0372-飞行模拟转台设计【全套4张CAD图+说明书】
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飞行模拟转台设计
摘要：飞行模拟转台是航空航天仿真试验的重要设备之一，近年来仿真技术的发展对飞行模拟转台提出了更高的要求，同时也促进和飞行模拟转台的开发。飞行模拟转台是具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖实验设备，它是在实验室条件下模拟飞行器或导弹在空中飞行姿态半实物仿真的有力工具，它和目标发生装置组合在一起模拟导弹跟踪目标的过程，可以真实地模拟出导弹等飞行器在空间的各种姿态和动力学特性，从而对其传感器件、控制系统和执行机构等硬件设备的性能加以测试和评价，为飞行器的研制、改进和再设计提供各种参考依据。它的性能指标直接关系到飞行仿真结果的逼真度。随着当前国际形势的日益严峻和我国现代军事技术的不断发展，对模拟转台的精度要求不断提高。作为一种高精度的运动仿真设备，其台体动态特性直接影响到转台动态仿真的可靠程度。在设计阶段对机械台体进行动态特性分析和优化设计，尤其是对框架等结构支撑部件的动态特性研究和结构优化设计十分重要。本文主要介绍液压模拟转台，包括设计特点和主要性能，并对主要指标的测试情况作了简单介绍和分析。
关键字：飞行模拟转台 航空航天 仿真
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1 1. 绪论 题的依据及意义 随着飞机和导弹的快速发展，要求其具有更高的性能和稳定性 ,这就要我们通过对他们的性能参数进行测量评估进而进行改进，但一架真正的飞机或一枚导弹的成本太高 ,我们不可能也没有必要用一架真正的飞机或导弹来进行实验采集数据 ,这就要求我们采用一些比较合理的实验装置来实现飞机或导弹的飞行状态，这样飞行模拟实验转台得以发展。该转台可以将重物放在其上面也可以用来对飞行员进行培训，因为它可以模拟飞机在空中飞行的各种姿态。该装置的出现既达到了对飞机或导弹性能参数的采集，进而改进，在成本上远远 低于一架飞机或导弹的价格，对飞机和导弹的发展具有不可估量的价值。 内外研究概况及发展趋势 目前 ,大部分飞行模拟转台采用串联式机构 ,而本设计则采用并联式机械机构来实现的。采用并联机构其承载能力大 ,机构简单。本机构由上下两个工作平台 ,下平台固定在地面上 ,上平台用来放待实验的物品 ,在上下平台之间采用三个液压缸连接 ,通过液压缸上声高度的不同 ,来实现上平台的倾斜 ,而上平台可由电动机带动旋转从而达到模拟飞机在飞行过程中的各种状态。 飞行模拟器研制及应用被认为是飞行模拟技术发展的基础性工程和关键环节，一直受到世 界各国尤其是发达国家的高度重视。美国是世界上最早开展飞行模拟器研究和应用的国家，在技术和数量上一直居领先地位。据统计，美国的飞行模拟器研制和采办费用每年增长一倍，仅 1995 年 2000 年的费用就高达 36 亿美元。俄罗斯同样是世界上的飞行模拟大国和强国，他们的所有飞机都配备有相应的飞行模拟器，仅空中飞行模拟器就有 20 余种，其中包括先进的空地综合飞行模拟系统。值得提出的是，俄罗斯在飞行模拟器的基础理论研究，特别是人 、德、法等国的飞行模拟器研制及应用也始终处于世界先进 行列。 我国在飞行模拟器研制及应用方面虽然起步比美、俄、英法等国较晚，但仍是世界上发展飞行模拟器较早的国家。于 20世纪 60年代开始使用射击练习器和仪表飞行练习器，并建立了研究用飞机控制系统模拟试验台、航空发动机模拟试验台。 20 世纪 80年代发展更快，先后研制成功了一系列研制用飞行模拟器和工程用飞行模拟器，并普及设计、制造和使用了各个机种的飞行模拟训练器。出此，我国还是世界上少数 2 能够设计和建造空中飞行模拟器的国家之一，所以可堪称为“飞行模拟器大国”。 2 . 单片机控制系统设计 飞行模拟实验转台的控制 系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的飞行模拟实验转台仅有 3个液压缸和一个电动机，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机 以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。 将本次单片机的控制系统划分为以下几个模块： 图 2片机模块图 片机的选用及功能介绍 980年推出的 8位单片微型计算机。其典型产品有 8031、 8051 和 8751三种 机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全相同。在此我们选用了较为常用的 8051 芯片。示： 列单片机由微处理器、存储器、定时器 /计数器、串行和并行的 I/断系统合振荡器构成。 