三轴飞控仿生转台结构设计

第1章绪论1.１概述人类的航空航天的历史，可以追溯到很久以前，甚至连古人用的石头和矛、到\t"/item/%E8%88%AA%E7%A9%BA%E8%88%AA%E5%A4%A9%E7%A7%91%E5%AD%A6%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"古希腊阿尔希塔斯所制造的机械鸽、远至澳大利亚的\t"/item/%E8%88%AA%E7%A9%BA%E8%88%AA%E5%A4%A9%E7%A7%91%E5%AD%A6%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"飞去来器、中国的孔明灯和风筝都有关系[2]。航空航天科技术是近代二十世纪兴起的现代科学技术，并且一直保持这高新科技技术的重要地位。一个国家想要发展，一定绕不开航天航空领域。三轴飞控仿真转台能模拟飞行物体在飞行过程中的姿态运动。在实验室中，它可以再现在空中飞行时的姿态和速度的变化。够再现空间质心运动中的转角、角加速度、角速度等物理指标为惯性导航传感器提供了一个接近真实的模拟飞行环境。三轴飞控仿真转台，它可以在实验室环境下实时再现飞行物体的动态特性和各种飞行姿态。它的性能优劣直接关系到仿真和测试实验的精度和可信度，它可以再现在空中飞行时的姿态和速度的变化。够再现空间质心运动中的转角、角加速度、角速度等物理指标为惯性导航传感器提供了一个接近真实的模拟飞行环境。在飞控技术在飞行器系统中的核心地位也与日供增的同时。它是检测飞控元件性能和进行仿真实验的必不可少的设备。还能通过三轴飞控仿真转台来获取惯性元件的重要数据和误差，反复测试飞机的制导系统，控制系统和相应装置的性能，获得足够的测试数据，并根据数据重新设计和完善系统以达到整体飞机设计性能要求[2]。是最典型的测试仿真设备。1.2研究的目的和意义三轴飞控仿真转台，它可以在实验室环境下实时再现飞行物体的动态特性和各种飞行姿态。它的性能优劣直接关系到仿真和测试实验的精度和可信度，它可以再现在空中飞行时的姿态和速度的变化。够再现空间质心运动中的转角、角加速度、角速度等物理指标为惯性导航传感器提供了一个接近真实的模拟飞行环境。在飞控技术在飞行器系统中的核心地位也与日供增的同时。它是检测飞控元件性能和进行仿真实验的必不可少的设备。还能通过三轴飞控仿真转台来获取惯性元件的重要数据和误差，反复测试飞机的制导系统，控制系统和相应装置的性能，获得足够的测试数据，并根据数据重新设计和完善系统以达到整体飞机设计性能要求[2]。是最典型的测试仿真设备。1.3转台的研究发展趋势及现状在国际社会上，世界技术先进的发达国家和发展中国家在航天航空领域中都极其重视其领域。其中,美国的转台研究一直处于世界领先水平,其次,德国、英国、法国和瑞士等国研制的转台也具有一定代表性,性能和质量仅次于美国[1]。由于当时条件所限，该转台采用普通的滚珠轴承，交流力矩电机直接驱动转台，测量元件也采用的是精度较低的滚珠与微动开关，转台精度较低，有着很多缺点[2]，现实中也一直没有投入生产并且使用。而后的美国的欧思一伊利诺斯公司的菲克(Fecker)系统分公司又研制出了T-800型伺服转台,它标志着美国的转台设计己经达到了一个新水平六十年代开始对转台的重要部件如轴承、驱动马达和监测元件进行了系统的改进，研制成功了专用于转台的空气轴承和液压轴承，大调速比、高精度的液压马达和高分辨率的检测元件，把转台的技术水平推向了一个新台阶[3]。发展中国家例如印度和中国也一样投入大量资金和人力去研究其项目。可见其重要性。我国在20世纪60年代自主研发和制造了第一台液压飞行仿真转台,为我国早期飞行器控制和制导系统的发展做出了巨大的贡献[4]。随着科技的迅猛发展以及电子计算机的兴起和大功率的力矩电机的出现，使得在高性能三轴飞控仿真转台上实现力矩电机的电子计算机控制并且能直接驱动转台上看到希望。在这近几年看来，转台的发展有了很重要的进步。目前，国内的科研机构和高校有很多都在研发高精度转台，其中中航6354、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学丶南昌航空大学等等[2]。引入了电子计算机的数字化控制。使得复杂的控制程序由软件来控制和实现，参数调整更方便，使三轴仿真转台的研发更好。1990年中航303所研制成功了SGT1型三轴捷联惯导测试转台，这是我国第一台计算机控制的高精度三轴惯导测试台[5]。