設(shè)定為T=5s。設(shè)定平臺(tái)依據(jù)3-4-5次多項(xiàng)式加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)，計(jì)算得平臺(tái)最大運(yùn)動(dòng)加速度為αmax=25mm/s2。則平臺(tái)運(yùn)動(dòng)中的最大負(fù)載總和為

根據(jù)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范，六自由度并聯(lián)臺(tái)支鏈與豎直方向的夾角應(yīng)越小，傳動(dòng)性能越優(yōu)越，該角度設(shè)計(jì)中應(yīng)符合傳動(dòng)角的一般概念，角度β≤50°，因此，可以計(jì)算每條支鏈中的最大負(fù)載為

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

電機(jī)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(tái)沿x、y、z向平移范圍需求為±100mm。經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算分析，可以初步設(shè)定電動(dòng)缸行程為

3）電動(dòng)缸、伺服電機(jī)選型

根據(jù)以上計(jì)算，本項(xiàng)目最終選擇北京某公司DMB40系列電動(dòng)缸、德國(guó)某公司BMH140伺服電機(jī)，主要參數(shù)如下：

2.2.3 運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)

六自由度并聯(lián)臺(tái)中最重要的部分就是UCU支鏈中的U運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其直接影響平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)范圍。

如圖4所示，U副采用典型的雙軸承支點(diǎn)軸系結(jié)構(gòu)。軸承選用可同時(shí)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(shí)現(xiàn)軸承的預(yù)緊，從而消除運(yùn)動(dòng)間隙。該U副可以實(shí)現(xiàn)繞x軸和y軸兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初步確定U副最大允許轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖4 U副結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 靜、動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

靜平臺(tái)均勻分布6個(gè)吊環(huán)安裝孔，方便設(shè)備吊裝，保證設(shè)備吊裝時(shí)保持平衡，下方設(shè)置三個(gè)支座，靜平與固定基準(zhǔn)平臺(tái)通過(guò)螺栓連接，保證連接可靠穩(wěn)定且易于拆裝（見(jiàn)圖5）。

圖5 靜平臺(tái)示意圖

動(dòng)平臺(tái)采用平板和框架一體焊接而成，保證強(qiáng)度的同時(shí)降低了重量，平臺(tái)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(jiàn)圖6）。

圖6 動(dòng)平臺(tái)示意圖

2.2.5 定位工裝設(shè)計(jì)

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

圖7 定位工裝示意圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)PLC以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上位機(jī)PLC選用高性能觸控面板型PC+，如圖3所示。采用TwinCAT 2.0自動(dòng)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(shí)時(shí)控制器。TwinCAT將軟件NC與軟件PLC結(jié)合在一起，形成功能強(qiáng)大的控制器。兩個(gè)軟件包之間的通訊是一種純軟件之間的通訊，其延遲時(shí)間非常短。NC功能通過(guò)經(jīng)PLCopen組織認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化功能塊從PLC程序調(diào)用。TwinCAT、NC/NC、I/CNC中用于實(shí)現(xiàn)軸控制的算法考慮到了軸的動(dòng)態(tài)參數(shù)：轉(zhuǎn)速、加速度和加加速度。通過(guò)這種方式，軸隨時(shí)可在允許的動(dòng)態(tài)限值范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且進(jìn)行分析協(xié)調(diào)。有許多不同的控制算法可以降低實(shí)際應(yīng)用中會(huì)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(jī)交互單元、過(guò)程可視化監(jiān)控單元組成。

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

3 關(guān)鍵指標(biāo)仿真校驗(yàn)

3.1 動(dòng)平臺(tái)強(qiáng)度校驗(yàn)

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

圖8 動(dòng)平臺(tái)受力變形圖(受力前)

動(dòng)平臺(tái)連接工件表面施加20000N正壓力，動(dòng)平臺(tái)最大變形量為0.103mm，如圖9所示，動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足材料要求。

圖9 動(dòng)平臺(tái)受力變形圖（受力后）

3.2 鉸鏈強(qiáng)度校驗(yàn)

根據(jù)上文受力計(jì)算，在鉸鏈?zhǔn)芰γ媸┘恿limb,鉸鏈最大變形量為0.022mm（見(jiàn)圖10），滿足材料要求。

3.3 極限位姿校驗(yàn)

按照1500kg的產(chǎn)品重量，對(duì)平臺(tái)施加力，得到零點(diǎn)狀態(tài)時(shí)和繞x軸轉(zhuǎn)10度兩個(gè)狀態(tài)下的平臺(tái)變形圖，如圖11和圖12所示，平臺(tái)受力變形最大為0.241mm，滿足材料強(qiáng)度要求。

圖11 零點(diǎn)狀態(tài)下，平臺(tái)受力變形圖

圖12 繞x軸轉(zhuǎn)10度，平臺(tái)受力變形圖

3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

以平臺(tái)從運(yùn)動(dòng)位置運(yùn)動(dòng)到繞x軸旋轉(zhuǎn)10°為典型運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)定運(yùn)動(dòng)周期，平臺(tái)安裝1500kg重的產(chǎn)品，將經(jīng)過(guò)計(jì)算得出此過(guò)程的六個(gè)伺服電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)距離S作為參數(shù)，按照多項(xiàng)式加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用仿真軟件計(jì)算得出6個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需單個(gè)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(shí)間曲線

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

小于伺服電機(jī)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需單個(gè)伺服缸的最大運(yùn)動(dòng)速度v_max=41.5mm/s，計(jì)算得出所需伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速

圖14 伺服缸的速度時(shí)間曲線

小于伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)度3500r/min，可滿足使用條件。

3.5 角精度校驗(yàn)

平臺(tái)角精度要求為Δθ≤0.08°。動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)副安裝半徑r=660mm,運(yùn)動(dòng)副安裝平面的平面度取9級(jí)加工精度Δdplate=0.40mm,鉸鏈的間隙和變形量Δdu=0.40mm,電動(dòng)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(jì)算：Δθmax=(Δdplate+2Δdu+Δdg)/2rπ*180=0.053°

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，則Δθmax＜Δθ，滿足精度指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)飛行器裝后極性測(cè)試的特點(diǎn)，開(kāi)展了六自由度并聯(lián)臺(tái)的應(yīng)用研究，分析了傳統(tǒng)裝后極性測(cè)試方法的局限性以及六自由度并聯(lián)臺(tái)在極性測(cè)試中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)六自由度并聯(lián)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、精度分析進(jìn)行了闡述，為重型飛行器負(fù)載裝后極性測(cè)試輔助設(shè)施提供了設(shè)計(jì)方法。