8051的 根引脚采用分时复用的方法作低 8位地址线与双向 8位数据线； 5 根引脚在访问片外存储器或扩展 I/O 接口时，提供高位地址； 4根引脚接 2片 74码器，产生片选信号；引脚 48155、 8279 和 使能端； 6接重启电路。 8 显示部分 逆变电路 单 片 机 位移和转速检测电路 片外存储器 键盘部分 光电隔离 驱动电路 电动机 3 外存储器功能简介 片外存储器扩展包括程序存储器（ 展和数据存储器（ 展。 4中 8051、 8071 片内有 48031片内无程序存储器。当采用 8051、 8071型单片机而程序超过 4采用 8031单片机时，就需对程序存储器进行外部扩展。 外部程序存储器的扩展原理如图 22 图 2部程序存储器扩展原理图 外部程序存储器可选用 。紫外线擦除电可编程只读存储器 型产品有 司的系列芯片 2716（ 2 、2732A（ 4 、 2764A（ 8 、 27128A（ 16 、 27256（ 32 和27512（ 64 等 ， 在这些芯片上均设有一个玻璃口 ， 在紫外线下照射 20分钟左右 ， 存 储中的各位信息均变为 1。以后通过编程器可将这些程序固化到这些芯片中。 如在实时数据采集和处理时，仅靠内部的 此必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态 下为静态 示： 2 指令 E 2 口 数据输出 锁存器 数据输入 E 2 口 锁存器 译 码 4 图 2部数据存储器的扩展原理图 6264 是 8的静态随机存储芯片，采用 艺制造，单一 +5V 供电，额定功率 200型存储时间 200 28 线双列直插式封装。 6264 的 3条地址线与锁存器的输出及 对应线相连， 6264 的 条数据线与 8031的 6264的 8031 的 应， 8 按照这种片选方式， 6264 的 8址范围不唯一， 6000H 7一 种地址范围。当向该片 6000H 单元写有个数据 用如下指令： A， #6000H A 从 7用如下指令： #7A， 面讨论的是 8031 扩展一片 方法。在实际应用中，可能需要扩展多片 次设计要扩展 8的 片。当， A+作时， 8 片 2764 不应该同时被选中，这就是所谓的片选。我们采用了地址法译码，译码芯片为 2片 74共可提供 16个片选信号。 示与键盘部分设计 显示设备有 们选用的是功能简单的 条发光二极管组成显示字段，有的还带有小数点 7段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。 。 5 8155芯片内具有 256个字节的 个 8位、一个 6位的可编程 I/ 单片机应用系统中使用最广泛的芯片。 8 8155可以和 8155的 000H 00令口： 0200H 0201H 0202H 0203H 定时器低位： 0204H 定时器高位： 0205H 设 8051个显示缓冲单元 79H 7别存放 6位显示器的显示数据。8155的 8155 的 每一位显示出一个字符，其余位为暗，依次改变 口输出对应的段数据， 6位显示器就显示出缓冲器的显示字符。程序清单如下： #79H ；显示缓冲区首址送 #01H ；使显示器最右边位亮 A， #0101H ；扫描值送入 A ；指向 A， ；取显示数据 A， #12H ；加上偏移量 A， A+ ；取出字形 A ；送出显示 ；延时 ；缓冲区地址加 1 A， ； ；扫到第 6个显示位了吗？ A ；没有， 描下一个显示位 A 6 06H， 5466H， 6 ；显示段码表 07H， 7677H， 7 9H， 579H， 71H， 73H， 3 1H， 61H， 123H， 40H， 03H 8H， 00H， 00H， 00H #02H ；延时子程序 #0盘共设有 32 个键，由 4条行线 8条列线组成开关矩阵。对于开关矩阵的接法大多数单片机的入门教科书上大多是采用 8155 作为键盘 I/但 8155芯片不具备中断请求输出端，于是不得不采用键盘扫描程序不断的检测是否有按键被使用，这样就给单片机造成了很大的运算负担，运算量较大时有可能造成系统无法响应，所以我们在这里选用了专门用于键盘连接的 8279芯片。 8279采用单一 5V 电源供电， 40脚封装。 流异步电动机变频调速系统 交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛应用。与其他种类电动机相比，交流异步电动机的市场占有量始终第一位。 然而，长期以来，交流异步电动机的调速始终是一 个不好解决的难题。直到 20世纪 70年代，由于计算机的产生，以及近 20 年来新型快速的电力电子原件的出现，才使得交流异步电动机调速成为可能，并得到迅速的普及。 9目前，交流异步电动机调速系统已广泛用于数控机床、风机、泵类、传带机、给料系统、空调器等设备的动力源或运动源，并起到节约电能、提高设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。