飛行器極性測試六自由度并聯平臺設計與應用

鞠新星，勝永民，李明章，高 祥

（航空工業洪都，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各部件在任務計算機控制下的協同工作能力。

飛行器極性測試方法主要有兩種，第一種為“數學測試法”，測試設備向飛行器發送極性測試命令，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，測試設備采集舵機角度反饋值，實現舵機極性測試；第二種為“物理測試法”，即測試設備向飛行器發送極性測試命令，飛行器收到后進入制導率閉環測試程序，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，同時觀察舵機偏轉方向是否與既定方向相同，測試設備采集舵機反饋值進行數字、物理雙重校驗，最終判定極性正確性。

物理測試法相比數學測試法更為完善和真實，但必須具備相應的運動支撐設備。較為常見的設備有三軸轉臺及測試支撐車，三軸轉臺常用于機載成件級裝前測試仿真驗證環節，受重量、體積和外部電纜影響，整機總裝后再架設到三軸轉臺中具有諸多困難；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，設計并實現了一種六自由度運動模擬平臺，實現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 六自由度并聯臺研究背景與目的

20世紀60年代，并聯式六自由度運動平臺發展歷史上出現了最具代表性的人物——英國科學家Stewart，他于1965年提出了一套并聯式六連桿空間運動機構，之后不久該機構被成功應用到飛行器模擬中，成為飛行模擬器的標準機構并被命名為“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，可應用到各種姿態模擬及運動學仿真領域。

本文研究的六自由度并聯臺是Stewart平臺在飛行器測試領域的一次探索應用和嘗試，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、滾轉三個姿態不小于±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 六自由度并聯臺設計

2.1 并聯臺總體設計

本項目設計的六自由度并聯臺，主要由控制系統和機械本體兩大部分組成?？刂葡到y主要由平臺運動控制器（見圖3）、伺服電機驅動器、高低壓配電元器件和控制柜結構件組成。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 機械本體設計

2.2.1 構型設計

1）支鏈構型選擇

選用UCU支鏈作為六自由度并聯臺的支鏈基本結構，套用自由度核算公式：

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

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

2）支鏈布局設計

支鏈布局與動、靜平臺為類似三角形形狀。

3）外形尺寸設計

靜平臺尺寸：以U1（固定平臺）關節轉動中心點構成的六邊形外接圓半徑Rb=1060mm；

動平臺尺寸：以U2（移動平臺）關節轉動中心點構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UCU三類運動副的特點，選定伺服電動缸作為六自由度并聯臺的驅動副?？紤]到伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，可方便地將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，且具有高強度、高速度、高精度定位、運動平穩、低噪音、易維護等優點。伺服電動缸初步選型從以下方面進行：

1）負載選型

根據技術要求規定六自由度并聯臺最大負載mload=2000kg。設定動平臺質量mplant=1500kg。設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定為T=5s。設定平臺依據3-4-5次多項式加速度規律運動，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

根據機構傳動設計規范，六自由度并聯臺支鏈與豎直方向的夾角應越小，傳動性能越優越，該角度設計中應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

設定安全系數為2倍，則單支電動缸的最大有效負載不低于18604N

電機最高輸出轉速為nmotor=vmax*60/10*i=3000rpm

2）行程選型

六自由度并聯臺沿x、y、z向平移范圍需求為±100mm。經運動學計算分析，可以初步設定電動缸行程為

3）電動缸、伺服電機選型

根據以上計算，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，主要參數如下：

2.2.3 運動副設計

六自由度并聯臺中最重要的部分就是UCU支鏈中的U運動副的結構設計，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構。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軸承的預緊，從而消除運動間隙。該U副可以實現繞x軸和y軸兩個方向的轉動。通過詳細的結構設計，初步確定U副最大允許轉動角度。

圖4 U副結構示意圖

2.2.4 靜、動平臺設計

靜平臺均勻分布6個吊環安裝孔，方便設備吊裝，保證設備吊裝時保持平衡，下方設置三個支座，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，平臺上設有的導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 定位工裝設計

定位工裝采用安裝于支撐座上，動平臺與兩組的導軌滑塊相連，通過底部伺服驅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 控制系統設計

控制系統主要包括上位機PLC以及數據采集系統，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轉變成為PLC系統和NC/CNC軸控制系統的實時控制器。TwinCAT將軟件NC與軟件PLC結合在一起，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PLCopen組織認證的標準化功能塊從PLC程序調用。TwinCAT、NC/NC、I/CNC中用于實現軸控制的算法考慮到了軸的動態參數：轉速、加速度和加加速度。通過這種方式，軸隨時可在允許的動態限值范圍內運動，并且進行分析協調。有許多不同的控制算法可以降低實際應用中會出現的與理想軌跡的偏差。

采集系統由信息感知單元、設備狀態信息感知單元、人機交互單元、過程可視化監控單元組成。

通過采集伺服電機編碼器的值，通過位置、速度、加速度正解，即可實施獲得姿態調整數據，并將姿態數據隨時間變化的曲線輸出，同時可將數據離散上傳。

3 關鍵指標仿真校驗

3.1 動平臺強度校驗

為了確保六自由度并聯臺結構剛度符合要求，針對關鍵結構件進行強度校驗。結構件采用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，動平臺結構強度滿足材料要求。

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的產品重量，對平臺施加力，得到零點狀態時和繞x軸轉10度兩個狀態下的平臺變形圖，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 零點狀態下，平臺受力變形圖

圖12 繞x軸轉10度，平臺受力變形圖

3.4 運動學仿真

以平臺從運動位置運動到繞x軸旋轉10°為典型運動過程，設定運動周期，平臺安裝1500kg重的產品，將經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，按照多項式加速度運動規律，利用仿真軟件計算得出6個伺服驅動缸的推力曲線和速度曲線如下：

分析圖13中數據得出，運動過程中所需單個伺服缸的最大推力Fmax=8346N，根據伺服缸的參數，已知伺服缸導程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矩7.22N·m，可滿足使用條件。

分析圖14中數據得出，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速

圖14 伺服缸的速度時間曲線

小于伺服電機的額定轉度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°

根據以上計算結果，則Δθmax＜Δθ，滿足精度指標。

4 結語

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臺的應用研究，分析了傳統裝后極性測試方法的局限性以及六自由度并聯臺在極性測試中的應用優勢，對六自由度并聯臺的結構設計、電氣控制系統設計、結構強度校驗分析、運動學仿真、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施提供了設計方法。