6自由度转台3KTD-300转台第2章三轴飞控仿真转台结构设计2.1概述2.1.1三轴飞控仿真转台的性能指标位转角范围（°）360180180置最大角速度（°/s）300210120伺最大角加速度（°/s2）1400080003000服最低平滑角速度(°/s)0.0010.0010.001状静态位置精度（″）101010态角位置分辨率（″）101010平坦段指标（Hz）|ΔA/A|<10%，|Δφ|<10°251812轴不垂直度（″）不大于10系不相交度（mm）不大于转台工作原理三轴转台在主要是根据计算机的指令，实时跟随指令信号，控制转台滚动、俯仰、航向轴系运动，模拟姿态角变化，与仿真计算机及射频系统形成闭合回路[6]。主要为模拟平台提供俯仰、翻滚、航向三轴系统的旋转运动和安装基准的机械系统，是由由三个机架和两个机座部分组成的。工作时，电力系统为其三个机架的驱动电机供电，提供能量。使转台带动负载进行必要的运动，并完成相应动作。控制系统通过跟随模拟器的指令，调节控制律。达到输出信号控制电机运动。应用软件实现转台与仿真计算机的实时通讯，记录转台三个框架运动的角位置数据，对试验的各轴角位置数据处理，绘制运动曲线，监控各轴的运动参数，实时进行安全性评估，进行各轴控制律运算，控制转台正确运动[4]。2.2驱动电机的选择动力输出方式的类型分成两种，分别为直接驱动和间接驱动。直接驱动是将电动机或液压马达输出轴直接与转台框架轴固联。其优点是有利于提高系统的动态性能和精度，主要缺点是其低速性能基本取决于驱动元件本身的低速特性[7]。间接驱动是将电动机或液压马达输出轴经齿轮减速直接驱动是将马达或液压马达的输出轴直接固定在转台的框轴上。其优点是有助于提高系统的动态性能和精度，而主要缺点是其低速的性能基本上取决于驱动元件本身的低速特性。间接驱动是马达或液压马达的输出轴通过齿轮减速，然后将转盘固定在框轴上。它的优点是：一则可改善系统的超低速的性能，二是小转矩的电机就可以驱动大负载转矩。主要缺点是齿轮啮合的间隙和齿面磨损后的精度损失影响了系统的准确度和稳定性。目前，国内外转盘大多数是采用直接驱动的方式。直接由电机驱动的一般为有力矩电机和直流伺服电机。力矩马达的转速低，可与机架直接连接形成直接驱动。然而，最大允许的转速降低时，是因为驱动扭矩提高了。因此，当转台的最高转速较低时，宜使用齿轮驱动的直流伺服电机，而应反之，则应该使用力矩电机。但是，直流伺服电机的轴向尺寸小，则适合驱动转台的内框架和中间框架轴。轴向尺寸大，就不该驱动钻台的内框架和中间框架。近年来出现的具有的调速特性的无刷直流力矩电机，不仅调速范围宽，还能直接用于驱动，为钻台提供动力。这是一种的新型驱动元件，发展前景广。满足要求的情况下，在以减小功率放大器难度的目地下，考虑上述的要求，本三轴飞控仿真台所选的电机[6]型号及技术性能见下表：名称内框电机中框电机外框电机电机型号250LYX06320LYX560LYX空载转速（rpm）806045峰值堵转力矩（Nm）90200980峰值堵转电流（A）14.513.550峰值堵转电压（V）6012095连续堵转力矩（Nm）4580410连续堵转电流（A）7.255.421数量（台）2212.2.1电动机的选择计划使用两组电动机共同提供动力，根据拟订的原始数据计算电动机所需的转速与扭距。电动机所需的转速：n输入=n×i/η总=22r/min×30=660r/min电动机所需的扭距：M输入=M/i/η总=135KNM/30/2/0.98×0.98=2.342KN·ｍ根据电动机所需的转速与扭距选择液压马达为A6VM107(2个)2.2.2电动机的性能参数6VM107马达参数：1、压力20--30MPa；2、变量范围70--107ml/r；3、外流流量250L/min。3.2.3电动机的动力参数计算液压马达转速:n马=Q×1000×ηv/vg=1000×250×0.97107=2266.355r/min液压马达最高转速：n马=Q×1000×ηv/70=1000×250×0.97/70=3464.286r/min液压马达最大扭矩：M马max=1.59×Δp×vg×ηm/70=1.59×30×107×0.94/70=479.767nm液压马达的功率：P=2πn马×M马=2×3.14×3464.286×479.767/60/1000=173.96kw/h3.3.2传动系统各级齿轮参数选择计算则；因为C=，，，由E可查得传动比iI=6。