因此，交流异步电动机调速技术是现代自动控制专业技术人员必须要掌握的知识。现代流行的交流异步电动机调速控制方法是变频变压法（ 这种调速方法的原理比较简单，而且有 20 多年比较成 熟的发展经验，因此应用得较多，市场上也有较多的相关产品。 7 流异步电动机变频调速原理 根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由式 (2示： s)-1(p (29 式中 : 由上式可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数 p、转差率 f。其中，改变电源频率来实现交流异步电动 机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。 电路和逆变电路工作原理 变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交 交方式，即先将交流电转变成直流电（整流、滤波），再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变）。图 2是主电路的原理图，它是变频器常用的最基本的格式。 图 2压型交 交变频调速主电路 （ 1） 主电路中各元件的功能如下。 交 整 流管 三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压 U=x 380V = 513V2 8 滤波电容 在负载变化时保持电压平稳。 当变频器通电时，瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻 时一段时间后，通过控制电路使开关 限流电阻短路。 电源指示灯 可以在电源断开时，作为滤波电容 波电容 以放电的时间较长（数分钟），几百伏的高电压会威胁人员安全，因此，在维修时要等指示灯 熄灭后进行。 动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路，使这部分再生电流耗在电阻 动时，通过控制电路使开关管 成放电通路。 直 2 逆变开关管 直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管 率效应管 续流二极管 逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变将为 0，但由于电动机 线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二级管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二级管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。 电阻 容 极管 保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流 图所示，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时， 高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（ 减少电压增 长率；当逆变开关管开通时， 速降低，而联在逆变开光管两端的电容（ 于电压降低，将通过逆变开关管放电，这将加速电流 成逆变开光管的损坏。所以增加电阻（ 6），限制电容的放电电流。可是当逆变开光管关断时，该电阻又会阻止电容的充电。为了解决这个矛盾，在电子两端并联二极管（ 使电容在充电时，避开电阻，通过二极管充电，在放电时，通过电子放电，实现缓冲功能。 （ 2） 三相逆变桥的工作原理 三相逆变桥的电路简图如图 2a） 9所示，图中 R、 Y、 2b） 9是各逆变管导通的时序，其中深色部分表示逆变导管。图 2b）可以看出，每一时刻总能有 3只逆变管导通，另 3 只逆变管关断；并且 5、 9 6每对逆变管不能同时导通。 在 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 和从 （设从 R 到 Y、从 、从 为正方向），得到线电压为 在 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 和从 ，得到的线电压为 在 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 和从 ，得到的线电压为 在 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 和从 ，得到的线电压为 9 图 2路简图和逆变管通断时序 在 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 和从 ，得到的线电压为 在 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 和从 ， 得到的线电压为 线电压 。