三自由度仿真平臺設計

王 磊

（上海贏浩機電設備有限公司，上海 201617）

運動仿真平臺是目前應用廣泛的一種實驗仿真輔助設備。相較其他平臺，三自由度平臺具有結構簡單、成本低以及控制精度高等優點，且不受時間、空間及氣候環境等多種因素的影響，被廣泛應用于駕駛模擬訓練、飛行訓練以及船載運動等場景[1]。但是，由于多方面因素的影響，我國的三自由度仿真平臺相較國外而言依舊存在一定的差距，再加上傳統的三自由度平臺受到結構因素的影響，致使平臺調節范圍較小，靈活性不高，對仿真效果有一定的影響。本文在傳統仿真平臺的基礎上設計了一款新型三自由度仿真平臺，可以根據實際情況自由調節其運行范圍，應用范圍更廣，操作更加便捷。

1 三自由度平臺系統組成

由圖1可知，設計的三自由度平臺主要由靜平臺機構、動平臺機構、氣缸機構、滑臺機構、減震機構以及絞球機構等組成。靜平臺機構相當于整個多自由度平臺的基座，不僅可以將整個平臺穩定固定在特定場所，而且對上肢起到了支撐與固定作用。動平臺機構位于整個平臺的頂部，主要用來支撐固定其他物體，便于起到更好的仿真作用。氣缸機構是仿真平臺的主要動力源，通過合理控制氣缸運動帶動頂部的動平臺沿預設路徑運行，便于順利開展仿真工作。滑塊機構用于調節氣缸在靜平臺上的位姿，可以有效增大仿真平臺的運行范圍。減震機構將動靜平臺有效串聯起來。絞球機構可以將氣缸機構與動平臺機構有效連接，并達到傳力的目的，進而帶動動平臺機構自由 運轉。

圖1 三自由度平臺系統組成圖

2 三自由度平臺的整體設計和工作原理

圖2為設計的三自由度仿真平臺整體結構示意圖。該平臺主要由靜平臺1、動平臺2和驅動裝置3組成。其中，靜平臺1和動平臺2均為矩形，表面光滑，加工精度高[2]。一方面便于底部的靜平臺1較好地固定在預定場所，另一方面有利于動平臺可以較好地支撐與固定其他仿真設備，提高仿真精度。此外，為便于動平臺2可以自由運行，在動平臺2的底部安裝有絞球座4，可以進一步增加動平臺2運行時的靈活性。驅動裝置3是平臺的主要動力源，內部涉及多個機構。為便于理解，給出具體的結構見圖3。

圖2 三自由度平臺整體示意圖

由圖3可知，驅動裝置主要包括3大部分。

圖3 三自由度平臺驅動裝置結構示意圖

第1部分是安裝在靜平臺上的絲杠滑塊機構，主要由條形塊1、驅動電機2、矩形槽3、絲杠4、滑塊5、連接座6、安裝塊7、限位塊8及限位槽9等組成。條形塊1安裝在靜平臺上，并將其內部設計為矩形槽狀2，便于安裝絲杠4并對其起到保護作用。將驅動電機2安裝在條形塊1的一端并與絲杠4連接，通過控制電機2正反轉，在絲杠4的螺旋傳力下帶動絲杠4上方的滑塊5做橫向移動，以進一步增加仿真平臺的調節范圍。為便于滑塊5在條形塊1內部穩定運行，在滑塊5的兩側增加限位塊8，并在對應矩形槽3內部增加限位槽9，以起到較好的限位及導向作用。因為減震裝置需要安裝在滑塊5上并跟隨其做橫向移動，所以在滑塊5上增加連接座6，并在連接座6上增加安裝塊7，便于減震機構更好地固定在滑塊5上。

第2部分是氣缸機構，主要由氣缸11和絞球12組成。通過絞球與位于動平臺底部的絞球座鏈接[3]，可以傳遞動力并帶動動平臺沿預設路徑運行。

第3部分是減震機構，結構如圖4所示。該機構主要由減震筒1、減震彈簧2、減震塊3、減震插桿4、安裝盤5、導向塊6及導向槽7等部件組成。減震筒1是減震機構的基座，并將其固定在安裝塊上跟隨滑塊做橫向移動。減震彈簧2的一側固定在減震筒1的底部，減震彈簧2的另一端固定有減震塊3，且減震塊3位于減震筒1內部。在導向塊6與導向槽7的輔助下，減震塊3可以跟隨減震彈簧2做升降運動，且可以起到限位及導向作用。利用減震插桿4將減震塊3與安裝盤5連接起來。利用安裝盤5固定驅動氣缸，在減震彈簧2的帶動下帶動減震塊3、減震插桿4和安裝盤5整體做升降運動，進而帶動驅動氣缸做升降運動，起到較好的減震效果，延長整機壽命[4]。

圖4 減震結構示意圖

3 基于PLC的三自由度平臺控制系統設計

3.1電機選型及PLC的I/O地址設計

三自由度仿真平臺主要的電氣元件包括驅動電機和氣缸，其中電機與絲杠配合使用，用于調節滑塊的橫向位置。綜合比較現有的電機類型，最終選用步進電機實現動力傳遞。為更好地實現電機動作，采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進行總體控制，輸入/輸出（Input/Output，I/O）地址分配如表1所示[5-6]。

表1 滑臺步進電機I/O分配表

3.2 氣缸控制回路設計

氣缸的主要動力來源于空壓機，且在壓縮空氣時不僅需要對空壓機進行相應處理，還需要合理設計氣缸的控制回路[7]。結合設計要求，最終選用帶有緩沖的雙作用氣缸作為主要氣動元件，并將其控制回路設計為帶行程檢測的時間、速度雙向間接控制回路，如 圖5所示。

圖5 氣缸控制回路原理圖

4 結論

為進一步提高三自由度仿真平臺的發展，基于傳統平臺機構進行優化設計，主要工作如下：

（1）選用氣缸作為平臺的主要傳動部件，將其控制回路設計為帶行程檢測的時間、速度雙向間接控制，進一步提高整機的控制精度；

（2）為進一步增大平臺的仿真運行范圍，選用高精度絲杠滑塊機構來精準調節氣缸在靜平臺上的位姿，彌補了傳統仿真平臺運行范圍小的弊端；

（3）選用標準件進行三自由度仿真平臺結構設計，采用精密進口元器件完成平臺的控制系統設計，進一步提高了整個平臺的性能。

設計彌補了傳統仿真平臺運行范圍小的缺點，在提高運行范圍的同時簡化其結構，降低了制造成本，且整個機械結構層次分明，可更好地應用于多種仿真場合，有助于提高仿真水平。