(3-1)适当调整使C为整数；得:；所以行星轮系齿数=12=采用不等角变位，取Zcl=24则:适合的预计啮合角的范围[3]，输入转距；太阳轮传递的转距；齿数比；选取；取齿宽系数ϕａ=b/a=0.6，载荷不均匀系数kc=1；按公式计算中心距[3]：(3-2)把计算数值代入3-2得：60.84模数；取mm；未变位时：按预取啮合角为a'ac=22°30′，可得中心距变动系数：'则中心距:所以实际中心距为mm。(3)计算实际中心距变动系数ya1c1和啮合角a'ac所以a'a1c1=22°42′。(4)计算变位系数用公式校核[3]，x∑a1ca在P6与P7之间，为综合性能较好区，可用。分配变位系数XA=0.232XC=0.367-0.21=0.135；则；所以。(6)计算c1－b1传动的变位系数：因为=；所以；故XB=0.367+0.135=0.502。低速级计算计算过程同高速级。3.3.1直流电机驱动器的选择依据上述条件查资料可得，只能选用步进电机，步进电机的特点就是可以根据电脉冲的大小和平率不同，进而输出不同的扭矩和转速。因此可以通过输入电流的大小和频率来控制步进电机的转速，步进机电的运行。f(频率)=步进机电的转速单元是：n/min（转每分钟）；频率单位是：Hz(赫兹)举例说明：频率1KHz；套用公式：1000=300主要考虑机械手最终形成的正压力。额定输出电流：直流5A(最大输出电流10A)。控制电源电压AC：工作温度范围为0℃~70℃或图3.3.2-2所示的圆形光栅编码器。工作电压5V±5%(最大200mA)、12V±5%、15V±5%、±15V±5%、24V±5%220系列：通信：220V±10%。主电源电压交流：系列110V：交流40-110V。列110V：交流40-110V。220系列：AC50-220V。110系列：通讯：110V±10%220系列：可设置0-230V或其他电压。输入给定信号：0-±10V。220系列：AC50-220V。110系列：通讯：110V±10%输出电压DC：110系列：可设置0-130V或其他电压。220系列：可设置0-230V或其他电压。额定输出电流：直流5A(最大输出电流10A)。DC10A(最大输出电流15A)图3.3.1MMT-DPS。DC20A(最大输出电流25A)。控制精度：0.1%。输入给定信号：0-±10V。速度反馈电压：7V/1000R9.5V/1000R。13.5V/1000R20V/1000R。机床、包装机、印刷机、木工机械、绘图仪、测量仪器、坦克、火炮、军舰、塑料切割机、石油钻探和管道系统。常规参数。工作温度范围为0℃~70℃或图3.3.2-2所示的圆形光栅编码器。工作电压5V±5%(最大200mA)、12V±5%、15V±5%、±15V±5%、24V±5%Tm=CmΦIa=KtIa3-1。公式：TM--电磁力矩，N·M。cm和kt-电机的转矩常数。Tj--惯性扭矩，N.m。m=Tf+Tl+Tj+BW3-4.。公式：TM-电机输出扭矩，N·M。TL-负载扭矩，N.M.。TF--摩擦力矩，N.M.。Bmure-粘性摩擦系数。公式(3-4)表明转速的变化是电机轴的扭矩平衡，因此称为电机动力学。

扭矩平衡方程，其中滞留量很小，可以忽略不计。2.4转台结构的设计三轴飞控仿真转台分为立式和卧式两种。力式采用U型结构。重量小，适合进行高精度的仿真实验，但是U型封闭式结构刚度低。垂直转盘的外框与水平方向平行。表面采用O型结构，结构刚度高，但机架的尺寸大而强的惯性矩力较强。自行设计的三轴飞行仿真转台实用要求具有体积小、负载轻、刚度要求低的优点。该仪表主原则上需要遵循减小转动惯量和提高精度。采用立式转台框架结构，外圈为音叉结构，中圈为音叉结构。为封闭O型结构，内环为平面装载平台结构[6]。在模拟试验中，转台外框决定模拟物体的偏航姿态。状态的仿真，中间框架负责模拟物体的俯仰姿态仿真。机架负责模拟物体的滚转姿态仿真。由模拟计算机给出。伺服控制卡对控制指令进行修正后，发送给内环驱动控制器。控制器由内环电机驱动控制器放大，驱动转台轴承。然后将直线上相同的角运动发送到主控计算机，以实现闭环。控制力三帧的旋转角度和旋转速度与上述三种姿势相对应。角运动通过三帧的组合运动在中重新创建无人机。可测出与实际飞行中相同的角运动，再送入主控计算机，实现闭环控制。3个框架的转角和转速应于上述3个姿态角运动，通过3个框架的组合运动，复现无人机在空中的角运动。在仿真试验中，转台的外框决定了仿真对象的姿态。