从图中可以看出，三者之间互差 120，它们的幅值是 U。 10 图 2变输出线电压波形 因此，只要按图的规律控制 6只逆变管的导通和关断，就可以把直流电逆变成矩形波三相交流电；而绝、形波三相交流电的频率可在逆变是受到控制。 然而，矩形波不是正弦波，含有许多高次谐波成分，将使交流异步电动机产生发热、力矩下降、振动噪声等不利结果。为了使输出的波形接近正弦波，可采用正弦脉宽调制波。 频与变压 由前面的叙述可知改变电源 频率可达到改变电动机转速的目的，但实际上当交流异步电动机进行变频调速时，必定会造成通过电动机铁芯的磁通量的改变。由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时与达到最大容量，因此，当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。 为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变，即设法使 E / f = = 常数 这就要求，当电动机改变电源频率 维持它们的比值不变。由于阻抗上产生的压降相对于加 在绕组端的电源电压 略去。则： U E 这就说明可以通过调节电压 U，使其跟随频率 而调整电动机的转速。 怎样实现变频的同时也变压？我们采用的方法是脉宽调制（ 将图 3图 20所示。 11 图 2如图 2个脉冲的宽度为 邻脉冲的间隔为 t1+z(脉冲周期 )。则等宽脉冲的占空比为 = t1+ 调节占空比，就可以调节输出 的平均电压；调节 ，就可以改变电源频率，实现调速。通过控制电路，可以容易的实现对脉冲波的占空比和 10 但是，虽然实现了变频与变压，可是逆变电路输出的电压波形仍然是一组矩形波，而不是正弦波，仍然存在许多高次谐波的成分，因此还要进行改变。 一种方法是将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦波的变化规律，如图所示。我们把这样的波称为正弦脉宽调制波，简称 以得到基本满意的效果。 产生正弦脉宽调制波 一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图所示，其相等的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。 12 图 2形生成方法 将这组等腰三角形波称为载波，而正弦波则称为调制波。正弦波的频率和扶植时刻控制的，如图 21所示，改变正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变了输出电压。 11 动机与单片机的接口 在调制波的频率、幅值和载波的频率这 3项参数中， 不论哪一项发生变化时，都使得载波与调制波的交点发生变化。因此，在每一次调整时，都要重新计算交点的坐标。显然，单片机的计算能力和速度不足以胜任这项任务。过去通常的作法是：对计算做一些简化，并事先计算出交点坐标，将其制成表格，使用时进行查表调用。但即使这样，单片机的负担也很重。 为了使单片机从这一沉重的负担中解脱出来，近些年来，一些厂商推出了专用于生成三相或单项 控制信号的大规模集成电路芯片，如 用这样的集成电路芯片，可以大大地减轻单片机的负担，使单片机可以空出大量的时间用于检测和监控。在本次设计中，我们采用的便是 相 司推出的一种专用于三相 既可以单独使用，也可以与大多数型号的单片机接口。该芯片的主要特点为：全数字控制；兼容 列和 出调制波频率范围 0 46位调速分辨率；载波频率最高可达 24部 种可选波形；可选最小脉宽和延迟时间（死区）；可单独调整各相输出以适应不平衡负载；看门狗定时器。 8 脚的 自单片机的数据通过总线控制和译码进入初始化寄存器或控制寄存器。它们对相控逻辑电路进行控制。外部时钟输入经分频器分成设定的频率，并生成三角形载波，三角载波与所选定的片内 动生成 过脉冲删除电路，删去比较窄的脉冲（如图所示），因为这样的脉冲不起任何作用，只会增加开关管的损耗。通过脉冲延迟电路生成死区，保证任何桥臂上的两个开关管不会在状态转换期间短路。看门狗定时器用来防止程序跑飞，当时间条件满足时快速封锁输出。 片内 种 可供选择的波形，它们是纯正弦波、增强型波形和高效波形。如图所示。每一种波形各 1536个采样值。增强型波形又称三次谐波，它可以使输出提高 20%，三相谐波互相抵消，防止电动机发热。高效型波形又称带死区的三次谐波， 13 它是进一步优化的三次谐波，可以减小逆变开关管的损耗，提高功率利用率。 寄存器列阵包含 8个 8位寄存器 中 这些数据可能是初始化数据 ,或者是控制数据；而 理上不存在。当向 际是将 存放的 48位数据送入初始化寄存器。当向 将 8位数据送入控制寄存器。 次我们选用的是 8051 的地址与数据总线，因此， 过 8051 的 D 口相连，提供 8位数据和低 8位地址，051 的低 8位地址，从而将 地址锁存器由 8051 的 时，连接的控 制信号还有读、写信号 R。 4控制信号8 个寄存器的地址为 ,寄存器 0000H 0005H;虚拟寄存器 15的地址 :00000 051的 单片机能够在异常情况下封锁 051的 测量调制波的频率，用于显示。 输出被封锁时，发光二极 管灯亮报警。个输出引脚 驱动逆变桥的 6只开关管。 移和转速检测部分的设计 移检测传感器和转速检测传感器的选用 由于转台控制量的要求精度较高，必须采用闭环控制系统，又由设计要求可知所设计的液压飞行模拟实验转台统必须具备位置检测功能。所以必须通过高精度的位移传感器对位移量进行检测和绝对式编码器对转速进行检测，将检测结果转换成数字量，反馈给单片机，通过单片机对这些数据进行处理，处理的结果作为控 制量对电动机进行控制，从而实现对各个液压缸升降速度的精确和工作台转速的控制，也就是对位移量的精确控制。在此我们选用光栅位移检测传感器。原因有如下几点： （ 1）输出数字信号。光栅传感器输出的是数字信号，这使得它易于与数字电路，特别是单片机接口。这样就省去了模 化了电路。 14 （ 2）高精度。由于在某些使用场合下对转台的工作精度要求较高，所以应选用具有较高精度的位移检测传感器。而光栅尺完全符合这种需求，由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，光栅传感器可以得到很高的 测量精度。目前，用于长度测量的光栅，其测量误差可控制在 度为 3 m/1500辨率可做到 m，允许计数速度为 200mm/s。 （ 3）具备大量程。这次我们设计的同步顶升系统，其每个液压缸的最大行程为400以需要传感器具有较大的量程。但是一般的大量程的传感器其分辨率都不高，但光栅尺却可以很好的克服这个缺点。 （ 4）性价比高。在测量精度方面，光栅传感器和绝对式编码器仅次于激光测量，而成本却低的多。 10 但是由于光栅传感器的光栅片一般是用玻璃制作的，而且移 动光栅片与固定光栅片之间的间隙很小，因此对环境条件如湿度、温度、振动、冲击等较为敏感。环境的变化会影响光栅传感器的性能和可靠性。所以设计液压缸的结构时我们将光栅尺密封在活塞内腔中，但不与活塞一起上下运动，活塞升降时应尽量避免油液渗透进内腔污染光栅尺和电子原件。千斤顶的底座可通过螺钉与固定支架相连，可提高千斤顶的稳定性，减少振动，亦可保护光栅传感器。 栅位移和转速传感器与单片机的接口设计 单片机与光栅传感器的接口电路如图 2有 3个部分组成，包括光栅信号检测电路、辨向电路、位置计数电路。 光栅信号检测电路由光敏三极管和两个比较器 自光栅的莫尔条纹照到光敏三极管 们所输出的电信号加到两个比较器的镇输入端上，而在这 2个比较器的负输入端分别由 2个 个 参考电压应使光栅输出的 电平宽度一样（即整形）。从 a、 向电路是由与门 或门 位寄存器 95 组成。 95的数据输入端 a， b，接收脉冲由单片机的 0端提供。因此，当 95的接收脉冲端 1 和 1、 。 当莫尔条纹上移时，电偏平变化序列为 00011110；但当莫尔条纹下移时，电平变化序列为 00101101。在考虑的现新行状态和上次状态时，则有逻辑信号如表所列。从表中可以看出，但把上次与本次的状态组合成一个数码时，对于莫尔条纹上移的情况，两端的位总是不等，中间两位总是相等，对于莫尔条纹下移的情况，两端的位总 15 是相等，中间两位总是不等。利用这种明显相反的特点，通过逻辑电平辨别光栅移动方向。 因此，在 4位寄存器 95中，把 2输入端，把 3输入端，其意义也就是 a、 a、 样在 95中就形成了表 30中所列的代码。 从单片机送来的脉冲信号是 95接收数据的时钟信号，这个时钟信号的频率较高，但这个信号从 95的 产生了这种情况：只有当现行的 会产生表所列的编码；如果 95中的 数码和 如， 1，而且不变，则接收数 据信号从 95接收的结果为 0101,当 0时，在 95接收后为 0000。这些情况有利于判别 明显，有如下结论： （ 1）当 变时， 95的 1同。所以，只有当 16 17 等时， （ 2）当 95的 1 中有， 尔条纹下移； 尔条纹上移。 为 了实现上面 2 点结论，在图中采用了 时，由于 有者 相同。当 输出 1，同时 ，这样， 。所以 ，它们都不会产生计数信号。当 相同时， ,出 0,故 ,使 定输出 0，也不会产生计数信号。 在 当莫尔条纹上移时，则必有 时， ， 出 1,使 。因此 ,出的上升沿使 4位加 /减同步计数器 193进行加法计数。 当莫尔条纹下移时，必有 同。这时 ， ，使。因此， Y 输出 1， 。 位加 /减同步计数器 193进行减法计数。 位置计数电路由 2片 93串联组成，形成 8位计数器。 193是 4位加 /减计数器，加法计数时，计数信号由 位信号从 减法计数时，计数信号由 位信号从 193可以预置数据，预置数据从 收预置数据的脉冲信号从 时， 193接收 入的数据。