2.4.1外环装配示意图外圈采用高精度平面推力球轴承，承受内、中圈轴系产生的巨大倾覆载荷，并对平面推力球轴承施加预紧力，以提高平面推力球轴承的刚度[2]。采用一对背靠背预紧角接触球轴承和一对面对面预紧角接触球轴承支撑外环轴，以保证主轴的径向跳动[6]。外环图2.4.2中环装配示意图与外环不相同的是，在外环和中环之间不再设计单独的轴，则是直接通向中心环上的轴系，这样能减少装配的误差，从而提高了转台的精度。如图所示中框结构示意图内框结构示意图2.4.3总装配示意图总装配的三维图，按二维图纸设计要求装配外框和底座。并且需要注意，所选择的框架除底座外材料是铸铝，底座的是灰铁，最重要的是，一律采用中空结构来为减轻转动惯量对转台精度和快速响应的影响，这样也方便布线！总装配示意图伺服系统总体设计3.1伺服系统的组成伺服控制系统转台的技术指标对控制系统的要求越来越高,最重要的性能指标可以用“高频响、超低速、宽调速、高精度”来概括[2]。为了达到这些技术指标,转台采用三环位置随动系统,即电流环、速度环和位置环。[1]从图中可以看出，信号反馈检测元件和控制通道之间的速度和位置反馈构成了机械体之间。3.2三轴转台的伺服工作原理除动力模块外，多执行器控制采用串口分布式控制，由计算机软件参数控制。对于该转台，机械体上的传感器检测装置将包括位置和速度信号在内的信号发送到控制器，控制器调整驱动器以驱动直流电机。首先，用户通过计算机用户界面设置运动参数，完成设备运动的初始化，然后DSP将信号相互传输[6]，再由直流驱动器驱动电机，再驱动机械体，机械体上的传感检测反馈给DSP，完成反馈。3.3伺服软件系统整个软件可通过控制系统。为了便于维护三轴仿真转台，以及扩充，控制软件系统采用了模块化设计思想，在对三轴转台进行控制的同时，可实时采集其3个框架的位置、速度、状态等信息，并通过三维视图实时展示转台的姿态[6]。转台的三维图和系统所运用到的软件如下3Dmax，OpenG2，Windows，VC++6.0。其中3dmax来绘制三维试图。第4章三轴飞控转台的运动仿真4.1概述三轴飞控仿真转台的无需模拟物体产品原型即可改进检验和认证流程，最大限度地提高产品质量，而不会产生其他难度的负担。4.1.1主要优点通过设计和分析工具的结合，集成的三轴仿真转台。创建用于在台式计算机上测试的虚拟原型，可以减少处理数据转换和相关错误所需的时间、精力和金钱，从而降低开发成本。能够更快、更早地反映产品中的不足，并从台式计算机测试中马上获得结果。通过缩短开发产品的时间，更早将更好的质量的产品推向市场。通过更准确地估算产品寿命，然后降低维修和保修的成本。利用虚拟测试节省的时间来评估更多的设计思想，可以开发出更多的创新产品[6]。在易于学习和直观的用户界面中工作。测量并以图形表示自定义规格，例如特定连接处的速度。使用图表显示主要反作用力如载荷将表格数据导出到电子表格以供进一步分析。将实际运动与图形结果进行比较。4.1.2研究复杂的实际情况。通过运动分析可以更便捷地研究模拟复杂情况。平衡点的载荷采用静力分析来确定。通过分析传送带连接、槽式马达、动态齿轮和普通齿轮，以了解所有运动关系。使用反向静态载荷来确定使机构运行所需的力(力平衡)。在用于空间声明研究的机构中轻松创建选定零部件的复杂运动包络部分，或在任何部件中作为占位符[6]。创建力和电动机的用户定义概览，从中获取测量力、扭矩、时间、加速度、速度或位置的自定义函数。建立了智能比例积分微分(PID)控制器以及非线性弹簧和阻尼器的模型。4.2三轴飞控转台仿真过程本文设计的三轴飞控转台通过UG软件来进行运动仿真，一些运动动画截屏如下。在以往的研究中，转台系统的研究和研发大多采用传统的方式(物理样机)，由于缺乏预先的仿真分析，对于平台的结构特征，包括强度、刚度、频响、装配、控制率等，在转台的设计和研发还有安装的过程中没有可靠的技术性能支撑，这可能会导致部分的零部件返工、转台的重新设计等。因为这些因素延长了转台的开发周期。仿真结果如力、力矩等信息也可为结构优化和轻量化设计提供重要依据。结合相关资料和本次设计仿真，总结了以下经验：在三轴飞控仿真转台的建模仿真过程中，通过分析和研究了转台的结构部件的力学特性，在转台通过UG软件建立的数值模型的基础上，对各种地方进行了对应的简化，并采用合适的单元类型来控制模型的规模和质量，这是保证分析精度的必要条件[2]。对于转台的研究，有必要根据不同的边界条件，校核各种载荷条件下各种应力状态的仿真计算，以达到评估各种刚度指标的目的[6]。通过对转台在不同工况下的弯曲刚度和