端， 时 193清 0。在预置和计数时，要求 。 在图 32 个 193的 过电阻 5V，并经电容 以，爱接通电源的瞬间有 ， ，使 193接收 193清 0。然后， 193的内容由 片机通过 位数据，从而得到光栅的现行位置。 3 机械结构与液压传动系统设计 该液压飞行模拟实验转台由升降系统、传动系统和控制系统三部分组成，可以通过升降系统来实现上工作平台的倾斜角度、通过传动系统来实现上工作平台的旋转，从而达到模拟飞机或导弹在空中飞行时的各种姿态，而控制系统则用来控制升降系统中各个液压缸上升的高度和传动系统中的电动机的转速从而达到工作平台要求的工 18 作角度和旋转速度。升降系统有液压式、气电式、气压式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了技术比较成熟的液压系统。传动 系统有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、螺纹传动、带轮传动，考虑到有冲击则采用带轮传动，同时采用离合器从而减少对电动机的惯性冲击。 控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的飞行模拟实验转台仅有 3个液压缸和一个电动机，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机 以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。 该液压飞行模拟实验转台机械结构如图 3示。 升降系统有液压式、气电式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终 选用了技术比较成熟的液压系统。该升降系统由三个液压缸组成。 我们所设计的 液压飞行模拟转台 的主要参数是总高约 1500大行程为400大载荷为 1t。因 液压飞行模拟转台 载荷较大，位置精度要求较高，故上升速度不宜过大，最大上升速度应控制在 50mm/内。 压缸结构 由于液压缸的外形尺寸较大，需承受的较大的冲击载荷，所以初步拟定采用了法兰型液压缸的结构原型，并在此基础上针对液压缸的使用特性进行调整其总体结构如图 2示。 为了实现工作平台的倾斜角度，液压缸的工作台与活塞杆应采用转动连 接副相连。当液压缸工作时，液压缸的工作台自由转动，所以设计时将活塞杆顶部插入球头，与工作台形成转动副。如图 3示。球头与活塞杆采用紧固螺钉固定。 由于光栅尺尺寸较长，只能将活塞和活塞杆做成中空状来放置光栅传感器。这样活塞与活塞杆之间不宜采用螺母紧固，方便起见，我们将活塞和活塞杆合为一体，材料同为 45号钢。工作时发光元件与光敏元件随活塞作同步运动，光栅尺下端固定在底盖上不动，光源与光栅尺的相对位移量通过读数头转化为数字信号传递给单片机。 19 20 图 3压缸总体结构图 图 3压缸的工作台与活塞 之间的连接 由于液压缸的行程较长，达 400工作台旋转一个角度去承载重物时容易产生较大的弯曲力矩使活塞杆折断。所以有必要设计一个支撑套进行保护。支撑套与油缸壁之间采用通孔螺钉紧固。 21 由于光栅传感器放在液压缸内部，考虑到其信号线的连接问题，我们将油缸底盖与液压缸底座之间留有一定空间。为了方便装卸，不宜将底盖与油缸焊接。经过多方面的考虑，比较了多种方案后，采用了如图 3 3 个螺纹孔，用 4 个型号为 六角头螺栓将底盖顶起至油缸卡槽处。螺杆长度比实际所需 的长 3 5通过增加垫片的方法达到使 4 个螺栓平均分配载荷的目的。底盖上套有密封圈，防止漏油。液压缸底座与油缸通过 4个内六角螺钉紧固。在底座和油缸两侧各开一个通孔用于连接光栅传感器的信号线。 压缸零部件分析 由于液压缸可能会在比较恶劣的条件下使用，而且在装载和卸载重物时，可能会因操作不当而对千斤顶底座造成较大冲击，导致整个系统遭到破坏。所以底座采用具有较高强度和韧性的球墨铸铁 。 图 3压缸底盖的固定方式 油缸是液压系统的主要零件，它与底座、底盖、油口、导向套等零件构成 密封的容器，用于容纳压力油液，同时还是活塞的运动轨道。所以设计油缸时，应该正确的确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性 22 和耐用性。 对油缸材料的可选空间很大，对其进行筛选需要有足够的耐心。对油缸的要求：1要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态压力而不致产生永久变形；2要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用 力而不致产生弯曲； 3内表面与活塞密封件及导向套的摩擦作用下，能长期工作而磨损很少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性； 4最好还需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的时候不致产生裂纹或过大变形。 4最后我们选定各方面性能良好的 45号钢。油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，现在国内市场上已有内孔经珩磨或内孔精加工的无缝钢管卖，只需按所要求的长度切割即可。 本次设计虽然活塞与活塞杆采用了一体式设计，采用相同的材料，但对他们的工艺要求很不相同，所以分开来介绍。 由于活塞在液体压力的作用下 沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞材料我们选用的是 45号钢。活塞外径的配合一般采用 径对内孔的同轴度公差不大于 面与轴线的垂直度公差不大于 00表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，内孔的工作表面粗糙度 m。 活塞杆要在导向套中滑动， 一般采用 H8/配合。太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损。其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴径与外圆的同轴度公差不大于 为了保证活塞缸外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 00保证活塞安装不产生歪斜。 活塞杆的外圆粗糙度 m。太光滑了，表面无法形成油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚 进行抛光或磨削加工。 活塞杆导向套装在缸筒和支撑套的内侧，被限制在缸筒和支撑套的卡槽之内，但不固定死。用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒的密封。上方装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。如图 3 导向套的材料我们选用的是摩擦系数较小、耐磨性好的青铜 向套外 23 圆与缸筒内孔工作表面的配合多为 H8/孔与活塞杆外圆的配合也可采用 H8/圆与内孔的同轴度公差不大于 度和圆柱度公差 本次设计中所 有的密封装置都采用的是 了自密封作用外，由于压力的作用和液体分子与金属表面相互作用的结果，又业中所含的“极性分子”便在金属便表面形成一个坚固的边界层油膜，且对轴产生很大的附着力。该油膜始终存在于密封件与往复运动轴之间，从泄露的角度看，这是有害的，长时间的使用后会造成油液的泄露；但它对运动密封面的再润滑却起到异常重要的作用。所用材料是橡胶。符合 4 图 3向套的设计 液压缸底座与油缸之间的连接、光栅尺密封层与活塞之间的连接还有支 撑套与油缸壁之间的连接件采用的都是沉头内六角螺钉。符合 作台与盖板之间的连接和对油缸底盖的顶升都采用了六角头螺栓，并符合 缸的壁厚校验 油缸的额定压力 21221 ) （ 34 式中： 定工作压力； 缸外径，本次为 116 D油缸内径，本次为 86 24 S油缸材料屈服强度。 油缸的材料为 45 号钢，查表可得 S=360 由 此可知上式 右边 =压缸最大工作载荷为 1t，面积为 = (34 其中： 次为 10000N。 经校验，油缸壁所受压力在许可范围之内。 动系统结构分析与计算 传动系统是由电动机提供动力，为了防止在启动和关闭是电动机受到冲击，在电动机与轴连接处采用离合器，然后通过皮带轮将动力传到工作台带动工作台旋转，从而达到模拟飞行的转动。由于工作时平台上将放重物为了减少轴承所承 受的稠向力 ,所以在工作台下用滚球与支撑台接触 ,既减少了对轴承的力而且采用滚珠是滚动摩檫使得摩檫力不是很大从而所需要的转距不大。该系统由电动机、离合器、皮带轮以及轴和轴承组成。其结构图如图 3 图 3动机的选择 25 电动机是已经系列化了的标准产品。在设计中，主要根据所需电动机的输出功率、工作条件及经济要求，从产品目录中选择其类型、结构形式、容量（功率）和转速、并确定其型号。 （ 1）电动机类型的选择 因为三相交流异步电动机（特别是鼠笼式感应电动机）具有结构简单，工作可靠，价格 便宜和维护方便等优点，所以应用广泛。尤其在中小功率，无须调速而又长期带动稳定或变动载荷的设备中用得较多。 在选择电动机的类型时，主要考虑的是：静载荷或惯性载荷的大小，工作机械长期连续工作还是重复短时工作，工作环境是否多灰尘或水土飞溅等方面。 对于一般用途，无特殊要求的工作机械（如机床，鼓风机，水泵等）通常选用 电动机。对于灰尘较多或水土飞溅的地方（如磨粉机，碾米机，农用机械，矿山机械等）则必须选用 封闭自冷式电动机。 对于起动载荷或
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